基于TSL2561的無線光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)中，光照強(qiáng)度是一個(gè)重要指標(biāo)。本文選用光強(qiáng)傳感器TSL2561和JN5139無線芯片，設(shè)計(jì)了一種光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)，給出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了MATLAB仿真。
關(guān)鍵詞：TSL2561；JN5139；I2C總線

引言
    農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)保等工作中，光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)；尤其是在溫室大棚中，光強(qiáng)對(duì)作物有著決定性的作用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，本文選用高速、可編程芯片TSL2561作為光強(qiáng)傳感器，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。微處理器采用英國(guó)Jennic公司推出的高性能、低功耗、高速率無線芯片JN5139。該芯片集處理器、收發(fā)器于一體，通過無阻塞設(shè)計(jì)大大提高了CPU利用率，與傳統(tǒng)的有線設(shè)備相比，具有靈活性高、成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
    TSL2561是TAOS公司推出的第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點(diǎn)。TSL2561具有直接I2C接口，用于將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    TSL2561內(nèi)部連接一個(gè)光敏二極管(通道O)和一個(gè)紅外響應(yīng)光敏二極管(通道1)。這個(gè)集成電路具有提供20位動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)近適光響應(yīng)的能力。兩個(gè)集成的積分式A／D轉(zhuǎn)換器，可將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字輸出，并存入芯片內(nèi)部通道O和通道1各自的寄存器中。數(shù)字輸出表示測(cè)量每一個(gè)通道的光強(qiáng)，可以是微處理器的輸入。TSL2561可直接通過I2C總線協(xié)議由微控制器訪問，微控制器則通過對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)TSL2561的控制。

2 硬件設(shè)計(jì)
    微處理器采用Jennic公司推出的高速率、低功耗、低成本JN5139無線SoC芯片。該芯片集成了一個(gè)32位RISC處理器，可充分兼容2．4 GHz IEEE802．15．4收發(fā)器，具有192 KB的ROM和8～9 6 KB內(nèi)可選的RAM，提供豐富的模擬量和數(shù)字外圍設(shè)備接口。JN5139芯片帶有I2C總線控制器，只需將該總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線直接與TSL2561的I2C總線的SCL和SDA線分別相連。

    如圖2所示，光強(qiáng)傳感器電路主要由SoC芯片、電源、狀態(tài)指示LED電路、復(fù)位電路、Flash寫控制電路、光強(qiáng)傳感器以及去耦電路組成。該電路大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同時(shí)，為了使光線均勻分布在傳感器上，本設(shè)計(jì)在TSL2561上加了一個(gè)半球狀菲涅爾透鏡，可將紅外線有效地集中到傳感器上，從而適當(dāng)降低照射到傳感器上的光照強(qiáng)度，不會(huì)超過設(shè)定的閾值。

3 軟件設(shè)計(jì)
    TSL2561是一個(gè)數(shù)字傳感器，輸出信號(hào)符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)。該總線支持以字節(jié)方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
    字節(jié)方式發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下：

    字節(jié)方式接收數(shù)據(jù)格式如下：

    其中，A為應(yīng)答信號(hào)，O表示響應(yīng)(ACK)，1表示不響應(yīng)(NACK)；S為啟動(dòng)信號(hào)；P為停止信號(hào)；Wr為寫(低電平有效)；Rd為讀(高電平有效)。非陰影部分為控制器到傳感器；陰影部分為傳感器到控制器。
    I2C總線的SDA線和SCL線是雙向線路，當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩條線都是高電平。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。I2C總線的起始和停止條件分別是：當(dāng)SCL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換表示起始條件；SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件。由于I2C總線上的數(shù)據(jù)是以8位傳送的，為確保發(fā)送器發(fā)送的每個(gè)字節(jié)都被接收器收到，在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖期間，數(shù)據(jù)線被釋放，由接收器反饋一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。確認(rèn)信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效確認(rèn)位(用ACK表示)，表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；確認(rèn)信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非確認(rèn)位(用NACK表示)，表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。

    JN5139向TSL2561發(fā)送的時(shí)序圖如圖3所示。JN5139接收TSL2561發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)序如圖4所示。JN5139與TLS2561之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。首先，JN5139建立啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)I2C總線；然后，兩者之間開始發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)，并在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖期間反饋確認(rèn)信號(hào)，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，釋放SDA線，停止I2C總線。

4 MATLAB仿真
    A／D轉(zhuǎn)換完成后，分別從通道0和通道1各自的寄存器中讀取相應(yīng)的值CHO和CHl，并根據(jù)芯片相關(guān)資料進(jìn)行計(jì)算，換算成Lux為單位的量。假設(shè)CHO讀取的值為P1(單位為L(zhǎng)ux)，CHl讀取的值為P2(單位為L(zhǎng)ux)，光強(qiáng)測(cè)量?jī)x的測(cè)量值為P。為了將兩通道的值擬合成一個(gè)與實(shí)際光強(qiáng)相同的值(用P’表示)，可通過一條曲線來求出P’與P1、P2之間的關(guān)系。設(shè)曲線方程為：

    
    根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，求出系數(shù)Co～C4，即可計(jì)算出光強(qiáng)傳感器測(cè)得的光強(qiáng)。光強(qiáng)傳感器的測(cè)量值與光強(qiáng)測(cè)量?jī)x的測(cè)量值相比較如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)
    本文基于光強(qiáng)傳感器TSL2561和微處理器JN5139設(shè)計(jì)的光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)，具有外圍電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且采用無線化傳輸，用途十分廣泛。