無線照度計設計*

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(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引 言

照度計是照明測量中常用的測量儀器,常見的手持式照度計如杭州遠方Z—10、浙大三色ST—80C、臺灣泰仕TES—1339[1]、日本柯尼卡美能達T—10A[2]等。傳統手持式照度計存在以下問題:第一，當進行大面積測量時，工作量較大，例如:路燈照明測量，依據GB/T 5700—2008采用四角布點法或中心布點法進行測量[3]，由于需要采集現場大量被測點的數據，消耗大量的時間與人力；第二，傳統手持式照度計自身較難實現對現場照度值的連續監測；第三，傳統的照度計作為一種單一的測量儀器，不能實現功能的擴展，比如:當需要測量照明區域的溫度則需要額外的專業儀器。

近年來，隨著無線傳感器網絡技術的發展，一些高校和科研院所對基于無線傳感器網絡技術的無線照度計設計做了研究，先后開發了基于Zig Bee—GPRS的無線照度測量系統[4]和無線光度、色度測量系統Illumimote[5]等。

本文開發了一種新型的無線照度計，應用無線傳感器網絡的技術，實現了測量數據的無線傳輸。測量過程中，首先在被測區域依據事先繪制的網格依次逐個放置好測量節點，然后就可以通過手持終端查看被測區域的照度信息，并可以將測量結果傳輸至PC。和以上無線照度測量設備相比，本設計具有如下優點：1)不依賴于商業網絡(如GPRS)；2)可以獨立工作，無需連接計算機；3)手持設備和測量節點能夠雙向通信，可以現場控制數據采集過程；4)能夠實現對大面積受照區域進行實時、連續的監測，并可以存儲被測區域的照度信息等。

1 系統設計與實現

該照度計設計基于無線傳感器網絡技術，照度計由若干個用于采集環境照度值的測量照度測量節點與一個手持終端組成。測量節點負責采集環境照度和溫度信息，溫度用來補償照度傳感器和照度信號調理電路的溫漂；另外，測量節點還具備射頻信號收發功能，將節點采集的環境參數通過無線信號發送至手持終端，同時接收來自手持終端的命令信息。手持終端用來管理整個無線傳感器網絡和匯總網絡中的測量節點采集的環境照度信息，并實現人機交互。

1.1 照度測量節點設計

在該版本無線照度計設計方案中，測量節點測得環境的照度信息，并將照度信息通過無線傳感器網絡發送至手持終端，測量節點主要功能模塊包括供電單元、信號采集單元、信號調理電路、換檔電路、射頻電路，各個功能模塊之間的協調工作由CC2430來協調實現，為了保證通信的穩定性，射頻模塊使用了功放芯片CC2591。照度測量節點的功能框圖如圖1所示。整個測量節點在結構上分為3個模塊：電池底板、傳感器板、射頻板，如圖2所示。

圖1 照度計測量節點功能框圖

圖2 照度計測量節點

在精密光電檢測電路中，光電轉換元件一般采用光電二極管[6]，在該設計中光電傳感器采用HAMAMATSU的S1133，其光譜響應范圍為320～730 nm，峰值敏感波長為560 nm，光譜響應特性與人眼接近，在被測光為560 nm時，其敏感度為0.3 A/W，對紅外敏感率為10 %[7]。

信號調理電路采用典型的電流/電壓轉換電路[8]，運算放大器采用MAX9620，MAX9620具有135 dB的電源電壓抑制比，當測量節點供電電壓波動時對信號調理電路的輸出影響基本可以忽略，輸入失調電壓最大為25 μV，在25 ℃時失調電壓僅為0.8 μV，輸入偏置電流為5 pA[9]，S1133在100 lx的照度環境里短路電流為0.65 μA[7]，當環境照度大于100 lx時，MAX9620能夠較好地實現對S1133輸出信號的轉換;當環境照度低于100 lx，針對不同照度區間對照度計進行嚴格的標定。該照度計設計量程為0～200 000 lx，量程分為5檔，使用低道通阻抗的多路開關芯片與MOSFET選擇放大器的反饋電阻從而實現檔位的切換。射頻模塊采用億道公司的包含射頻功放CC2591的CC2430模塊，射頻模塊底層運行TinyOS系統。

1.2 手持終端設計

該版本的無線照度計手持終端采用2個MCU，CC2430和MSP430F169，CC2430負責接收無線傳感器網絡中的信息和向測量節點發送控制命令，MSP430F169主要完成人機交互和電源管理等功能，CC2430和MSP430F169之間通過UART進行通信。圖3為照度計手持終端的功能框圖。

圖3 照度計手持終端功能框圖

手持設備采用鋰電池供電，充電IC選擇TI公司的BQ2057CSN，BQ2057CSN充電限制電壓為4.2 V，最高供電電壓為18 V，可以動態補償鋰電池的內阻以減少充電時間，帶有可選的電池溫度監測，利用電池溫度傳感器連續檢測電池溫度，當電池溫度超出設定范圍時BQ2057CSN關閉充電，它內部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流檢測和可編程充電電流，充電狀態識別由輸出的LED指示燈或與主控器接口實現，具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性[10]。

手持終端顯示部分采用SPI接口的128×64點陣LCD，顯示設計為多級菜單模式，用戶依據界面顯示提示，操作對應的按鍵以讀取對應測量節點的信息。圖4為手持終端的LCD界面設計示意圖，圖5為手持終端實物照片。

圖4 照度計手持終端LCD菜單設計

圖5 照度計手持終端

手持終端使用的2個MCU，CC2430和MSP430F169之間通過UART端口通信，通信是MSP430F169為主機，CC2430為從機，設計通信波特率：38 400 bps，無校驗，8位數據位，1位停止位。通信時主機發送數據幀格式為：起始符(1個字節)+命令符(1個字節)+命令代碼符(1個字節)+數據符(1個字節)+備用符(1個字節)+校驗符(1個字節)+停止符(2字節)；從機發送：起始符(1個字節)+命令符(1個字節)+命令代碼符(1個字節)+數據符(7個字節)+備用符(1個字節)+校驗符(1個字節)+停止符(2字節)。從機回復的數據幀的編碼方式如圖6所示，ADD表示測量節點的編號，LX3,LX2,LX1,LX0依次代表照度值的十萬位至十分位，TEMP表示測量節點測得的溫度值，RSSI表示手持設備接收到的無線信號的強度。

圖6 照度計手持終端CC2430通信幀格式

2 系統性能評價

2.1 照度測量誤差分析

為了測試無線照度計的測量精度，分別在實驗室內和室外道路上進行了實驗。在室內實驗中，使用色溫為3 000 K的LED光源CREE CXA2011，待其工作狀態穩定后，將標定好的無線照度計和一級照度計安置在照度計標定裝置上，確保2個照度計處于光源的等照度面上，通過對實驗測得的數據計算分析得到，與一級照度計比對，無線照度計的相對誤差的平均值為±3.75 %。

夜晚在室外路燈下采用30個測量節點與對一級照度計的測量結果進行實驗比對分析，實驗現場照度值約為100 lx左右，風力大約為2級，溫度為10 ℃左右。無線照度計的相對誤差的平均值為±8.24 %。誤差較大的節點中大部分位于小照度區域，初步分析，余弦修正器壁厚和透過率不均勻是造成較大測量誤差的重要因素。

2.2 網絡通信效率分析

實驗1：在樓道里以直線方間隔4 m布置一個照度測量節點，具體擺放位置如圖7所示，手持終端距離節點10的距離為4 m。

圖7 通信效率測試實驗1測量節點分布圖

實驗1和實驗2手持終端均要求成功采集10次每個測量節點的照度信息。由于實驗1中測量節點覆蓋的區域較大，偵聽節點放置在節點5和節點6的中間位置，以保證其可以最大程度地偵聽到通信過程中網絡中的所有信息包。圖8是偵聽節點監測的手持終端成功采集10次每個測量節點的照度信息前提下網絡中所有照度測量節點發送的數據包的總量直方圖。該表只統計節點發送的數據包的數量，通信過程中網絡中包的種類分為數據包、應答包、廣播包。

圖8 實驗1網絡通信數據包總量直方圖

該無線照度計采用多跳通信協議，理想情況下所有測量節點均直接與手持終端通信，每個測量節點給手持終端發送10個數據包即可以完成對每個測量節點照度信息的10次采集，即理想情況下每次獨立的實驗有10個測量節點發出的數據包的總量為100個即可。實際在實驗1的條件下，照度測量網絡覆蓋面積大，實驗中有50 %以上的節點需要其他節點轉發數據，無線環境中存在不可避免的WiFi網絡，通信的丟包率較高。

丟包率計算:若網絡通信過程中不存在丟包現象的話，10次獨立的實驗，10個測量節點需要發出的數據包總量a=100×10=1000；在實驗1的環境下測量節點實際發出的數據包總量A=4323;在實驗1的環境下得出無線照度計的通信丟包率η=1-a/A×100 %=76.86 %。

實驗2：室內以2行5列的形式均勻擺放10個照度測量節點，相鄰節點之間的距離為5 m，擺放位置如圖9所示，實驗2測量節點覆蓋的區域較小，偵聽節點放置在節點3和節點8的中間位置，手持終端距離節點10的距離為2 m。

圖9 通信效率測試實驗2測量節點分布圖

圖10是偵聽節點監測的手持終端成功采集10次每個測量節點的照度信息前提下，網絡通信中各照度測量節點發送的數據包的總量直方圖表。

圖10 實驗2網絡通信數據包總量直方圖

該實驗無線照度計覆蓋的區域較小，從偵聽節點檢測的網絡中的數據包的數量分析，只有節點1為其他節點轉發了數據。與實驗1一樣，理想情況下，每個節點只需要發送10個數據包即可以完成手持終端對區域中測量節點照度值的10次采集。在實際環境中，由于空間中WiFi等其他無線信號與其他因素的影響，在網絡通信過程中仍存在丟包的現象。

設定不存在丟包現象的情況下測量節點需要發出的數據包總量a=100×10=1000；在實驗2的環境下測量節點實際發出的數據包總量A=1226;在實驗2的環境下得出無線照度計的通丟包率η=1-a/A×100 %=18.43 %。

2.3 測量節點的功耗分析

對測量節點(含射頻功放芯片CC2591)的功耗測量采用B2901A精密電源，節點供電電壓設定為3.3 V。分別對5個測量節點進行了功耗測量，測得的數據見表1。

表1 測量節點功耗測量結果

同時選擇了5個不含射頻功放芯片的測量節點進行了功耗對比測量，測得的數據見表2。程序設定測量節點忙碌模式下1 s發送IEEE 10個數據包，數據包長度為25 bytes，無線照度計的協議符合802.15.4標準，測量節點發送一個數據包大約耗時1 ms。

假定照度測量節點使用1 000 mA·h的鋰電池供電，在采樣速度為10 Hz的情況下大約可以持續工作25 h。

表2 無功放測量節點的功耗測量結果

3 結 論

本設計通過軟硬件的協同設計，實現了一種可以連續、準確、高效的檢測環境照度的無線照度計。實驗表明:在室內簡單照明場所，無線照度計可以達到±3.75 %的相對測量誤差和18.43 %的丟包率。本設計特別適合對某一照明區域的連續、實時、準確測量。

參考文獻:

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