邱金財 李葒娜 劉 歡 任 帥 張 旭（天津理工大學海運學院，天津 300384）

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船舶無線溫度遙測系統(tǒng)

邱金財 李葒娜 劉 歡 任 帥 張 旭
（天津理工大學海運學院，天津 300384）

摘 要：基于51單片機、DS18b20數(shù)字溫度傳感器和nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成溫度數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有功耗低、誤碼率低、工作穩(wěn)定、成本低并能夠一次性使用等一系列優(yōu)點。多點無線溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度監(jiān)測，無線抄表等各種領(lǐng)域，尤其是對于工作環(huán)境惡劣的系統(tǒng)的檢測更有實際應(yīng)用價值，因此具有很好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)字溫度傳感器；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

目前，船舶上采用的貨艙溫度采集系統(tǒng)大部分由傳感器、數(shù)字集成元件及轉(zhuǎn)換電路等元器件組成。整個系統(tǒng)線路復雜，構(gòu)建繁瑣，成本極高，而且很難對系統(tǒng)設(shè)備進行升級換代，尤其是在惡劣復雜的海況下航行，對整個系統(tǒng)設(shè)備造成的破壞很難進行維修。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，采用NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24L01芯片和美國DALLAS公司生產(chǎn)的最新型數(shù)字溫度傳感器DS18b20來設(shè)計溫度監(jiān)控設(shè)備，使得硬件趨于簡潔，主要的功能都可在單片機芯片內(nèi)部通過軟件方法實現(xiàn)。利用無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)船舶艙室溫度的遙測，并輸出到終端，降低船員進入封閉艙室或有毒艙室的工作危險性，既滿足的溫度遙測的需求，又保證了海上作業(yè)的安全。與目前有線溫度監(jiān)控設(shè)備相比降低成本，消除了以往艙室惡劣工作環(huán)境對有線設(shè)備的損壞，提高空間利用率。另外，設(shè)備成本大幅降低，由于碼頭裝卸貨的自動化程度提高，在進行船舶貨物裝卸時可以達到一次性使用，從而提高工作效率。

一、貨艙溫度傳感器概述

1 研發(fā)流程

確定符合功能要求的數(shù)據(jù)接發(fā)設(shè)備和溫度傳感器，最終選擇NORDIC公司的nRF24L01無線模塊和DALLAS公司的DS18b20溫度傳感器，運用AD知識，設(shè)計制作能滿足設(shè)備需求的印刷電路板，主電路板板焊接完成后，編寫系統(tǒng)控制程序，運行并調(diào)試程序檢驗設(shè)備的實驗效果。

作為最常見的傳感器之一，溫度傳感器具有廣泛的運用。早期的溫度傳感器大都采用熱敏或者熱偶電阻的電阻差的變化來測量溫度，不僅測量線路復雜，而且測量精度不高，往往不能達到設(shè)計的預期要求。隨著科技的進步，現(xiàn)代化的溫度傳感器變得微型化、數(shù)字化，體積減小的同時測量精度也大大提高，廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。美國DALLAS半導體公司最新的數(shù)字化溫度傳感器DS18b20采用單總線協(xié)議，無須連接任何外部元件。它具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供處理器處理。

2 DS18b20溫度傳感器性能

如圖1所示，整個傳感器模塊外形小，結(jié)構(gòu)簡單，但功能強大，相比于船用的溫度傳感器，價格便宜，電路簡單編程容易，最重要的是大大節(jié)約船用空間，極大的減少了以往安裝傳感器所需布線的復雜，直插即用。DS18b20傳感器集成了溫度檢測及數(shù)據(jù)輸出在一起，大大提高了其抗干擾能力；同時也把其工作周期分成了兩個部分，即溫度采集和數(shù)據(jù)處理。溫度采集部分主要依靠其內(nèi)部的數(shù)字溫度傳感器，精度能達到0.0625。數(shù)據(jù)的處理則主要是將其采集的溫度轉(zhuǎn)換成標準的BCD碼，發(fā)送至單片機等處理元件，進行后續(xù)操作。而其內(nèi)部的暫存器，可以存儲即將輸出的溫度數(shù)據(jù)。其具有獨立的單總線接口方式，無須連接任何外部元件，只需一條口線就能實現(xiàn)多點組網(wǎng)分布的傳感器與CPU之間的雙向通信，實現(xiàn)多點溫度的及時測量溫度，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

圖1　

二、無線模塊特點

1 nRF24L01無線模塊外部特性

如圖2和圖3所示，nRF24L01無線模塊整體面積15.01048×29.01056mm，相比于目前船舶上使用的有線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，其在溫度數(shù)據(jù)傳輸方面具有極大的優(yōu)勢：體積小，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸距離遠，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。這些優(yōu)勢極大體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體設(shè)計的基本思想：小而穩(wěn)定。另一方面，其價格便宜，功耗低，編程簡單，極大程度上降低的設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸成本，但又能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，是一種性能優(yōu)越的元件。

圖2　nRF24L01無線模塊

圖3 nRF24L01無線模塊PCB面板

圖4　船用無線溫度遙測系統(tǒng)裝置實物

2 nRF24L01無線模塊內(nèi)部特性

nRF24L01無線模塊采用GFSK調(diào)制模式，數(shù)據(jù)傳輸速率能達到lMb/s～2Mb/s，SPI速率為0Mb/s～10Mb/s，而且其具有穩(wěn)定的自動應(yīng)答和再發(fā)射功能。相比于其他的無線模塊，如CC2500，PTR2000等，其數(shù)據(jù)傳輸功率更高，傳輸數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，而且距離更遠。另一方面，其通信協(xié)議簡單，編碼方便，抗干擾能力強，在不使用時的掉電模式和空閑模式，能極大的降低系統(tǒng)整體的功耗，延長設(shè)備的一次性使用時間，降低了系統(tǒng)的設(shè)計難度。

三、系統(tǒng)整體測試

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由89C52單片機、無線模塊nRF24L01 和DS18B20溫度傳感器集成，如圖4所示。自主設(shè)計制作的PCB電路板，整體長寬各5.4cm，占地面積不足30cm2，體現(xiàn)了設(shè)備的小型化、簡單化。系統(tǒng)整體使用的各種耗材，包括芯片、傳感器、電容電阻、無線模塊等，成本低，性能優(yōu)越，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且功率強大的無線傳輸模塊的傳輸距離達到數(shù)十米，很好的完成了低成本、高性能又能一次性使用的目標，能夠很好的適應(yīng)船舶貨艙在各種惡劣條件下溫度的監(jiān)測，同時又大大降低了使用成本。

2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)整體測試概念圖，如圖5所示。系統(tǒng)由一主機加若干個從機構(gòu)成（根據(jù)需求設(shè)置），通過設(shè)備上的按鍵，可設(shè)置任一設(shè)備為主機，其余設(shè)備則自動成從機。主機可連接在任意安裝了溫度顯示軟件的control panel上，而從機則可放置在貨艙的任意位置。當進行溫度的檢查時，可手持載有主機的panel，隨時在任意貨艙，該貨艙各點的溫度時時發(fā)送到控制器的溫度顯示軟件上，得到的溫度曲線如圖6所示。本系統(tǒng)的設(shè)計，大大提高了工作效率，同時降低了工作人員進入貨艙檢查時的危險性。

圖5　整體測試概念圖

圖6　溫度曲線

結(jié)語

采用DS18B20和單片機等連接組成的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，滿足了溫度遙測的需求，同時大大降低了成本。適用于船舶艙室等工作環(huán)境惡劣、空間有限的場合，能最大化的實現(xiàn)“小空間、大利用”，準確時時的監(jiān)控船艙溫度。另一方面，單片機有強大的功能，能完成復雜的控制任務(wù)，并且支持多種編程語言，與各種硬件兼容性良好，降低了開發(fā)難度，以此來代替進口產(chǎn)品和現(xiàn)有設(shè)備的升級換代，能有效節(jié)約資金降低成本，可以一次性使用，對于暴力性裝卸貨有重大的實際意義。

參考文獻

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基金項目：天津理工大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、項目編號：201410060029。

中圖分類號：TN98

文獻標識碼：A