無線照度計(jì)設(shè)計(jì)*

， ， ， ,

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

照度計(jì)是照明測量中常用的測量儀器,常見的手持式照度計(jì)如杭州遠(yuǎn)方Z—10、浙大三色ST—80C、臺灣泰仕TES—1339[1]、日本柯尼卡美能達(dá)T—10A[2]等。傳統(tǒng)手持式照度計(jì)存在以下問題:第一，當(dāng)進(jìn)行大面積測量時(shí)，工作量較大，例如:路燈照明測量，依據(jù)GB/T 5700—2008采用四角布點(diǎn)法或中心布點(diǎn)法進(jìn)行測量[3]，由于需要采集現(xiàn)場大量被測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，消耗大量的時(shí)間與人力；第二，傳統(tǒng)手持式照度計(jì)自身較難實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場照度值的連續(xù)監(jiān)測；第三，傳統(tǒng)的照度計(jì)作為一種單一的測量儀器，不能實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展，比如:當(dāng)需要測量照明區(qū)域的溫度則需要額外的專業(yè)儀器。

近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一些高校和科研院所對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線照度計(jì)設(shè)計(jì)做了研究，先后開發(fā)了基于Zig Bee—GPRS的無線照度測量系統(tǒng)[4]和無線光度、色度測量系統(tǒng)Illumimote[5]等。

本文開發(fā)了一種新型的無線照度計(jì)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的無線傳輸。測量過程中，首先在被測區(qū)域依據(jù)事先繪制的網(wǎng)格依次逐個(gè)放置好測量節(jié)點(diǎn)，然后就可以通過手持終端查看被測區(qū)域的照度信息，并可以將測量結(jié)果傳輸至PC。和以上無線照度測量設(shè)備相比，本設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)不依賴于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)(如GPRS)；2)可以獨(dú)立工作，無需連接計(jì)算機(jī)；3)手持設(shè)備和測量節(jié)點(diǎn)能夠雙向通信，可以現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)采集過程；4)能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積受照區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測，并可以存儲被測區(qū)域的照度信息等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該照度計(jì)設(shè)計(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，照度計(jì)由若干個(gè)用于采集環(huán)境照度值的測量照度測量節(jié)點(diǎn)與一個(gè)手持終端組成。測量節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境照度和溫度信息，溫度用來補(bǔ)償照度傳感器和照度信號調(diào)理電路的溫漂；另外，測量節(jié)點(diǎn)還具備射頻信號收發(fā)功能，將節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)通過無線信號發(fā)送至手持終端，同時(shí)接收來自手持終端的命令信息。手持終端用來管理整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和匯總網(wǎng)絡(luò)中的測量節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境照度信息，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1.1 照度測量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在該版本無線照度計(jì)設(shè)計(jì)方案中，測量節(jié)點(diǎn)測得環(huán)境的照度信息，并將照度信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手持終端，測量節(jié)點(diǎn)主要功能模塊包括供電單元、信號采集單元、信號調(diào)理電路、換檔電路、射頻電路，各個(gè)功能模塊之間的協(xié)調(diào)工作由CC2430來協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)，為了保證通信的穩(wěn)定性，射頻模塊使用了功放芯片CC2591。照度測量節(jié)點(diǎn)的功能框圖如圖1所示。整個(gè)測量節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上分為3個(gè)模塊：電池底板、傳感器板、射頻板，如圖2所示。

圖1 照度計(jì)測量節(jié)點(diǎn)功能框圖

圖2 照度計(jì)測量節(jié)點(diǎn)

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

信號調(diào)理電路采用典型的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路[8]，運(yùn)算放大器采用MAX9620，MAX9620具有135 dB的電源電壓抑制比，當(dāng)測量節(jié)點(diǎn)供電電壓波動(dòng)時(shí)對信號調(diào)理電路的輸出影響基本可以忽略，輸入失調(diào)電壓最大為25 μV，在25 ℃時(shí)失調(diào)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(huán)境里短路電流為0.65 μA[7]，當(dāng)環(huán)境照度大于100 lx時(shí)，MAX9620能夠較好地實(shí)現(xiàn)對S1133輸出信號的轉(zhuǎn)換;當(dāng)環(huán)境照度低于100 lx，針對不同照度區(qū)間對照度計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定。該照度計(jì)設(shè)計(jì)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(guān)芯片與MOSFET選擇放大器的反饋電阻從而實(shí)現(xiàn)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(yùn)行TinyOS系統(tǒng)。

1.2 手持終端設(shè)計(jì)

該版本的無線照度計(jì)手持終端采用2個(gè)MCU，CC2430和MSP430F169，CC2430負(fù)責(zé)接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息和向測量節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，MSP430F169主要完成人機(jī)交互和電源管理等功能，CC2430和MSP430F169之間通過UART進(jìn)行通信。圖3為照度計(jì)手持終端的功能框圖。

圖3 照度計(jì)手持終端功能框圖

手持設(shè)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間，帶有可選的電池溫度監(jiān)測，利用電池溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)BQ2057CSN關(guān)閉充電，它內(nèi)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(tài)識別由輸出的LED指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)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(diǎn)陣LCD，顯示設(shè)計(jì)為多級菜單模式，用戶依據(jù)界面顯示提示，操作對應(yīng)的按鍵以讀取對應(yīng)測量節(jié)點(diǎn)的信息。圖4為手持終端的LCD界面設(shè)計(jì)示意圖，圖5為手持終端實(shí)物照片。

圖4 照度計(jì)手持終端LCD菜單設(shè)計(jì)

圖5 照度計(jì)手持終端

手持終端使用的2個(gè)MCU，CC2430和MSP430F169之間通過UART端口通信，通信是MSP430F169為主機(jī)，CC2430為從機(jī)，設(shè)計(jì)通信波特率：38 400 bps，無校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。通信時(shí)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式為：起始符(1個(gè)字節(jié))+命令符(1個(gè)字節(jié))+命令代碼符(1個(gè)字節(jié))+數(shù)據(jù)符(1個(gè)字節(jié))+備用符(1個(gè)字節(jié))+校驗(yàn)符(1個(gè)字節(jié))+停止符(2字節(jié))；從機(jī)發(fā)送：起始符(1個(gè)字節(jié))+命令符(1個(gè)字節(jié))+命令代碼符(1個(gè)字節(jié))+數(shù)據(jù)符(7個(gè)字節(jié))+備用符(1個(gè)字節(jié))+校驗(yàn)符(1個(gè)字節(jié))+停止符(2字節(jié))。從機(jī)回復(fù)的數(shù)據(jù)幀的編碼方式如圖6所示，ADD表示測量節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)測得的溫度值，RSSI表示手持設(shè)備接收到的無線信號的強(qiáng)度。

圖6 照度計(jì)手持終端CC2430通信幀格式

2 系統(tǒng)性能評價(jià)

2.1 照度測量誤差分析

為了測試無線照度計(jì)的測量精度，分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和室外道路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，使用色溫為3 000 K的LED光源CREE CXA2011，待其工作狀態(tài)穩(wěn)定后，將標(biāo)定好的無線照度計(jì)和一級照度計(jì)安置在照度計(jì)標(biāo)定裝置上，確保2個(gè)照度計(jì)處于光源的等照度面上，通過對實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到，與一級照度計(jì)比對，無線照度計(jì)的相對誤差的平均值為±3.75 %。

夜晚在室外路燈下采用30個(gè)測量節(jié)點(diǎn)與對一級照度計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對分析，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照度值約為100 lx左右，風(fēng)力大約為2級，溫度為10 ℃左右。無線照度計(jì)的相對誤差的平均值為±8.24 %。誤差較大的節(jié)點(diǎn)中大部分位于小照度區(qū)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(wǎng)絡(luò)通信效率分析

實(shí)驗(yàn)1：在樓道里以直線方間隔4 m布置一個(gè)照度測量節(jié)點(diǎn)，具體擺放位置如圖7所示，手持終端距離節(jié)點(diǎn)10的距離為4 m。

圖7 通信效率測試實(shí)驗(yàn)1測量節(jié)點(diǎn)分布圖

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2手持終端均要求成功采集10次每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)的照度信息。由于實(shí)驗(yàn)1中測量節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域較大，偵聽節(jié)點(diǎn)放置在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)中的所有信息包。圖8是偵聽節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的手持終端成功采集10次每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)的照度信息前提下網(wǎng)絡(luò)中所有照度測量節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總量直方圖。該表只統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，通信過程中網(wǎng)絡(luò)中包的種類分為數(shù)據(jù)包、應(yīng)答包、廣播包。

圖8 實(shí)驗(yàn)1網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包總量直方圖

該無線照度計(jì)采用多跳通信協(xié)議，理想情況下所有測量節(jié)點(diǎn)均直接與手持終端通信，每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)給手持終端發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)包即可以完成對每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)照度信息的10次采集，即理想情況下每次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)有10個(gè)測量節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包的總量為100個(gè)即可。實(shí)際在實(shí)驗(yàn)1的條件下，照度測量網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，實(shí)驗(yàn)中有50 %以上的節(jié)點(diǎn)需要其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，無線環(huán)境中存在不可避免的WiFi網(wǎng)絡(luò)，通信的丟包率較高。

丟包率計(jì)算:若網(wǎng)絡(luò)通信過程中不存在丟包現(xiàn)象的話，10次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，10個(gè)測量節(jié)點(diǎn)需要發(fā)出的數(shù)據(jù)包總量a=100×10=1000；在實(shí)驗(yàn)1的環(huán)境下測量節(jié)點(diǎn)實(shí)際發(fā)出的數(shù)據(jù)包總量A=4323;在實(shí)驗(yàn)1的環(huán)境下得出無線照度計(jì)的通信丟包率η=1-a/A×100 %=76.86 %。

實(shí)驗(yàn)2：室內(nèi)以2行5列的形式均勻擺放10個(gè)照度測量節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為5 m，擺放位置如圖9所示，實(shí)驗(yàn)2測量節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域較小，偵聽節(jié)點(diǎn)放置在節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)8的中間位置，手持終端距離節(jié)點(diǎn)10的距離為2 m。

圖9 通信效率測試實(shí)驗(yàn)2測量節(jié)點(diǎn)分布圖

圖10是偵聽節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的手持終端成功采集10次每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)的照度信息前提下，網(wǎng)絡(luò)通信中各照度測量節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總量直方圖表。

圖10 實(shí)驗(yàn)2網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包總量直方圖

該實(shí)驗(yàn)無線照度計(jì)覆蓋的區(qū)域較小，從偵聽節(jié)點(diǎn)檢測的網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的數(shù)量分析，只有節(jié)點(diǎn)1為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)。與實(shí)驗(yàn)1一樣，理想情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)包即可以完成手持終端對區(qū)域中測量節(jié)點(diǎn)照度值的10次采集。在實(shí)際環(huán)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(wǎng)絡(luò)通信過程中仍存在丟包的現(xiàn)象。

設(shè)定不存在丟包現(xiàn)象的情況下測量節(jié)點(diǎn)需要發(fā)出的數(shù)據(jù)包總量a=100×10=1000；在實(shí)驗(yàn)2的環(huán)境下測量節(jié)點(diǎn)實(shí)際發(fā)出的數(shù)據(jù)包總量A=1226;在實(shí)驗(yàn)2的環(huán)境下得出無線照度計(jì)的通丟包率η=1-a/A×100 %=18.43 %。

2.3 測量節(jié)點(diǎn)的功耗分析

對測量節(jié)點(diǎn)(含射頻功放芯片CC2591)的功耗測量采用B2901A精密電源，節(jié)點(diǎn)供電電壓設(shè)定為3.3 V。分別對5個(gè)測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了功耗測量，測得的數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量節(jié)點(diǎn)功耗測量結(jié)果

同時(shí)選擇了5個(gè)不含射頻功放芯片的測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了功耗對比測量，測得的數(shù)據(jù)見表2。程序設(shè)定測量節(jié)點(diǎn)忙碌模式下1 s發(fā)送IEEE 10個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包長度為25 bytes，無線照度計(jì)的協(xié)議符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，測量節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包大約耗時(shí)1 ms。

假定照度測量節(jié)點(diǎn)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(xù)工作25 h。

表2 無功放測量節(jié)點(diǎn)的功耗測量結(jié)果

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)通過軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種可以連續(xù)、準(zhǔn)確、高效的檢測環(huán)境照度的無線照度計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明:在室內(nèi)簡單照明場所，無線照度計(jì)可以達(dá)到±3.75 %的相對測量誤差和18.43 %的丟包率。本設(shè)計(jì)特別適合對某一照明區(qū)域的連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測量。

參考文獻(xiàn):

[1] TES Electrical electronic Corp.TES—1339 Instruction manual[EB/OL].[2003—07—15].http:∥www.alaron.ca/pdf/TES133—9 % 20Manual.pdf.

[2] Konica Minolta Sensing INC.Illuminance meter T—10A /T—10MA instruction manual[EB/OL].[2012—09—22].http:∥www.konicaminolta.com/instruments/download/instr-uction_ manual/light/pdf/t-10a_instruction_eng.pdf.

[3] GB/T 5700—2008.照明測量方法[S].

[4] 廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查院.無線照度測量系統(tǒng)及方法:中國,102355750[P].2012—02—15.

[5] Park Heemin,Friedman Jonathan,Gutierrez Pablo,et al.Illumi-mote:Multimodal and high-fidelity light sensor module for wireless sensor networks[J].IEEE Sensors Journal,2007,7(7):996-1003.

[6] 霍戌文,李 偉,李 進(jìn),等.光電探測微信號放大器設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(3):259-262.

[7] Hamamatsu Photonics K K.Si photodiode S1087/S1133 series datasheet[EB/OL].[2013—07—17].http:∥www.hamamatsu.com.cn/UserFiles/DownFile/Product/20130717170858011.pdf.

[8] 賽爾吉?dú)W·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].3版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2004.

[9] Maxim Integrated Products Inc.Single/dual SC70,Zero-drift High-efficiency,1.5 MHz Op Amps with RRIO datasheet[EB/OL].[2012—12—08].http:∥datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX9617—MAX9620.pdf.

[10] Texas Instruments Incorporated.Advanced linear charge Mgmt IC for single/two-cell lithium-ion & lithium-polymer[EB/OL].[2002—07—25].http:∥www.ti.com/lit/ds/symlin-k/bq2057.pdf.