基于MSP430无线照度计节点的设计

　　摘要：本文设计和实现了以MSP430单片机为核心控制器的无线照度计节点。该无线照度计节点采用LX1971可见光传感器作为照度探测器，采用MSP430G2553作为控制核心，并通过NRF24L01无线通讯模块实现数据的无线传输。实验表明，该无线照度计节点能准确地测量相应环境的光照强度，并具有低功耗的特点。

　　引言

　　照度计是测量环境光照强度的一种测量仪器。通常采用的照度计多为手持式，市场上常见如台湾泰仕、美国福禄克以及优利德等品牌。手持式照度计具有精度高、测量准确等优点，但当被测环境面积较大时，使用手持式照度计进行测量将大大增大工作强度;同时，手持式照度计也无法实现对被测环境多点连续测量，为照明系统的统一控制带来诸多不便。

　　随着当前物联网技术以及无线传感器网络技术的发展，很多研究工作者将无线传感器网络技术应用于环境光照强度的监测之中^[1][2]。本文开发了一种基于LX1971可见光传感器，以MSP430G2553单片机为核心的照度计，该照度计可以通过电池供电，实现对监测环境的准确和连续的测量。通过NRF24L01无线通讯模块，实现测量数据的无线上传。该无线照度计节点具有低功耗、测量准确和无线通讯等特点，并能进行组网实现对较大测量环境的长期统一监控。

　　1 系统设计方案

　　本文设计的无线照度计节点主要实现对较大测量环境内光照强度的监测，如图书馆阅览室大厅、大型会议室等室内环境。并将测量数据通过无线传输方式发送到监控中心，进而对被测环境中照明系统进行控制和调节，以满足照明强度要求。在该照度计节点的设计中，主要涉及到光照传感器、控制核心和无线数据传输模块的选择和系统整合等。其方案原理框图如图1所示。

　　从图中可以看出，电源系统为各功能模块供电，光照传感器将采集到的信息发送给核心控制器，核心控制器将获取到的模拟信号经过A/D转换器转换为数字信号，并通过串行通信方式发送给无线模块，再经由无线模块发送给监控中心。

　　1.1 光照传感器模块设计

　　本文设计的无线照度计节点主要用于可见光的监测，因此选择了Microsemi公司的LX1971型宽量程可见光传感器。该传感器的频谱响应与人眼相似，其频谱峰值响应为520nm。对光照强度的测量范围为0~25000Lux，光照强度与输出电流间的关系，根据不同照度范围可以用两个公式表示^[3]，如式1所示。

　　LX1971光传感器采用3.3V~5V供电，8脚MSOP封装，采用电流输出方式。该传感器在整个测量范围内光照强度与输出电流间的响应关系^[3] ,如图2所示。

　　其采用的电流输出方式可以方便地将输出信号转换为电压信号，无需调理电路，可直接与单片机连接。其功能框图如图3所示。

　　从图3(a)中可以看出，LX1971具有两路电流输出(SNK和SRC)。为了将电流信号转换为电压信号，可以根据增益范围的需要选择合适的电阻(5KΩ到50 KΩ)，并按照图中的连接方法，选择一路或两路方式接入电阻。LX1971两路输出端电压随光照强度变化关系如图3(b)所示，SNK端电压随光照强度增强而减小，SRC端电压随光照强度增强而增大。有赖于LX1971芯片中集成的精确内部增益放大器和平方根转换功能，大大缩减了外围电路的设计复杂性和难度。该芯片与核心控制器连接方式如图4所示。

　　根据环境最大照度对应电流值和核心控制器A/D转换器输入量程，确定电阻R1和R2的值，并通过调节电容C1改变响应时间。

　　本文设计的照度计节点主要用于阅览室等室内环境照度的监控，根据民用建筑照明设计标准^[4]，一般阅览室内照度不超过300Lux。因此本文设计的照度计测量范围选择为0~300Lux，根据式1所示，1Lux对应的电流值约为0.05uA，为满足A/D转换器分辨率的要求，图3中电阻R2选择为100kΩ，使得1Lux对应5mV电压输出，再通过调节电阻R2确保电压输出在A/D转换器测量范围之内。

　　1.2 核心控制器的选择

　　为了确保无线照度计节点能在电池供电情况下连续工作较长时间，因此整个系统必须考虑采用低功耗器件，核心控制器选择采用德州仪器公司(Texas Instruments)的MSP430G2553单片机，该单片机为16位低功耗单片机。该芯片采用3.3V供电，具有5种节能模式可供选择。在待机模式下，电流值仅为0.5uA，而在休眠模式下，电流消耗仅需0.1uA。该芯片采用20脚TSSOP封装方式，体积较小，便于节点的设计小型化。此外，该芯片集成了10位内建A/D转换器，采样率达200KSPS，对模拟信号的采样和转换已足够^[5]。该芯片功能模块图如图5所示。

　　该单片机可以不使用外部晶振，采用内部数字控制时钟系统便能正常工作，进一步简化了外围电路的设计工作。同时，该型号单片机还带有SPI通信模块，可以方便地实现与外围设备的SPI通信，如与无线通信模块的通信^[6]。

　　1.3 无线通信模块设计

　　无线通信模块的作用主要是将照度计节点采集到的数据经无线方式发送到监控中心。考虑到整个无线照度计节点统一采用3.3V供电电压，并要求整个系统具有低功耗的特点，因此在无线通信模块的设计中，挑选了Nordic Semiconductor公司的同为3.3V供电，并具有低功耗模式的NFR24L01芯片。该芯片采用2.4GHz通信频率，实现单芯片无线收发作业。2.4GHz为全球开放的ISM频段，无需许可证便可使用。该芯片包括以下特点：MultiCeiverTM硬件提供同时6个接收机的功能，能达到2Mbit/s的高速无线传输速率，极大地降低了无线传输中的碰撞现象。增强的ShockBurstTM收发模式和串行接口可便于和各种MCU连接，可选择采用SPI方式与单片机进行通信。此外20脚4×4mm QFN封装方式，所需的外围元件也非常少，便于实现设计的小型化。NFR24L01芯片另一个最大的特点是采用低功耗解决方案，在2Mbit/s速率下收发的峰值电流分别为12.5mA和11mA，待机模式下功耗仅32uA，并能实现快速唤醒和模式切换^[7]。无线通信模块的原理图如图6所示。

　　在无线通信模块设计中，除了供电部分外，需要外接一个16MHz外部晶振，此外在外接天线时需配置相应的电感。此外NFR24L01与单片的通信采用SPI方式。

　　2 软件系统的设计

　　无线照度计节点的主要功能是采集被测环境的光照强度，并通过无线通信模块将数据上传至监控中心。因此软件系统的设计主要是对模拟信号的采集和对无线通信模块的控制两方面，并要求兼顾低功耗的需求。

　　2.1 A/D功能模块设计

　　本设计中采用MSP430G2553内建的10位A/D转换器实现对LX1971可见光传感器输出信号的采集。MSP430G2553内部的AD转换器为逐次逼近型(SAR)AD转换器，可以通过软件设置该AD转换器的采样以及参考源。高达200KSPS的采样转换率和10位的精度，针对可见光这样变换频率较低的信号进行采集已足够。其参考源可以选择片上参考电压(1.5V或2.5V)，在本设计中采用片上2.5V参考源。该功能模块软件流程图如图7所示。

　　为了进一步减少系统的功耗，同时考虑到光线照度的变化较为缓慢，因此每隔2分钟对光照强度进行一次采集，期间CPU被设置为休眠模式;即便是在AD进行采样和转换过程中，也可将CPU设置为休眠模式，进一步减少能耗，只在AD完成数据转换后启动CPU进行数据的保存和下一步的操作。

　　2.2 无线通信功能模块设计

　　在MSP430G2553单片机完成对光照的强度采集之后，将数据发送给无线通信模块由其通过无线方式发送给监控中心。NFR24L01无线通信模块具有发射、接收、待机和掉电四种模式。在收发模式下，通常采用增强型ShockBurstTM发送方式。单片机将采集到的光照强度信息送入NFR24L01片内的FIFO(先入先出)堆栈区，再通过天线高速发射出去。采用这种方式，可以单片机低速数据传输速率和射频设备高速发射间的冲突，所有与射频协议相关的高速信号处理都由NFR24L01完成。单片机对NFR24L01模块控制流程图如图8所示。

　　NFR24L01在待机模式下功耗较低，而且采集的数据也并不需要实时连续发射，因此在该模块的设计中也尽量考虑将低功耗特点融入其中。在没有数据发射时，将CPU设置为休眠模式，NFR24L01芯片处于待机模式，直到有数据需要发送再唤醒这两片芯片，进行数据的无线传输。

　　3 系统测试

　　测试环境选择为图书馆阅览室大厅，时间选择为下午5点至6点之间。黄昏时分，光照强度变化较为明显，同时图书馆阅览室大厅面积将近200平米，各处采光情况不等，便于模拟室内大面积光照强度测试要求。在测试过程中，不启用人工照明情况下，选择六个测试点，分别放置六个无线照度计节点，对各点光照强度情况进行测量。各节点按设计要求，每隔2分钟测试一次，并将测试结果通过跳频通信方式发送给监控中心，测试结果如图9所示。

　　从测试结果来看，整个无线照度计系统能测量各测量点照度的变化情况，并能将数据完整传输给监测中心，虽然部分采样点存在波动情况，但仍能反应光照变化趋势。在后期的实验中，对无线照度计动态测量范围进行了相关测试，采用可调光源照明情况下，照度计能进行连续测量，同时示数成线性变化趋势。

　　4 结语

　　基于无线传感器网络技术概念，本文设计了一套无线照度计节点。该节点采用Mircosemi公司的LX1971作为可见光传感器，采用TI公司的MSP430G2553作为核心控制器，采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01芯片构成无线数据通信模块。经测试表明，该无线照度节点能完成对室内环境光照强度的监测工作，并具有体积小、功耗低、测量准确等优点，达到设计和使用要求。

　　参考文献：
　　[1] 李静秋，李载峰. 一种低功耗便携式照度计[J]. 长春工业大学学报(自然科学版)，2013(8)412-415.
　　[2] 范坤坤，施伟斌等. 无线照度计设计[J]. 传感器与微系统，2014(3)66-69.
　　[3] LX1971 Wide Range Visible Light Sensor Production Data Sheet[EB/OL].http://www.microsemi.com/existing-parts/parts/46772
　　[4] 民用建筑照明设计标准, GBJ133-90[S].
　　[5] MSP430G2x53, MSP430G2x13 Mixed Signal Microcontroller Datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com/product/msp430g2553 keyMatch=msp430g2553&tisearch=Search-EN
　　[6] MSP430x2xx Family User's Guide[EB/OL]. http://www.ti.com/product/msp430g2553 keyMatch=msp430g2553&tisearch=Search-EN
　　[7] nRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Preliminary Product Specification[EB/OL]. http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01