船舶無線溫度遙測(cè)系統(tǒng)

邱金財(cái) 李葒娜 劉 歡 任 帥 張 旭（天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津 300384）

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船舶無線溫度遙測(cè)系統(tǒng)

邱金財(cái) 李葒娜 劉 歡 任 帥 張 旭
（天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津 300384）

摘 要：基于51單片機(jī)、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(diǎn)。多點(diǎn)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(cè)，無線抄表等各種領(lǐng)域，尤其是對(duì)于工作環(huán)境惡劣的系統(tǒng)的檢測(cè)更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因此具有很好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；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(gè)系統(tǒng)線路復(fù)雜，構(gòu)建繁瑣，成本極高，而且很難對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，尤其是在惡劣復(fù)雜的海況下航行，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備造成的破壞很難進(jìn)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(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的最新型數(shù)字溫度傳感器DS18b20來設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控設(shè)備，使得硬件趨于簡(jiǎn)潔，主要的功能都可在單片機(jī)芯片內(nèi)部通過軟件方法實(shí)現(xiàn)。利用無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶艙室溫度的遙測(cè)，并輸出到終端，降低船員進(jìn)入封閉艙室或有毒艙室的工作危險(xiǎn)性，既滿足的溫度遙測(cè)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(duì)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(dòng)化程度提高，在進(jìn)行船舶貨物裝卸時(shí)可以達(dá)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(yùn)用AD知識(shí)，設(shè)計(jì)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(yùn)行并調(diào)試程序檢驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)效果。

作為最常見的傳感器之一，溫度傳感器具有廣泛的運(yùn)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(cè)量溫度，不僅測(cè)量線路復(fù)雜，而且測(cè)量精度不高，往往不能達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。隨著科技的進(jìn)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(shí)測(cè)量精度也大大提高，廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。美國(guó)DALLAS半導(dǎo)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供處理器處理。

2 DS18b20溫度傳感器性能

如圖1所示，整個(gè)傳感器模塊外形小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功能強(qiáng)大，相比于船用的溫度傳感器，價(jià)格便宜，電路簡(jiǎn)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(fù)雜，直插即用。DS18b20傳感器集成了溫度檢測(cè)及數(shù)據(jù)輸出在一起，大大提高了其抗干擾能力；同時(shí)也把其工作周期分成了兩個(gè)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)的BCD碼，發(fā)送至單片機(jī)等處理元件，進(jìn)行后續(xù)操作。而其內(nèi)部的暫存器，可以存儲(chǔ)即將輸出的溫度數(shù)據(jù)。其具有獨(dú)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)分布的傳感器與CPU之間的雙向通信，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的及時(shí)測(cè)量溫度，測(cè)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(diǎn)

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(shì)：體積小，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。這些優(yōu)勢(shì)極大體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)的基本思想：小而穩(wěn)定。另一方面，其價(jià)格便宜，功耗低，編程簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)裝置實(shí)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(dá)到lMb/s～2Mb/s，SPI速率為0Mb/s～10Mb/s，而且其具有穩(wěn)定的自動(dòng)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(yuǎn)。另一方面，其通信協(xié)議簡(jiǎn)單，編碼方便，抗干擾能力強(qiáng)，在不使用時(shí)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(zhǎng)設(shè)備的一次性使用時(shí)間，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

三、系統(tǒng)整體測(cè)試

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由89C52單片機(jī)、無線模塊nRF24L01 和DS18B20溫度傳感器集成，如圖4所示。自主設(shè)計(jì)制作的PCB電路板，整體長(zhǎng)寬各5.4cm，占地面積不足30cm2，體現(xiàn)了設(shè)備的小型化、簡(jiǎn)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(qiáng)大的無線傳輸模塊的傳輸距離達(dá)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(biāo)，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(cè)，同時(shí)又大大降低了使用成本。

2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體測(cè)試概念圖，如圖5所示。系統(tǒng)由一主機(jī)加若干個(gè)從機(jī)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(jī)，其余設(shè)備則自動(dòng)成從機(jī)。主機(jī)可連接在任意安裝了溫度顯示軟件的control panel上，而從機(jī)則可放置在貨艙的任意位置。當(dāng)進(jìn)行溫度的檢查時(shí)，可手持載有主機(jī)的panel，隨時(shí)在任意貨艙，該貨艙各點(diǎn)的溫度時(shí)時(shí)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(jì)，大大提高了工作效率，同時(shí)降低了工作人員進(jìn)入貨艙檢查時(shí)的危險(xiǎn)性。

圖5　整體測(cè)試概念圖

圖6　溫度曲線

結(jié)語

采用DS18B20和單片機(jī)等連接組成的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，滿足了溫度遙測(cè)的需求，同時(shí)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(chǎng)合，能最大化的實(shí)現(xiàn)“小空間、大利用”，準(zhǔn)確時(shí)時(shí)的監(jiān)控船艙溫度。另一方面，單片機(jī)有強(qiáng)大的功能，能完成復(fù)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(jìn)口產(chǎn)品和現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)換代，能有效節(jié)約資金降低成本，可以一次性使用，對(duì)于暴力性裝卸貨有重大的實(shí)際意義。

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基金項(xiàng)目：天津理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、項(xiàng)目編號(hào)：201410060029。

中圖分類號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A