Бесконтактный умный инфракрасный термометр на Arduino и смартфоне

Текущая пандемия коронавируса внесла существенные коррективы в жизнь людей по всему миру. Одним из значительных изменений, которые постигли человечество в этом плане, является необходимость в измерении температуры на входе во многие здания, чтобы таким образом уменьшить вероятность проникновения в здание людей с симптомами COVID-19. Делается это с помощью бесконтактных термометров, которые с начала пандемии стали дефицитным товаром и существенно повысилась цена их приобретения. Поэтому, возможно, вас заинтересует проект бесконтактного термометра, который можно сделать своими руками.

Внешний вид бесконтактного умного инфракрасного термометра на Arduino и смартфоне

На нашем сайте ранее мы уже рассматривали бесконтактный термометр на основе платы Arduino и датчике температуры MLX90614, который выводит измеренное значение температуры на экран OLED дисплея. В этой же статье мы рассмотрим создание более простого в изготовлении, но более функционального бесконтактного инфракрасного термометра на основе платы Arduino и смартфона на операционной системе Android, с помощью которого можно будет измерять температуру и вести лог измерений температуры с фотографиями лиц, у которых производилось измерение температуры. В дальнейшем этот лог температуры с фотографиями можно будет передавать для хранения в какое-нибудь централизованное место.

Как уменьшить стоимость бесконтактного термометра?

При ближайшем рассмотрении нам для изготовления бесконтактного термометра понадобятся инфракрасный датчик температуры, микроконтроллер, дисплей, драйвер дисплея и батарейка. Одним из самых дорогих устройств в этом списке будет бесконтактный инфракрасный датчик температуры. К сожалению, выбор среди доступных на рынке подобных датчиков невелик и придется выбирать между MLX90614 и MLX90615. Существенно сэкономить в этом плане можно с помощью аналогового датчика температуры (если вы умеете уверенно с ними работать), но общая схема термометра в этом случае немного усложнится и вам придется терпеть некоторые "муки", связанные с калибровкой подобного устройства. Но здесь выбор за вами. Мы же для нашего проекта решили использовать датчик MLX90615 от компании Melexis.

Когда датчик температуры выбран, нам осталось определиться с микроконтроллером, дисплеем и батареей. С целью удешевления проекта нашего термометра мы решили использовать в его составе смартфон потому что смартфоны сейчас уже не являются новинкой – они есть у большинства активного населения. Поэтому мы написали приложение на Android под названием “Easy Scan” (его можно скачать далее в статье), которое будет взаимодействовать с нашим термометром и выполнять ряд операций – вести лог данных температуры и захватывать изображения. С помощью данного подхода мы не только сможем просто хранить необходимые нам данные, но также мы сможем их передавать по электронной почте, по WhatsApp и т.п.

Поэтому теперь для нашего проекта бесконтактного термометра понадобятся лишь следующие компоненты:

  1. MLX90615 IR Temperature Sensor – инфракрасный датчик температуры MLX90615 (купить на AliExpress). К сожалению, на момент публикации данной статьи удалось найти на Aliexpress данный датчик только вместе с платой (это дороже), возможно, вам удастся найти его в продаже в виде отдельного датчика (это будет дешевле).
  2. TCRT5000 IR Sensor – инфракрасный датчик TCRT5000 (купить на AliExpress).
  3. Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
  4. Резисторы (купить на AliExpress).

Почему TCRT5000 и Arduino Nano?

Инфракрасный датчик TCRT5000 в нашем проекте будет использоваться для определения позиции (точки измерения температуры) и обеспечения автоматического считывания значений температуры. С помощью него нам не будет нужно производить никаких "танцев с бубном" в Android приложении и работа с ним значительно упростится. Также дополнительным достоинством использования данного датчика в нашем проекте является то, что с его помощью значения температуры будут считываться только тогда, когда человек находится на "правильном" расстоянии от нашего термометра, поэтому нам не нужно будет беспокоиться о ложных считываниях.

Причина, по которой в данном проекте мы будем использовать плату Arduino Nano, заключается в том, что у данной платы есть встроенный USB интерфейс – а он нам крайне важен для обеспечения взаимодействия между платой и смартфоном.

Схема проекта

Схема бесконтактного термометра на основе платы Arduino и смартфона представлена на следующем рисунке.

Схема бесконтактного термометра на основе платы Arduino и смартфона

Как видите, схема достаточно проста – нам в ней нужно всего лишь подключить датчики MLX90615 и TCRT5000 к плате Arduino Nano.

Датчики MLX90615 и TCRT500 работают от питающих напряжений 3.3V и 5V соответственно, поэтому мы без проблем сможем запитать их от платы Arduino. Контакты интерфейса I2C платы Arduino A4 (SDA) и A5 (SCL) используются для взаимодействия с датчиком MLX90615. Обычно датчик TCRT5000 используется вместе с операционным усилителем в режиме компаратора, но в нашей схеме инфракрасный датчик должен быть невосприимчив к солнечному свету. Поэтому мы подключили инфракрасный диод (IR diode) к цифровому контакту платы Arduino, а фотодиод – к ее аналоговому контакту. Таким образом мы сможем измерять значение с выхода фотодиода в режиме нормального функционирования и после приема сигнала с инфракрасного диода, разница между этими двумя значениями будет помогать нам в борьбе с шумом. Более подробно это будет рассмотрено в разделе про объяснение кода программы.

Внешний вид датчика температуры MLX90615

Вы можете собрать устройство на печатной плате, но мы в целях убыстрения процесса спаяли компоненты проекта на перфорированной плате. А в дальнейшем мы напечатали корпус устройства на 3D принтере исходя из размеров нашей перфорированной платы.

Внешний вид собранной конструкции нашего проекта

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Программа для нашего термометра значительно упрощается благодаря библиотеке для работы с датчиком MLX90615, разработанной Сергеем Киселевым, скачать ее можно по следующей ссылке.

Вначале в коде программы нам будет необходимо подключить используемые библиотеки и объявить необходимые переменные. В нашем проекте будут использоваться две важные для нас переменные: error_correction value (ошибка коррекции) и range sensitivity value (значение диапазона чувствительности). Хотя датчик MLX90615 поставляется уже откалиброванным с завода-изготовителя, мы обнаружили, что показания с него будут обладать большей чувствительностью (точностью), если мы добавим к ним значение ошибки коррекции. В нашем случае мы будем добавлять 3.2 к значению, которое мы будем получать с датчика. Мы проверяли работу нашего термометра вместе с сертифицированным термометром и обнаружили, что добавление данного корректировочного значения делает показания нашего термометра более надежными (точными). Следующая важная переменная у нас – это Range sensitivity (чувствительность и диапазон). Если мы будем уменьшать ее значение, то диапазон работы нашего термометра будет увеличиваться.

Защита от ложных показаний при попадании солнечного света на инфракрасный датчик

Следующее устройство, которое нуждается в корректировке в нашем проекте, это датчик TCRT5000. Если использовать его "обычным" способом, то в нашем случае он будет значительно страдать от попадания на него солнечного цвета.

Для борьбы с этой проблемой мы будем снимать, как уже указывалось в схеме, два показания с выхода этого датчика. Излучающий светодиод инфракрасного датчика подключен к цифровому контакту платы Arduino, а приемный светодиод – к ее аналоговому контакту. Поэтому в нашем случае мы будем считывать два значения с инфракрасного датчика (IR sensor) – одно значение это будет шум (Noise), а другое значение это будет шум + сигнал (Noise plus Signal). Значение шума будет измеряться в то время, когда излучающий светодиод выключен, то есть приемный инфракрасный светодиод в это время будет принимать излучение Солнца, которое практически всегда в какой то степени присутствует в месте работы нашего термометра. А после включения излучающего светодиода мы приемным светодиодом будем измерять уже смесь сигнал + шум. Затем в программе мы будем просто вычитать из значения сигнал + шум значение шума и будем в результате подучать значение сигнала. Строки программы, реализующие этот процесс, будут выглядеть следующим образом:

Поскольку мы будем знать значения сигнала (Signal) и шума (Noise), мы можем сравнить их со значением Range_sensitivity чтобы проверить достаточно ли близко расположен датчик к коже человека и если это так, мы можем передавать измеренное значение температуры с помощью последовательной связи, а если датчик будет находиться достаточно далеко от кожи человека (то есть измерение температуры в этом случае будет неточным), мы будем на выход передавать просто position_error (ошибка положения). Если значение шума будет очень большим (в нашем случае больше 500) это будет означать что датчик направлен прямо на Солнце и в этом случае уже можно не рассчитывать на точное измерение температуры, поэтому в данном случае мы считывание измерений температуры не производим.

Android приложение Easy Scan

Одной из значимых частей нашего проекта является Android приложение Easy Scan. Вы можете скачать установочный (APK) файл данного приложения по следующей ссылке:

Download Easy Scan Android Application

Как уже было отмечено раньше, наше Android приложение позволяет сохранять значения температуры вместе с фотографиями лиц, у которых производились измерения температуры) и делиться полученным excel файлом через Whatsapp, E-mail и т.д. Несколько скриншотов работы данного приложения показаны на следующем рисунке.

Скриншоты работы приложения Easy Scan

Печать корпуса термометра на 3D принтере

Основная идея конструирования нашего проекта термометра заключалась в том, чтобы сделать его достаточно компактным - чтобы его легко можно было монтировать сверху смартфона. Для этого мы разработали CAD модель корпуса термометра небольшого размера, который можно закрепить на смартфоне с помощью скрепки для бумаг.

CAD модель корпуса термометра

Его дизайн достаточно простой – просто коробка, куда можно было бы спрятать все электронные части термометра, отверстие для установки инфракрасного датчика и датчика температуры, а также слот для подсоединения USB кабеля к плате Arduino Nano. Датчик температуры устанавливается под углом наклона 30 градусов чтобы он находился приблизительно в перпендикулярном положении когда мы его держим у головы человека, которому хотим измерить температуру. STL файлы для печати корпуса нашего термометра на 3D принтере вы можете скачать по следующей ссылке:

Download STL files from Thingiverse

При этом учитывайте, что размеры корпуса термометра подогнаны под размеры нашей перфорированной платы, у вас они могут быть немного другими, поэтому вам может понадобиться небольшая корректировка размеров корпуса в наших файлах.

Внешний вид изготовленного корпуса для термометра

Тестирование работы термометра

После того как аппаратная часть проекта будет готова, загрузите код программы в плату Arduino. После этого откройте окно монитора последовательной связи (serial monitor) и вы увидите что в нем будет печататься ошибка определения положения (position error). Если вы поднесете термометр достаточно близко к своей руке, вы увидите что в этом окне начнут выводиться измеренные значения температуры. Если у вас есть под рукой сертифицированный термометр, то вы можете откалибровать работу нашего самодельного термометра с его помощью изменяя значение корректировочного значения в программе (error correction value).

Тестирование работы термометра с помощью монитора последовательной связи

После этого используйте соединитель OTG типа чтобы подключить термометр к своему смартфону. Мы протестировали его работу со смартфонами с разъемами Type-C и micro USB – в обоих случаях проблем не возникло. Только проверьте в своем смартфоне правильность настроек при подключении к нему устройств с помощью OTG. Некоторые смартфоны "спрашивают" об этом при подключении устройств, а некоторые – нет.

Внешний вид всех компонентов бесконтактного термометра

После выполнения всех необходимых подключений установите приложение Easy Scan (ссылка на его скачивание приведена выше в статье) и запустите его. Поместите получившуюся конструкцию напротив человека, температуру которого необходимо измерить, и если все работает нормально, вы должны увидеть на экране приложения измеренное значение температуры.

Тестирование работы термометра на экране Android приложения

В приложении можно будет установить границу температуры, при превышении которой необходимо будет также делать фотографию лица с повышенной температурой. Все собранные сведения можно будет просмотреть в приложении в удобном виде, также они могут быть "расшарены" в Excel формате для других лиц. Более подробно работу с нашим самодельным термометром вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.

Исходный код программы (скетча)

Видео, демонстрирующее работу термометра

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
38 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *