基于MSP430无线照度计节点的设计

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