公司動(dòng)態(tài)
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)。
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(shí)，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(shí)，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。
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)
本文設(shè)計(jì)的無線照度計(jì)節(jié)點(diǎn)主要用于可見光的監(jiān)測，因此選擇了Microsemi公司的LX1971型寬量程可見光傳感器。該傳感器的頻譜響應(yīng)與人眼相似，其頻譜峰值響應(yīng)為520nm。對光照強(qiáng)度的測量范圍為0~25000Lux，光照強(qiáng)度與輸出電流間的關(guān)系，根據(jù)不同照度范圍可以用兩個(gè)公式表示[3]，如式1所示。
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(gè)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] 。
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。
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，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。
根據(jù)環(huán)境最大照度對應(yīng)電流值和核心控制[日企招聘]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(shí)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(shí)間，因此整個(gè)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]。
該單片機(jī)可以不使用外部晶振，采用內(nèi)部數(shù)字控制時(shí)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(shí)，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]。
