工业物联网多通道烟感信号转换器设计

摘要：随着工业生产逐渐智能化，工业消防系统也应跟上时展脚步，而目前对于各种烟感信号的采集多需独立采集数据，甚至需要用不同的软件查看储存数据，可见数据采集系统未来必会向多通道采集方面发展。基于物联网技术，以单片机为控制器设计了一种多通道烟感信号转换器，可实现多种烟感信号的采集及转换，数据通过485有线或无线传输给上位机。

关键词：物联网；信号转换器；单片机；多通道采集

近年来，随着物联网技术飞速发展，市场上出现了各种智慧烟感报警器，但是其不可安装于温度高、湿度大或空气流通较快的地方，不适宜用于工业行业中的消防领域[1]。数据采集系统最先由美国研究并应用在军事领域，目前他们的研究开始向体积小、功耗低、精度高和抗干扰能力方向发展。国内关于此方面的研究较晚，虽然出现了一些多功能和高可靠性的采集系统，但其应用范围及采集精度与发达国家相比还存在一些差异。

1系统结构

工业物联网的消防检测要求苛刻，具备高精度、检测速度快的特点，一般的自动化工厂的环境需要实时监测，主要监测以下几个方面：①温度。温度是检测火灾发生的最直接的方式。②颗粒检测。主要包括粉尘、水分、金属颗粒等，火灾发生时会经历阴燃，并不产生可见光，温度不容易被检测，烟雾报警器利用阴燃产生的烟雾检测便可以较早发现火灾，发出警报[2]。本系统主要由AVR单片机、传感器、AD转换模块、485通信模块、报警电路、蓝牙模块组成，其结构如图1所示。各类传感器将采集到的烟雾报警信号及温度数据发送到AVR单片机，数字信号经简单处理后发送至输出模块，模拟信号则经过AD转换模块处理再输出。输出数据可根据情况不同选择有线输出或无线输出到上位机。环境条件较差时可以采用485总线输出模式，而在一些干扰较小的环境便可采用无线输出模块，省去了现场布线等步骤。当中央处理器接收采集的数据超出设定范围时，则会触发报警电路模块，同时在上位机上实时显示，提醒工作人员。

2系统硬件设计

2.1主控制器

系统采用AVR单片机中的ATmega16微处理器作为主控CPU，其处理数据能力强、稳定性高而且价格实惠。系统以采集和传输自动化生产车间的环境参数为主要任务，以AVR单片机为中央处理器和控制器，利用烟雾报警器及温度传感器等采集自动化生产车间或产品储存仓库的环境数据，传送到单片机处理，采集的数据经单片机处理后通过有线或无线输出模块上传到上位机。

2.2数据采集模块设计

数据采集主要通过传感器来实现。自动化车间常见的传感器一般有如下几种：①离子感烟传感器内置电离室参考样本，当有烟雾产生时，电离室两端电压增加，烟雾越多电压变化越大，达到一定值时，三极管导通，输出PNP信号；②光电式烟感器利用光的反射折射的微弱信号进行积分放大而得到开关量；③DS18B20数字温度传感器输出的是数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点；④PT100电阻温度传感器是一种物质材料做成的电阻，随温度的上升阻值也上升，通过测量其阻值变化来测量温度。2.3电路模块设计电路主要由显示模块、独立按键模块、485有线模块、无线输出模块、虚拟终端组成。LCD显示屏具有寿命长、耗能低、不易损坏等优点。系统使用LCD显示屏接收单片机处理后的数据，直观显示 出环境温度变化。独立按键模块直接用I/O线与单片机引脚相连构成独立按键电路，每个按键的工作不会影响其他I/O线的状态，其电路配置灵活，结构简单，由单片机独立控制。系统用独立按键控制数据的输出方式及通道选择，可选485有线传输到虚拟终端或无线收到的方式。485有线模块主要由MAX485芯片做驱动，连接AVR单片机的通信端口与虚拟终端。MAX485芯片采用单一电源电压+5V供电，485总线采用平衡发送和差分接收接口标准[3]。无线输出模块主要通过蓝牙模块实现短距离无线通讯，可对采集模块所监测到的温湿度信号及报警信号传输到虚拟终端或手机客户端，便于用户在小范围内随时查看。

3软件设计

系统利用AVR专用编译器ICCV7forAVR进行软件编程。首先对温湿度传感器、AVR单片机的I/O口、AD寄存器及LCD初始化，然后开始采集环境数据，选择AD转换的通道及转换模式启动AD转换，将传感器采集到的数据转换成数字量。利用查询的方式检查按键的状态，当有按键按下时，进入485有线输出模式，若没有检测到按键按下，则进入无线输出模式，通过蓝牙模块向用户发送实时信息。软件设计流程如图2所示。

4结论

本文利用ATmega16单片机作为控制芯片，A/D模块作为采集及转换电路，精准采集不同的烟感信号，并有两种输出方式。此转换器装置不仅可以降低检测成本，而且可以快速、准确、实时获取各种监测信号。以单片机为主控芯片，多通道信号采集的转换器代替传统的采集方式，也是未来的发展趋势[4]，未来环境检测也会更加准确、迅速。

参考文献：

［1］刘著国.基于NB-IoT施工生活区无线烟感报警系统研究［J］.智能建筑，2019（6）：20-22.

［2］毛松科.锂离子电池生产工艺及其发展前景［J］.化工时刊，2019，33（9）：29-32.

［3］王彦林.基于LabVIEW和AVR单片机的RS485通信系统设计与实现［J］.电子技术与软件工程，2015（17）：253-254.

［4］陈健伟，陈鸿，王晋祺，等.高可靠性多通道模拟信号采集存储系统［J］.仪表技术与传感器，2019（3）：114-118.

作者：张烁斌 王莉 单位：天津农学院