基于TSL2561的無線光強傳感器節(jié)點設計

摘要：環(huán)境監(jiān)測參數(shù)中，光照強度是一個重要指標。本文選用光強傳感器TSL2561和JN5139無線芯片，設計了一種光強傳感器節(jié)點，給出了具體的軟硬件設計，并進行了MATLAB仿真。
關鍵詞：TSL2561；JN5139；I2C總線

引言
    農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)保等工作中，光照強度是環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)；尤其是在溫室大棚中，光強對作物有著決定性的作用。為了實現(xiàn)對光強的監(jiān)測，本文選用高速、可編程芯片TSL2561作為光強傳感器，對光照強度進行測量。微處理器采用英國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，通過無阻塞設計大大提高了CPU利用率，與傳統(tǒng)的有線設備相比，具有靈活性高、成本低、可維護性高等優(yōu)點。

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。TSL2561具有直接I2C接口，用于將光照強度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    TSL2561內(nèi)部連接一個光敏二極管(通道O)和一個紅外響應光敏二極管(通道1)。這個集成電路具有提供20位動態(tài)范圍內(nèi)近適光響應的能力。兩個集成的積分式A／D轉(zhuǎn)換器，可將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個數(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)字輸出表示測量每一個通道的光強，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，微控制器則通過對其內(nèi)部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)對TSL2561的控制。

2 硬件設計
    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)字外圍設備接口。JN5139芯片帶有I2C總線控制器，只需將該總線的時鐘線和數(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，光強傳感器電路主要由SoC芯片、電源、狀態(tài)指示LED電路、復位電路、Flash寫控制電路、光強傳感器以及去耦電路組成。該電路大大降低了設計的復雜性。同時，為了使光線均勻分布在傳感器上，本設計在TSL2561上加了一個半球狀菲涅爾透鏡，可將紅外線有效地集中到傳感器上，從而適當降低照射到傳感器上的光照強度，不會超過設定的閾值。

3 軟件設計
    TSL2561是一個數(shù)字傳感器，輸出信號符合I2C總線標準。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為應答信號，O表示響應(ACK)，1表示不響應(NACK)；S為啟動信號；P為停止信號；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，當總線空閑時，這兩條線都是高電平。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時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線的時鐘信號是低電平時才能改變。I2C總線的起始和停止條件分別是：當SCL線是高電平時，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)送的每個字節(jié)都被接收器收到，在第9個時鐘脈沖期間，數(shù)據(jù)線被釋放，由接收器反饋一個確認信號。確認信號為低電平時，規(guī)定為有效確認位(用ACK表示)，表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；確認信號為高電平時，規(guī)定為非確認位(用NACK表示)，表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。

    JN5139向TSL2561發(fā)送的時序圖如圖3所示。JN5139接收TSL2561發(fā)送來的數(shù)據(jù)時序如圖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建立啟動信號，啟動I2C總線；然后，兩者之間開始發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)，并在第9個時鐘脈沖期間反饋確認信號，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的值CHO和CHl，并根據(jù)芯片相關資料進行計算，換算成Lux為單位的量。假設CHO讀取的值為P1(單位為Lux)，CHl讀取的值為P2(單位為Lux)，光強測量儀的測量值為P。為了將兩通道的值擬合成一個與實際光強相同的值(用P’表示)，可通過一條曲線來求出P’與P1、P2之間的關系。設曲線方程為：

    
    根據(jù)測量數(shù)據(jù)，求出系數(shù)Co～C4，即可計算出光強傳感器測得的光強。光強傳感器的測量值與光強測量儀的測量值相比較如圖6所示。

結(jié)語
    本文基于光強傳感器TSL2561和微處理器JN5139設計的光強傳感器節(jié)點，具有外圍電路簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并且采用無線化傳輸，用途十分廣泛。