張爍斌，王莉

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多通道煙感信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)＊

張爍斌，王莉

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)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(yīng)跟上時(shí)代發(fā)展腳步，而目前對(duì)于各種煙感信號(hào)的采集多需獨(dú)立采集數(shù)據(jù)，甚至需要用不同的軟件查看儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，可見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)未來必會(huì)向多通道采集方面發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，以單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)了一種多通道煙感信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)多種煙感信號(hào)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(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)；信號(hào)轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；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(bào)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(yīng)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(yīng)用范圍及采集精度與發(fā)達(dá)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(diǎn)，一般的自動(dòng)化工廠的環(huán)境需要實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要監(jiān)測以下幾個(gè)方面：①溫度。溫度是檢測火災(zāi)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(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)經(jīng)歷陰燃，并不產(chǎn)生可見光，溫度不容易被檢測，煙霧報(bào)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(zāi)，發(fā)出警報(bào)[2]。

本系統(tǒng)主要由AVR單片機(jī)、傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊、485通信模塊、報(bào)警電路、藍(lán)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(bào)警信號(hào)及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到AVR單片機(jī)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)簡單處理后發(fā)送至輸出模塊，模擬信號(hào)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(jī)。環(huán)境條件較差時(shí)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(dāng)中央處理器接收采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時(shí)，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路模塊，同時(shí)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，提醒工作人員。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)中的ATmega16微處理器作為主控CPU，其處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高而且價(jià)格實(shí)惠。系統(tǒng)以采集和傳輸自動(dòng)化生產(chǎn)車間的環(huán)境參數(shù)為主要任務(wù)，以AVR單片機(jī)為中央處理器和控制器，利用煙霧報(bào)警器及溫度傳感器等采集自動(dòng)化生產(chǎn)車間或產(chǎn)品儲(chǔ)存?zhèn)}庫的環(huán)境數(shù)據(jù)，傳送到單片機(jī)處理，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后通過有線或無線輸出模塊上傳到上位機(jī)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集主要通過傳感器來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)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(dāng)有煙霧產(chǎn)生時(shí)，電離室兩端電壓增加，煙霧越多電壓變化越大，達(dá)到一定值時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出PNP信號(hào)；②光電式煙感器利用光的反射折射的微弱信號(hào)進(jìn)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(hào)，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)；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(shè)計(jì)

外圍電路主要由顯示模塊、獨(dú)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(diǎn)。系統(tǒng)使用LCD顯示屏接收單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，直觀顯示出環(huán)境溫度變化。獨(dú)立按鍵模塊直接用I/O線與單片機(jī)引腳相連構(gòu)成獨(dú)立按鍵電路，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)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(jī)獨(dú)立控制。系統(tǒng)用獨(dú)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(dòng)，連接AVR單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)[3]。無線輸出模塊主要通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)短距離無線通訊，可對(duì)采集模塊所監(jiān)測到的溫濕度信號(hào)及報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)教摂M終端或手機(jī)客戶端，便于用戶在小范圍內(nèi)隨時(shí)查看。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用AVR專用編譯器ICCV7 for AVR進(jìn)行軟件編程。首先對(duì)溫濕度傳感器、AVR單片機(jī)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(dòng)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(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)入485有線輸出模式，若沒有檢測到按鍵按下，則進(jìn)入無線輸出模式，通過藍(lán)牙模塊向用戶發(fā)送實(shí)時(shí)信息。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

4 結(jié)論

本文利用ATmega16單片機(jī)作為控制芯片，A/D模塊作為采集及轉(zhuǎn)換電路，精準(zhǔn)采集不同的煙感信號(hào)，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(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取各種監(jiān)測信號(hào)。以單片機(jī)為主控芯片，多通道信號(hào)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(huì)更加準(zhǔn)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(bào)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(shí)刊，2019，33（9）：29-32.

［3］王彥林.基于LabVIEW和AVR單片機(jī)的RS485通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(hào)采集存儲(chǔ)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(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：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(dòng)力機(jī)械及控制方面的應(yīng)用研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕