1. 研究目的与意义
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1．本课题研究的背景、目的及意义
1.1 课题研究的背景
动物体温的测量有着很多种办法，并且针对不同的动物，有着不同的更加适合的测温方法[1]。按照测量距离可以分为两种，接触式和非接触式接触式测温，顾名思义，需要温度计探头与被测物贴在一起来测量其温度[2]。若要测温结果准确，要待温度计探头与被测物达到相同温度时进行读数。家庭最常用的就是汞式温度计了，如今还有电子的接触式温度计[3]。但是，在测量动物体温时，需要测量动物的直肠温度，测量时效性上，会有不便。在进行大型动物体温测量时，由于动物是会活动的，容易造成汞式温度计玻璃的破碎，让有毒的汞对动物及人类造成伤害。而接触式电子体温计，也会刺激动物机体使其产生不适引起体温变化造成测量结果不准确并且由于不慎的交叉污染，会导致动物得病[4]。非接触式测温，是依靠红外温度传感器对测量的动物自身发出的红外辐射进行接收，通过转换得到动物体温[5]。测量速度快速，并且测量温度的分辨率高，并能够很好的避免接触式体温计的弊端。由于一些动物具有攻击性并且生病的动物具备更多细菌，为了测量者的安全和测量者的健康，远距离测量变得尤为实用[6]。但非接触式红外测温传感器测量精度受测量距离的影响很大，因此，设计一款远距离测量动物体温的非接触红外测温仪是有必要的。
近年，出现了新型冠状病毒、SARS、禽流感以及甲型H1N1等疾病，导致了成千上万的病毒感染者死亡，而这些流行性疾病大都是由动物病情引起的[7]。动物的体温可以反映出动物有无疾病，未经过测温等手段检测出的不合格肉类流入食品市场，影响食品安全，对人类健康、生命产生严重威胁，因此，动物体温的测量在疫病预防、发现及控制中起着极其重要的作用。观望当下席卷世界的新冠疫情，由于新冠病毒的高传播性的特点，手持非接触式红外体温探测仪的普及就显得尤为重要，不仅为防疫工作者提供了一个相对安全的测温手段，还大大提升了防疫工作的进展速度；纵观国内外的红外测温发展历程，从数据以及成果的比较归纳来看，红外测温技术有着如下的趋势：
1．测量对象多样化
随着红外温度传感器技术的不断发展，被测温度对象种类不断增加，对于特定采温对象采用特定测量方案，以满足快速、精准的测量需要。红外测温技术还需要不断发展来为市场提供足够的选择空间。
2．测温数据准确化
由上述国内外研究现状看来，通过对环境温度、红外发射率、测量距离等因素的分析及补偿，逐步提高测量精度，以满足农业、医疗、民用、军事等各个领域上的需求。
3．测量结果网络化
跟随物联网的飞速发展，物联网在传感器的各个领域也开展了深度的使用及交流，使得各类传感器来为终端进行数据采集的工作，将结果上传到计算机中进行必要的分析，如此，大大提升了信息的云端数据记录与流通数据的交换，以便于进行更为精确的的分析工作[8]。
红外温度图像能够提供人类视觉可分辨的图像，同时可通过计算来表征物体表面的
温度分布，因此红外热成像技术被广泛地应用于检测目标表面的红外线辐射。红外测温
成像应用于监控，可以同烟雾气体检测、GPS 定位等技术结合起来，可用于室内安防、
电力系统热故障告警等领域；利用红外测温研究检测技术，可应用于医疗诊断、工业故
障检测等领域；与可见光成像技术联合起来可以应用于火控系统、车载监控和夜间背景
下的目标跟踪应用。尤其在监控与安防告警等领域的应用中，核心检测技术依赖于温度
或受限于坏境光线，使得热红外成像技术有着优于可见光成像的灵敏性[9]。
1.12课题研究目的及意义
红外热成像技术是一种新兴的综合性技术，该技术利用不同物体自发地向外发出红外辐射能量的差值进行成像，具有极强的环境适应能力，不受外界制约因素的影响。
1.红外热成像仪现存问题
红外热成像技术最早应用在军事领域，现如今逐渐从军事领域延伸到民用领域，特别是在工业检测、安全监控、森林防火、医疗诊断等方面取得了较大的发展。而传统红外测温仪大多有相同的现存问题，即为面向大众的红外测温仪的数据采集分析速度的低下以及测温距离普遍较近的缺陷所在，而温度数据采集的速度和精确度将会直接影响被监控对象的温度数据的实时性和有效性。
2.本课题研究的目的
本文设计的基于STM32的红外热成像测温系统具有快速且无接触的优势，在复杂多变的环境下检测到热红外信息并精确测温，例如在近年肆虐全球的新型冠状病毒疫情中，可以发现病毒感染者大多伴随低热的症状，这就会使疑似感染者的体温通常维持在38℃以上，我们恰好可以利用红外热成像测温系统对人群进行大批量的流动检测，筛查出发热个体并及时采取相应措施，以减少病毒传播[3]。当前，公共场所的人体热成像监控测温主要采用手持式测温仪和工作人员在线监控这两种方式。手持式测温仪需要安检人员一人一检来测温，容易造成人流拥堵和交叉感染。在线监控方式通过使用在线式人体红外热成像仪，工作人员在计算机端查看测温数据，由于采用了测温红外热成像仪与彩色摄像机融合技术，配合专业的测温软件从而导致成本较高，此外工作人员需时刻注意经过人员的测温数据，容易造成疲惫。由于每个人的身高和体型各不相同，市场上大多数人体热成像仪的高度和水平视角是固定的，因此在测量时会造成测量部位不准确，同时现有红外热成像仪成像效果一般。结合上述背景，本文以 STM32为控制和数据处理核心驱动MLX90640 远红外温度传感器设计一种能够自动测温报警、成本较低、成像效果良好而且能自动调节成像视角的人体红外热成像仪[11]。
2. 研究内容与预期目标
| 2．本课题主要研究内容和预期目标 |
| 2.1本课题主要研究内容 本课题在对红外热成像测温原理以及系统总体设计介绍的基础上，结合嵌入式 ARM的特点，进一步研究了红外图像的处理算法。 1. 本课题设计了一种基于STM32的红外热成像测温系统，以STM32F103C8T6微控制器为核心，通过MLX90640ESF-BAB红外热像仪传感器获取热红外信息．随后微控制器对数据进行运算，通过LCD屏，实时显示经过插值法增强处理后的热图像和被测物体温度，该系统硬件结构精简，便于集成，适合制成便携式手持红外热像仪。 2. MLX90640模块的分辨率为3224，显示出来即为768个方格的色块，由于像素不高导致成像不够直观，视觉效果还有提升的空间，对低分辨率的图像进行增强处理，有效的方法就是提高图像的分辨率，因此本系统采用双插值算法来提高图像的分辨率。该算法考虑了插值像素点四周44范同内16个邻近像素的影响．待求像素的像素值计算公式如下：
双线性插值就是线性插值在二维时的推广 , 在两个方向上做线性插值。令 #402;(x ,y )为两个变量的函数，其在单位正方形顶点的值已知。假设我们希望通过插值得到正方形内任意点的函数值。则可由双线性方程 :
来定义的一个双曲抛物面与四个已知点拟合。整理得 ：
线性插值 双线性插值
从计算过程来看，双插值法计算复杂度较高，但能创造出更平滑的图像边缘，在一定程度上保证了图像像素值的连续性。
插值前 插值后
经过双插值算法处理后，图像的平滑性可大致满足人的生理视觉要求，成为目前二维空问中常用的一种图像插值方法。
2.2本课题预期目标 本课题设计一款非接触红外测温系统，实现较远距离测量体温。预期达成以下设计目标： 1．为了延长测量距离，首先对测量动物体温时产生的误差进行分析，并提出解决方案。 2．选择合适的红外测温传感器，根据凸透镜成像原理，对传感器视场及凸透镜成像大小关系的计算与验证，设计测温的聚焦系统，增加测量距离，预设准确采温的测量距离为10cm。 3.保证采温范围准确，测量误差为0．5℃4．采集到的模拟信号经过放大、模数转换、滤波后将数字信号传递给单片机， 单片机驱动液晶进行温度显示。 5.设计系统电路图，运用模块化编程方式分别对各个硬件驱动以及调用，完成软硬件的设计后，调试系统，进行测温实验。 |
3. 研究方法与步骤
| 3．本课题拟采用的研究方法、步骤 |
| 3.1本课题拟采用的研究方法
系统程序流程图
(1) MLX90640 温度采集模块
MLX90640 温度采集模块电路图
MLX90640 温度采集模块是一种完全校准的高分辨率红外测温阵列芯片，其内部集成的 768 个红外测温像元，可精确检测特定区域和温度范围内的目标物体。它支持 IIC 接口通信，STM32 单片机通过模拟 IIC 通信协议对其工作模式进行配置，读取它相应寄存器内的温度数据。 (2) STM32 主控模块
单片机 STM32F103C8T6 电路原理图
本实用新型采用 STM32F103C8T6 单片机主控电路，单片STM32F103C8T6 通过模拟 IIC 协议读取 MLX90640 温度采集模块的温度数据，采用先三次多项式插值再双线性插值的算法进行图像处理并在 LCD 显示屏上显示。
(3) TFTLCD 显示模块
TFTLCD 显示屏电路原理图
显示模块选用型号为 LTL9341 的 TFTLCD 电容触摸屏，显示 STM32单片机发送的图像数据，温度信息以及时间信息。LCD 接口连接在 STM32F103C8T6 的 FSMC 总线上面，可以显著提高 LCD 的刷屏速度T_MISO、T_MOSI、T_PEN、T_SCK、T_CS 连接在单片机的 PB2、PB15、PF10、PB1、PF11 上，这些信号用来实现对液晶屏的控制。 (4)双线性插值算法 图像插值算法是在对图像进行缩放过程中，根据已有的像素值合理估计生成图像像素值的过程。图象插值方法有 ：最近邻插值，双线性插值，双立方插值以及其他高阶方法。本文采用双线性插值算法对已有的温度数据进行合理的扩充，将原本采集数据为3224的点阵像素图扩展填充至320320的像素图，从而提高图像分辨率，高低温分布更加明显，温度误差范围可缩小至0.5%，令成像效果更加平滑，数据更为真实，在满足人了的视觉舒适的同时保证了数据的准确性。
3.2本课题拟的采用步骤 (1)调试并启用STM32F103C8T6主控芯片，并对其进行初始化设定 (2)建立MLX90640ESF-BAB调用函数，进行调试处理 (3)完成系统调试，进行温度测量，得到采集数据 (4)用插值算法对采集数据进行整合处理 (5)将处理完成的图形数据进行导出至指定存储路径 (6)将已处理的采集图形数据在LCD屏幕中输出 |
4. 参考文献
| 4．本课题主要参考文献 |
| [1]李飞艳，杜缙，曹娴，胡亮．三种体温计测量大鼠体温的比较研究【J】．中国医药指南，2012，27：455．456． [2]秦钟．简易红外测温仪的设计[J]．电子制作，2014，21：l-2． [3]自友龙．高精度红外体温计的设计与实现【D】．辽宁工业大学，2014． [4]Y．Z．Wu，G q．Shen．Research of temperature measurement for pigs base on infrared temperature measurement systemiC]．Proceedings 201 3 International Conference on Mechatronic Sciences，Electric Engineering and Computer(MEC)， 2013，23-26． [5]熊本海，杨振刚，杨亮，潘晓花．中国畜牧业物联网技术应用研究进展．农业工程学报，201 5,S l：237．246． [6]B．Ning，Y Wu．Research on non—contact infrared temperature measurement[C]．International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering(CiSE)，20 1 0 [7]李飞艳，曹娴，杜缙，胡亮．非接触式红外测温仪测量大鼠不同部位体温的比较研究[J]．中国医药指南，2013，07：482．483． [8]王俊玉.基于 WEB 的无线红外热成像系统设计.华中科技大学.2018.5.17 [9]邹连英，徐敏.基于 STM32 的红外热成像测温系统的设计.武汉工程大学.2020.11.18 [10]翟靖宇，陈金立，乔欢.基于 MLX90640 和 STM32 的人体红外热成像仪.南京信息工程大学电子信息与工程学院.2020
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5. 工作计划
| 5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容） （1）上网查找与课题有关的论文进行研究，确认实验框架（2022.2.15-2022.2.20） （2）网上置备相关实验板及传感器（2022.3.1-2022.3.15） （3）对实验板进行初始化设置，及对于传感器调用函数的调试（2022.3.16-2022.3.25） （4）将程序烧录至实验板中，开始进行传感器模块PCB板的绘制（2022.4.1-2022.4.15） （5）完成传感器PCB板链接及调试，开始绘制集成PCB板（2022.4.17-2022.4.25） （6）完成集成PCB板调试，进行数据采集及存储（2022.4.25-2022.4.27） （7）连接LCD板完成对于处理后图形数据输出（2022.4.28-2022.4.30） （8）制作论文答辩PPT并进行答辩 （2022.5.1-2022.5.31）
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