基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多通道煙感信號轉(zhuǎn)換器的設計＊

張爍斌，王莉

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多通道煙感信號轉(zhuǎn)換器的設計＊

張爍斌，王莉

（天津農(nóng)學院 工程技術(shù)學院，天津 300384）

隨著工業(yè)生產(chǎn)逐漸智能化，工業(yè)消防系統(tǒng)也應跟上時代發(fā)展腳步，而目前對于各種煙感信號的采集多需獨立采集數(shù)據(jù)，甚至需要用不同的軟件查看儲存數(shù)據(jù)，可見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)未來必會向多通道采集方面發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以單片機為控制器設計了一種多通道煙感信號轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)多種煙感信號的采集及轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)通過485有線或無線傳輸給上位機。

物聯(lián)網(wǎng)；信號轉(zhuǎn)換器；單片機；多通道采集

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，市場上出現(xiàn)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(yè)行業(yè)中的消防領(lǐng)域[1]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最先由美國研究并應用在軍事領(lǐng)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(fā)展。國內(nèi)關(guān)于此方面的研究較晚，雖然出現(xiàn)了一些多功能和高可靠性的采集系統(tǒng)，但其應用范圍及采集精度與發(fā)達國家相比還存在一些差異。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(huán)境需要實時監(jiān)測，主要監(jiān)測以下幾個方面：①溫度。溫度是檢測火災發(fā)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(fā)生時會經(jīng)歷陰燃，并不產(chǎn)生可見光，溫度不容易被檢測，煙霧報警器利用陰燃產(chǎn)生的煙霧檢測便可以較早發(fā)現(xiàn)火災，發(fā)出警報[2]。

本系統(tǒng)主要由AVR單片機、傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊、485通信模塊、報警電路、藍牙模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各類傳感器將采集到的煙霧報警信號及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到AVR單片機，數(shù)字信號經(jīng)簡單處理后發(fā)送至輸出模塊，模擬信號則經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊處理再輸出。輸出數(shù)據(jù)可根據(jù)情況不同選擇有線輸出或無線輸出到上位機。環(huán)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(huán)境便可采用無線輸出模塊，省去了現(xiàn)場布線等步驟。當中央處理器接收采集的數(shù)據(jù)超出設定范圍時，則會觸發(fā)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(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

系統(tǒng)采用AVR單片機中的ATmega16微處理器作為主控CPU，其處理數(shù)據(jù)能力強、穩(wěn)定性高而且價格實惠。系統(tǒng)以采集和傳輸自動化生產(chǎn)車間的環(huán)境參數(shù)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(chǎn)車間或產(chǎn)品儲存?zhèn)}庫的環(huán)境數(shù)據(jù)，傳送到單片機處理，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集主要通過傳感器來實現(xiàn)。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(nèi)置電離室參考樣本，當有煙霧產(chǎn)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(guān)量；③DS18B20數(shù)字溫度傳感器輸出的是數(shù)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(zhì)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(yōu)點。系統(tǒng)使用LCD顯示屏接收單片機處理后的數(shù)據(jù)，直觀顯示出環(huán)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(gòu)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(tài)，其電路配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，由單片機獨立控制。系統(tǒng)用獨立按鍵控制數(shù)據(jù)的輸出方式及通道選擇，可選485有線傳輸?shù)教摂M終端或無線收到的方式。485有線模塊主要由MAX485芯片做驅(qū)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(fā)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(xiàn)短距離無線通訊，可對采集模塊所監(jiān)測到的溫濕度信號及報警信號傳輸?shù)教摂M終端或手機客戶端，便于用戶在小范圍內(nèi)隨時查看。

3 軟件設計

系統(tǒng)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(huán)境數(shù)據(jù)，選擇AD轉(zhuǎn)換的通道及轉(zhuǎn)換模式啟動AD轉(zhuǎn)換，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

利用查詢的方式檢查按鍵的狀態(tài)，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(fā)送實時信息。軟件設計流程如圖2所示。

4 結(jié)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(zhuǎn)換電路，精準采集不同的煙感信號，并有兩種輸出方式。此轉(zhuǎn)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(jiān)測信號。以單片機為主控芯片，多通道信號采集的轉(zhuǎn)換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采集方式，也是未來的發(fā)展趨勢[4]，未來環(huán)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(qū)無線煙感報警系統(tǒng)研究［J］.智能建筑，2019（6）：20-22.

［2］毛松科.鋰離子電池生產(chǎn)工藝及其發(fā)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(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)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(tǒng)［J］.儀表技術(shù)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(nóng)學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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〕