无线光强传感器节点的工作原理是什么？

农业生产、气象环保等工作中，光照强度是环境监测中的重要参数；尤其是在温室大棚中，光强对作物有着决定性的作用。为了实现对光强的监测，本文选用高速、可编程芯片TSL2561作为光强传感器，对光照强度进行测量。微处理器采用英国Jennic公司推出的高性能、低功耗、高速率无线芯片JN5139。该芯片集处理器、收发器于一体，通过无阻塞设计大大提高了CPU利用率，与传统的有线设备相比，具有灵活性高、成本低、可维护性高等优点。

宁升椿

2019-10-24 15:07:19

1 TSL2561的内部结构及工作原理
TSL2561[1]是TAOS公司推出的第二代光强数字转换芯片，具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。TSL2561具有直接I2C接口，用于将光照强度转换成数字信号输出。其内部结构如图1[2]所示。
TSL2561内部连接一个光敏二极管（通道0）和一个红外响应光敏二极管（通道1）。这个集成电路具有提供20位动态范围内近适光响应的能力。两个集成的积分式A/D转换器，可将光敏电流转换成一个数字输出，并存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。数字输出表示测量每一个通道的光强，可以是微处理器的输入。TSL2561可直接通过I2C总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。

图1 TSL2561内部结构图
2 硬件设计
微处理器采用Jennic公司推出的高速率、低功耗、低成本JN5139无线SoC芯片[3]。该芯片集成了一个32位RISC处理器，可充分兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器，具有192 KB的ROM和8～96 KB内可选的RAM，提供丰富的模拟量和数字外围设备接口。JN5139芯片带有I2C总线控制器，只需将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA线分别相连。
如图2所示，光强传感器电路主要由SoC芯片、电源、状态指示LED电路、复位电路、Flash写控制电路、光强传感器以及去耦电路组成。该电路大大降低了设计的复杂性。同时，为了使光线均匀分布在传感器上，本设计在TSL2561上加了一个半球状菲涅尔透镜，可将红外线有效地集中到传感器上[4]，从而适当降低照射到传感器上的光照强度，不会超过设定的阈值。

图2 光强传感器电路

图3 字节方式发送数据时序图

黎锦荣

2019-10-24 15:07:26

3 软件设计

图4 字节方式接收数据时序图
TSL2561是一个数字传感器，输出信号符合I2C总线标准。该总线支持以字节方式发送和接收数据。
字节方式发送数据格式如下：

字节方式接收数据格式如下：

其中， A为应答信号，0表示响应（ACK），1表示不响应（NACK）；S为启动信号；P为停止信号；Wr为写（低电平有效）；Rd为读（高电平有效）。非阴影部分为控制器到传感器；阴影部分为传感器到控制器。
I2C总线的SDA线和SCL线是双向线路，当总线空闲时，这两条线都是高电平[5]。SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。I2C总线的起始和停止条件分别是：当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换表示起始条件；SDA线由低电平向高电平切换表示停止条件。由于I2C总线上的数据是以8位传送的，为确保发送器发送的每个字节都被接收器收到，在第9个时钟脉冲期间，数据线被释放，由接收器反馈一个确认信号。确认信号为低电平时，规定为有效确认位（用ACK表示），表示接收器已经成功地接收了该字节；确认信号为高电平时，规定为非确认位（用NACK表示），表示接收器接收该字节没有成功。
JN5139向TSL2561发送的时序图如图3所示。
JN5139接收TSL2561发送来的数据时序如图4所示。

图5 数据传输流程
JN5139与TLS2561之间数据传输的流程如图5所示。首先，JN5139建立启动信号，启动I2C总线；然后，两者之间开始发送传输数据，并在第9个时钟脉冲期间反馈确认信号，直到数据传输结束，释放SDA线，停止I2C总线。
4 MATLAB仿真
A/D转换完成后，分别从通道0和通道1各自的寄存器中读取相应的值CH0和CH1，并根据芯片相关资料进行计算，换算成Lux为单位的量。假设CH0读取的值为P1（单位为Lux），CH1读取的值为P2（单位为Lux），光强测量仪的测量值为P。为了将两通道的值拟合成一个与实际光强相同的值（用P′表示），可通过一条曲线来求出P′与P1、P2之间的关系。设曲线方程为：

根据测量数据，求出系数C0~C4，即可计算出光强传感器测得的光强。光强传感器的测量值与光强测量仪的测量值相比较如图6所示。

图6 测量曲线与拟合曲线比较
结语
本文基于光强传感器TSL2561和微处理器JN5139设计的光强传感器节点，具有外围电路简单、稳定性高等优点，并且采用无线化传输，用途十分广泛。

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宁升椿

黎锦荣

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