基于工業物聯網的多通道煙感信號轉換器的設計＊

張爍斌，王莉

基于工業物聯網的多通道煙感信號轉換器的設計＊

張爍斌，王莉

（天津農學院 工程技術學院，天津 300384）

隨著工業生產逐漸智能化，工業消防系統也應跟上時代發展腳步，而目前對于各種煙感信號的采集多需獨立采集數據，甚至需要用不同的軟件查看儲存數據，可見數據采集系統未來必會向多通道采集方面發展。基于物聯網技術，以單片機為控制器設計了一種多通道煙感信號轉換器，可實現多種煙感信號的采集及轉換，數據通過485有線或無線傳輸給上位機。

物聯網；信號轉換器；單片機；多通道采集

近年來，隨著物聯網技術飛速發展，市場上出現了各種智慧煙感報警器，但是其不可安裝于溫度高、濕度大或空氣流通較快的地方，不適宜用于工業行業中的消防領域[1]。數據采集系統最先由美國研究并應用在軍事領域，目前他們的研究開始向體積小、功耗低、精度高和抗干擾能力方向發展。國內關于此方面的研究較晚，雖然出現了一些多功能和高可靠性的采集系統，但其應用范圍及采集精度與發達國家相比還存在一些差異。

1 系統結構

工業物聯網的消防檢測要求苛刻，具備高精度、檢測速度快的特點，一般的自動化工廠的環境需要實時監測，主要監測以下幾個方面：①溫度。溫度是檢測火災發生的最直接的方式。②顆粒檢測。主要包括粉塵、水分、金屬顆粒等，火災發生時會經歷陰燃，并不產生可見光，溫度不容易被檢測，煙霧報警器利用陰燃產生的煙霧檢測便可以較早發現火災，發出警報[2]。

本系統主要由AVR單片機、傳感器、AD轉換模塊、485通信模塊、報警電路、藍牙模塊組成，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

各類傳感器將采集到的煙霧報警信號及溫度數據發送到AVR單片機，數字信號經簡單處理后發送至輸出模塊，模擬信號則經過AD轉換模塊處理再輸出。輸出數據可根據情況不同選擇有線輸出或無線輸出到上位機。環境條件較差時可以采用485總線輸出模式，而在一些干擾較小的環境便可采用無線輸出模塊，省去了現場布線等步驟。當中央處理器接收采集的數據超出設定范圍時，則會觸發報警電路模塊，同時在上位機上實時顯示，提醒工作人員。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

系統采用AVR單片機中的ATmega16微處理器作為主控CPU，其處理數據能力強、穩定性高而且價格實惠。系統以采集和傳輸自動化生產車間的環境參數為主要任務，以AVR單片機為中央處理器和控制器，利用煙霧報警器及溫度傳感器等采集自動化生產車間或產品儲存倉庫的環境數據，傳送到單片機處理，采集的數據經單片機處理后通過有線或無線輸出模塊上傳到上位機。

2.2 數據采集模塊設計

數據采集主要通過傳感器來實現。自動化車間常見的傳感器一般有如下幾種：①離子感煙傳感器內置電離室參考樣本，當有煙霧產生時，電離室兩端電壓增加，煙霧越多電壓變化越大，達到一定值時，三極管導通，輸出PNP信號；②光電式煙感器利用光的反射折射的微弱信號進行積分放大而得到開關量；③DS18B20數字溫度傳感器輸出的是數字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點；④PT100電阻溫度傳感器是一種物質材料做成的電阻，隨溫度的上升阻值也上升，通過測量其阻值變化來測量溫度。

2.3 外圍電路模塊設計

外圍電路主要由顯示模塊、獨立按鍵模塊、485有線模塊、無線輸出模塊、虛擬終端組成。

LCD顯示屏具有壽命長、耗能低、不易損壞等優點。系統使用LCD顯示屏接收單片機處理后的數據，直觀顯示出環境溫度變化。獨立按鍵模塊直接用I/O線與單片機引腳相連構成獨立按鍵電路，每個按鍵的工作不會影響其他I/O線的狀態，其電路配置靈活，結構簡單，由單片機獨立控制。系統用獨立按鍵控制數據的輸出方式及通道選擇，可選485有線傳輸到虛擬終端或無線收到的方式。485有線模塊主要由MAX485芯片做驅動，連接AVR單片機的通信端口與虛擬終端。MAX485芯片采用單一電源電壓+5 V供電，485總線采用平衡發送和差分接收接口標準[3]。無線輸出模塊主要通過藍牙模塊實現短距離無線通訊，可對采集模塊所監測到的溫濕度信號及報警信號傳輸到虛擬終端或手機客戶端，便于用戶在小范圍內隨時查看。

3 軟件設計

系統利用AVR專用編譯器ICCV7 for AVR進行軟件編程。首先對溫濕度傳感器、AVR單片機的I/O口、AD寄存器及LCD初始化，然后開始采集環境數據，選擇AD轉換的通道及轉換模式啟動AD轉換，將傳感器采集到的數據轉換成數字量。

利用查詢的方式檢查按鍵的狀態，當有按鍵按下時，進入485有線輸出模式，若沒有檢測到按鍵按下，則進入無線輸出模式，通過藍牙模塊向用戶發送實時信息。軟件設計流程如圖2所示。

4 結論

本文利用ATmega16單片機作為控制芯片，A/D模塊作為采集及轉換電路，精準采集不同的煙感信號，并有兩種輸出方式。此轉換器裝置不僅可以降低檢測成本，而且可以快速、準確、實時獲取各種監測信號。以單片機為主控芯片，多通道信號采集的轉換器代替傳統的采集方式，也是未來的發展趨勢[4]，未來環境檢測也會更加準確、迅速。

圖2 軟件流程圖

［1］劉著國.基于NB-IoT施工生活區無線煙感報警系統研究［J］.智能建筑，2019（6）：20-22.

［2］毛松科.鋰離子電池生產工藝及其發展前景［J］.化工時刊，2019，33（9）：29-32.

［3］王彥林.基于LabVIEW和AVR單片機的RS485通信系統設計與實現［J］.電子技術與軟件工程，2015（17）：253-254.

［4］陳健偉，陳鴻，王晉祺，等.高可靠性多通道模擬信號采集存儲系統［J］.儀表技術與傳感器，2019（3）：114-118.

TP277

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.047

2095－6835（2020）09－0114－02

2019年天津農學院大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201910061049）

張爍斌（1998—），男，河南安陽人，本科在讀。

王莉（1976—），女，河南洛陽人，副教授，主要從事智能制造、動力機械及控制方面的應用研究。

〔編輯：嚴麗琴〕