紅外可視化高精度溫控物流裝備集成研究

張?jiān)伱? 汪潔 畢然

摘 要：在當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、貯藏、運(yùn)輸、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)，需要對(duì)溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施采集，而人工的操作方法明顯耗時(shí)且浪費(fèi)人力。本文集成攝像技術(shù)、紅外測(cè)溫、紅外測(cè)距、云臺(tái)控制技術(shù)等，對(duì)可視化紅外測(cè)溫測(cè)距溫控物流裝備系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：非接觸;紅外測(cè)距

本研究針對(duì)我省食品現(xiàn)代流通業(yè)中存在著保鮮技術(shù)水平低、裝備科技含量低、環(huán)境控制能力差、檢測(cè)手段少和缺乏有效的質(zhì)量追溯研究等問題，對(duì)目前已有的溫控物流關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集成研究與示范應(yīng)用，依托紅外技術(shù)，形成紅外可視化高精度溫度監(jiān)控一體化設(shè)備，降低溫控技術(shù)產(chǎn)品成本，提高國(guó)產(chǎn)化率、降低成本、并加強(qiáng)集成標(biāo)準(zhǔn)化研究。為我省溫控物流提供切實(shí)可行的技術(shù)手段，全面提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)控能力。

（一）紅外測(cè)溫模塊的設(shè)計(jì)

1.軟硬結(jié)構(gòu)

無(wú)線紅外測(cè)溫系統(tǒng)其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。使用對(duì)采集的紅外測(cè)溫模塊的溫度和超聲波測(cè)距模塊距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，并運(yùn)用WIFI或者有線模塊，實(shí)現(xiàn)將所測(cè)溫度與距離信息，無(wú)線傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理，并通過編程在上位機(jī)顯示。

2.紅外測(cè)溫傳感器模塊

紅外溫度傳感器按照測(cè)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(tǒng)選用MLX90614紅外傳感器模塊構(gòu)建的高精準(zhǔn)紅外測(cè)溫模塊。

（1）紅外測(cè)溫傳感器模塊

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

（2）單片機(jī)接口電路

MLX90614AAA 與單片機(jī)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(jí)開路（OD）結(jié)構(gòu)，需要加上拉電阻。多個(gè) MLX90614 可以用于一個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè) MLX90614 對(duì)應(yīng)一個(gè)不同地址，通過地址的不同而訪問不同的 MLX90614，最多可以達(dá)到 127 個(gè)。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送與接受

多個(gè)MLX90614可以用于一個(gè)系統(tǒng)中，通過地址不同區(qū)分器件，器件默認(rèn)的地址為5AH，因此在多MLX90614系統(tǒng)中，需要給每個(gè)MLX90614分配一個(gè)不同的地址，在只有一個(gè)MLX90614的系統(tǒng)中，MLX90614識(shí)別地址00h，即在單個(gè)MLX90614系統(tǒng)中，可以使用該地址訪問它。

從MLX90614讀出的數(shù)據(jù)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(chǔ)的是TOBJ1數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍從0x27AD到0x7FFF，表示的溫度范圍是-70.01℃到+382.19℃。

（4） MLX90614模塊內(nèi)部信號(hào)處理

MLX90614是由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制物體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量和計(jì)算，然后把計(jì)算后的濕度進(jìn)行再處理，并將結(jié)果通過PWM方式輸出。

（二）激光測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)

相位法測(cè)距，首先由主振信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的主振測(cè)尺頻率信號(hào)和本振信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的本測(cè)尺頻率等信號(hào)。四個(gè)主振測(cè)尺信號(hào)的另一部分信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制最終由激光發(fā)射器發(fā)射出去，送部分信號(hào)到達(dá)被測(cè)物體表面后反射回來，被光電探測(cè)器接收，濾波后與四個(gè)本振測(cè)尺頻率信號(hào)混頻成測(cè)量信號(hào)。之后由鑒相器進(jìn)行鑒相，最后進(jìn)行距離的計(jì)算。

對(duì)于相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，理論分析與實(shí)驗(yàn)工作相結(jié)合，采取的研究方法為：查閱并收集資料、選擇合適的器件，測(cè)距理論總體設(shè)計(jì)和各個(gè)部分電路的研究設(shè)計(jì)，從而給出了整個(gè)相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。整個(gè)電路系統(tǒng)包括了四大部分，它們分別是：

半導(dǎo)體激光器的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，這部分采用高頻正弦信號(hào)對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行調(diào)制，使得激光器光強(qiáng)隨注入電流而變化。

光電檢測(cè)放大濾波電路，這部分采用P-I-N光電二極管對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。

鎖相環(huán)頻率綜合電路，這部分先對(duì)鎖相環(huán)原理作了簡(jiǎn)單介紹，然后應(yīng)用高精度的頻率計(jì)作頻率校準(zhǔn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)本機(jī)振蕩頻率， 確保用作檢相的低頻信號(hào)的頻率穩(wěn)定不變。

利用數(shù)字測(cè)相系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)相，最后通過屏幕顯示出來。

相位式激光測(cè)距是通過測(cè)量連續(xù)的幅度調(diào)制信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間，從而得到被測(cè)距離的。這種方法測(cè)量精度高，通常在毫米量級(jí)。它由激光發(fā)射系統(tǒng)、頻率調(diào)制系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)、混頻鑒相系統(tǒng)和計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)等組成。激光信號(hào)由調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后，經(jīng)被測(cè)物反射，接收系統(tǒng)將反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大，后轉(zhuǎn)到混頻器中進(jìn)行混頻，混頻結(jié)果又進(jìn)測(cè)中進(jìn)行測(cè)相最后通過屏幕出來。

（三）視頻監(jiān)測(cè)、云臺(tái)控制設(shè)計(jì)

云臺(tái)的功能主要是負(fù)責(zé)擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍，以及控制鏡頭等參數(shù)，使得視野更清晰。如下圖所示，云臺(tái)系統(tǒng)包括兩大模塊，鏡頭模塊和運(yùn)動(dòng)模塊。鏡頭模塊主要控制鏡頭的參數(shù)，細(xì)分為變焦、變倍、光圈等。而運(yùn)動(dòng)模塊又細(xì)分為上下動(dòng)作控制，左右動(dòng)作控制。電源供電模塊為所有的板塊提供工作電源。

系統(tǒng)按照功能包括采集功能、控制功能、報(bào)警功能、巡航功能、擴(kuò)展功能等。平臺(tái)將盡最大可能，保持用戶現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)，可與現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)或?qū)淼膽?yīng)用系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多方統(tǒng)一管理功能，減少或避免用戶重復(fù)投資。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧建平， 王國(guó)林， 黃沛然.用于高溫測(cè)量的紅外熱成像技術(shù)

[J] .流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量， 2001， 15（1）：43-47.

作者簡(jiǎn)介：

張?jiān)伱罚詣e：女，籍貫：山東省濟(jì)寧市，民族：漢，出生年月：1975年4月，學(xué)位：博士，職稱：教授，研究方向：生物技術(shù)，單位：山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院;

汪潔，性別：女，籍貫：安徽省樅陽(yáng)縣，民族：漢，出生年月：1982年6月，學(xué)位：碩士，職稱：講師，研究方向：外國(guó)語(yǔ)言學(xué)，單位：山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院;

畢然 ， 性別：男， 籍貫：山東濟(jì)南，民族：漢 ? 出生年月：1982年6月，學(xué)位：碩士研究生， 職稱：高級(jí)工程師，研究方向：信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，單位： 山東省云商務(wù)大數(shù)據(jù)工程研究中心.

（山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ?山東省云商務(wù)大數(shù)據(jù)工程研究中心）