专利名称：一种无线照度计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种照明测量仪器，特别涉及一种无线照度计。
背景技术：
照度计是照明测量中的常用仪器，根据国家标准(GB/T 5700-2008)的规定，正规照明测量中所使用的照度计的示值误差、V ( λ)匹配误差和余弦特性误差等指标应达到相应要求。目前广泛使用的照度计普遍使用电缆连接测量探头和主设备，探头采集的信号通过电缆传送到主设备，由主设备进行处理，然后显示测量结果。使用电缆连接的方 有以下不足1)使用不便。在测量过程中，为了将探头摆放在测量点，操作人员需要同时移动探头、电缆和主设备，如果测量点数量较多，则操作繁琐。一些厂商提供了多探头照度测量仪器，虽然可以同时测量多点的照度，但由于需要使用多条电缆将各个探头连接到主设备，不仅使得测量现场线路凌乱，而且拖动电缆也不方便，还易造成电缆相互缠绕。在读取测量结果过程中，受到电缆的牵制，手持主设备的操作人员不能随意行动，以免拉动电缆改变探头的位置，如果操作人员需要长距离移动，则需要寻找合适的位置，将主设备放下。2)容易引入测量误差。在读数过程中，受到电缆长度的限制，操作人员可能距离探头过近，从而影响测量点处的照度，导致额外的测量误差。为解决有线连接存在的问题，有厂商开发了无线照度计，由于性能和价格的因素，已开发的无线照度计并没有获得到广泛使用。近年来，短距离、低功耗无线通信技术日趋成熟，为开发低成本的无线测量系统奠定了基础。有文献(中国专利CN102355750)公开了一种无线照度测量系统，使用Zigbee和GPRS技术实现测量数据的无线远程传输，由于测量数据需要通过移动通信网络传输至GPRS服务器，因此在移动通信网络未覆盖的区域无法使用。该系统主要用于道路照明的远程测量，组成结构比较复杂，需要通过连接在互联网上的客户端读取存储在服务器上的数据，另外，使用这样的系统也需要向移动通信公司支付费用。
发明内容本实用新型是针对目前通用的照度计使用不便和现有无线照度计使用受限、使用成本高的问题提出一种无线照度计，应用无线传感器网络技术实现测量数据的无线传输，旨在提供一种低成本的无线照明测量仪器，克服传统照度计的不足之处，提高照度测量的效率，并减小由操作人员反射或遮挡光线所导致的测量误差。本实用新型不使用商用通信网络，因此不会产生通信费用。本实用新型的技术方案为一种无线照度计，包括一个手持设备和至少一个测量终端，手持设备和测量终端之间以无线方式通信，手持设备发送指令到每个测量终端，测量终端将测量数据发送到手持设备。所述手持设备与多个测量终端通信可选与Zigbee联盟制定的标准兼容的网络层协议，手持设备作为协调器，所有测量终端作为全功能设备，并选择树型网络拓扑。[0008]所述手持设备与多个测量终端通信可选源代码公开的无线传感器网络操作系统中的网络协议，手持设备作为收集器节点，测量终端作为传感器节点。所述手持设备包括外部总线接口电路、主控电路、数据存储器、显示器模块、一组按键、天线、通信电路和手持设备电源，手持设备主控电路通过所述外部总线接口电路连接外部的计算机，存储测量数据的数据存储器由主控电路进行读写操作，主控电路通过输入端口输入一组按键的信号，通过输出端口向显示器模块输出显示信息，主控电路通过通信电路、天线发送和接收数据。所述主控电路可采用两个微控制器，一个作为主控制器，另一个为从控制器，主控制器与从控制器之间通过串行通信接口相互通信，从控制器通过通信电路、天线发送和接收数据。所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，其中射频收发器可以采用与主控电路分离的形式，通过总线接口电路与主控电路连接；射频收发器也可以采用与主控电路的微控制器集成的形式，天线可以采用杆状天线、陶瓷天线或PCB天线。所述显示器模块包括显示器及其驱动电路。所述测量终端包括光电探测器、照度测量电路、主控电路、天线、测量终端通信电路和测量终端电源，光电探测器采集信号送入照度测量电路，照度测量电路处理后输出数字信号，并将所述数字信号提供给主控电路，主控电路通过测量终端通信电路和天线发送接收数据。所述光电探测器包括光电传感器、V (λ)修正器和余弦修正器，可以选择光电二极管或硅光电池作为光电传感器，并采用与V ( λ )修正器集成封装的形式，余弦修正器可采用半球形状，光电传感器与V (λ)修正器共同置于余弦修正器中。所述照度测量电路包括测量放大电路、滤波电路和模/数转换器，所述测量放大电路包括精密运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路，其中，量程切换电路包括多路开关和电阻网络，多路开关由主控电路控制，实现量程自动切换。所述主控电路可以采用低功耗的微控制器及其外围电路构成。所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，射频收发器通过阻抗匹配电路和天线接收发送射频信号，射频收发器具有与主控电路连接的接口电路，射频收发器通过接口电路接收主控电路发送的指令或数据，或通过接口电路向主控电路发送接收到的数据。所述测量终端还包括温度测量电路和状态指示电路，温度测量电路测量的数据送入主控电路,状态指示电路包括多个LED指示灯和相应的驱动电路,用于显示测量终端的供电、通信状态和异常状态。本实用新型的有益效果在于本实用新型无线照度计，采用无线方式传输测量数据，消除了传统照度计由于使用电缆而产生的不便，使照度测量操作简便，并能够减小测量人员反射或遮挡光线所引起的测量误差；手持设备移动方便，便于连接计算机实施联机测量，从而可以在现场处理数据和输出测量结果；具有测量数据存储功能，并能通过接口电路传送到计算机，从而提高了数据记录和处理的效率；通过使用多个测量终端，可以同时采集多点的照度测量数据，提高了多点测量的效率；具有自动测量功能，可以实现对照明区域长时间的监测，从而能够对被测照明装置的稳定性进行评价；使用低功耗、低成本的无线通信技术，制造成本低，并且在测量过程中无需支付通信费用。

图1为本实用新型无线照度计结构 示意图；[0014]图2为本实用新型无线照度计中手持设备的原理框图；图3为本实用新型无线照度计中测量终端的原理框图；图4为本实用新型无线照度计用于联机测量时的系统组成示意图。
具体实施方式
如图1所示无线照度计结构示意图，无线照度计包括一个手持设备I和至少一个测量终端2。手持设备I和测量终端2之间以无线方式通信，手持设备I通过向测量终端2发送指令控制照度测量过程，在测量期间，测量终端2测量所在位置的照度，并将测量结果发送到手持设备1，手持设备I接收到数据后，将数据存储在非易失的数据存储器中，并显示在手持设备I的显示器上。所述手持设备I和测量终端2组成无线传感器网络，测量终端2为传感器节点，手持设备I为收集器节点。可以使用与IEEE802. 15. 4标准兼容的通信协议作为所述无线传 感器网络的物理层和MAC层(介质访问层)协议。当所述无线照度计只包括一个测量终端2时，传感器节点和收集器节点使用点对点的通信协议，无需发送维护路由的信标，从而减少通信量，降低节点功耗。当所述无线照度计包括多个测量终端2时，采用多跳网络协议实现通信，以便使测量范围得到扩展，例如，可以使用与Zigbee联盟制定的标准兼容的网络层协议，将手持设备I作为协调器，将所有测量终端2都作为全功能设备，并选择树型网络拓扑。也可以利用源代码公开的无线传感器网络操作系统(如TinyOS)中的网络协议，并对现有实现方案加以改进，提高通信效率和可靠性，满足照度测量的要求。如图2所示手持设备的原理框图，无线照度计的手持设备I包括外部总线接口电路10、主控电路11、数据存储器12、显示器模块13、一组按键14、天线15、通信电路16和电源17。主控电路11的一种实现方案是采用两个微控制器，一个作为主控制器，另一个为从控制器，主控制器负责对测量数据进行处理、输出测量结果、提供用户操作的界面以及根据用户操作控制测量过程，主控制器与外部总线接口电路10之间以及主控制器与数据存储器12之间均可以双向传输数据,主控制器通过输入端口输入一组按键14输入的信号，主控制器输出显示信息到显示器模块13。从控制器负责运行通信协议、向传感器节点发送指令、接收传感器节点发送的测量数据和状态信息，主控制器通过通信电路16和天线15发送和接收数据，主控制器与从控制器之间通过串行通信接口相互通信。主控制器和从控制器都选用低功耗的微控制器，如MSP430或Atml28，从控制器也可以采用集成射频收发器的方案，如选用集成了处理器内核和射频收发器的CC2430或CC2530。手持设备的数据存储器为非易失存储器，用于存储测量数据，可以直接使用flash存储器芯片，或使用存储卡(如SD卡或TF卡)，以便于转存数据。所述手持设备的通信电路16包括射频收发器和阻抗匹配电路，当需要提高信号强度时，也可以加入功率放大电路(如CC2591)。可以采用射频收发器与主控电路的微控制器分离的形式，如使用CC2420或CC2520作为射频收发器，通过总线接口电路与主控电路连接；也可以采用射频收发器与主控电路的微控制器集成的形式，如使用CC2430或CC2530同时完成控制和数据收发功能。天线15可以采用杆状天线、陶瓷天线或PCB天线等不同形式。所述手持设备的显示器模块13包括显示器及其驱动电路，可以采用点阵式液晶显示器，以便于显示测量结果、状态信息和菜单选项等内容。所显示的测量结果包括照度值、测量终端编号、采样序号和测量时间；状态信息包括节点状态信息和网络状态信息。所述节点状态信息包括电池电量、信号强度和连接状态，网络状态信息包括当前连接在网络中的测量终端的数量和通信链路质量。一组按键14供用户操作以完成特定功能，包括启动、终止测量、保存测量数据、查看历史数据和设置系统工作方式。如图3所示测量终端的原理框图，测量终端2包括光电探测器20、照度测量电路22、主控电路23、天线24、通信电路25和电源27。所述光电探测器20包括光电传感器、V(入)修正器和余弦修正器，可以选择光电二极管或硅光电池作为光电传感器，并采用与V(入)修正器集成封装的形式，余弦修正器采用半球形状，光电传感器与V ( λ )修正器共同置于余弦修正器中，光电探测器20采集信号送入照度测量电路22。照度测量电路22包括测量放大电路、滤波电路和模/数转换器，所述测量放大电路包括精密运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路，其中，量程切换电路包括多路开关和电阻网络，多路开关由主控电路控制，实现量程自动切换，使本实用新型一种无线照度计可以具有与常规照度计相当的测量范围(例如O 2000001χ)和分辨力(< O. llx)。通过选用优质的光电传感器和 零漂移精密放大器，并结合滤波电路的处理，能够使本实用新型一种无线照度计达到标准(如GB/T 5700-2008)要求的测量精度。光电探测器20采集的信号经过照度测量电路22处理后送主控电路23，本实用新型的测量终端的主控电路23可以采用低功耗的微控制器及其外围电路构成，可以选择的微控制器的类型很多，例如MSP430、Atml28和PXA270等。通信电路25包括射频收发器和阻抗匹配电路，射频收发器通过阻抗匹配电路和天线接收和发送射频信号，也包括对信号进行调制、解调、编码和解码处理。射频收发器具有与主控电路23连接的接口电路，射频收发器通过接口电路接收主控电路23发送的指令或数据，或通过接口电路向主控电路23发送接收到的数据。可以选择与IEEE802. 15. 4标准兼容的射频收发器，例如CC2420和CC2520，还可以采用微控制器与射频收发器集成的方案，例如选用集成了 MCS51内核与射频收发器的CC2430或CC2530。为了提高信号强度，可以在通信电路25中加入功率放大电路，如使用CC2591将CC2430或CC2530输出的信号功率提高至22dBm.测量终端2的电源27包括电池和电源管理电路，为使测量终端小型化，可以选用可重复充电的锂电池，电池输出的电源信号通过电源管理电路调整后提供给测量终端2的其他各部分电路。电源管理电路也具充电管理电路和充电接口，用于向锂电池充电。光电传感器的灵敏度会随温度变化，因此，应根据被测区域的环境温度对照度测量值进行修正。传统照度计的探头只包括光电传感器，没有主控电路，因此难以实施自动修正。本实用新型的测量终端2具有温度测量电路21，包括温度传感器和相应的检测电路，能够测量环境温度，温度测量电路21测量的数据送入主控电路23，主控电路23根据温度测量结果可以对照度测量结果进行修正。所述测量终端2还具有状态指示电路26，包括多个LED指示灯和相应的驱动电路，用于显示测量终端2的供电、通信状态和异常状态。在测量过程中，供电和通信状态指示灯关闭，当出现异常状态时(如电池电量偏低)，异常状态指示灯点亮。如图4所示无线照度计用于联机测量时的系统组成示意图，无线照度计的手持设备I通过所述外部总线接口电路10连接计算机3，进行联机测量或输出历史测量数据。所述外部总线接口电路10可以采用USB接口的形式，并通过转换电路(如CP2102)及驱动程序进行USB接口信号与RS-232串行通信接口信号之间的转换，使所述手持设备I和计算机3之间可以按照RS-232串行通信规范进行通信。利用USB接口的电源线可以为本实用新型手持设备I充电。与测量终端的电源27类似，所述手持设备的电源17也包括电池和电源管理电路，由于手持设备I具有更多的有源电路器件，因此宜选用大容量的锂电池，电源管理电路对电池输出的信号进行调整后供给手持设备其他各部分电路，电源管理电路还具有充电管理电路和充电接口用于向电池充电。本实用新型采用多种机制减少手持设备I和测量终端2的能量消耗，除了待机超时关闭显示器或整个设备以及空闲休眠机制等常用的节电方法外，本实用新型还通过以下机制减少测量终端2和手持设备I的功耗1)按需发送机制。与传统照度计采用的测量探头连续向手持设备I发送测量信号的方法不同，本实用新型的测量终端2仅在接收到启动测量的指令后才会发送测量数据，当接收到终止测量指令或发送完指定数量的数据后，测量终端2将停止发送测量数据，从而减少通信能耗。2)自适应功率调整机制。当使用点对点通信协议时，根据接收信号强度的移动平均值和包接收率，手持设备I和测量终端2自动 调整输出信号功率，在保证可靠通信的前提下，以尽可能小的功率输出射频信号。3)手动功率调整。当使用多个测量终端2时，用户4可以根据被测区域范围和网络通信质量，手动调整网络节点的射频信号输出功率，以减小能耗。网络通信质量可以通过查看手持设备显示的网络状态信息获知。4)采集周期调整。用户亦可以设置数据采集的周期，在满足响应速度要求的前提下，增大采集周期，从而减少通信量，降低能耗。本实用新型采用多信道机制对抗干扰，与IEEE802. 15. 4标准兼容的射频收发器在2. 4GHz ISM频段支持16个信道，本实用新型的手持设备I和测量终端2通过协议实现信道的同步切换，当外界干扰导致通信效率降低时，可以改变信道，从而减小干扰的影响。本实用新型也包括在计算机3上运行的测量软件，具有读取测量数据、处理数据和输出测量结果的功能。其中，读取测量数据功能包括读取实时测量数据和读取历史数据，读取实时测量数据用于联机工作方式，读取历史数据用于从本实用新型的手持设备中读取存储的历史测量数据。通过使用无线通信技术，以及在本实用新型的测量终端包含主控电路，使本实用新型能够具有比传统照度计更加多样的工作方式，从而有利于提高照度测量的效率。本实用新型的工作方式包括I)单测量终端方式。只使用I个测量终端，对各个测量点逐一进行测量。2)多测量终端方式。使用多个测量终端，可以同时采集多个测量点的照度值。3)独立测量方式。只使用本实用新型的手持设备I和测量终端2进行测量，可以现场读取测量结果，并可以将测量数据保存在手持设备中。4)联机测量方式。如图4所示，通过外部数据总线接口 10将本实用新型手持设备I与计算机3进行连接，在计算机3上运行上述测量软件从手持设备读取实时测量数据，然后可以对测量数据进行处理并输出测量结果。5)手动控制测量方式。用户4通过操作手持设备I启动和终止测量过程，手持设备I分别发出启动指令和终止指令，测量终端2在接收到启动指令后开始测量，并将测量结果发送给手持设备；当测量终端2接收到终止指令时，将停止测量和发送数据。[0036]6)自动控制测量方式。用户4通过操作手持设备I设置数据采集方式，包括采集周期、采集次数或采集持续时间，然后启动采集过程，手持设备I发送包含采集方式的启动指令，测量终端2根据所接收到的指令周期性地测量照度并向手持设备I发送测量数据，手持设备I自动记录数据，或者当采用联机测量方式时，手持设备I向所连接的计算机3实时发送测量数据。当测量次数或时间到达指定值时测量过程结束。7)手动记录方式。在测量过程中，测量数据的存储由用户4手动操作完成。8)自动记录方式。在测量过程中，测量数据的存储由手持设备I或计算机3中运行的软件控制，根据预先设定的采样周期，手持设备I或计算机3自动记录每个周期采集的测量数据。下面通过实例说明使用本实用新型一种无线照度计测量照度的方法，在所列举的 三个实例中无线照度计分别工作于单测量终端方式、多终端方式和自动控制测量方式实例一使用一个测量终端测量照度。I)首先，开启手持设备I和测量终端2的电源；2)然后，将测量终端2放置在测量点的位置，用户4则处于不影响测量点照明的位置，通过操作手持设备I启动测量过程，手持设备I向测量终端2发送指令，测量终端2接收到指令后，开始测量并将测量结果发送到手持设备1，手持设备I将接收到的数据显示在显示器上，用户4查看测量终端2的测量结果，当确认测量条件满足要求后，操作手持设备I终止测量过程，并存储测量数据；3)重复步骤2)，测量其他测量点位置的照度；4)完成全部测量点的测量后，回收测量终端2并关闭设备的电源。5)可选地，在计算机3中运行测量软件，将存储在手持设备I中的数据输入到计算机3中，对数据进行处理，并输出测量结果。实例二 使用多个测量终端测量照度。I)开启手持设备I和各个测量终端2的电源；2)如图2所示，将各个测量终端2放置在对应的测量点的位置，用户4则处于不影响测量点照明的位置，通过操作手持设备I启动测量过程，读取各个测量终端2的测量结果，当确认测量条件满足要求后，操作手持设备I终止测量过程，并存储所有测量终端2的测量数据；3)当测量点的数量多于测量终端2的数量时，重复步骤2)，测量其他测量点位置的照度；4)完成全部测量点的测量后，回收测量终端2并关闭设备的电源。5)可选地，在计算机3中运行测量软件，将存储在手持设备I中的数据输入到计算机3中，对数据进行处理，并输出测量结果。实例三自动持续测量照度。I)开启手持设备I和一个或多个测量终端2的电源；2)将测量终端2放置在测量点位置，通过操作手持设备I将无线照度计设置为自动控制测量方式，并设置采集周期、采集次数或采集时间，然后启动测量过程，手持设备I向测量终端发送指令，测量终端接收到指令后，按照设置的工作方式，周期地向手持设备I发送测量点位置处的照度测量值，手持设备I接收到测量值后存储在数据存储器12中；3)当采集了指定个数的数据或测量了指定的时间后，测量终端2停止测量和发送数据；4)回收测量终端2并关闭设备的电源。5)用户4可以操作手持设备I查看测量数据，或者将存储在手持设备I数据存储器12中的数据输入到计算机3中，对数据进行处理，并输出测量结果。
权利要求1.一种无线照度计，其特征在于，包括一个手持设备和至少一个测量终端，手持设备和测量终端之间以无线方式通信，手持设备发送指令到测量终端，测量终端将测量数据发送到手持设备。
2.根据权利要求1所述无线照度计，其特征在于，所述手持设备与多个测量终端通信可选与Zigbee联盟制定的标准兼容的网络层协议，手持设备作为协调器，所有测量终端作为全功能设备，并选择树型网络拓扑。
3.根据权利要求1所述无线照度计，其特征在于，所述手持设备与多个测量终端通信可选源代码公开的无线传感器网络操作系统中的网络协议，手持设备作为收集器节点，测量终端作为传感器节点。
4.根据权利要求1所述无线照度计，其特征在于，所述手持设备包括外部总线接口电路、主控电路、数据存储器、显示器模块、一组按键、天线、通信电路和手持设备电源，手持设备主控电路通过所述外部总线接口电路连接外部的计算机，存储测量数据的数据存储器由主控电路进行读写操作，主控电路通过输入端口输入一组按键的信号，通过输出端口向显示器模块输出显示信息，主控电路通过通信电路、天线发送和接收数据。
5.根据权利要求4所述无线照度计，其特征在于，所述主控电路可采用两个微控制器，一个作为主控制器，另一个为从控制器，主控制器与从控制器之间通过串行通信接口相互通信，主控制器连接数据存储器、显示器模块、一组按键和外部总线接口电路，从控制器通过通信电路、天线发送和接收数据。
6.根据权利要求4所述无线照度计，其特征在于，所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，其中射频收发器可以采用与主控电路分离的形式，通过总线接口电路与主控电路连接；射频收发器也可以采用与主控电路的微控制器集成的形式，天线可以采用杆状天线、陶瓷天线或PCB天线。
7.根据权利要求4所述无线照度计，其特征在于，所述显示器模块包括显示器及其驱动电路。
8.根据权利要求1所述无线照度计，其特征在于，所述测量终端包括光电探测器、照度测量电路、主控电路、天线、测量终端通信电路和测量终端电源，光电探测器采集信号送入照度测量电路，照度测量电路处理后输出数字信号，并将所述数字信号提供给主控电路，主控电路通过测量终端通信电路和天线发送、接收数据。
9.根据权利要求8所述无线照度计，其特征在于，所述光电探测器包括光电传感器、V(入)修正器和余弦修正器，可以选择光电二极管或硅光电池作为光电传感器，并采用与V(入)修正器集成封装的形式，余弦修正器可采用半球形状，光电传感器与V(X)修正器共同置于余弦修正器中。
10.根据权利要求8所述无线照度计，其特征在于，所述照度测量电路包括测量放大电路、滤波电路和模/数转换器，所述测量放大电路包括精密运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路，其中，量程切换电路包括多路开关和电阻网络，多路开关由主控电路控制，实现量程自动切换。
11.根据权利要求8所述无线照度计，其特征在于，所述主控电路可以采用低功耗的微控制器及其外围电路构成。
12.根据权利要求8所述无线照度计，其特征在于，所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，射频收发器通过阻抗匹配电路和天线接收发送射频信号，射频收发器具有与主控电路连接的接口电路，射频收发器通过接口电路接收主控电路发送的指令或数据，或通过接口电路向主控电路发送接收到的数据。
13.根据权利要求1所述无线照度计，其特征在于，所述测量终端还包括温度测量电路和状态指示电路，温度测量电路测量的数据送入主控电路，状态指示电路包括多个LED指示灯和相应的驱动电路，用于显示测量终端的供电、通信状态和异常状态。
专利摘要本实用新型涉及一种无线照度计，包括一个手持设备和至少一个测量终端，手持设备和测量终端之间以无线方式通信，手持设备发送指令到测量终端，测量终端将测量数据发送到手持设备，所述手持设备和测量终端组成无线传感器网络，手持设备与多个测量终端通信时，采用多跳网络协议实现通信。此无线照度计为低成本的无线照明测量仪器，在测量过程中无需支付通信费用，克服传统照度计的不足之处，提高照度测量的效率，并减小由操作人员反射或遮挡光线所导致的测量误差。
文档编号G01J1/42GK202856998SQ20122052733
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者施伟斌, 范坤坤, 黄雅, 黄灵凤, 吕涛 申请人:上海理工大学