基于藍(lán)牙4.0技術(shù)智能燈泡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張少華　魏志遠(yuǎn)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)用戶居室場(chǎng)景特殊情景燈光和依據(jù)個(gè)人的顏色喜好進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的目的，采用在傳統(tǒng)LED燈泡基礎(chǔ)上，加入藍(lán)牙無(wú)線傳輸控制模塊，并通過(guò)市面上配有藍(lán)牙4.0的手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端向燈泡傳輸控制命令的方法，通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈泡通斷、亮度和顏色調(diào)節(jié)的控制。做了調(diào)色、波形和控制距離的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際使用證明：該系統(tǒng)工作良好，響應(yīng)及時(shí)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)；LED燈泡；藍(lán)牙4.0；PWM

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-04

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念及發(fā)展空間，智能家居可以被看作是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應(yīng)用。智能家居涉及土建裝修、通信網(wǎng)絡(luò)、信息系統(tǒng)集成、傳感器件、家電、醫(yī)療、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

由于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居的家居應(yīng)用需求日益增強(qiáng)，智能家居有著非常誘人的前景與巨大的市場(chǎng)，其中已經(jīng)有不少產(chǎn)品占有了很大的市場(chǎng)。比如飛利浦推出的智能燈泡Hue Lights，通過(guò)手機(jī)或者平板電腦可以控制燈泡的通斷和改變發(fā)光顏色。但Hue Lights需要一個(gè)中繼設(shè)備，無(wú)法直接通過(guò)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制，且價(jià)格比較昂貴。目前藍(lán)牙的硬件成本已經(jīng)降到了一個(gè)合理的水平，而且應(yīng)用廣泛，幾乎是目前市面上手機(jī)和平板電腦的標(biāo)配。讓藍(lán)牙技術(shù)作為其中的控制手段為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）是藍(lán)牙技術(shù)的最新版本（也稱藍(lán)牙4.0），是一種低數(shù)據(jù)量、突發(fā)性通信需求定制的低功耗、短距離通信技術(shù)，主要針對(duì)低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線體域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)設(shè)計(jì)[2]。傳統(tǒng)藍(lán)牙最多允許一個(gè)主設(shè)備連接7個(gè)從設(shè)備，而低功耗藍(lán)牙沒(méi)有該限制，理論上支持無(wú)限個(gè)從設(shè)備進(jìn)行連接，而且傳輸距離也能到達(dá)50～60 m[3]。

本文提出一種基于低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)的智能燈泡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要在傳統(tǒng)LED燈泡基礎(chǔ)上加上藍(lán)牙控制模塊，并把手機(jī)或者平板電腦等移動(dòng)設(shè)備作為系統(tǒng)的中心出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線短距離傳輸技術(shù)控制燈泡的通斷狀態(tài)、亮度和發(fā)光顏色。同時(shí)燈泡具有定時(shí)、漸變顏色等功能。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由兩部分組成：智能燈泡硬件設(shè)備和移動(dòng)終端（主要是其配套的APP應(yīng)用軟件）。其中移動(dòng)終端作為控制端，控制燈泡相關(guān)的功能性操作，燈泡作為被控端，主要接收從控制端發(fā)送的命令，對(duì)命令進(jìn)行解析作并及時(shí)做出相應(yīng)的動(dòng)作。在控制端和被控端之間作為橋梁角色的藍(lán)牙通信技術(shù)，主要完成設(shè)備之間的互聯(lián)、通信等操作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

（1）移動(dòng)終端

選取當(dāng)前市面上主流的支持藍(lán)牙4.0的移動(dòng)設(shè)備充當(dāng)人與設(shè)備之間的媒介。通過(guò)安裝在移動(dòng)終端設(shè)備上的APP控制智能燈泡相關(guān)功能。其中APP的主要功能是給用戶一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的界面和簡(jiǎn)化操作，并調(diào)用相關(guān)API函數(shù)完成藍(lán)牙配對(duì)、鏈接、控制指令的組裝、發(fā)送以及相關(guān)信息的寫(xiě)入與讀取等功能。

（2）智能燈泡

主要通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、命令解析、調(diào)節(jié)燈泡的亮度和顏色。藍(lán)牙模塊主要采用CSR1010低功耗藍(lán)牙芯片。該芯片具有32個(gè)引腳，可以同時(shí)提供4路PWM脈沖波，并支持E2PROM和FLASH進(jìn)行程序的下載。

在智能燈泡端通過(guò)PWM脈沖波調(diào)節(jié)燈珠的電壓，從而達(dá)到調(diào)色的功能。在LED燈珠方面，采用紅、綠、藍(lán)、白四色共七顆燈珠。其中紅綠藍(lán)燈珠各一顆用于混色，白色三顆用于提供照明。

LED 作為照明設(shè)備與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈比較，在同等的流明度下，其用電量?jī)H為白熾燈的10%，熒光燈管的50%[4]。由于燈泡是220 V直接供電，同時(shí)需要兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊，一個(gè)220 V轉(zhuǎn)18 V，為燈珠供電。一個(gè)為18 V轉(zhuǎn)3.3 V，為藍(lán)牙芯片供電。

2 智能燈泡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 智能燈泡設(shè)備

主要分為兩個(gè)部分：智能燈泡硬件以及智能燈泡固件程序。其中硬件包括電壓轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙控制模塊和LED發(fā)光模塊。

2.1.1硬件設(shè)計(jì)

（1）電壓轉(zhuǎn)換模塊

由于LED燈珠需要的電壓為18 V，而藍(lán)牙模塊需要的電壓為3.3 V，所以需要將220 V的輸入電壓進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換：220V轉(zhuǎn)18 V和18 V轉(zhuǎn)3.3 V。其中220 V AC轉(zhuǎn)18 V DC模塊實(shí)現(xiàn)交流的220 V轉(zhuǎn)成直流18 V供電，為整個(gè)系統(tǒng)供電。

在18 V轉(zhuǎn)3.3 V模塊中的電壓轉(zhuǎn)換芯片采用Holtek公司生產(chǎn)的HT7533-1，LDO將18 V DC轉(zhuǎn)成3.3 V，主要為藍(lán)牙模塊供電。

（2）藍(lán)牙控制模塊

藍(lán)牙控制模塊電路主要有系統(tǒng)指示燈、復(fù)位電路、SPI程序下載接口、PWM電路等幾部分組成。模塊電路如圖2所示。

系統(tǒng)采用16 MHz晶振作為時(shí)鐘源。在存儲(chǔ)設(shè)備方面主要采用E2PROM，在就需要在固件代碼中定義一個(gè)NVM_TYPE_EEPROM的宏。固件程序通過(guò)SPI串行外設(shè)接口的方式進(jìn)行下載與調(diào)試。在藍(lán)牙芯片引出4個(gè)引腳，設(shè)置為PWM模式，分別用于控制紅、綠、蘭、白光四路脈沖，用于調(diào)節(jié)燈泡的發(fā)光顏色。

（3）LED發(fā)光模塊

LED發(fā)光模塊采用六個(gè)燈珠布局方式：白色燈珠三個(gè)，紅、綠、藍(lán)燈珠各一個(gè)。其中三個(gè)白色燈珠為串聯(lián)的方式。燈珠整體布局如圖3所示。2.1.2智能燈泡固件設(shè)計(jì)

CSR 1010芯片支持藍(lán)牙4.0協(xié)議棧，該協(xié)議棧主要包括ATT、GATT、SMP、L2CAP、GAP等規(guī)范。

通用訪問(wèn)規(guī)范（Generic Access Profile，GAP）規(guī)定了4種角色：廣播者（Broadcaster）、觀察者（Observice）、外設(shè)（Peripheral）和中央（Central）角色。所以在智能插座系統(tǒng)中，燈泡作為外設(shè)設(shè)備，控制器支持從設(shè)備（Slave）角色，移動(dòng)終端作為中央角色，是所有外設(shè)連接的發(fā)起者，控制器支持主設(shè)備（Master）角色。

GATT規(guī)范位于協(xié)議的最頂層，由一個(gè)或者多個(gè)服務(wù)構(gòu)成規(guī)范用來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)應(yīng)用。在系統(tǒng)中，燈泡作為一個(gè)Server向移動(dòng)終端（Client）暴露一個(gè)調(diào)色服務(wù)，用于控制燈泡的亮度、色彩和通斷。調(diào)色服務(wù)中包含兩個(gè)特征值，特征值1用于控制燈泡的通斷，長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。規(guī)定命令值0x00為關(guān)，0x01為通。特征值2用于控制燈泡的色彩和亮度，長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，前三個(gè)字節(jié)用于控制燈泡的顏色，最后一個(gè)字節(jié)用于控制燈泡的亮度。前三字節(jié)只當(dāng)最后字節(jié)為0有效。

硬件上電后，主要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作，包括GATT、SMP、GAP、硬件等模塊的初始化。初始化完成后，再讀取系統(tǒng)時(shí)間和規(guī)則，然后燈泡開(kāi)始廣播。

在實(shí)際應(yīng)用中，用戶不會(huì)一直長(zhǎng)時(shí)間需要控制燈泡，所以出于節(jié)約能耗的考慮，將廣播狀態(tài)中將廣播設(shè)置為三種模式：快播，中播，慢播。其中快播持續(xù)時(shí)間為1 min，廣播時(shí)間間隔為60 ms，中播持續(xù)時(shí)間為5 min，廣播時(shí)間間隔為1280ms，其余時(shí)間為慢播時(shí)間，廣播間隔為5 s。該設(shè)計(jì)可以有效降低能耗，并能有效保證設(shè)備能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和連接。

調(diào)色的實(shí)現(xiàn)方式為自定義一個(gè)函數(shù)用于控制占空比：

2.2 APP軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端設(shè)備端作為主設(shè)備，主要有掃描設(shè)備、發(fā)現(xiàn)設(shè)備、發(fā)起連接、發(fā)送控制指令、斷開(kāi)連接等操作。開(kāi)啟軟件后，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)初始化，然后系統(tǒng)進(jìn)入輪訓(xùn)掃描設(shè)備階段。連接設(shè)備后，按照上文規(guī)定的格式發(fā)送指令，控制相關(guān)操作。APP軟件主要基于Android平臺(tái)[8]。軟件流程圖如圖4所示。

理論上一個(gè)主設(shè)備可以同時(shí)連接無(wú)數(shù)個(gè)從設(shè)備，但一個(gè)從設(shè)備同時(shí)只能被一個(gè)主設(shè)備控制。采用控制完立即釋放連接的方式，這樣可以釋放資源給別的用戶使用。同時(shí)，利用4.0協(xié)議最短可以在3 ms內(nèi)完成連接并傳輸數(shù)據(jù)的特性，實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)多個(gè)移動(dòng)終端同時(shí)控制一個(gè)燈泡的功能。

涉及到需要對(duì)多個(gè)燈泡信息進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)了基于Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)[9，10]的設(shè)備管理模塊，用于存儲(chǔ)和管理燈泡的相關(guān)信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是移動(dòng)終端設(shè)備能正確控制燈泡的開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)亮度和色彩、定時(shí)等功能，同時(shí)滿足室內(nèi)有障礙物的情況下10～20 m的通信需求。為檢測(cè)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能測(cè)試。

3.1 燈泡組裝

由于燈泡模具外殼的因素，暫時(shí)先組裝成實(shí)驗(yàn)原型機(jī)。連接排線，檢查各部件，各模塊。一個(gè)完整的原型機(jī)如圖5所示。

3.2 測(cè)試

（1）調(diào)色測(cè)試

由于原型機(jī)有線路、元器件暴露在外，直接使用220 V供電可能會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)。所以在測(cè)試中，去除220 V轉(zhuǎn)18 V電源模塊，改用電源箱輸出18 V DC供電。

利用Android手機(jī)的藍(lán)牙功能，通過(guò)其上APP與燈泡建立連接，并分別向調(diào)色服務(wù)特征值寫(xiě)入十六進(jìn)制代碼0xFF000000，0x00FF0000，0x0000FF00。目的是使燈泡發(fā)出紅光，綠光和藍(lán)光。為了顯示效果，采用大燈罩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

（2）距離測(cè)試

在通信距離測(cè)試中，分別選擇比較空曠的走廊和有障礙物的實(shí)驗(yàn)室。測(cè)試結(jié)果顯示在室外到達(dá)了35 m左右通信距離，實(shí)驗(yàn)室有障礙物的環(huán)境下達(dá)到15 m左右的通信距離。

3.3 出現(xiàn)問(wèn)題及解決方案

（1）燈泡不能實(shí)現(xiàn)0～255的全范圍調(diào)色。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在調(diào)色的過(guò)程中，有一個(gè)調(diào)色的上限和下限。當(dāng)?shù)陀谙孪藁蛘吒哂谏舷迺r(shí)，顏色只會(huì)保持在下限或者上限所對(duì)應(yīng)的顏色。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)LED燈珠有一個(gè)電流的最大值和最小值，當(dāng)控制電壓小于某個(gè)值時(shí)，無(wú)電流。同樣，當(dāng)控制電壓高于某個(gè)值時(shí)，電流保持最大值不變。所以如果要顯示0～255全范圍變色，必須要選擇一個(gè)合適的范圍。圖7為實(shí)測(cè)電流與電壓的關(guān)系。

（2）通信距離短

在距離測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙的通信距離過(guò)短。在空曠地區(qū)只有30米，室內(nèi)10米。經(jīng)過(guò)排查后發(fā)現(xiàn)，在天線下方的PCB板有覆銅，干擾了信號(hào)。將覆銅去掉后，通信距離幾乎提升了一倍。室外達(dá)到了60 米，室內(nèi)達(dá)到25米左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹一種基于藍(lán)牙4.0為控制核心，通過(guò)手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端作為載體來(lái)控制智能燈泡的技術(shù)方案。整個(gè)系統(tǒng)主要由移動(dòng)終端控制端和智能燈泡被控制端組成。其中智能插座端主要由電源模塊、藍(lán)牙控制模塊、配套固件和LED發(fā)光模塊等組成。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，可以滿足實(shí)際需求。

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