在室外复杂环境下测温曲线的修正和优化

周逸伦，李 军，蔡 屹

(1.深圳市软筑信息技术有限公司，广东 深圳 518034；2.深圳市检验检疫科学研究院，广东 深圳 518033；3.深圳海关信息中心，广东 深圳 518033）

引言

利用红外热成像的方法对被测物进行温度测量，不需要与被测物体进行接触，对于具有高传染性的流行性疾病具有很好的防治作用。通过红外热成像显示的伪彩色图像再结合软件系统中的测温模块对疑似患者进行远距离体温测量，既可以发现密集人群中体温偏高者，又可以在自身不被传染的前提下对疑似患者进行体温测定。

从红外测温的原理出发，研究了红外测温仪测温的原理，首先从理论上分析了影响红外测温精度的因素。通过一个现有的红外测温探头设计了一个红外测温系统，并依此系统实际分析了影响测温精度的因素，设计了基于环境温度变化补偿的红外测温系统。

1 红外测温系统硬件设计

根据文献[1-3]中设计的体温测量记录系统，本研究结合了自身的应用场景，设计了主要由红外摄像机、单片机、环境温度传感器、超声波传感器和模拟小黑体组成的红外测温系统。传感器数据采集单片机作为控制单元，不仅需要控制红外传感器、DS18B20 环境温度传感器、模拟小黑体STS3x 传感器和超声波单元进行相应的数据读取和处理，还要将得到的温度数据发送到工控机中，通信协议采用RS232。传感器数据采集单片机将采集到的数据通过RS232 串口传输到上位机中，上位机使用Python 进行数据接收并把数据存储在文本文档中。当处理数据的时候，Python 能够方便的进行相应的数据处理。

2 用Python 实现工控机与传感器数据采集单片机的串行通信

Python 具有几百个内部函数还有三十几种能够实现相应专业的数据处理与分析的工具包。在串行通信中主要用到的是设备控制箱，这个工具箱提供了对RS-232/RS-485 通信标准的串口通信的支持。

2.1 Python 串行通信流程介绍

基于Co1texM4 内核的STM32F407 传感器数据采集单片机为下位机，工控机为上位机。工控机串口与单片机主通讯串口相连。系统工作时Python 首先调用设备控制工具箱中的serial 类及相关函数创建串口设备对象，设置与单片机相对应的波特率、数据位等通信格式，打开串口设备文件，就可以用16 进制ascii 码对串口进行相应的操作。

2.2 工控机与传感器数据采集单片机串口通讯的实现

传感器数据采集单片机串口与工控机串口相连,工控机上我们使用了Python 语言在Pycharm 中开发了上位机，工控机通过串口向单片机发送数据采集指令，单片机的串口收到指令后，分别使用环境温度传感器DS18B20、超声波传感器AJ-SRO4M-T-X 和模拟小黑体STS3x 进行相应的数据采集, 然后单片机将采集的数值送往串口, 上位机直接接收数据并打印输出温度数据,并将采集到的数据插入数据库进行保存。Python 为我们提供了串口操作的类, 使用较少代码就可以实现从PC 的串口接收数据, 将串口传过来的温度数据插入数据库,也可以利用Python 的flask 框架进行数据的查询展示，工作流程见图1。

图1 Python 串行数据采集流程图

3 像采集功能的实现

基于windows 工控机的图像采集模块：

通过LabView 编写相应的图像采集和处理用户程序，控制USB 接口的欧普士XI400 热像仪和抓拍或者连续采集图像，保存图像文件，并对图像进行压缩和灰度、二值化及增强等图像处理。

图像采集和抓取程序包括两个事件：一是抓取图像并输出到图像显示窗口；二是将抓取的图像存储到文件。程序执行的过程是首先打开所选择的欧普士XI400 热像仪，启动图像抓取，LabView 会获取欧普士XI400 热像仪的当前帧，获取成功后会以“JEPG”格式保存到文件。

4 测量温度值优化

算法介绍：

理论依据来源于两点测温法，直接测量在同一物体表面的温度，计算被测面上两点的温度差。需已知被测物体表面的发射率和环境温度，可以由测量的辐射温度计算出表面真实温度。由于误差累积，红外测温设备的局限性，采用以上方法误差较大。

由上文可以看出，影响红外测温精度的因素有环境温度和发射率，文献[4-6]讨论了其他因素对红外热像仪测温准确度的影响，如环境温度、大气湿度、发射率等，文献[7]讨论了环境中高温物体对红外测温精度产生的影响。

因此引入相对测温法，测量不同表面的目标与参考体的温度、环境温度（这里的环境是指从被测点到热像仪的所经过的环境）和发射率，所测温度由参考温度计算出来。通过引用相对测温法，模拟小黑体与黑体辐射源当成测量时的两个点。选模拟小黑体为校准基准点，黑体辐射源作为被测点，小黑体上的温度传感器值即为已知温度值，由于并非同一表面的温度差，由计算式可知，自制小黑体的环境温度要和人脸环境温度接近，才能减少误差。

图2 热像仪所测温度比对图

当进行测温校准时，需要在红外相机内标定两个区域，人体测温区域设定为区域1，模拟小黑体校准参考区为区域2（如图3 所示），模拟小黑体与人体测温区当成测量时的两个点。根据文献[8-9]所描述，人体额头区域平坦，测温面积大，有利于测温，所以将人体的额头部设为所述被测温区，使用红外热成像相机获取所述被测温区的目标温度，模拟小黑体校准参考区设在所述红外热成像相机的镜头前方，使用红外热成像相机温度传感器获取所述校准区的参考温度。由于模拟小黑体校准参考区温度已知，那么通过两点法公式的计算，区域2 可以实时的修正区域1 的测温数值。

图3 不同发射率下的温度比对图

图4 红外相机内标定模拟小黑体

根据文献[10]中的人体额头皮肤表面温度与实际体温对照表为基础，通过数据分析后优化并补充了对照表，补充后的结果见表1，通过该对照表，测温所得到的额头温度加上偏差值，最终就可以计算出人体的体温。

表1 人体额头皮肤表面温度、实际体温和偏差值关系表

5 结论

本课题以非接触人体温度测量为主要内容，进行了非接触的误差分析及补偿。从软件上解决了红外温度计测温不精确的缺点。综上所述可知：

（1） 误差分析及补偿 车辆驾驶员与乘客健康管理及快速验放设备使用场合多为半室外或者全室外，环境较为复杂，在通道内搭建黑体进行红外相机测量的温度进行校准。黑体能吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过。也就是说，绝对黑体只发射红外电磁波，但不反射外界环境的电磁波，使其辐射情况只与温度有关，有效避免外界环境干扰以及自身材料影响，将黑体辐射源（校准装置）设置在热成像摄像机视野范围内，建立灰度与温度的准确对应关系，进行测量温度实时校正，将视频画面和个人体温对应显示，可以大幅度提高人体测温的精度，减少测温误差到±0.3 ℃。

（2） 现在已经有了可变焦的红外测温仪，因此未来应用在医疗上的红外测温仪将向可变焦、热图像感应方向发展，本研究设计的系统只能作为过渡产品来使用，因此，从根本上提高测温仪的精度才能解决问题，这是以后所需要研究并着力的地方。