張少華　魏志遠

摘 要：為了實現(xiàn)用戶居室場景特殊情景燈光和依據個人的顏色喜好進行遠程調節(jié)的目的，采用在傳統(tǒng)LED燈泡基礎上，加入藍牙無線傳輸控制模塊，并通過市面上配有藍牙4.0的手機、平板電腦等移動終端向燈泡傳輸控制命令的方法，通過PWM實現(xiàn)對LED燈泡通斷、亮度和顏色調節(jié)的控制。做了調色、波形和控制距離的實驗。實際使用證明：該系統(tǒng)工作良好，響應及時，達到了設計要求。

關鍵詞：遠程調節(jié)；LED燈泡；藍牙4.0；PWM

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：B 文章編號：2095-1302（2015）04-00-04

0 引 言

近年來，物聯(lián)網成為全球關注的熱點領域，被認為是繼互聯(lián)網之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網的發(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)網的一種重要應用。智能家居涉及土建裝修、通信網絡、信息系統(tǒng)集成、傳感器件、家電、醫(yī)療、自動控制等多個領域[1]。

由于對物聯(lián)網智能家居的家居應用需求日益增強，智能家居有著非常誘人的前景與巨大的市場，其中已經有不少產品占有了很大的市場。比如飛利浦推出的智能燈泡Hue Lights，通過手機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需要一個中繼設備，無法直接通過移動設備進行控制，且價格比較昂貴。目前藍牙的硬件成本已經降到了一個合理的水平，而且應用廣泛，幾乎是目前市面上手機和平板電腦的標配。讓藍牙技術作為其中的控制手段為一個不錯的選擇。

低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）是藍牙技術的最新版本（也稱藍牙4.0），是一種低數(shù)據量、突發(fā)性通信需求定制的低功耗、短距離通信技術，主要針對低成本、低復雜度的無線體域網和無線個域網設計[2]。傳統(tǒng)藍牙最多允許一個主設備連接7個從設備，而低功耗藍牙沒有該限制，理論上支持無限個從設備進行連接，而且傳輸距離也能到達50～60 m[3]。

本文提出一種基于低功耗藍牙4.0技術的智能燈泡系統(tǒng)設計，主要在傳統(tǒng)LED燈泡基礎上加上藍牙控制模塊，并把手機或者平板電腦等移動設備作為系統(tǒng)的中心出發(fā)點，通過無線短距離傳輸技術控制燈泡的通斷狀態(tài)、亮度和發(fā)光顏色。同時燈泡具有定時、漸變顏色等功能。

1 系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)主要由兩部分組成：智能燈泡硬件設備和移動終端（主要是其配套的APP應用軟件）。其中移動終端作為控制端，控制燈泡相關的功能性操作，燈泡作為被控端，主要接收從控制端發(fā)送的命令，對命令進行解析作并及時做出相應的動作。在控制端和被控端之間作為橋梁角色的藍牙通信技術，主要完成設備之間的互聯(lián)、通信等操作。系統(tǒng)總體結構框如圖1所示。

（1）移動終端

選取當前市面上主流的支持藍牙4.0的移動設備充當人與設備之間的媒介。通過安裝在移動終端設備上的APP控制智能燈泡相關功能。其中APP的主要功能是給用戶一個簡單易懂的界面和簡化操作，并調用相關API函數(shù)完成藍牙配對、鏈接、控制指令的組裝、發(fā)送以及相關信息的寫入與讀取等功能。

（2）智能燈泡

主要通過藍牙模塊進行數(shù)據的傳輸、命令解析、調節(jié)燈泡的亮度和顏色。藍牙模塊主要采用CSR1010低功耗藍牙芯片。該芯片具有32個引腳，可以同時提供4路PWM脈沖波，并支持E2PROM和FLASH進行程序的下載。

在智能燈泡端通過PWM脈沖波調節(jié)燈珠的電壓，從而達到調色的功能。在LED燈珠方面，采用紅、綠、藍、白四色共七顆燈珠。其中紅綠藍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，其用電量僅為白熾燈的10%，熒光燈管的50%[4]。由于燈泡是220 V直接供電，同時需要兩個電壓轉換模塊，一個220 V轉18 V，為燈珠供電。一個為18 V轉3.3 V，為藍牙芯片供電。

2 智能燈泡系統(tǒng)總體設計

2.1 智能燈泡設備

主要分為兩個部分：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換模塊、藍牙控制模塊和LED發(fā)光模塊。

2.1.1硬件設計

（1）電壓轉換模塊

由于LED燈珠需要的電壓為18 V，而藍牙模塊需要的電壓為3.3 V，所以需要將220 V的輸入電壓進行兩次轉換：220V轉18 V和18 V轉3.3 V。其中220 V AC轉18 V DC模塊實現(xiàn)交流的220 V轉成直流18 V供電，為整個系統(tǒng)供電。

在18 V轉3.3 V模塊中的電壓轉換芯片采用Holtek公司生產的HT7533-1，LDO將18 V DC轉成3.3 V，主要為藍牙模塊供電。

（2）藍牙控制模塊

藍牙控制模塊電路主要有系統(tǒng)指示燈、復位電路、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晶振作為時鐘源。在存儲設備方面主要采用E2PROM，在就需要在固件代碼中定義一個NVM_TYPE_EEPROM的宏。固件程序通過SPI串行外設接口的方式進行下載與調試。在藍牙芯片引出4個引腳，設置為PWM模式，分別用于控制紅、綠、蘭、白光四路脈沖，用于調節(jié)燈泡的發(fā)光顏色。

（3）LED發(fā)光模塊

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

CSR 1010芯片支持藍牙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（Peripheral）和中央（Central）角色。所以在智能插座系統(tǒng)中，燈泡作為外設設備，控制器支持從設備（Slave）角色，移動終端作為中央角色，是所有外設連接的發(fā)起者，控制器支持主設備（Master）角色。

GATT規(guī)范位于協(xié)議的最頂層，由一個或者多個服務構成規(guī)范用來實現(xiàn)某個應用。在系統(tǒng)中，燈泡作為一個Server向移動終端（Client）暴露一個調色服務，用于控制燈泡的亮度、色彩和通斷。調色服務中包含兩個特征值，特征值1用于控制燈泡的通斷，長度為1個字節(jié)。規(guī)定命令值0x00為關，0x01為通。特征值2用于控制燈泡的色彩和亮度，長度為4個字節(jié)，前三個字節(jié)用于控制燈泡的顏色，最后一個字節(jié)用于控制燈泡的亮度。前三字節(jié)只當最后字節(jié)為0有效。

硬件上電后，主要進行系統(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)時間和規(guī)則，然后燈泡開始廣播。

在實際應用中，用戶不會一直長時間需要控制燈泡，所以出于節(jié)約能耗的考慮，將廣播狀態(tài)中將廣播設置為三種模式：快播，中播，慢播。其中快播持續(xù)時間為1 min，廣播時間間隔為60 ms，中播持續(xù)時間為5 min，廣播時間間隔為1280ms，其余時間為慢播時間，廣播間隔為5 s。該設計可以有效降低能耗，并能有效保證設備能及時被發(fā)現(xiàn)和連接。

調色的實現(xiàn)方式為自定義一個函數(shù)用于控制占空比：

2.2 APP軟件設計

移動終端設備端作為主設備，主要有掃描設備、發(fā)現(xiàn)設備、發(fā)起連接、發(fā)送控制指令、斷開連接等操作。開啟軟件后，進行相關數(shù)據初始化，然后系統(tǒng)進入輪訓掃描設備階段。連接設備后，按照上文規(guī)定的格式發(fā)送指令，控制相關操作。APP軟件主要基于Android平臺[8]。軟件流程圖如圖4所示。

理論上一個主設備可以同時連接無數(shù)個從設備，但一個從設備同時只能被一個主設備控制。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，利用4.0協(xié)議最短可以在3 ms內完成連接并傳輸數(shù)據的特性，實現(xiàn)一個時間段內多個移動終端同時控制一個燈泡的功能。

涉及到需要對多個燈泡信息進行管理，設計了基于Sqlite數(shù)據庫[9，10]的設備管理模塊，用于存儲和管理燈泡的相關信息。

3 實驗結果及分析

基于系統(tǒng)的設計要求是移動終端設備能正確控制燈泡的開關、調節(jié)亮度和色彩、定時等功能，同時滿足室內有障礙物的情況下10～20 m的通信需求。為檢測系統(tǒng)是否達到設計要求，所以對系統(tǒng)進行功能和性能測試。

3.1 燈泡組裝

由于燈泡模具外殼的因素，暫時先組裝成實驗原型機。連接排線，檢查各部件，各模塊。一個完整的原型機如圖5所示。

3.2 測試

（1）調色測試

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

利用Android手機的藍牙功能，通過其上APP與燈泡建立連接，并分別向調色服務特征值寫入十六進制代碼0xFF000000，0x00FF0000，0x0000FF00。目的是使燈泡發(fā)出紅光，綠光和藍光。為了顯示效果，采用大燈罩。實驗結果如圖6所示。

（2）距離測試

在通信距離測試中，分別選擇比較空曠的走廊和有障礙物的實驗室。測試結果顯示在室外到達了35 m左右通信距離，實驗室有障礙物的環(huán)境下達到15 m左右的通信距離。

3.3 出現(xiàn)問題及解決方案

（1）燈泡不能實現(xiàn)0～255的全范圍調色。

在實驗中發(fā)現(xiàn)，在調色的過程中，有一個調色的上限和下限。當?shù)陀谙孪藁蛘吒哂谏舷迺r，顏色只會保持在下限或者上限所對應的顏色。經研究發(fā)現(xiàn)LED燈珠有一個電流的最大值和最小值，當控制電壓小于某個值時，無電流。同樣，當控制電壓高于某個值時，電流保持最大值不變。所以如果要顯示0～255全范圍變色，必須要選擇一個合適的范圍。圖7為實測電流與電壓的關系。

（2）通信距離短

在距離測試中發(fā)現(xiàn)，藍牙的通信距離過短。在空曠地區(qū)只有30米，室內10米。經過排查后發(fā)現(xiàn)，在天線下方的PCB板有覆銅，干擾了信號。將覆銅去掉后，通信距離幾乎提升了一倍。室外達到了60 米，室內達到25米左右。

4 結 語

本文介紹一種基于藍牙4.0為控制核心，通過手機、平板電腦等移動終端作為載體來控制智能燈泡的技術方案。整個系統(tǒng)主要由移動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、藍牙控制模塊、配套固件和LED發(fā)光模塊等組成。系統(tǒng)經過試驗測試，可以滿足實際需求。

參考文獻

[1]童曉渝.物聯(lián)網智能家居發(fā)展分析[J]. 移動通信，2010（9）：16-20.

[2] Robin Heydon. Bluetooth Low Energy The Developer，s Handbook[M].Pearson Education，2013.

[3]陳燦峰.低功耗藍牙技術原理與應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[4]徐光憲，陸偉，高峰.基于M2M技術的智能燈泡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用與軟件，2014（5）：323-333.

[5]可榮碩，馬曉軍，張思博.基于RGB色彩空間的顏色識別系統(tǒng)設計[J]. 微計算機信息，2010（5）：36-47.

[6]江世明.脈寬調制控制技術中PWM波形程序設計方法[J]. 邵陽學院學報，2006（4）：45-47.

[7]李薇，劉方.情景照明系統(tǒng)的LED混色技術研究（下）[J]. 中國照明電器，2009（11）：10-13.

[8]李黎國，張輝，程號. 基于Android健康服務終端藍牙傳輸軟件的設計[J]. 電子科技，2012，25（5）：115-118.

[9]劉陽.基于Sqlite數(shù)據庫的智能糧情監(jiān)測Android客戶端設計[D]. 安徽：安徽大學，2014.

[10]張媛媛.嵌入式數(shù)據庫管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].上海：華東師范大學，2007.