紅外可視化高精度溫控物流裝備集成研究

張詠梅 汪潔 畢然

摘 要：在當前農產品生產、加工、貯藏、運輸、銷售等各個環節，需要對溫濕度等數據進行實施采集，而人工的操作方法明顯耗時且浪費人力。本文集成攝像技術、紅外測溫、紅外測距、云臺控制技術等，對可視化紅外測溫測距溫控物流裝備系統研發進行了探討。

關鍵詞：非接觸;紅外測距

本研究針對我省食品現代流通業中存在著保鮮技術水平低、裝備科技含量低、環境控制能力差、檢測手段少和缺乏有效的質量追溯研究等問題，對目前已有的溫控物流關鍵技術進行集成研究與示范應用，依托紅外技術，形成紅外可視化高精度溫度監控一體化設備，降低溫控技術產品成本，提高國產化率、降低成本、并加強集成標準化研究。為我省溫控物流提供切實可行的技術手段，全面提高農產品質量安全監控能力。

（一）紅外測溫模塊的設計

1.軟硬結構

無線紅外測溫系統其系統硬件結構框圖如圖所示。使用對采集的紅外測溫模塊的溫度和超聲波測距模塊距離的數據進行整合處理，并運用WIFI或者有線模塊，實現將所測溫度與距離信息，無線傳送到PC機進行處理，并通過編程在上位機顯示。

2.紅外測溫傳感器模塊

紅外溫度傳感器按照測量原理可分為兩類：光電紅外溫度傳感器和熱電紅外溫度傳感器。本系統選用MLX90614紅外傳感器模塊構建的高精準紅外測溫模塊。

（1）紅外測溫傳感器模塊

Melexis司生產的MLX90614系列測溫模塊是應用非常方便的紅外測溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進行了校驗，并且可以直接輸出線性或準線性信號，具有很好的互換性，免去了復雜的校正過程。該模塊以81101熱電元件作為紅外感應部分。輸出是被測物體溫度與傳感器自身溫度共同作用的結果。

（2）單片機接口電路

MLX90614AAA 與單片機連接的硬件電路如圖所示。SCL、PWM/SDA 管腳直接連接MCU 的普通I/O口即可，由于 MLX90614AAA 的輸入輸出接口是漏級開路（OD）結構，需要加上拉電阻。多個 MLX90614 可以用于一個系統中，每個 MLX90614 對應一個不同地址，通過地址的不同而訪問不同的 MLX90614，最多可以達到 127 個。

（3）數據發送與接受

多個MLX90614可以用于一個系統中，通過地址不同區分器件，器件默認的地址為5AH，因此在多MLX90614系統中，需要給每個MLX90614分配一個不同的地址，在只有一個MLX90614的系統中，MLX90614識別地址00h，即在單個MLX90614系統中，可以使用該地址訪問它。

從MLX90614讀出的數據是16位的，由高8位（DataH）和低8位（DataL）兩部分組成，其中RAM地址07H單元存儲的是TOBJ1數據，數據范圍從0x27AD到0x7FFF，表示的溫度范圍是-70.01℃到+382.19℃。

（4） MLX90614模塊內部信號處理

MLX90614是由內部狀態機控制物體溫度和環境溫度的測量和計算，然后把計算后的濕度進行再處理，并將結果通過PWM方式輸出。

（二）激光測距模塊的設計

相位法測距，首先由主振信號發生器產生所需的主振測尺頻率信號和本振信號發生器產生所需的本測尺頻率等信號。四個主振測尺信號的另一部分信號經過調制器調制最終由激光發射器發射出去，送部分信號到達被測物體表面后反射回來，被光電探測器接收，濾波后與四個本振測尺頻率信號混頻成測量信號。之后由鑒相器進行鑒相，最后進行距離的計算。

對于相位式激光測距系統的設計，理論分析與實驗工作相結合，采取的研究方法為：查閱并收集資料、選擇合適的器件，測距理論總體設計和各個部分電路的研究設計，從而給出了整個相位式激光測距系統的電路系統實現方案。整個電路系統包括了四大部分，它們分別是：

半導體激光器的調制驅動電路，這部分采用高頻正弦信號對激光器的注入電流進行調制，使得激光器光強隨注入電流而變化。

光電檢測放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極管對激光信號進行探測。

鎖相環頻率綜合電路，這部分先對鎖相環原理作了簡單介紹，然后應用高精度的頻率計作頻率校準，自動調節本機振蕩頻率， 確保用作檢相的低頻信號的頻率穩定不變。

利用數字測相系統進行測相，最后通過屏幕顯示出來。

相位式激光測距是通過測量連續的幅度調制信號在待測距離上往返傳播所產生的相位延遲，間接地測定信號傳播時間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通常在毫米量級。它由激光發射系統、頻率調制系統、回波接收系統、混頻鑒相系統和計數顯示系統等組成。激光信號由調制系統調制后，經被測物反射，接收系統將反射的光信號轉換為電信號并進行放大，后轉到混頻器中進行混頻，混頻結果又進測中進行測相最后通過屏幕出來。

（三）視頻監測、云臺控制設計

云臺的功能主要是負責擴大攝像機的監視范圍，以及控制鏡頭等參數，使得視野更清晰。如下圖所示，云臺系統包括兩大模塊，鏡頭模塊和運動模塊。鏡頭模塊主要控制鏡頭的參數，細分為變焦、變倍、光圈等。而運動模塊又細分為上下動作控制，左右動作控制。電源供電模塊為所有的板塊提供工作電源。

系統按照功能包括采集功能、控制功能、報警功能、巡航功能、擴展功能等。平臺將盡最大可能，保持用戶現有網絡系統與應用系統，可與現有應用系統或將來的應用系統結合，實現多方統一管理功能，減少或避免用戶重復投資。

參考文獻：

[1] 鄧建平， 王國林， 黃沛然.用于高溫測量的紅外熱成像技術

[J] .流體力學實驗與測量， 2001， 15（1）：43-47.

作者簡介：

張詠梅，性別：女，籍貫：山東省濟寧市，民族：漢，出生年月：1975年4月，學位：博士，職稱：教授，研究方向：生物技術，單位：山東商業職業技術學院;

汪潔，性別：女，籍貫：安徽省樅陽縣，民族：漢，出生年月：1982年6月，學位：碩士，職稱：講師，研究方向：外國語言學，單位：山東商業職業技術學院;

畢然 ， 性別：男， 籍貫：山東濟南，民族：漢 ? 出生年月：1982年6月，學位：碩士研究生， 職稱：高級工程師，研究方向：信息技術、人工智能、大數據技術，單位： 山東省云商務大數據工程研究中心.

（山東商業職業技術學院 ?山東省云商務大數據工程研究中心）