裝在眼鏡上的體溫偵測與預警裝置

湖南省常德芷蘭實驗學校 劉宸瑞 王南淞

一、研究背景

在新冠肺炎疫情下，體溫檢測是疫情防控的第一道關口。目前，紅外體溫檢測儀被應用在公共場所，對辨別疑似病例發揮了重要作用。

但是，紅外體溫檢測儀只能近距離測溫，距離過遠會導致數據不準確，更不便于個人在小范圍內快速隱蔽地測量體溫。

于是，我們設計隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置，這種裝置可提醒人們在出行時遠離疑似病例，防止病毒感染。

二、基本思路

利用各種傳感器、Arduino 模塊、振動馬達和電源等組裝裝置，通過程序設計進行溫度補償，保證裝置測溫與預警的精準性，幫助人們辨別新冠肺炎疑似病例，避免與他們接觸。

三、制作過程

（一）結構設計

隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置由三部分構成。第一部分是感知系統，由紅外測溫傳感器、激光測距傳感器組成，實現溫度與距離的非接觸監測；第二部分是控制系統，由Arduino 模塊與程序構成，實現數據的接收與處理，并向輸出設置發出控制指令；第三部分為警示系統，由振動馬達與電源組成，實現報警與能源供應。裝置結構如圖1 所示。

圖1

工作流程：將隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置固定在眼鏡架上，開啟電源，左右擺動頭部快速篩選高溫物體，如有發現立刻報警。

（二）制作樣機

我們在老師的指導下一起制作隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置。

1.3D 打印裝置盒，之后對3D 打印件進行處理，方便安裝紅外模塊（如圖2）。

2.處理Arduino 模塊，以適應3D 打印件的空間（如圖3）。

3.刮去漆包線上的漆，為焊接作準備（如圖4）。

圖2

圖3

圖4

4.將Arduino 模塊、紅外測溫傳感器、激光測距傳感器、振動馬達、3.7V鋰電池和微型開關等組裝在一起。

（三）程序設計

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測溫傳感器和激光測距傳感器組成，可實現遠距離測溫、測距，并通過程序設計進行溫度補償。

紅外測溫傳感器測得的溫度會隨自身與被測物體的距離變化而變化，與被測物體距離越遠，其顯示的值越小，所需補償的溫度值就越大。我們通過用紅外體溫檢測儀測溫來了解測得的溫度與距離之間的關系（如圖5）。

然后，我們利用米思齊可視化編程平臺進行程序設計，程序設計流程如圖6 所示。

圖5

圖6

四、測試效果

我們把隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置裝在眼鏡架上（如圖7），然后進行效果測試。結果發現，測溫探頭離被測目標越遠，讀數越小，精確度不如水銀體溫計和電子體溫計。

圖7

于是，我們嘗試通過距離對溫度值進行補償。經多次試驗驗證紅外測溫傳感器測得的溫度隨距離變化而變化，但這種變化沒有規律，無法通過距離進行溫度補償。

五、改進設計

（一）改進思路

隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置由紅外測溫傳感器、凸透鏡組、Arduino 模塊、振動馬達和電源組成，利用凸透鏡成像原理，保持遠紅外線在不同距離情況下導入紅外測溫傳感器的光線量一致，降低距離對溫度檢測精度的影響，并通過程序設計進行溫度補償，保證其精準性。

（二）凸透鏡光學溫度補償原理

當物距大于2 倍焦距時，像距在1 倍焦距和2 倍焦距之間，成倒立、縮小的實像，此時像距小于物距，像比物小，物像異側。

被測物體越遠，所成實像越接近1 倍焦距。被測物體越近，所成的實像越接近2 倍焦距。而紅外測溫傳感器感應頭位置固定，紅外光線攝入量保持不變，所測得的溫度值也保持不變。

（三）作品構造

改進后的隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置由三部分構成。第一部分是感知系統，由紅外測溫傳感器、凸透鏡組組成，實現溫度與距離的非接觸監測；第二部分是控制系統，由Arduino 模塊與程序構成，實現數據的接收與處理，并向輸出設置發出控制指令；第三部分為警示系統，由振動馬達和電源組成，實現報警與能源供應。裝置結構如圖8 所示。

圖8

（四）程序設計

程序控制模塊由Arduino 微處理芯片、紅外測溫傳感器和振動馬達組成，實現遠距離測溫，并通過程序設計進行溫度補償。程序設計流程如圖9 所示。

圖9

改進后的隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置如圖10，我們把它固定在眼鏡架的一側，如圖11。

圖10

圖11

借助這個裝置，我們可以快速地從人群中篩選出那些體溫超過正常值的人，避免病毒感染。

六、創新點

隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置小巧，裝在眼鏡架上，能隨頭部擺動測溫，十分便利。

這個裝置利用凸透鏡成像原理自動進行溫度補償，可實現遠距離測溫，解決紅外體溫檢測儀不能遠距離測溫的問題。同時能快速篩選高溫人群，并振動報警，方便使用者不動聲色地遠離疑似體溫異常者。

老師推薦：

作者關注社會熱點，緊跟時代潮流，利用光學原理巧妙設計出隱蔽式非接觸體溫偵測與預警裝置，方便使用者遠離體溫超過正常值的人，防止病毒交叉感染。他們運用的發明方法與原理值得中小學生借鑒。