无线照度计设计*

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(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引 言

照度计是照明测量中常用的测量仪器,常见的手持式照度计如杭州远方Z—10、浙大三色ST—80C、台湾泰仕TES—1339[1]、日本柯尼卡美能达T—10A[2]等。传统手持式照度计存在以下问题:第一，当进行大面积测量时，工作量较大，例如:路灯照明测量，依据GB/T 5700—2008采用四角布点法或中心布点法进行测量[3]，由于需要采集现场大量被测点的数据，消耗大量的时间与人力；第二，传统手持式照度计自身较难实现对现场照度值的连续监测；第三，传统的照度计作为一种单一的测量仪器，不能实现功能的扩展，比如:当需要测量照明区域的温度则需要额外的专业仪器。

近年来，随着无线传感器网络技术的发展，一些高校和科研院所对基于无线传感器网络技术的无线照度计设计做了研究，先后开发了基于Zig Bee—GPRS的无线照度测量系统[4]和无线光度、色度测量系统Illumimote[5]等。

本文开发了一种新型的无线照度计，应用无线传感器网络的技术，实现了测量数据的无线传输。测量过程中，首先在被测区域依据事先绘制的网格依次逐个放置好测量节点，然后就可以通过手持终端查看被测区域的照度信息，并可以将测量结果传输至PC。和以上无线照度测量设备相比，本设计具有如下优点：1)不依赖于商业网络(如GPRS)；2)可以独立工作，无需连接计算机；3)手持设备和测量节点能够双向通信，可以现场控制数据采集过程；4)能够实现对大面积受照区域进行实时、连续的监测，并可以存储被测区域的照度信息等。

1 系统设计与实现

该照度计设计基于无线传感器网络技术，照度计由若干个用于采集环境照度值的测量照度测量节点与一个手持终端组成。测量节点负责采集环境照度和温度信息，温度用来补偿照度传感器和照度信号调理电路的温漂；另外，测量节点还具备射频信号收发功能，将节点采集的环境参数通过无线信号发送至手持终端，同时接收来自手持终端的命令信息。手持终端用来管理整个无线传感器网络和汇总网络中的测量节点采集的环境照度信息，并实现人机交互。

1.1 照度测量节点设计

在该版本无线照度计设计方案中，测量节点测得环境的照度信息，并将照度信息通过无线传感器网络发送至手持终端，测量节点主要功能模块包括供电单元、信号采集单元、信号调理电路、换档电路、射频电路，各个功能模块之间的协调工作由CC2430来协调实现，为了保证通信的稳定性，射频模块使用了功放芯片CC2591。照度测量节点的功能框图如图1所示。整个测量节点在结构上分为3个模块：电池底板、传感器板、射频板，如图2所示。

图1 照度计测量节点功能框图

图2 照度计测量节点

在精密光电检测电路中，光电转换元件一般采用光电二极管[6]，在该设计中光电传感器采用HAMAMATSU的S1133，其光谱响应范围为320～730 nm，峰值敏感波长为560 nm，光谱响应特性与人眼接近，在被测光为560 nm时，其敏感度为0.3 A/W，对红外敏感率为10 %[7]。

信号调理电路采用典型的电流/电压转换电路[8]，运算放大器采用MAX9620，MAX9620具有135 dB的电源电压抑制比，当测量节点供电电压波动时对信号调理电路的输出影响基本可以忽略，输入失调电压最大为25 μV，在25 ℃时失调电压仅为0.8 μV，输入偏置电流为5 pA[9]，S1133在100 lx的照度环境里短路电流为0.65 μA[7]，当环境照度大于100 lx时，MAX9620能够较好地实现对S1133输出信号的转换;当环境照度低于100 lx，针对不同照度区间对照度计进行严格的标定。该照度计设计量程为0～200 000 lx，量程分为5档，使用低道通阻抗的多路开关芯片与MOSFET选择放大器的反馈电阻从而实现档位的切换。射频模块采用亿道公司的包含射频功放CC2591的CC2430模块，射频模块底层运行TinyOS系统。

1.2 手持终端设计

该版本的无线照度计手持终端采用2个MCU，CC2430和MSP430F169，CC2430负责接收无线传感器网络中的信息和向测量节点发送控制命令，MSP430F169主要完成人机交互和电源管理等功能，CC2430和MSP430F169之间通过UART进行通信。图3为照度计手持终端的功能框图。

图3 照度计手持终端功能框图

手持设备采用锂电池供电，充电IC选择TI公司的BQ2057CSN，BQ2057CSN充电限制电压为4.2 V，最高供电电压为18 V，可以动态补偿锂电池的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057CSN关闭充电，它内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流检测和可编程充电电流，充电状态识别由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性[10]。

手持终端显示部分采用SPI接口的128×64点阵LCD，显示设计为多级菜单模式，用户依据界面显示提示，操作对应的按键以读取对应测量节点的信息。图4为手持终端的LCD界面设计示意图，图5为手持终端实物照片。

图4 照度计手持终端LCD菜单设计

图5 照度计手持终端

手持终端使用的2个MCU，CC2430和MSP430F169之间通过UART端口通信，通信是MSP430F169为主机，CC2430为从机，设计通信波特率：38 400 bps，无校验，8位数据位，1位停止位。通信时主机发送数据帧格式为：起始符(1个字节)+命令符(1个字节)+命令代码符(1个字节)+数据符(1个字节)+备用符(1个字节)+校验符(1个字节)+停止符(2字节)；从机发送：起始符(1个字节)+命令符(1个字节)+命令代码符(1个字节)+数据符(7个字节)+备用符(1个字节)+校验符(1个字节)+停止符(2字节)。从机回复的数据帧的编码方式如图6所示，ADD表示测量节点的编号，LX3,LX2,LX1,LX0依次代表照度值的十万位至十分位，TEMP表示测量节点测得的温度值，RSSI表示手持设备接收到的无线信号的强度。

图6 照度计手持终端CC2430通信帧格式

2 系统性能评价

2.1 照度测量误差分析

为了测试无线照度计的测量精度，分别在实验室内和室外道路上进行了实验。在室内实验中，使用色温为3 000 K的LED光源CREE CXA2011，待其工作状态稳定后，将标定好的无线照度计和一级照度计安置在照度计标定装置上，确保2个照度计处于光源的等照度面上，通过对实验测得的数据计算分析得到，与一级照度计比对，无线照度计的相对误差的平均值为±3.75 %。

夜晚在室外路灯下采用30个测量节点与对一级照度计的测量结果进行实验比对分析，实验现场照度值约为100 lx左右，风力大约为2级，温度为10 ℃左右。无线照度计的相对误差的平均值为±8.24 %。误差较大的节点中大部分位于小照度区域，初步分析，余弦修正器壁厚和透过率不均匀是造成较大测量误差的重要因素。

2.2 网络通信效率分析

实验1：在楼道里以直线方间隔4 m布置一个照度测量节点，具体摆放位置如图7所示，手持终端距离节点10的距离为4 m。

图7 通信效率测试实验1测量节点分布图

实验1和实验2手持终端均要求成功采集10次每个测量节点的照度信息。由于实验1中测量节点覆盖的区域较大，侦听节点放置在节点5和节点6的中间位置，以保证其可以最大程度地侦听到通信过程中网络中的所有信息包。图8是侦听节点监测的手持终端成功采集10次每个测量节点的照度信息前提下网络中所有照度测量节点发送的数据包的总量直方图。该表只统计节点发送的数据包的数量，通信过程中网络中包的种类分为数据包、应答包、广播包。

图8 实验1网络通信数据包总量直方图

该无线照度计采用多跳通信协议，理想情况下所有测量节点均直接与手持终端通信，每个测量节点给手持终端发送10个数据包即可以完成对每个测量节点照度信息的10次采集，即理想情况下每次独立的实验有10个测量节点发出的数据包的总量为100个即可。实际在实验1的条件下，照度测量网络覆盖面积大，实验中有50 %以上的节点需要其他节点转发数据，无线环境中存在不可避免的WiFi网络，通信的丢包率较高。

丢包率计算:若网络通信过程中不存在丢包现象的话，10次独立的实验，10个测量节点需要发出的数据包总量a=100×10=1000；在实验1的环境下测量节点实际发出的数据包总量A=4323;在实验1的环境下得出无线照度计的通信丢包率η=1-a/A×100 %=76.86 %。

实验2：室内以2行5列的形式均匀摆放10个照度测量节点，相邻节点之间的距离为5 m，摆放位置如图9所示，实验2测量节点覆盖的区域较小，侦听节点放置在节点3和节点8的中间位置，手持终端距离节点10的距离为2 m。

图9 通信效率测试实验2测量节点分布图

图10是侦听节点监测的手持终端成功采集10次每个测量节点的照度信息前提下，网络通信中各照度测量节点发送的数据包的总量直方图表。

图10 实验2网络通信数据包总量直方图

该实验无线照度计覆盖的区域较小，从侦听节点检测的网络中的数据包的数量分析，只有节点1为其他节点转发了数据。与实验1一样，理想情况下，每个节点只需要发送10个数据包即可以完成手持终端对区域中测量节点照度值的10次采集。在实际环境中，由于空间中WiFi等其他无线信号与其他因素的影响，在网络通信过程中仍存在丢包的现象。

设定不存在丢包现象的情况下测量节点需要发出的数据包总量a=100×10=1000；在实验2的环境下测量节点实际发出的数据包总量A=1226;在实验2的环境下得出无线照度计的通丢包率η=1-a/A×100 %=18.43 %。

2.3 测量节点的功耗分析

对测量节点(含射频功放芯片CC2591)的功耗测量采用B2901A精密电源，节点供电电压设定为3.3 V。分别对5个测量节点进行了功耗测量，测得的数据见表1。

表1 测量节点功耗测量结果

同时选择了5个不含射频功放芯片的测量节点进行了功耗对比测量，测得的数据见表2。程序设定测量节点忙碌模式下1 s发送IEEE 10个数据包，数据包长度为25 bytes，无线照度计的协议符合802.15.4标准，测量节点发送一个数据包大约耗时1 ms。

假定照度测量节点使用1 000 mA·h的锂电池供电，在采样速度为10 Hz的情况下大约可以持续工作25 h。

表2 无功放测量节点的功耗测量结果

3 结 论

本设计通过软硬件的协同设计，实现了一种可以连续、准确、高效的检测环境照度的无线照度计。实验表明:在室内简单照明场所，无线照度计可以达到±3.75 %的相对测量误差和18.43 %的丢包率。本设计特别适合对某一照明区域的连续、实时、准确测量。

参考文献:

[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.照明测量方法[S].

[4] 厦门市产品质量监督检查院.无线照度测量系统及方法:中国,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 伟,李 进,等.光电探测微信号放大器设计[J].浙江理工大学学报,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] 赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].3版.西安:西安交通大学出版社,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.