基于MSP430無線照度計節點的設計

摘要：本文設計和實現了以MSP430單片機為核心控制器的無線照度計節點。該無線照度計節點采用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無線通訊模塊實現數據的無線傳輸。實驗表明，該無線照度計節點能準確地測量相應環境的光照強度，并具有低功耗的特點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/266059.htm

關鍵詞：MSP430；LX1971；照度計；無線

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.016

引言

照度計是測量環境光照強度的一種測量儀器。通常采用的照度計多為手持式，市場上常見如臺灣泰仕、美國福祿克以及優利德等品牌。手持式照度計具有精度高、測量準確等優點，但當被測環境面積較大時，使用手持式照度計進行測量將大大增大工作強度；同時，手持式照度計也無法實現對被測環境多點連續測量，為照明系統的統一控制帶來諸多不便。

隨著當前物聯網技術以及無線傳感器網絡技術的發展，很多研究工作者將無線傳感器網絡技術應用于環境光照強度的監測之中[1][2]。本文開發了一種基于LX1971可見光傳感器，以MSP430G2553單片機為核心的照度計，該照度計可以通過電池供電，實現對監測環境的準確和連續的測量。通過NRF24L01無線通訊模塊，實現測量數據的無線上傳。該無線照度計節點具有低功耗、測量準確和無線通訊等特點，并能進行組網實現對較大測量環境的長期統一監控。

1 系統設計方案

本文設計的無線照度計節點主要實現對較大測量環境內光照強度的監測，如圖書館閱覽室大廳、大型會議室等室內環境。并將測量數據通過無線傳輸方式發送到監控中心，進而對被測環境中照明系統進行控制和調節，以滿足照明強度要求。在該照度計節點的設計中，主要涉及到光照傳感器、控制核心和無線數據傳輸模塊的選擇和系統整合等。其方案原理框圖如圖1所示。

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

1.1 光照傳感器模塊設計

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光照強度與輸出電流間的響應關系[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換為電壓信號，無需調理電路，可直接與單片機連接。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）。為了將電流信號轉換為電壓信號，可以根據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度變化關系如圖3（b）所示，SNK端電壓隨光照強度增強而減小，SRC端電壓隨光照強度增強而增大。有賴于LX1971芯片中集成的精確內部增益放大器和平方根轉換功能，大大縮減了外圍電路的設計復雜性和難度。該芯片與核心控制器連接方式如圖4所示。

根據環境最大照度對應電流值和核心控制器A/D轉換器輸入量程，確定電阻R1和R2的值，并通過調節電容C1改變響應時間。

本文設計的照度計節點主要用于閱覽室等室內環境照度的監控，根據民用建筑照明設計標準[4]，一般閱覽室內照度不超過300Lux。因此本文設計的照度計測量范圍選擇為0～300Lux，根據式1所示，1Lux對應的電流值約為0.05uA，為滿足A/D轉換器分辨率的要求，圖3中電阻R2選擇為100kΩ，使得1Lux對應5mV電壓輸出，再通過調節電阻R2確保電壓輸出在A/D轉換器測量范圍之內。

1.2 核心控制器的選擇

為了確保無線照度計節點能在電池供電情況下連續工作較長時間，因此整個系統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，該單片機為16位低功耗單片機。該芯片采用3.3V供電，具有5種節能模式可供選擇。在待機模式下，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，便于節點的設計小型化。此外，該芯片集成了10位內建A/D轉換器，采樣率達200KSPS，對模擬信號的采樣和轉換已足夠[5]。該芯片功能模塊圖如圖5所示。

該單片機可以不使用外部晶振，采用內部數字控制時鐘系統便能正常工作，進一步簡化了外圍電路的設計工作。同時，該型號單片機還帶有SPI通信模塊，可以方便地實現與外圍設備的SPI通信，如與無線通信模塊的通信[6]。

1.3 無線通信模塊設計

無線通信模塊的作用主要是將照度計節點采集到的數據經無線方式發送到監控中心。考慮到整個無線照度計節點統一采用3.3V供電電壓，并要求整個系統具有低功耗的特點，因此在無線通信模塊的設計中，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，實現單芯片無線收發作業。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：MultiCeiverTM硬件提供同時6個接收機的功能，能達到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象。增強的ShockBurstTM收發模式和串行接口可便于和各種MCU連接，可選擇采用SPI方式與單片機進行通信。此外20腳4×4mm QFN封裝方式，所需的外圍元件也非常少，便于實現設計的小型化。NFR24L01芯片另一個最大的特點是采用低功耗解決方案，在2Mbit/s速率下收發的峰值電流分別為12.5mA和11mA，待機模式下功耗僅32uA，并能實現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。

在無線通信模塊設計中，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的電感。此外NFR24L01與單片的通信采用SPI方式。

2 軟件系統的設計

無線照度計節點的主要功能是采集被測環境的光照強度，并通過無線通信模塊將數據上傳至監控中心。因此軟件系統的設計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功能模塊設計

本設計中采用MSP430G2553內建的10位A/D轉換器實現對LX1971可見光傳感器輸出信號的采集。MSP430G2553內部的AD轉換器為逐次逼近型（SAR）AD轉換器，可以通過軟件設置該AD轉換器的采樣以及參考源。高達200KSPS的采樣轉換率和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），在本設計中采用片上2.5V參考源。該功能模塊軟件流程圖如圖7所示。

為了進一步減少系統的功耗，同時考慮到光線照度的變化較為緩慢，因此每隔2分鐘對光照強度進行一次采集，期間CPU被設置為休眠模式；即便是在AD進行采樣和轉換過程中，也可將CPU設置為休眠模式，進一步減少能耗，只在AD完成數據轉換后啟動CPU進行數據的保存和下一步的操作。

2.2 無線通信功能模塊設計

在MSP430G2553單片機完成對光照的強度采集之后，將數據發送給無線通信模塊由其通過無線方式發送給監控中心。NFR24L01無線通信模塊具有發射、接收、待機和掉電四種模式。在收發模式下，通常采用增強型ShockBurstTM發送方式。單片機將采集到的光照強度信息送入NFR24L01片內的FIFO（先入先出）堆棧區，再通過天線高速發射出去。采用這種方式，可以單片機低速數據傳輸速率和射頻設備高速發射間的沖突，所有與射頻協議相關的高速信號處理都由NFR24L01完成。單片機對NFR24L01模塊控制流程圖如圖8所示。

NFR24L01在待機模式下功耗較低，而且采集的數據也并不需要實時連續發射，因此在該模塊的設計中也盡量考慮將低功耗特點融入其中。在沒有數據發射時，將CPU設置為休眠模式，NFR24L01芯片處于待機模式，直到有數據需要發送再喚醒這兩片芯片，進行數據的無線傳輸。

3 系統測試

測試環境選擇為圖書館閱覽室大廳，時間選擇為下午5點至6點之間。黃昏時分，光照強度變化較為明顯，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，便于模擬室內大面積光照強度測試要求。在測試過程中，不啟用人工照明情況下，選擇六個測試點，分別放置六個無線照度計節點，對各點光照強度情況進行測量。各節點按設計要求，每隔2分鐘測試一次，并將測試結果通過跳頻通信方式發送給監控中心，測試結果如圖9所示。

從測試結果來看，整個無線照度計系統能測量各測量點照度的變化情況，并能將數據完整傳輸給監測中心，雖然部分采樣點存在波動情況，但仍能反應光照變化趨勢。在后期的實驗中，對無線照度計動態測量范圍進行了相關測試，采用可調光源照明情況下，照度計能進行連續測量，同時示數成線性變化趨勢。

4 結語

基于無線傳感器網絡技術概念，本文設計了一套無線照度計節點。該節點采用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芯片構成無線數據通信模塊。經測試表明，該無線照度節點能完成對室內環境光照強度的監測工作，并具有體積小、功耗低、測量準確等優點，達到設計和使用要求。

參考文獻：

[1] 李靜秋，李載峰. 一種低功耗便攜式照度計[J]. 長春工業大學學報（自然科學版），2013（8）412-415.

[2] 范坤坤，施偉斌等. 無線照度計設計[J]. 傳感器與微系統，2014（3）66-69.

[3] LX1971 Wide Range Visible Light Sensor Production Data Sheet[EB/OL].http：//www.microsemi.com/existingparts/parts/46772

[4] 民用建筑照明設計標準， GBJ133-90[S].

[5] MSP430G2x53， MSP430G2x13 Mixed Signal Microcontroller Datasheet[EB/OL]. http：//www.ti.com/product/ msp430g2553？keyMatch=msp430g2553tisearch=SearchEN

[6] MSP430x2xx Family User’s Guide[EB/OL]. http：//www. ti.com/product/msp430g2553？keyMatch=msp430g2553tise arch=Search-EN

[7] nRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Preliminary Product Specification[EB/OL]. http：//www.nordicsemi.com/ eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01