红外可视化高精度温控物流装备集成研究

张咏梅 汪洁 毕然

摘 要：在当前农产品生产、加工、贮藏、运输、销售等各个环节，需要对温湿度等数据进行实施采集，而人工的操作方法明显耗时且浪费人力。本文集成摄像技术、红外测温、红外测距、云台控制技术等，对可视化红外测温测距温控物流装备系统研发进行了探讨。

关键词：非接触;红外测距

本研究针对我省食品现代流通业中存在着保鲜技术水平低、装备科技含量低、环境控制能力差、检测手段少和缺乏有效的质量追溯研究等问题，对目前已有的温控物流关键技术进行集成研究与示范应用，依托红外技术，形成红外可视化高精度温度监控一体化设备，降低温控技术产品成本，提高国产化率、降低成本、并加强集成标准化研究。为我省温控物流提供切实可行的技术手段，全面提高农产品质量安全监控能力。

（一）红外测温模块的设计

1.软硬结构

无线红外测温系统其系统硬件结构框图如图所示。使用对采集的红外测温模块的温度和超声波测距模块距离的数据进行整合处理，并运用WIFI或者有线模块，实现将所测温度与距离信息，无线传送到PC机进行处理，并通过编程在上位机显示。

2.红外测温传感器模块

红外温度传感器按照测量原理可分为两类：光电红外温度传感器和热电红外温度传感器。本系统选用MLX90614红外传感器模块构建的高精准红外测温模块。

（1）红外测温传感器模块

Melexis司生产的MLX90614系列测温模块是应用非常方便的红外测温装置，其所有的模块都在出厂前进行了校驗，并且可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。该模块以81101热电元件作为红外感应部分。输出是被测物体温度与传感器自身温度共同作用的结果。

（2）单片机接口电路

MLX90614AAA 与单片机连接的硬件电路如图所示。SCL、PWM/SDA 管脚直接连接MCU 的普通I/O口即可，由于 MLX90614AAA 的输入输出接口是漏级开路（OD）结构，需要加上拉电阻。多个 MLX90614 可以用于一个系统中，每个 MLX90614 对应一个不同地址，通过地址的不同而访问不同的 MLX90614，最多可以达到 127 个。

（3）数据发送与接受

多个MLX90614可以用于一个系统中，通过地址不同区分器件，器件默认的地址为5AH，因此在多MLX90614系统中，需要给每个MLX90614分配一个不同的地址，在只有一个MLX90614的系统中，MLX90614识别地址00h，即在单个MLX90614系统中，可以使用该地址访问它。

从MLX90614读出的数据是16位的，由高8位（DataH）和低8位（DataL）两部分组成，其中RAM地址07H单元存储的是TOBJ1数据，数据范围从0x27AD到0x7FFF，表示的温度范围是-70.01℃到+382.19℃。

（4） MLX90614模块内部信号处理

MLX90614是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，然后把计算后的湿度进行再处理，并将结果通过PWM方式输出。

（二）激光测距模块的设计

相位法测距，首先由主振信号发生器产生所需的主振测尺频率信号和本振信号发生器产生所需的本测尺频率等信号。四个主振测尺信号的另一部分信号经过调制器调制最终由激光发射器发射出去，送部分信号到达被测物体表面后反射回来，被光电探测器接收，滤波后与四个本振测尺频率信号混频成测量信号。之后由鉴相器进行鉴相，最后进行距离的计算。

对于相位式激光测距系统的设计，理论分析与实验工作相结合，采取的研究方法为：查阅并收集资料、选择合适的器件，测距理论总体设计和各个部分电路的研究设计，从而给出了整个相位式激光测距系统的电路系统实现方案。整个电路系统包括了四大部分，它们分别是：

半导体激光器的调制驱动电路，这部分采用高频正弦信号对激光器的注入电流进行调制，使得激光器光强随注入电流而变化。

光电检测放大滤波电路，这部分采用P-I-N光电二极管对激光信号进行探测。

锁相环频率综合电路，这部分先对锁相环原理作了简单介绍，然后应用高精度的频率计作频率校准，自动调节本机振荡频率， 确保用作检相的低频信号的频率稳定不变。

利用数字测相系统进行测相，最后通过屏幕显示出来。

相位式激光测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。它由激光发射系统、频率调制系统、回波接收系统、混频鉴相系统和计数显示系统等组成。激光信号由调制系统调制后，经被测物反射，接收系统将反射的光信号转换为电信号并进行放大，后转到混频器中进行混频，混频结果又进测中进行测相最后通过屏幕出来。

（三）视频监测、云台控制设计

云台的功能主要是负责扩大摄像机的监视范围，以及控制镜头等参数，使得视野更清晰。如下图所示，云台系统包括两大模块，镜头模块和运动模块。镜头模块主要控制镜头的参数，细分为变焦、变倍、光圈等。而运动模块又细分为上下动作控制，左右动作控制。电源供电模块为所有的板块提供工作电源。

系统按照功能包括采集功能、控制功能、报警功能、巡航功能、扩展功能等。平台将尽最大可能，保持用户现有网络系统与应用系统，可与现有应用系统或将来的应用系统结合，实现多方统一管理功能，减少或避免用户重复投资。

参考文献：

[1] 邓建平， 王国林， 黄沛然.用于高温测量的红外热成像技术

[J] .流体力学实验与测量， 2001， 15（1）：43-47.

作者简介：

张咏梅，性别：女，籍贯：山东省济宁市，民族：汉，出生年月：1975年4月，学位：博士，职称：教授，研究方向：生物技术，单位：山东商业职业技术学院;

汪洁，性别：女，籍贯：安徽省枞阳县，民族：汉，出生年月：1982年6月，学位：硕士，职称：讲师，研究方向：外国语言学，单位：山东商业职业技术学院;

毕然 ， 性别：男， 籍贯：山东济南，民族：汉   出生年月：1982年6月，学位：硕士研究生， 职称：高级工程师，研究方向：信息技术、人工智能、大数据技术，单位： 山东省云商务大数据工程研究中心.

（山东商业职业技术学院  山东省云商务大数据工程研究中心）