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