辛大欣 張志龍

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

基于CC3200的無線照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

辛大欣 張志龍

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)

針對(duì)家居照明中布線復(fù)雜,控制繁瑣的問題,結(jié)合TTP229觸摸芯片、UCC28810電源控制器、光敏傳感器等元件,設(shè)計(jì)了基于TI最新的單片Wi-Fi MCU CC3200的無線照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括電容觸摸滑條的硬件設(shè)計(jì)、RF硬件電路設(shè)計(jì)、光敏傳感器電路設(shè)計(jì)；通訊方式上,控制終端采用I2C方式,并通過無線Wi-Fi控制LED照明燈。經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能無線調(diào)光的目的,具有一定的參考價(jià)值。

CC3200; TTP229; 無線控制

1 引言

LED照明作為家居生活中最重要的一個(gè)方面,合適的控制方式是實(shí)現(xiàn)舒適性與藝術(shù)性的有效措施,是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的合理手段。目前照明控制一般分為調(diào)光控制與開關(guān)控制,傳統(tǒng)照明控制方式大多是通過連接在照明燈回路中的手動(dòng)開關(guān)或者旋鈕對(duì)燈具進(jìn)行開關(guān)或者亮度控制[1]。而采用直接數(shù)字控制器控制回路中交流接觸器的分合的控制方式能有效解決傳統(tǒng)的分散控制的問題,但卻不能實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光[2]。以上方式顯然已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需求,它們或者是自動(dòng)化程度不夠,不能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制,或者是控制功能較為單一,無法實(shí)現(xiàn)人們對(duì)照明效果的不同需求。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,智能照明控制方式得以逐步實(shí)現(xiàn),該方式將自動(dòng)化控制與照明控制完美結(jié)合,不僅具備簡(jiǎn)單的開關(guān)控制,還能夠?qū)艄饬炼冗M(jìn)行智能調(diào)節(jié)?；诖?本文設(shè)計(jì)了一種將開關(guān)控制與亮度控制結(jié)合的一體式智能無線照明控制系統(tǒng),相比其他的智能控制方案,此Wi-Fi無線方式更加通用,控制方式更加靈活,并且相比其他Wi-Fi方案,功耗更低,實(shí)時(shí)性更好,在智能家居方面具有極大地應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計(jì)

本方案采用的無線通信控制平臺(tái)采用業(yè)界第一個(gè)具有內(nèi)置Wi-Fi連通性的單片微控制器單元CC3200,其內(nèi)部集成80MHz運(yùn)行頻率的Cortex-M4內(nèi)核,由Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)、應(yīng)用控制子系統(tǒng)以及電源控制子系統(tǒng)組成[3～4]。極低功耗處理機(jī)制可有效實(shí)現(xiàn)微處理單元的低功耗運(yùn)行,強(qiáng)大加密引擎的MAC以實(shí)現(xiàn)支持256位加密的安全快速網(wǎng)絡(luò)連接。CC3200模塊支持Wi-Fi直連、訪問點(diǎn)及基站模式?？蛻艨梢苑浅７奖愕貙⑽锢碓O(shè)備通過該模塊連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上,從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制與管理。電源管理子系統(tǒng)包括支持廣泛電源電壓范圍的集成DC-DC轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)可啟用低功耗模式,諸如具有RTC的休眠模式,所需電流少于4μA。智能無線照明控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 觸摸滑條與PWM示意圖

控制終端設(shè)計(jì)為使用雙節(jié)5號(hào)電池供電的手持遙控模塊,觸控單元采用一款觸摸芯片TTP229結(jié)合電容感應(yīng)式原理設(shè)計(jì)而成,可以根據(jù)實(shí)際需求(控制亮度的精細(xì)度)獨(dú)立支持8個(gè)觸摸鍵或16個(gè)觸摸鍵,觸摸按鍵與PWM輸出信號(hào)控制照明燈的亮度的示意圖如圖2所示。手持遙控模塊上的LED燈用來顯示W(wǎng)i-Fi的連接狀態(tài)以及LED燈的亮度信息,手持遙控上的按鍵用來控制終端的休眠狀態(tài)(當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí),將終端休眠處理,當(dāng)需要使用終端時(shí),通過按鍵的形式將終端喚醒),控制信息經(jīng)過CC3200處理后由手持終端的RF天線發(fā)送出去[5～6]。電燈端接收到控制信息后經(jīng)過PWM調(diào)制將控制信息發(fā)送到UCC28810電源控制器,控制LED照明燈的狀態(tài)。電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)光敏傳感器電路,實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的光線情況自動(dòng)調(diào)整LED亮度的智能控制的目的。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 電容觸摸滑塊的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用無線手持遙控終端對(duì)LED照明燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié),人機(jī)交互采用終端面板上的LED顯示燈以及無級(jí)照明燈亮度調(diào)節(jié)觸摸滑條。而將觸摸滑條加入到照明燈亮度的調(diào)節(jié)中是本設(shè)計(jì)較為新穎的部分。電容CJ0、CJ1用于調(diào)節(jié)觸摸滑條的靈敏度,電容CJWA用于調(diào)節(jié)休眠模式下喚醒靈敏度。在可用范圍(1pF≦CJ0～CJ1≦50pF, 1pF≦CJWA≦50pF)內(nèi)增大CJ0、CJ1及CJWA的值將降低觸摸滑條靈敏度。當(dāng)不連接任何電容時(shí)其靈敏度最大。TTP229在睡眠模式下有兩種采樣率,分別是8Hz和16Hz,從降低功耗的角度考慮,此次設(shè)計(jì)采用8Hz的休眠采樣率。此模式的選擇是通過連接TP5引腳到高電平的方式確定的。由于手持終端采用兩節(jié)干電池供電,為了最大程度地降低功耗,電路設(shè)計(jì)上采用8Hz的休眠采樣率。為增加電池使用時(shí)間,電路設(shè)計(jì)了有效鍵最大輸出時(shí)間功能,硬件上采用連接TP7引腳到低電平的方式,以設(shè)置按鍵有效最大輸出時(shí)間為80秒,同時(shí)通過TP6 連接高阻值電阻到VSS將睡眠模式下的采樣長(zhǎng)度設(shè)定為2ms。為能夠在滿足應(yīng)用需求的前提下最大限度地減小功耗,此選擇采用八鍵模式。TTP229通過I2C通訊方式與CC3200微控制單元進(jìn)行通信,此模式下SDA 端口作為串行數(shù)據(jù)端口,SCL 作為串行時(shí)鐘輸入端口。八鍵模式的觸摸滑塊芯片TTP229的連接電路圖如圖3所示。

3.2 RF硬件電路設(shè)計(jì)

RF電路作為連接外部通信中重要的一環(huán),電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響通信的質(zhì)量。CC3200采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)2.4GHz的輸出頻率,RF硬件電路如圖4所示。圖中的 L3、L4、C2、C3構(gòu)成平衡轉(zhuǎn)換器,將差分端口 RF P/RF N 平衡電路變換成為單端不平衡RF信號(hào),從而很方便地截?cái)嗔鬟^電纜屏蔽層外的高頻電流。圖中的L4、L6、C5構(gòu)成帶通濾波器；C1、L1、L2構(gòu)成低通濾波器。在本設(shè)計(jì)中 RF 的天線采用的是陶瓷天線。

3.3 光敏傳感器電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光的功能,在電燈端加入光敏傳感器,以方便根據(jù)光線的不同對(duì)照明燈的亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。從節(jié)約成本的角度考慮,本次設(shè)計(jì)采用的是5549光敏電阻組成的光線檢測(cè)電路[7]。具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖3 八鍵模式TTP229連接圖

圖4 RF硬件電路

電壓比較器LM393的同相輸入端1IN+接收接在光敏二極管在光照射時(shí)產(chǎn)生的電阻值變化所轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào),此電壓信號(hào)與1IN-(比較器反相輸入端)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)同相端子1IN+的電壓比反相輸入端1IN-大時(shí),電壓比較器LM393的輸出端1OUT輸出高電平信號(hào),當(dāng)同相端1IN+電壓小于反相端1IN-端電壓時(shí),電壓比較器的輸出端1OUT輸出低電平電壓。

光敏二極管在沒有光照時(shí)電阻值很大,電阻R2與光敏二極管R3組成的分壓點(diǎn)電壓升高,使1IN+端電壓大于1IN-端電壓,電壓比較器輸出端1OUT輸出高電平電壓,此時(shí)可控制照明LED燈亮。在有光照時(shí),光敏二極管的電阻值很小,電阻R2與該光敏二極管組成的分壓點(diǎn)電壓下降,使同相端1IN+電壓小于反相端1IN-端電壓,電壓比較器的輸出端1OUT輸出低電平電壓,此時(shí)可控制照明LED燈滅。接在反相端1IN-端的電位器VR1用于調(diào)節(jié)該端的電位電壓,這個(gè)電壓也就是電壓比較器輸入的閾值翻轉(zhuǎn)電壓,用于光照靈敏度調(diào)節(jié)。LED照明端CC3200檢測(cè)1OUT端電壓,并與手持終端的控制信號(hào)進(jìn)行綜合,最終將綜合后的控制信息傳遞給UCC28810電源控制器,并最終控制照明LED燈的亮度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 電容觸摸滑條的軟件設(shè)計(jì)

觸摸滑條是通過為每個(gè)觸摸鍵分配的多個(gè)位置制成的,是多個(gè)觸摸鍵的一個(gè)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的觸摸滑塊功能。此設(shè)計(jì)中的觸摸滑塊包括由8個(gè)按鍵,并創(chuàng)建每個(gè)觸摸按鈕有4個(gè)位置,它最大可以提供32個(gè)單獨(dú)步階的檢測(cè)。步階數(shù)是電容變化的反映,電容的變化幅度越大,Delta值越大。在系統(tǒng)中設(shè)置Delta的峰值以實(shí)現(xiàn)最大的響應(yīng),通過用最大的Delta值除以每一個(gè)按鍵的所需步階數(shù),通過每個(gè)按鍵的加權(quán)計(jì)算產(chǎn)生1～32步階的線性輸出。

圖6 滑條位置的確定方法

4.2 I2C通信的軟件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)中的觸摸單元和微控制單元的通信采用I2C的方式。CC3200和TTP229的I2C通訊協(xié)議均符合標(biāo)準(zhǔn)的I2C通訊協(xié)議。并且都支持最大SCL時(shí)鐘頻率為400Kbps的快速模式,從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),此次設(shè)計(jì)選擇采用傳輸速度為100Kbps的標(biāo)準(zhǔn)通信模式。CC3200的I2C接口信號(hào)是某些IO口的的復(fù)用功能,應(yīng)用時(shí)應(yīng)將GPIO_PAD_CONFIG寄存器中的CONFMODE位置位以選中I2C功能,同時(shí)應(yīng)使用GPIO_PAD_CONFIG寄存器中的IODEN位,將I2CSDA和I2CSCL設(shè)置為開漏極。軟件設(shè)計(jì)中,為了進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸,應(yīng)用程序不應(yīng)該交換I2CSDR寄存器和TXFIFO的數(shù)據(jù)。圖7所示為一次完整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿钚蛄小?/p>

圖7 一次完整的數(shù)據(jù)傳送命令序列

4.3 控制端和接收端軟件設(shè)計(jì)

為降低手持端功耗,尤其是Wi-Fi的功耗,通過軟件設(shè)置TTP229以及CC3200的休眠模式,在長(zhǎng)時(shí)間不使用手持終端對(duì)LED照明燈進(jìn)行控制時(shí),使終端進(jìn)入低功耗模式(CC3200僅保持Wi-Fi的連接),而在需要進(jìn)行控制操作時(shí)通過手持終端上的喚醒按鍵對(duì)模塊進(jìn)行快速喚醒,此次設(shè)計(jì)中設(shè)定為有效按鍵最長(zhǎng)輸出時(shí)間為80 s[8]。CC3200的電源管理子系統(tǒng)包含一個(gè)集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器,當(dāng)啟用低功耗模式時(shí),該子系統(tǒng)的RTC模塊的電流需求僅為4μA,低功耗的模式以及進(jìn)入低功耗的時(shí)間由軟件編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了防止終端的誤操作以及控制其靈敏度,軟件中還需要對(duì)觸發(fā)時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)也需要在軟件中進(jìn)行觸摸滑條的校準(zhǔn)操作,系統(tǒng)上電時(shí)將首先對(duì)起始環(huán)境做自動(dòng)校準(zhǔn),此后系統(tǒng)進(jìn)入到待機(jī)模式。若全部觸摸滑條4s內(nèi)沒有檢測(cè)到觸摸操作,系統(tǒng)將重新校準(zhǔn),此過程持續(xù)重復(fù)進(jìn)行。此重新校準(zhǔn)的特性實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)即使環(huán)境變化也可以正常工作的目的。圖8所示為設(shè)計(jì)的觸發(fā)時(shí)序。

圖8 觸發(fā)時(shí)序

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中最重要的是發(fā)送端和接收端的功能設(shè)計(jì),CC3200內(nèi)部集成了可編程的Cortex-M4內(nèi)核的MCU,允許用戶方便靈活地添加修改代碼。TI提供了豐富的API接口函數(shù)和豐富的例程,可以快速搭建起用戶應(yīng)用程序。軟件采用C語言編寫,程序中包含以下子模塊:模式選擇、觸摸滑條檢測(cè)、傳感器檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、PWM轉(zhuǎn)換等。圖9為控制端和接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖。長(zhǎng)時(shí)間不操作時(shí),手持控制端處于待機(jī)低功耗模式,以保證電池使用的持久性。當(dāng)喚醒并操作滑條,手持端會(huì)檢測(cè)觸摸位置的變化進(jìn)行PWM輸出的改變,控制信息通過Wi-Fi無線發(fā)送出去。接收端會(huì)對(duì)接收到的控制信息進(jìn)行處理,并通過PWM的變化進(jìn)行LED亮度的調(diào)節(jié)[9～10]。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的光線傳感器也會(huì)和手持終端協(xié)同對(duì)LED亮度進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)智能無線控制的目的。

圖9 控制、接收端軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)語

本文將Wi-Fi無線通信與家居照明結(jié)合起來,設(shè)計(jì)了以CC3200微控制器為核心的Wi-Fi智能無線照明控制系統(tǒng),經(jīng)過軟硬件的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無線控制、智能控制等功能。設(shè)計(jì)中融合無線觸摸滑條對(duì)燈光亮度的多級(jí)調(diào)光,設(shè)計(jì)并軟件實(shí)現(xiàn)了CC3200的數(shù)據(jù)處理與無線收發(fā)功能。針對(duì)無線方案電池耐久度問題,通過設(shè)置觸摸滑條芯片及CC3200芯片休眠的方式降低無線終端功耗。整個(gè)設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),將家居智能照明和Wi-Fi無線通信與控制結(jié)合起來,具有很好的應(yīng)用前景。

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Design of Wireless Lighting Control System Based on CC3200

XIN Daxin ZHANG Zhilong

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

Aiming at the problems that home lighting wiring is complicated and control is fussg, combined with TTP229 touch chip, UCC28810 power controller, light sensors and other components, wireless lighting control system based on TI’s latest single-chip Wi-Fi MCU CC3200 is designed. The system includes hardware design of capacitive touch slider, RF hardware circuit design, light sensors circuit design.On the aspect of communication method, control terminals use I2C and a wireless Wi-Fi to control LED lights. After testing ,the system can achieve intelligent wireless dimming, and has a certain reference value.

CC3200, TTP229, wireless control Class Number TP29

2016年10月8日,

2016年11月27日

西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金(編號(hào):XAGDXJJ14010)資助。

辛大欣,男,碩士,副教授,研究方向:人工智能、計(jì)算機(jī)控制。張志龍,男,碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)控制。

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.035