海表温度既是指示全球气候系统状态变化的重要参数，又是影响大气波导形成及超视距雷达探测距离的重要因素，具有十分重要的民事和军事意义^[1-2]。针对舰船航行过程中大范围海表温度的采集，目前常用的方法是通过红外温度计进行测量或将装有精确温度计的橡皮吊桶(或其他热容较小的容器)吊入海水中进行测量^[3]，但是以上方法因测量设备距离船体过近，测量数据受到船体散热或冷却水影响而不准确^[4]，基于此文中提出了一种简单可靠的浮标式无线温度采集系统解决方案，该浮标测温系统抛入水中一次性使用，通过集成于浮标内部的高精度数字式温度采集模块进行舰船周围大面积海表温度的实时采集，然后通过无线射频通信模块将采集的温度数据实时回传给数据处理终端，从而实现海表温度的准确测量和传输。经试验测试，该模块具有体积小、功耗低和精度高等优点，同时，本设计中通过在射频模块外加功率放大电路，大大增加了无线通信距离，使得该数传模块在诸如无线数据采集、自动抄表和工业遥控等领域都具有广泛的应用价值。

1 系统设计要求

本系统是一种适合各种军民舰船在航行状态下使用的采集手段，在舰船行驶过程中，将一次性采集浮标投入水中，待浮标中温度传感器初始化稳定后，在规定的时间内迅速采集海表的温度，然后通过无线数传模块回传给舱内的主站接收设备进行处理。由于系统为一次性使用，其主要指标如下：

1)温度采集范围：100 m以外；

2)无线通信距离：800~1 000 m；

3)工作时间：5 min；

4)系统供电：3 V干电池(7号)；

5)测温精度：0.5 ℃。

2 系统硬件设计

整个浮标测温系统由温度采集端和上位机接收端组成，其结构如图 1所示。浮标测温端集成于浮标内，由数字温度传感器DS18B20、STC单片机控制器、无线收发模块CC1020、天线及电池组成。系统工作过程为：当浮标布放入水稳定后, 温度传感器DS18B20开始采集海表温度数据，经单片机处理后通过无线收发模块CC1020将数据打包并传送给上位机接收模块，上位机无线接收模块通过单片机RS232接口转换与PC相连完成采集数据的处理，其中温度采集与无线收发模块是文中设计的重点。

2.1 DS18B20温度采集电路设计

温度采集芯片采用美国DALLAS公司生产的单总线智能数字温度传感器DS18B20，它的测温精度可达0.062 5 ℃，采用单线接口即可实现与CUP之间的双向通信，无须A/D转换便可直接输出温度数字信号，可以传送CRC校验码，具有体积小、分辨率可调、功耗低及抗干扰能力强等优点，非常适合于恶劣环境的现场温度测量^[5]。DS18B20为三引脚结构，其接口连接如图 2所示。DS18B20的温度输出端DQ通过4.7 kΩ的上拉电阻与STC12LE5410单片机的P3.7接口相连，单片机通过该接口实现对传感器初始化和温度采集控制。GND引脚接地，VCC采用外部电池直接供电，C₁为保护电容防止耦合。

2.2 CC1020收发电路设计

在满足系统要求的前提下，通过对比选用Chipcon公司的CC1020无线射频芯片进行通信模块的设计^[6]，该芯片是基于Smart RF技术和CMOS工艺制作的低功耗、全集成无线射频芯片，工作电压为2.3~3.6 V，接收灵敏度可达到-118 dBm，可免费用于ISM和SRD频段，采用窄带通讯技术，抗干扰能力极强。该芯片通过内部的频移键控调制解调器、锁相环、压缩控制振荡器、功率放大器等功能电路实现输入数据的调制解调、编码及基带处理，最终生成FSK/GFSK形式的射频信号，其外围电路设计较为简单，主要包括射频输入/输出阻抗匹配和天线转换、滤波器电路、晶振电路、锁相环环路滤波器等，基本连接如图 3所示。射频输出匹配电路是用来保证输出功率最大地输出到天线上，采用集总参数L形匹配电路连接到CC1020的射频输入输出(RF_IN和RF_OUT)端口，从而减少发射时的电流消耗，改进接收时的灵敏度；天线切换集成电路HMC226通过转换端口SW₁和SW₂与CC1020芯片的PA_EN和LAN_EN端连接，实现CC1020芯片对接收和发射状态切换控制；晶振电路连接在CC1020芯片的XOSC_Q₁和XOSC_Q₂引脚之间，由外部晶振搭载2个负载电容、1个微调电容与内部晶体振荡电路共同组成，通过调节电容使晶振频率精确到所需值；锁相环环路滤波器通过芯片内部的PLL和外接的环路滤波电路实现模拟电压控制，减小高频电路从输入到输出的耦合。

由于自身并不包含微处理器内核，因此在工作过程中需要外接MCU来实现对CC1020的工作控制，本系统采用深圳宏晶科技公司的STC12LE5410型单片机^[7]，该单片机是单时钟、高速、超低功耗(2.2~3.8 V)的新一代兼容8051内核单片机，具有全新的流水线/精简指令集结构，内置看门狗电路，性价比较高。本设计中STC12LE5410单片机的P1.1至P1.7与CC1020芯片的结构配置接口(PDI、PDO、PCLK和PSEL)以及数据收发接口(DCLK、DIO和LOCK)相连，用以完成CC1020初始化、寄存器配置及数据收发；TXD和RXD与RS232接口相连，用于与PC机接口的串行数据输出。由于CC1020的最大发射功率只有10 dBm，再加上海上复杂环境和ISM频段电磁干扰的影响，在充分估算初始损耗及实际空间损耗的基础上，采用了ADL5530线性功率放大器进行功率放大，以满足实际应用的需求。该芯片对于频率、温度和电源的变化具有相当高的稳定性，采用3 mm×2 mm的LFCSP超小贴片封装，1 dB压缩点输出23.8 dBm，采用单端输入输出分别与CC1020的射频输入端RF_IN和RF_OUT相连。

2.3 抗干扰设计及天线选择

综合系统元件需求及考虑海上作业的环境特点，系统采用3 V电池供电。由于无线射频RF芯片对电源噪声非常敏感，系统设计时对电源输入端口采用4个电容和1个隔离电感来滤除全部的电源噪声。为获得最佳抗干扰性能，所有元件尽量采用表贴元件，并将射频部分与模拟部分分布在不同板层，减少耦合干扰；CC1020内部既有数字电(DVDD)又有模拟电(AVDD)，需分别进行电源去耦，并且去耦电容的接地过孔不能公用，设计时在电源层先将各个电源部分分开，最后在信号层通过磁珠将其连接在一起，从而避免相互干扰。RF无线射频通讯中最常用的天线有单极天线、螺旋天线和环形天线^[8]，环形天线很容易集成到电路板上，但是它的低辐射电阻使得阻抗匹配困难，效果较差，而螺旋天线适用于天线尺寸要求比较严格的场合，对于低功耗的应用场合，使用1/4波长单极天线设计简单，而且能够提供最佳工作范围，所以系统在试验时采用标准的鞭形单极天线。

3 软件设计

与硬件设计相对应，系统软件在Keil C平台上开发，采用模块化设计，主要包括DS18B20温度采集程序、CC1020无线收发程序和单片机串口通信程序。

3.1 温度采集程序

由于DS18B20是采用单线I/O通信的，对数据的读写有着严格的时序要求，因此软件编程时就必须严格按照它的读写时序和通信协议进行相关操作，即DS18B20初始化、发送ROM指令、发送存储指令、数据处理，其具体流程是：1)单片机发出复位脉冲，然后释放总线，当信号线上的DS18B20检测到总线释放信号上升沿后等待20 μs，返回一个存在脉冲信号，此时初始化工作完成；2)当单片机检测到存在脉冲后，会发出ROM功能命令来分辨总线上被操作的器件，由于本系统中只搭载了单个DS18B20传感器，可以直接发送跳过ROM功能命令，节省单片机运行时间；3)在跳过ROM指令后，单片机会发出内存操作功能命令对DS18B20进行供电模式读取并启动温度转换，延时2 μs后等待温度转换完成，紧接着发送读取RAM命令便可按照读写时序读取暂存器对应的温度值了，温度采集基本流程如图 4所示。

3.2 无线收发程序

系统在上电后，首先要按照CC1020的读写操作时序进行寄存器配置，一个完整的CC1020结构配置需要发送33帧数据，每帧16位(Address (地址)7位，R/W (读/写)1位，Data (数据8位)。在每个写周期，16位数据被发送到PDI上。首先发送寄存器地址位A₆~A₀，然后发送读/写位(写操作为高电平)，最后发送8位配置数据D₇~D₀，都是高位在前低位在后，在数据传送期间，PSEL必须保持低电平。经过初始化后模块一般会进入低功耗状态，这样可以节省系统功耗。当检测到有数据到来时，自动唤醒CCl020到TX和RX，校准VCO和PLL，自动转入发射或接收状态。在发射或接收完毕后，自动转入低功耗模式，系统初始化及状态转换流程如图 5所示。

3.3 单片机控制程序设计

接收端模块接收数据后通过单片机的串行口经RS-232转换连接PC机进行数据的接收。单片机的串行口使用工作方式1，采用10位异步串行通信方式，(1个开始位、8个数据位和1个停止位)，同时采用串口中断的方式进行数据的传输，数据帧传输格式如表 1所示。

因为CC1020的接收灵敏度特别高，在没有接收到输入信号时，它的数据输出端都有杂波信号输出，因此制作数据帧协议时首先要能够有效地识别噪声与数据。经测试和试验发现，AA后面跟55或者FF后跟00在噪声中不易出现^[9]，本系统设置同步码为AA和55，接收数据时，只接收AA后跟55的数据。同时为了发现数据传输过程中可能出现的错误，本系统采用循环冗余算法(CRC)进行错误的检测^[10-11]。软件设计时，首先搜索同步码，检测到同步码后，接收规定的N字节数，然后接收校验码并检验，如果校验码正确，则此数据帧有效，否则丢弃此数据帧。

4 试验测试 4.1 无线通信性能测试

由于本系统采集的海表温度要通过无线通信实时回传，所以无线通信质量的好坏至关重要，为此进行了无线通信的性能测试，系统测试实物如图 6所示。试验方法:接收模块固定在1.5 m高度处，发射模块在距离地面1 m的高度移动，采用GPS仪器进行定位，每隔100 m进行数据接收测试。

4.1.1 可靠通信距离测试

考虑到数据采集在2 min内完成，在每隔100 m的位置上，接收2 min的实验数据，实测数据如图 7所示。由实测数据分析可得：在1 000 m的距离范围内，数据接收情况起伏不大，接收的数据量基本稳定在1 200 byte，远远满足系统提出的20个随机温度数据值，随着距离的进一步增大，数据接收量开始下降，已经满足不了实际通信的需求了。

4.1.2 天线方向变化对数据传输影响

由于海上环境复杂，浮标终端在数据采集传输过程中，无线模块会来回摇晃从而引起天线的摆动，这样就可能对数据的传输产生影响，通常CC1020射频芯片的可靠接收信号强度范围为30 dB以上^[7]。为了测试天线的方向变化对无线传输信号强度的影响，试验中分别进行了4种不同方位天线姿态的接收信号强度(RSSI)测量，结果如图 8所示。由实测数据可知：天线的倾角变化对信号接收强度的变化影响不大，都能满足信号有效接收强度，能够抗击风浪摇晃所带来的影响。

4.1.3 不同距离下误码率测试

为检测数据通信质量，分别进行了有障碍物和无障碍物条件下的误码率测试，在2 min内接收600个测试码，测试数据如表 2所示。由数据表分析可得：在可靠通信范围内，数据传输过程稳定，接收数据的丢包率和误码率都较低，采用CRC校验的数据帧传输协议能够满足实际的应用需求。

4.1.4 无线传输功耗测试

为验证无线传输模块的功耗情况，采用万用表接入电路板，分别测量模块在休眠、发射和接收状态下的电流消耗，其结果如表 3所示。

由表 3可以看出，系统的电流消耗极低，在休眠状态下的电流消耗仅为17.4 μA，完成一次数据传输的电流消耗为15.1 mA，数据采集传输时间为120 s, 那么总的电流消耗为15.1×120 mA，按电池使用率为90%时，可以估算出采集终端电池至少可以使用3~5天，远远满足系统低功耗设计要求。

4.2 测温性能检测

为了验证DS18B20的测温性能，选取4种不同温度的静水采用高精度温度计测量作为标准值，然后采用温度传感器测量水温与标准值进行了对比，其结果如表 4所示。从实际测量数据对比表可以看出，本系统传感器测温误差小于0.2 ℃，具有很高的测温准确度，能够很好地满足系统精确温度采集的需求。

5 结束语

针对传统海表温度采集方法的不足，采用高精度DS18B20传感器、高性价比STC单片机及超低功耗CC1020无线芯片设计了一套简单可靠的海表温度采集系统，详细阐述了系统软硬件设计思路。经测试表明，该系统设计结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，尤其是其采用了无线通信技术进行采集传输，使用起来更加方便灵活，特别适合于复杂恶劣环境下的现场温度测量，此外该模块具有低功耗、体积小的特点，可方便地集成到各种无线测控系统中，在工农业领域具有较好的推广应用价值。