武漢晴川學(xué)院 方 潔 蔡 璇

本設(shè)計(jì)采用ARM架構(gòu)的STM32F103C8T6芯片與藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠通過藍(lán)牙控制并擁有65級(jí)亮度控制的智能臺(tái)燈。通過藍(lán)牙或者按鈕進(jìn)行控制，使臺(tái)燈具有4種照明模式：普通照明模式，手動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度；感知照明模式，臺(tái)燈的亮度會(huì)根據(jù)環(huán)境光的亮度變化而變化；睡眠模式，臺(tái)燈會(huì)根據(jù)時(shí)間變得越來越暗；用戶自定義模式，用戶通過預(yù)設(shè)定好的一些指令來控制臺(tái)燈的照明行為，從而實(shí)現(xiàn)更加豐富的照明功能。

引言：臺(tái)燈是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊环N照明工具，在智能家居流行的時(shí)代，臺(tái)燈的功能應(yīng)該不僅僅只局限于照明。我們也可以將臺(tái)燈加入物聯(lián)網(wǎng)中，提供更加便利的現(xiàn)代生活。本次智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)主要圍繞藍(lán)牙模塊的實(shí)現(xiàn)，通過臺(tái)燈與其他藍(lán)牙設(shè)備，例如手機(jī)的鏈接，提供更加智能的照明功能，通過藍(lán)牙控制臺(tái)燈的亮度與明滅，讓人們?cè)谝雇淼臅r(shí)候不需要去尋找開關(guān)，只需要打開手機(jī)APP即可開燈，另外，臺(tái)燈還具有多種照明模式，滿足在不同條件下的照明需求，臺(tái)燈的亮度會(huì)根據(jù)環(huán)境光照來自動(dòng)調(diào)節(jié)，既可以節(jié)能，也能滿足照明需求。當(dāng)然還可以支持睡眠模式，臺(tái)燈的亮度會(huì)漸暗，特別適合兒童對(duì)漆黑的恐懼感，也不會(huì)影響其睡眠質(zhì)量。還有自定義的可編程照明功能，由用戶來對(duì)臺(tái)燈照明條件進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，滿足用戶的多種需求。希望此次設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈能夠完全融入人們的生活，為智能生活帶來實(shí)惠、節(jié)能、高效的照明。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 簡(jiǎn)介

本臺(tái)燈的方案設(shè)計(jì)使用4個(gè)按鈕采用GPIO中斷方式控制整個(gè)系統(tǒng)，分別是控制開關(guān)、亮度增加、亮度減少、模式選擇。并采用USART串口方式來與藍(lán)牙模塊通信，藍(lán)牙模塊在進(jìn)入“已鏈接”狀態(tài)時(shí)，會(huì)進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ剑ǘ糯豪?ARM體系結(jié)構(gòu)與編程(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.），讓系統(tǒng)與其他智能設(shè)備通信。采用STM32自帶的ADC轉(zhuǎn)換器將光敏模塊的輸出電壓轉(zhuǎn)換為亮度信息，并控制照明系統(tǒng)的亮度。而照明亮度控制電路采用TLC5615芯片提供不同的亮度信號(hào)給照明模塊，系統(tǒng)會(huì)使用

串口驅(qū)動(dòng)TLC5615芯片，使TLC5615芯片輸出不同的高低電壓來控制照明模塊的亮度。由于TLC5615芯片的輸出電流有大小限制，直連照明模塊會(huì)導(dǎo)致LED燈珠亮度不足，所以在照明模塊中還加入了S8050三極管來驅(qū)動(dòng)LED燈珠，達(dá)到高亮度的照明需求。

圖1所示是本設(shè)計(jì)的總原理圖，整個(gè)設(shè)計(jì)由6個(gè)部分組成，分別STM32核心板、光敏電阻模塊、TLC5615 DAC轉(zhuǎn)換器、照明模塊、藍(lán)牙模塊與4個(gè)按鈕組成的控制模塊。

圖1 設(shè)計(jì)總原理圖

1.2 照明模塊

考慮到照明模塊故障需要隨時(shí)更換，并且照明模塊需要能夠隨時(shí)更換照明目標(biāo)等需求，所以采用了照明模塊與核心控制模塊分離的形式。并且由于臺(tái)燈用于閱讀，作業(yè)等場(chǎng)景比較多，所以本課題選用了色溫在2800-3300K的暖光LED燈珠。具體的燈珠參數(shù)如表1所示。

表1 照明LED燈珠參數(shù)

另外由于TLC5615有最大電流限制，不足以驅(qū)動(dòng)LED燈珠，所以需要一個(gè)S8050三極管來驅(qū)動(dòng)LED燈珠，將S8050的集電極接地，基極鏈接TLC5615的輸出口，發(fā)射極鏈接LED燈珠負(fù)極，即可驅(qū)動(dòng)LED燈珠（劉書生.藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用[M].遼寧:東北大學(xué)出版社,2011.）。圖2所示是照明模塊的原理圖，將STM32輸出的亮度信號(hào)的數(shù)字量通過TLC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬量，再通過三極管的放大，驅(qū)動(dòng)LED燈珠的照明。這樣就可以通過STM32控制燈珠的亮度。

1.3 按鈕控制模塊

在系統(tǒng)中我們加入了4個(gè)機(jī)械按鈕，來保證在沒有藍(lán)牙設(shè)備的情況下控制照明功能，按鈕控制模塊通過STM32的4個(gè)IO口鏈接起來，并使用EXTI中斷方式（華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2011.）處理按鈕的信號(hào)。這4個(gè)按鈕分別采用PB6，PB7，PB8，PB9四個(gè)IO口，并使用一個(gè)10K的上拉電阻（陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.），當(dāng)按鈕斷開時(shí)為高電平，當(dāng)按鈕按下時(shí)會(huì)觸發(fā)一個(gè)下降沿，所以采用上拉輸入的方式初始化IO口，并啟用EXTI的6，7，8，9線中斷，觸發(fā)方式為下降沿。

圖2 照明模塊原理圖

圖3 亮度模塊原理圖

圖4 藍(lán)牙模塊原理圖

1.4 亮度控制模塊

圖3所示是亮度控制模塊原理圖，由于STM32F103C8T6不支持DAC轉(zhuǎn)換，所以在系統(tǒng)中的亮度控制是基于TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。TLC5615是采用串行總線的10位DAC轉(zhuǎn)換芯片，由于采用串行總線方式，所以TLC5615的驅(qū)動(dòng)程序要稍微復(fù)雜一些，但是能夠節(jié)省很多IO口。

在本系統(tǒng)中，我們采用PA5，PA6，PA7口來驅(qū)動(dòng)TLC5615，并為TLC5615提供5V的工作電壓，參考電壓為3.3V。

1.5 環(huán)境光感知模塊

系統(tǒng)連接了一個(gè)采用光敏電阻的環(huán)境光感知的模塊，該模塊可以根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)度輸出不同的電壓大小，再通過STM32F-103C8T6的自帶的ADC轉(zhuǎn)換器即可將環(huán)境光量化成數(shù)字量。在本系統(tǒng)中，該模塊位于照明模塊的背面，可以防止照明模塊的照明效果影響環(huán)境光的檢測(cè)結(jié)果。

1.6 藍(lán)牙通信模塊

系統(tǒng)采用的藍(lán)牙通信模塊是基于CC2541藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)的，該藍(lán)牙模塊屏蔽了很多開發(fā)中不需要注意的細(xì)節(jié)，只需要將輸入與輸出與STM32F103C8T6連接，并供電即可使用，采用標(biāo)準(zhǔn)的UART的串口IO，不需要為藍(lán)牙模塊寫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，極大的減輕了開發(fā)負(fù)擔(dān)。

圖4所示是藍(lán)牙模塊的連接圖，將PA9口作為系統(tǒng)的發(fā)送端口，藍(lán)牙模塊的接受端口。PA10作為系統(tǒng)的接受端口，藍(lán)牙模塊的發(fā)送端口（陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.）。同時(shí)PA9，PA10又是STM32的USART1的TX與RX，所以直接采用STM32的USART1即可完成藍(lán)牙通信。

1.7 消息總線設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，消息總線（Message Bus）是最核心的部分，所有的外部操作，藍(lán)牙消息、按鈕消息等都會(huì)被處理成系統(tǒng)能夠理解的消息，并交給主程序中的消息處理部分，來對(duì)系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行操作。消息總線共分為3個(gè)部分，消息池、消息隊(duì)列、消息處理。

消息池是一種比較高級(jí)的內(nèi)存維護(hù)模型，每次需要?jiǎng)?chuàng)建消息，都會(huì)從消息池中拿出一條空的消息。當(dāng)有一條消息處理完成之后，將會(huì)初始化這條消息，放入消息池回收，供后續(xù)的使用。由于STM32使用的是比較低級(jí)的語言運(yùn)行時(shí)，沒有一個(gè)比較方便的內(nèi)存分配與內(nèi)存回收的機(jī)制。使用消息池來管理內(nèi)存的使用，是十分符合STM32的特性的。

消息池又能分為3個(gè)部分，池管理、消息回收與消息初始化。在本系統(tǒng)中，消息中最為重要的是消息內(nèi)容，是一段字符串，所以池管理需要首先在內(nèi)存中分配固定數(shù)量的消息，與固定的字符串空間。在本系統(tǒng)中，在全局空間創(chuàng)建了128個(gè)消息，通過這固定的128個(gè)消息的回收利用實(shí)現(xiàn)無限消息的使用。消息回收將消息復(fù)位，以供下次使用，在這個(gè)過程中，會(huì)清除消息的字符串的全部?jī)?nèi)容，并且清楚使用標(biāo)記，放入消息池。消息初始化是將消息的內(nèi)容標(biāo)記為正在使用，以免發(fā)生沖突。

消息池的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)主要在于，如何知道一個(gè)消息是否在被使用。在本系統(tǒng)中我們?yōu)橄⒓尤肓耸褂脴?biāo)記，當(dāng)一個(gè)消息正在被處理時(shí)，這個(gè)使用標(biāo)記將會(huì)為1，當(dāng)為空閑狀態(tài)的時(shí)候標(biāo)記為0。通過這個(gè)標(biāo)記來判斷一個(gè)消息是否是在被使用。

2 測(cè)試

本設(shè)計(jì)支持按鈕控制，因此需要對(duì)按鈕控制進(jìn)行測(cè)試，第一個(gè)按鈕為開關(guān)按鈕，控制臺(tái)燈的亮滅，按一下該按鈕能夠是臺(tái)燈在亮滅兩種狀態(tài)中切換。第二個(gè)按鈕為提高臺(tái)燈的亮度，每次調(diào)整一個(gè)擋位，只能在普通模式中使用。第三個(gè)按鈕為降低臺(tái)燈的亮度，每次調(diào)整一個(gè)擋位，只能在普通模式中使用。第四個(gè)按鈕為切換臺(tái)燈的運(yùn)行模式，分別是普通模式、感知模式、睡眠模式、自定義模式。

藍(lán)牙控制是本次設(shè)計(jì)的中心，藍(lán)牙控制測(cè)試采用iOS上的Light-Blue程序進(jìn)行串口通信與測(cè)試。經(jīng)測(cè)試各個(gè)指令均能成功執(zhí)行。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要研究了一個(gè)可以通過藍(lán)牙與其他智能設(shè)備控制的智能臺(tái)燈，該智能臺(tái)燈具有多個(gè)智能照明模式，這些照明模式已經(jīng)可以滿足日常生活的需要。特別是用戶自編程模式，為了實(shí)現(xiàn)該模式，本設(shè)計(jì)采用了消息的設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)分配回收消息，都是非常值得研究與說明的部分，此外，關(guān)于消息的拓展與腳本化也是一個(gè)主要的課題。另外在具體硬件制作的期間，還遇到了一些問題，驅(qū)動(dòng)TLC5615或者是IO口具有電流限制，需要使用三極管來驅(qū)動(dòng)LED，還有使用適量的上拉電阻來拉起開關(guān)。