基于Arduino的網頁端紅外溫控系統設計*

羅元政，葉志誠，洪 渭

（廣東海洋大學，廣東 湛江524088）

自18世紀末，英國人F.W赫歇爾發現紅外輻射以來，紅外技術已發展百余年，發展狀況相比其他領域要緩慢一些[1]。在19世紀初，亞硫酸鉈光電導探測器被發明出來，縮短了溫度測量的響應時間和提高了測量的靈敏度，但性能還不夠。到上世紀40年代，德國研制出了包括硫化鉛在內的一系列紅外投射材料，證實冷卻能使紅外探測器的靈敏度提高。隨后西方國家相繼投入研究，在過去競爭激烈、國際局勢動蕩、國家間關系緊張的世界格局下，他們熱衷將紅外技術應用于軍事領域，例如在衛星偵測、高空偵察設備等軍用產品都能見到這些器件的應用[2]。此后紅外材料和紅外傳感器的研究步入快速發展階段，并在民用領域取得較為廣泛的應用。進入21世紀以來，在紅外探測、紅外遙感、紅外熱成像等方面的發展，極大地改變了人們的生活。國內的紅外技術研究起步較晚，開始的時候存在著明顯的代差。上世紀60年代，我國首次實現研制出第一臺紅外測溫儀。后來在上世紀80年代初期，許多針對較小的目標、遠距離生產特點的測溫儀器被引進。西方發達國家的技術先進，精度較高，但價格較高，民用企業無法大量采用[3]。隨著這些器件陸續實現了國產化，測量精度能與國外產品相媲美，成本更低，使得紅外測溫儀能夠開始在國內得到廣泛應用。

現在越來越多的場景不希望與物體接觸而得到溫度信息，特別是對高溫物體、危險物質和腐蝕性液體，將測溫探頭直接與這些物質接觸會對儀器造成損害，更嚴重的是距離太近可能會對使用這些設備的操作者產生致命的危害，所以以往的測控技術還需要進一步完善和更新。采用紅外技術來實現溫度的測量是一種很好地解決上述問題的方案，目前在工業領域已經廣泛運用先進的紅外溫度計來實現對生產過程或重要設備的監視和控制。

隨著硬件科技的飛速發展，設備與設備之間的互聯與智能化程度越來越高，工具和器件愈來愈信息化和集成化。以往的溫度測量系統使用的單片機，功能太少，而且功耗較大，運算能量不夠，已經不能滿足現在的市場需要。近年來，簡單靈活、便于上手的開源電子原型平臺Arduino被開發出來。其能通過各種各樣的傳感器來感知環境，也能通過各種輸出設備來影響周圍的環境[4]。由于其開源的特性，人們可以很方便地對其進行開發，縮短了產品的開發周期[5]。

通過Arduino平臺設計一套相對完整的紅外溫控系統，在探索科技創新的同時，也能為紅外溫控提供一些可行的方案。因此，本文探索一種無接觸的紅外溫控技術，利用Arduino平臺通過軟硬件的結合來實現對溫度的感知、處理、信號輸出與實現對溫度的控制。創新設計了一種高效的、無接觸的紅外溫控系統來實現溫度測量、溫度顯示、溫度自動調節、自動溫度告警及遠程監測等功能。

1 研究內容和實驗

1.1 系統總體架構

本系統利用Arduino平臺、紅外測溫模塊、OLED顯示器、NodeMCU平臺（搭載ESP8266 Wi-Fi模塊）、報警模塊及網頁用戶端，實現了物理世界——微型計算機——網絡——用戶層級之間的連接。其中紅外傳感器是作為感知層，將物理量轉化為計算機能夠識別的電信號；Arduino作為一個處理信息的中心硬件，接收和向各器件傳輸信號；Wi-Fi模塊搭建起用戶與硬件之間的橋梁。溫控模塊包含KY-019 1路繼電器、R280直流電機及風扇葉片。溫控模塊要完成的功能是當溫度過高時，及時地對物體進行降溫。采取風冷降溫的方式，讓流動的空氣帶走物體的熱能是較為簡便而高效的降溫手段。因此，對溫控模塊要采取單獨供電，用繼電器來控制獨立電源的開和關，并在電路中添加二極管來對電路做整流處理。本系統的整體框架如圖1所示。

圖1 系統各模塊結構圖

1.2 紅外測溫傳感器的結構

不同類型的紅外測溫傳感器的測溫原理會存在差異，其測量原理主要基于塞貝克效應。熱電堆由許多熱電偶串聯，當接收紅外輻射后，熱電偶兩端出現溫度差，產生溫差電動勢。信號放大器將電壓信號放大后，對信號進行補償與分析，再通過A/D轉換器輸出數字信號，經過處理后便形成我們想要的溫度信息。紅外測溫傳感器主要由光學系統、紅外探測器、信號放大器、濾波器、A/D轉換器、信號處理及顯示輸出等部分組成[6]。本文選用了MLX90614紅外測溫傳感器用于探測目標物體的溫度，其測量溫度范圍在-70℃-+380℃。精度高，測量辨析度達到0.02℃，已能夠滿足大部分使用場景的要求，測量距離在加裝透鏡后可以到達數米。工作電壓為3.3V或5V，可搭配外部器件來支持更加高電壓的供電方式。其支持的SMBus命令協議只有兩種，分別是讀取數據和寫入數據，同時也可以選擇采用PWM脈沖調制輸出模式來輸出數字信號。

其內部熱電偶的冷接頭置于芯片襯底上，熱接頭置于薄膜上，薄膜通過吸收紅外輻射使自身加熱會使冷熱接頭之間造成溫度差，產生溫差電動勢[7]。熱電堆輸出的電壓信號滿足以下關系式：

其中Ta為傳感芯片的絕對溫度，To為目標物體的絕對溫度，A為靈敏度。

通過測量熱電堆的輸出電壓，再由芯片上的溫度傳感器來測量出芯片的溫度，經過內部集成的信號處理芯片對這些輸出信號進行處理后，生成我們可以直觀理解的溫度數據并儲存在RAM中，后面根據需要可以用Arduino做進一步處理。

1.3 測溫系統流程圖

本系統的主要運行流程大致是：首先紅外溫度傳感器模塊感知溫度信號并轉換為原始的數字信號輸出，Arduino接收到該信號后對該信號進行處理再輸出到OLED顯示器可供查看并判讀當前溫度是否過高，做出相應的溫度控制操作。同時，把處理好的溫度信號傳遞給NodeMCU，由其再通過所搭載的Wi-Fi模塊把數據傳送給用戶，流程如圖2所示。

圖2 測溫系統流程圖

1.4 服務器搭建

使用NodeMCU平臺作一個簡易的服務器，通過Wi-Fi接入局域網，用戶可以在手機或電腦的瀏覽器中通過IP地址來訪問這個服務器，當用戶與服務器建立連接時，能實時獲取Arduino傳輸過來的溫度數據，并將溫度數據顯示在網頁用戶端中。服務器的程序流程如圖3所示。

圖3 服務器程序流程圖

用戶端的設計與實現借助超文本標記語言（HTML）來進行網頁的設計。HTML通過標記符號來標記網頁中要顯示的部分，網頁本身就是一種文本，通過HTML可以告訴瀏覽器在什么位置顯示什么內容，瀏覽器將對應展示相應的文本、圖片或樣式[8-9]。使用HTML最大的優勢就是簡單易懂，可以在網頁上直接進行調試和修改，效果會非常顯著。該技術可以實現跨平臺使用，不管是PC端還是手機端，任何操作系統都能夠兼容。

傳輸HTML文本往往需要通過HTTP協議，要完成完整的響應-應答信息交換過程，客戶請求后，服務器再返回相應的內容給客戶[10]。但本設計只需返回給客戶網頁和溫度數據，不需要針對客戶其他請求來做出額外的響應，而在本設計中不需要完整的應答過程，故不是嚴格的HTTP協議過程的Web服務器，而是標準的TCP服務器。在完成HTML代碼的編寫后，將HTML代碼燒寫進ESP8266 Wi-Fi模塊中，一旦用戶設備與服務器建立連接，服務器響應并發送HTML代碼給用戶設備，用戶可在瀏覽器上接收網頁內容。

2 結果與討論

2.1 溫度模塊實時顯示狀況

為了更加清晰完整地獲得測試數據和結果，先將Arduino與電腦進行連接，通過Arduino IDE的串口監視器來進行數據的檢測和記錄。希望更方便地進行報警模塊和溫控模塊的測試，當前設置報警和進行溫控的閾值溫度為30℃，要求超出該溫度時，這兩個模塊要做出響應。結果表明，當溫度高于閾值溫度時，報警模塊能發出警報，繼電器開關吸合啟動風扇進行散熱，同時OLED顯示器打印出報警信息如圖4所示。

圖4 串口監視器測溫報警圖

2.2 服務器及用戶端功能實現結果

在確定Arduino驅動的模塊都達到預期要求后，接著檢測簡易服務器和網頁用戶端是否能達到預期要求。將NodeMCU平臺通過USB接口連接上電腦，Wi-Fi模塊開始工作，并執行程序完成服務器的初始化。通過串口監視器我們可以了解到當前服務器有無接入無線局域網。手機接入無線局域網絡后，打開手機的瀏覽器，輸入IP地址來對網頁用戶端進行訪問，服務器與用戶建立連接后，串口監視器會打印出“Client Connected”，之后開始接收Arduino傳來的溫度數據。服務器與用戶設備連接后就把網頁推送給用戶，用戶可以得到完整的網頁內容，在網頁中間顯示當前的溫度狀況，而且每5秒會自動進行網頁的刷新來顯示新的數據，如圖5所示。

圖5 手機網頁用戶端測試結果

測試顯示，系統各模塊都能正常運轉，成功完成了所有電路和軟件的設計，已經能完成包括紅外測溫、信息顯示、聲光報警、自動溫控及遠程監測在內的所有功能，并且均能達到預期要求，如圖6所示為系統運行情況。但整體信號也偶爾受到電路的干擾，比如在直流電機運轉時會對電路其他部分產生電磁干擾，最后通過在繼電器信號線上加入二極管進行整流處理，問題得以解決。

圖6 系統運行展示

3 結束語

本文分析了基于Arduino的紅外溫控系統的設計流程和實現過程，筆者對Arduino平臺、紅外測溫原理以及Wi-Fi通信技術進行了較為深入的研究。整合各平臺的優勢，將軟件和硬件相結合實現了這套紅外溫控系統。本次設計的主要研究內容和取得的主要成果如下：

（1）設計并實現了一種能進行紅外溫控并支持遠程監測功能的系統。根據系統的整體需求，在基于Arduino平臺的基礎上，將其分為六大模塊，為它們設計了相應的電路和程序。實現了紅外測溫、信息顯示、溫度過高自動報警、自動降溫等功能，并通過Wi-Fi技術傳輸溫度數據給用戶。

（2）利用了目前比較新的物聯網平臺NodeMCU，通過它可以為系統擴展一些物聯網的功能，其搭載的ESP8266 Wi-Fi模塊是一款非常優秀的器件，可以較方便地實現硬件系統與用戶的遠程連接。

（3）結合了前端開發的技術，借助HTML完成了網頁用戶端的設計，設置合理的UI布局，能夠在各類設備中進行瀏覽，充分滿足用戶的使用需求。

本設計的創新點在于能實現遠程溫度監測，使得用戶能不受距離限制來獲取當前目標的溫度數據，能充分滿足人們對設備的聯網化要求，在如今智能化和物聯網技術高速發展的時代背景下，賦予該系統能夠在更多的場合下有被使用的意義和價值，同時帶來一定的社會效益。