張強(qiáng) 姜海洋 李紅建 陳燦東 周林

摘 要：基于WiFi芯片和藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)了一款藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，它具備后備鋰電池供電功能，在外接電源斷電的情況下能夠自動切換到電池供電并保持周邊智能家居傳感器設(shè)備與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)正常通信。為了應(yīng)對復(fù)雜的家居環(huán)境，它還集成有功率放大PA芯片，可實(shí)現(xiàn)RF信號的放大輸出與全屋藍(lán)牙信號覆蓋。并集成有壓電蜂鳴片驅(qū)動電路和壓電蜂鳴片報(bào)警電路，可實(shí)現(xiàn)80 dB以上的報(bào)警音量輸出與智能家居應(yīng)用場景集中報(bào)警功能，降低周邊智能傳感器設(shè)備成本。

關(guān)鍵詞：WiFi;藍(lán)牙;電池供電;智能網(wǎng)關(guān);功率放大;報(bào)警

中圖分類號：TP39;TN99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-02

0 引 言

目前智能家居市場發(fā)展迅速，萬物互聯(lián)已成為時(shí)代發(fā)展趨勢[1]。目前家庭智能組網(wǎng)大多使用ZigBee或藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)，組網(wǎng)產(chǎn)品包括智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品和周邊傳感類產(chǎn)品、控制類產(chǎn)品。其中網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品作為智能組網(wǎng)的核心部分，在家庭智能組網(wǎng)應(yīng)用中格外重要[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

該網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品主要由電源管理單元、WiFi主控單元、藍(lán)牙單元、報(bào)警單元、RTC單元組成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。該產(chǎn)品供電包括外接USB供電和后備鋰電池供電，當(dāng)外接電源市電斷電時(shí)，可通過后備鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)供電。設(shè)計(jì)中的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)還集成了可輸出80 dB以上報(bào)警音量的壓電蜂鳴片，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到如煙霧傳感器、煤氣傳感器的報(bào)警信息后發(fā)出聲音報(bào)警，并推送報(bào)警信息至遠(yuǎn)端手機(jī)[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)詳述

網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品基于2.4G WiFi主控RTL8195和藍(lán)牙芯片nRF52832設(shè)計(jì)，其中藍(lán)牙部分實(shí)現(xiàn)本地組網(wǎng)應(yīng)用，WiFi部分作為網(wǎng)絡(luò)側(cè)通道，實(shí)現(xiàn)與WiFi路由器和云端的數(shù)據(jù)交互[4]。

2.1 WiFi主控

WiFi主控選用支持2.4 GHz頻段的RTL8195實(shí)現(xiàn)，外掛4 MB SPI接口的NOR FLASH存儲，用于存儲程序代碼和用戶數(shù)據(jù)。主控GPIO連接輕觸開關(guān)按鍵，并檢測按鍵操作，該按鍵主要用于網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的配網(wǎng)與恢復(fù)出廠操作。本產(chǎn)品設(shè)置有LED狀態(tài)指示燈用于指示無線網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)與云端平臺、網(wǎng)關(guān)與周邊產(chǎn)品通信狀態(tài)。

2.2 藍(lán)牙

藍(lán)牙組網(wǎng)應(yīng)用部分選用Nordic公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的nRF52832，該芯片支持低功耗藍(lán)牙BLE應(yīng)用，最大發(fā)射功率為4 dbm。為了應(yīng)對家居復(fù)雜環(huán)境，外掛一個(gè)最大22.5 dBm輸出功率的功率放大PA芯片RT201，實(shí)現(xiàn)RF信號的放大輸出[5];通過nRF52832芯片的GPIO口實(shí)現(xiàn)PA芯片的發(fā)送與接收控制。

2.3 RTC電路

為保證網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品本地時(shí)間的同步，采用RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PT7C4337A實(shí)現(xiàn)本地計(jì)時(shí)，PT7C4337A通過I2C接口連接主控芯片[6]。使用超級電容作為RTC電路備用電源，在市電斷電與鋰電池電能耗盡的情況下，可通過超級電容RTC電路供電，維持本地計(jì)時(shí)。相比紐扣電池，采用超級電容為RTC電路提供備用電源具有免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 報(bào)警單元

周邊傳感器產(chǎn)品如煙霧報(bào)警器、漏水檢測器、煤氣傳感器等檢測到異常需進(jìn)行聲音報(bào)警。本網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品集成有報(bào)警單元，可實(shí)現(xiàn)家居組網(wǎng)應(yīng)用的集中報(bào)警，無需每個(gè)傳感器單獨(dú)集成報(bào)警電路，降低了周邊傳感器產(chǎn)品的成本[7-8]。選用壓電驅(qū)動芯片PAM8904，主控芯片通過GPIO輸出方波信號經(jīng)過放大后輸出，最大可輸出24 Vpp的差分音頻驅(qū)動壓電蜂鳴片，實(shí)現(xiàn)80 dB以上報(bào)警聲音輸出。

2.5 電源管理電路

文中的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品可由USB供電或后備電池供電，當(dāng)市電停電時(shí)，后備鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，保障市電停電情況下家居組網(wǎng)應(yīng)用的本地監(jiān)控可正常運(yùn)行。電源管理單元主要由充電管理電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、電源路徑管理、電池電流監(jiān)控電路組成，其功能如下：

（1）充電管理電路對鋰電池進(jìn)行充電管理;

（2）DC-DC轉(zhuǎn)換為其他電路提供工作電源;

（3）電源路徑管理電路主要實(shí)現(xiàn)外接USB供電和電池供電的自動切換管理;

（4）電池電量監(jiān)控電路主要實(shí)現(xiàn)鋰電池電量監(jiān)控[9]。

3 藍(lán)牙組網(wǎng)工作流程

智能家居藍(lán)牙組網(wǎng)工作流程如圖2所示。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品首次使用需要進(jìn)行配網(wǎng)操作，使用配套的手機(jī)APP添加藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，并為藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品設(shè)置所連接的路由器。配網(wǎng)操作后，網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品將自動與云端同步，手機(jī)APP端將顯示網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在線狀態(tài)。完成網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品添加后，需添加周邊傳感器或控制類產(chǎn)品，網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品將作為周邊產(chǎn)品的控制中心[10]。藍(lán)牙組網(wǎng)成功后，網(wǎng)關(guān)與周邊產(chǎn)品之間將保持定時(shí)心跳數(shù)據(jù)連接，并在手機(jī)APP端顯示設(shè)備在線、電池電量、報(bào)警等信息，還可通過手機(jī)端APP遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的監(jiān)控與控制功能。

4 結(jié) 語

本文介紹了基于RTL8195和nRF52832的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)，并對基于藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品組網(wǎng)工作流程進(jìn)行了描述。設(shè)計(jì)的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品具備后備電池供電、可應(yīng)對家居復(fù)雜環(huán)境信號覆蓋、可實(shí)現(xiàn)本地聲音報(bào)警和遠(yuǎn)端推送報(bào)警信息的能力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]米秋香.基于2.4G技術(shù)的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[2]黃鑫.基于物聯(lián)網(wǎng)的多模式網(wǎng)關(guān)研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.

[3]曾胡濤，黃晁，白玉軍.基于BLE Mesh組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（12）：64-67.

[4]王浩.多通道智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2017.

[5]王佳欣.智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016，6（3）：41-45.

[6]鄧軍，吳俊君，詹泳.基于S3C44B0X的藍(lán)牙家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2007（11）：104-106.

[7]符修文.基于物聯(lián)網(wǎng)的消防監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[8]馬沙沙.基于Arduino&Android的煙霧報(bào)警系統(tǒng)[D].西安：長安大學(xué)，2017.

[9]蔣宏杰.智能家居控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué)，2017.

[10]張澤.面向智能家居應(yīng)用的藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2017.