船舶无线温度遥测系统

邱金财 李荭娜 刘 欢 任 帅 张 旭（天津理工大学海运学院，天津 300384）



船舶无线温度遥测系统

邱金财 李荭娜 刘 欢 任 帅 张 旭
（天津理工大学海运学院，天津 300384）

摘 要：基于51单片机、DS18b20数字温度传感器和nRF24L01无线数据传输模块组成温度数据无线传输系统。此系统具有功耗低、误码率低、工作稳定、成本低并能够一次性使用等一系列优点。多点无线温度数据传输系统，可广泛应用于环境温度监测，无线抄表等各种领域，尤其是对于工作环境恶劣的系统的检测更有实际应用价值，因此具有很好的推广价值。

关键词：单片机；数字温度传感器；无线数据传输模块

目前，船舶上采用的货舱温度采集系统大部分由传感器、数字集成元件及转换电路等元器件组成。整个系统线路复杂，构建繁琐，成本极高，而且很难对系统设备进行升级换代，尤其是在恶劣复杂的海况下航行，对整个系统设备造成的破坏很难进行维修。随着嵌入式技术的快速发展，采用NORDIC公司生产的nRF24L01芯片和美国DALLAS公司生产的最新型数字温度传感器DS18b20来设计温度监控设备，使得硬件趋于简洁，主要的功能都可在单片机芯片内部通过软件方法实现。利用无线传输技术，实现船舶舱室温度的遥测，并输出到终端，降低船员进入封闭舱室或有毒舱室的工作危险性，既满足的温度遥测的需求，又保证了海上作业的安全。与目前有线温度监控设备相比降低成本，消除了以往舱室恶劣工作环境对有线设备的损坏，提高空间利用率。另外，设备成本大幅降低，由于码头装卸货的自动化程度提高，在进行船舶货物装卸时可以达到一次性使用，从而提高工作效率。

一、货舱温度传感器概述

1 研发流程

确定符合功能要求的数据接发设备和温度传感器，最终选择NORDIC公司的nRF24L01无线模块和DALLAS公司的DS18b20温度传感器，运用AD知识，设计制作能满足设备需求的印刷电路板，主电路板板焊接完成后，编写系统控制程序，运行并调试程序检验设备的实验效果。

作为最常见的传感器之一，温度传感器具有广泛的运用。早期的温度传感器大都采用热敏或者热偶电阻的电阻差的变化来测量温度，不仅测量线路复杂，而且测量精度不高，往往不能达到设计的预期要求。随着科技的进步，现代化的温度传感器变得微型化、数字化，体积减小的同时测量精度也大大提高，广泛的应用在生产生活的各个领域。美国DALLAS半导体公司最新的数字化温度传感器DS18b20采用单总线协议，无须连接任何外部元件。它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强等优点，可直接将温度转化为数字信号供处理器处理。

2 DS18b20温度传感器性能

如图1所示，整个传感器模块外形小，结构简单，但功能强大，相比于船用的温度传感器，价格便宜，电路简单编程容易，最重要的是大大节约船用空间，极大的减少了以往安装传感器所需布线的复杂，直插即用。DS18b20传感器集成了温度检测及数据输出在一起，大大提高了其抗干扰能力；同时也把其工作周期分成了两个部分，即温度采集和数据处理。温度采集部分主要依靠其内部的数字温度传感器，精度能达到0.0625。数据的处理则主要是将其采集的温度转换成标准的BCD码，发送至单片机等处理元件，进行后续操作。而其内部的暂存器，可以存储即将输出的温度数据。其具有独立的单总线接口方式，无须连接任何外部元件，只需一条口线就能实现多点组网分布的传感器与CPU之间的双向通信，实现多点温度的及时测量温度，测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

图1　

二、无线模块特点

1 nRF24L01无线模块外部特性

如图2和图3所示，nRF24L01无线模块整体面积15.01048×29.01056mm，相比于目前船舶上使用的有线数据传输设备，其在温度数据传输方面具有极大的优势：体积小，数据传输稳定，数据传输距离远，能实现数据的无线传输。这些优势极大体现了系统的整体设计的基本思想：小而稳定。另一方面，其价格便宜，功耗低，编程简单，极大程度上降低的设备的数据传输成本，但又能保证数据传输的质量，是一种性能优越的元件。

图2　nRF24L01无线模块

图3 nRF24L01无线模块PCB面板

图4　船用无线温度遥测系统装置实物

2 nRF24L01无线模块内部特性

nRF24L01无线模块采用GFSK调制模式，数据传输速率能达到lMb/s～2Mb/s，SPI速率为0Mb/s～10Mb/s，而且其具有稳定的自动应答和再发射功能。相比于其他的无线模块，如CC2500，PTR2000等，其数据传输功率更高，传输数据更加稳定，而且距离更远。另一方面，其通信协议简单，编码方便，抗干扰能力强，在不使用时的掉电模式和空闲模式，能极大的降低系统整体的功耗，延长设备的一次性使用时间，降低了系统的设计难度。

三、系统整体测试

1 系统结构

系统整体由89C52单片机、无线模块nRF24L01 和DS18B20温度传感器集成，如图4所示。自主设计制作的PCB电路板，整体长宽各5.4cm，占地面积不足30cm2，体现了设备的小型化、简单化。系统整体使用的各种耗材，包括芯片、传感器、电容电阻、无线模块等，成本低，性能优越，数据传输稳定且功率强大的无线传输模块的传输距离达到数十米，很好的完成了低成本、高性能又能一次性使用的目标，能够很好的适应船舶货舱在各种恶劣条件下温度的监测，同时又大大降低了使用成本。

2 系统测试

系统整体测试概念图，如图5所示。系统由一主机加若干个从机构成（根据需求设置），通过设备上的按键，可设置任一设备为主机，其余设备则自动成从机。主机可连接在任意安装了温度显示软件的control panel上，而从机则可放置在货舱的任意位置。当进行温度的检查时，可手持载有主机的panel，随时在任意货舱，该货舱各点的温度时时发送到控制器的温度显示软件上，得到的温度曲线如图6所示。本系统的设计，大大提高了工作效率，同时降低了工作人员进入货舱检查时的危险性。

图5　整体测试概念图

图6　温度曲线

结语

采用DS18B20和单片机等连接组成的无线温度监控系统，满足了温度遥测的需求，同时大大降低了成本。适用于船舶舱室等工作环境恶劣、空间有限的场合，能最大化的实现“小空间、大利用”，准确时时的监控船舱温度。另一方面，单片机有强大的功能，能完成复杂的控制任务，并且支持多种编程语言，与各种硬件兼容性良好，降低了开发难度，以此来代替进口产品和现有设备的升级换代，能有效节约资金降低成本，可以一次性使用，对于暴力性装卸货有重大的实际意义。

参考文献

[1]张郁峰.如何搞好船舶设备管理工作[J].科技创新导报，2014.

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社.

[3]荚庆，王代华，张志杰.基于nRF24L01的无线数据传输系统[J].现代电子技术，2008.

基金项目：天津理工大学大学生创新创业训练计划项目、项目编号：201410060029。

中图分类号：TN98

文献标识码：A