基于MSP430無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了以MSP430單片機(jī)為核心控制器的無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)。該無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)采用LX1971可見光傳感器作為照度探測器，采用MSP430G2553作為控制核心，并通過NRF24L01無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確地測量相應(yīng)環(huán)境的光照強(qiáng)度，并具有低功耗的特點(diǎn)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/266059.htm

關(guān)鍵詞：MSP430；LX1971；照度計(jì)；無線

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.016

引言

照度計(jì)是測量環(huán)境光照強(qiáng)度的一種測量儀器。通常采用的照度計(jì)多為手持式，市場上常見如臺灣泰仕、美國福祿克以及優(yōu)利德等品牌。手持式照度計(jì)具有精度高、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)被測環(huán)境面積較大時，使用手持式照度計(jì)進(jìn)行測量將大大增大工作強(qiáng)度；同時，手持式照度計(jì)也無法實(shí)現(xiàn)對被測環(huán)境多點(diǎn)連續(xù)測量，為照明系統(tǒng)的統(tǒng)一控制帶來諸多不便。

隨著當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，很多研究工作者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境光照強(qiáng)度的監(jiān)測之中[1][2]。本文開發(fā)了一種基于LX1971可見光傳感器，以MSP430G2553單片機(jī)為核心的照度計(jì)，該照度計(jì)可以通過電池供電，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境的準(zhǔn)確和連續(xù)的測量。通過NRF24L01無線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線上傳。該無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、測量準(zhǔn)確和無線通訊等特點(diǎn)，并能進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對較大測量環(huán)境的長期統(tǒng)一監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對較大測量環(huán)境內(nèi)光照強(qiáng)度的監(jiān)測，如圖書館閱覽室大廳、大型會議室等室內(nèi)環(huán)境。并將測量數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到監(jiān)控中心，進(jìn)而對被測環(huán)境中照明系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以滿足照明強(qiáng)度要求。在該照度計(jì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，主要涉及到光照傳感器、控制核心和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇和系統(tǒng)整合等。其方案原理框圖如圖1所示。

從圖中可以看出，電源系統(tǒng)為各功能模塊供電，光照傳感器將采集到的信息發(fā)送給核心控制器，核心控制器將獲取到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過串行通信方式發(fā)送給無線模塊，再經(jīng)由無線模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

1.1 光照傳感器模塊設(shè)計(jì)

LX1971光傳感器采用3.3V～5V供電，8腳MSOP封裝，采用電流輸出方式。該傳感器在整個測量范圍內(nèi)光照強(qiáng)度與輸出電流間的響應(yīng)關(guān)系[3] ，如圖2所示。

其采用的電流輸出方式可以方便地將輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，無需調(diào)理電路，可直接與單片機(jī)連接。其功能框圖如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出，LX1971具有兩路電流輸出（SNK和SRC）。為了將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，可以根據(jù)增益范圍的需要選擇合適的電阻（5KΩ到50 KΩ），并按照圖中的連接方法，選擇一路或兩路方式接入電阻。LX1971兩路輸出端電壓隨光照強(qiáng)度變化關(guān)系如圖3（b）所示，SNK端電壓隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，SRC端電壓隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。有賴于LX1971芯片中集成的精確內(nèi)部增益放大器和平方根轉(zhuǎn)換功能，大大縮減了外圍電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和難度。該芯片與核心控制器連接方式如圖4所示。

根據(jù)環(huán)境最大照度對應(yīng)電流值和核心控制器A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程，確定電阻R1和R2的值，并通過調(diào)節(jié)電容C1改變響應(yīng)時間。

本文設(shè)計(jì)的照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要用于閱覽室等室內(nèi)環(huán)境照度的監(jiān)控，根據(jù)民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]，一般閱覽室內(nèi)照度不超過300Lux。因此本文設(shè)計(jì)的照度計(jì)測量范圍選擇為0～300Lux，根據(jù)式1所示，1Lux對應(yīng)的電流值約為0.05uA，為滿足A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的要求，圖3中電阻R2選擇為100kΩ，使得1Lux對應(yīng)5mV電壓輸出，再通過調(diào)節(jié)電阻R2確保電壓輸出在A/D轉(zhuǎn)換器測量范圍之內(nèi)。

1.2 核心控制器的選擇

為了確保無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)能在電池供電情況下連續(xù)工作較長時間，因此整個系統(tǒng)必須考慮采用低功耗器件，核心控制器選擇采用德州儀器公司（Texas Instruments）的MSP430G2553單片機(jī)，該單片機(jī)為16位低功耗單片機(jī)。該芯片采用3.3V供電，具有5種節(jié)能模式可供選擇。在待機(jī)模式下，電流值僅為0.5uA，而在休眠模式下，電流消耗僅需0.1uA。該芯片采用20腳TSSOP封裝方式，體積較小，便于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)小型化。此外，該芯片集成了10位內(nèi)建A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率達(dá)200KSPS，對模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換已足夠[5]。該芯片功能模塊圖如圖5所示。

該單片機(jī)可以不使用外部晶振，采用內(nèi)部數(shù)字控制時鐘系統(tǒng)便能正常工作，進(jìn)一步簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)工作。同時，該型號單片機(jī)還帶有SPI通信模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的SPI通信，如與無線通信模塊的通信[6]。

1.3 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊的作用主要是將照度計(jì)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)無線方式發(fā)送到監(jiān)控中心?？紤]到整個無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一采用3.3V供電電壓，并要求整個系統(tǒng)具有低功耗的特點(diǎn)，因此在無線通信模塊的設(shè)計(jì)中，挑選了Nordic Semiconductor公司的同為3.3V供電，并具有低功耗模式的NFR24L01芯片。該芯片采用2.4GHz通信頻率，實(shí)現(xiàn)單芯片無線收發(fā)作業(yè)。2.4GHz為全球開放的ISM頻段，無需許可證便可使用。該芯片包括以下特點(diǎn)：MultiCeiverTM硬件提供同時6個接收機(jī)的功能，能達(dá)到2Mbit/ s的高速無線傳輸速率，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。增強(qiáng)的ShockBurstTM收發(fā)模式和串行接口可便于和各種MCU連接，可選擇采用SPI方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。此外20腳4×4mm QFN封裝方式，所需的外圍元件也非常少，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型化。NFR24L01芯片另一個最大的特點(diǎn)是采用低功耗解決方案，在2Mbit/s速率下收發(fā)的峰值電流分別為12.5mA和11mA，待機(jī)模式下功耗僅32uA，并能實(shí)現(xiàn)快速喚醒和模式切換[7]。無線通信模塊的原理圖如圖6所示。

在無線通信模塊設(shè)計(jì)中，除了供電部分外，需要外接一個16MHz外部晶振，此外在外接天線時需配置相應(yīng)的電感。此外NFR24L01與單片的通信采用SPI方式。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集被測環(huán)境的光照強(qiáng)度，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。因此軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對模擬信號的采集和對無線通信模塊的控制兩方面，并要求兼顧低功耗的需求。

2.1 A/D功能模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用MSP430G2553內(nèi)建的10位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對LX1971可見光傳感器輸出信號的采集。MSP430G2553內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器為逐次逼近型（SAR）AD轉(zhuǎn)換器，可以通過軟件設(shè)置該AD轉(zhuǎn)換器的采樣以及參考源。高達(dá)200KSPS的采樣轉(zhuǎn)換率和10位的精度，針對可見光這樣變換頻率較低的信號進(jìn)行采集已足夠。其參考源可以選擇片上參考電壓（1.5V或2.5V），在本設(shè)計(jì)中采用片上2.5V參考源。該功能模塊軟件流程圖如圖7所示。

為了進(jìn)一步減少系統(tǒng)的功耗，同時考慮到光線照度的變化較為緩慢，因此每隔2分鐘對光照強(qiáng)度進(jìn)行一次采集，期間CPU被設(shè)置為休眠模式；即便是在AD進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換過程中，也可將CPU設(shè)置為休眠模式，進(jìn)一步減少能耗，只在AD完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后啟動CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和下一步的操作。

2.2 無線通信功能模塊設(shè)計(jì)

在MSP430G2553單片機(jī)完成對光照的強(qiáng)度采集之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通信模塊由其通過無線方式發(fā)送給監(jiān)控中心。NFR24L01無線通信模塊具有發(fā)射、接收、待機(jī)和掉電四種模式。在收發(fā)模式下，通常采用增強(qiáng)型ShockBurstTM發(fā)送方式。單片機(jī)將采集到的光照強(qiáng)度信息送入NFR24L01片內(nèi)的FIFO（先入先出）堆棧區(qū)，再通過天線高速發(fā)射出去。采用這種方式，可以單片機(jī)低速數(shù)據(jù)傳輸速率和射頻設(shè)備高速發(fā)射間的沖突，所有與射頻協(xié)議相關(guān)的高速信號處理都由NFR24L01完成。單片機(jī)對NFR24L01模塊控制流程圖如圖8所示。

NFR24L01在待機(jī)模式下功耗較低，而且采集的數(shù)據(jù)也并不需要實(shí)時連續(xù)發(fā)射，因此在該模塊的設(shè)計(jì)中也盡量考慮將低功耗特點(diǎn)融入其中。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)射時，將CPU設(shè)置為休眠模式，NFR24L01芯片處于待機(jī)模式，直到有數(shù)據(jù)需要發(fā)送再喚醒這兩片芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3 系統(tǒng)測試

測試環(huán)境選擇為圖書館閱覽室大廳，時間選擇為下午5點(diǎn)至6點(diǎn)之間。黃昏時分，光照強(qiáng)度變化較為明顯，同時圖書館閱覽室大廳面積將近200平米，各處采光情況不等，便于模擬室內(nèi)大面積光照強(qiáng)度測試要求。在測試過程中，不啟用人工照明情況下，選擇六個測試點(diǎn)，分別放置六個無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)，對各點(diǎn)光照強(qiáng)度情況進(jìn)行測量。各節(jié)點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求，每隔2分鐘測試一次，并將測試結(jié)果通過跳頻通信方式發(fā)送給監(jiān)控中心，測試結(jié)果如圖9所示。

從測試結(jié)果來看，整個無線照度計(jì)系統(tǒng)能測量各測量點(diǎn)照度的變化情況，并能將數(shù)據(jù)完整傳輸給監(jiān)測中心，雖然部分采樣點(diǎn)存在波動情況，但仍能反應(yīng)光照變化趨勢。在后期的實(shí)驗(yàn)中，對無線照度計(jì)動態(tài)測量范圍進(jìn)行了相關(guān)測試，采用可調(diào)光源照明情況下，照度計(jì)能進(jìn)行連續(xù)測量，同時示數(shù)成線性變化趨勢。

4 結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念，本文設(shè)計(jì)了一套無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Mircosemi公司的LX1971作為可見光傳感器，采用TI公司的MSP430G2553作為核心控制器，采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01芯片構(gòu)成無線數(shù)據(jù)通信模塊。經(jīng)測試表明，該無線照度節(jié)點(diǎn)能完成對室內(nèi)環(huán)境光照強(qiáng)度的監(jiān)測工作，并具有體積小、功耗低、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。

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