基于蓝牙的家庭智能照明系统设计

殳佳辉 吴旦旦 沈 阳 荆 泽 叶国文

丽水学院工程与设计学院 浙江丽水 323000

课题为浙江省新苗人才资助项目（项目号：2015R429348）

【文章摘要】

随着网络的普及和蓝牙技术的发展，我们设计了一种家庭智能照明控制系统。该系统以手机作为控制终端, 以TI 公司的CC2540 作为控制核心，包括LED 驱动模块，MCU 控制模块， 以及电源模块。可以通过手机终端调节LED 颜色变化以及开关灯。

【关键词】

CC2540 ；蓝牙；模块；手机终端

0 引言

随着时代的发展，电子技术的进步， 人们的生活水平得到了改善，对家庭生活的便捷、舒适也提出了更高的要求，伴随着住宅智能化技术的不断发展，家庭照明作为家庭生活的一个重要部分，也逐步向智能化方向发展。

与此同时，随着经济的增长人们的生活水平不断提高，人们对居室的灯光效果要求也越来越高。人们希望在居室中进行不同活动能够获得不同的照明体验。而采用智能照明系统恰好能满足人们对丰富多彩生活的需要，所以无论从节能角度还是从构造一个舒适的生活环境角度来讲，开展智能照明的研究都是有必要的。LED 作为一种新型的绿色光源，逐渐进入了寻常百姓家，相比传统的照明产品，它具有高效节能、环保、显色性好、寿命长、体积小、安全可靠等特点，可以广泛应用于城市夜景、装饰、体育场馆、普通照明和市政工程等领域。

本文设汁了一种新的控制方式，通过智能手机蓝牙无线控制来实现LED 照明的调光、控制的方案，具有系统体积小、功耗低、易操作等特点，通过实际测试，能够达到方便人们的家庭生活的目的。

1 系统设计及工作原理

该系统是通过手机终端来控制LED 灯的开关和灯颜色变换的家庭智能照明系统。采用标准的蓝牙BLE4.0 通信协议， 最多可以同时控制8 个蓝牙设备。系统总体设计包括: LED 蓝牙灯设计和手机终端应用设计，系统总体架构如图1 所示。系统功能: 该系统以手机终端为网络核心, 可以与多个LED 蓝牙灯组成星型网络结构, 实现点对点或点对多的控制。蓝牙灯上电时，会自动发送广播信号。当打开手机APP 时，内置的蓝牙搜索周边环境的蓝牙信号, 此时若是周边环境有蓝牙LED 灯, 则它会主动向手机终端发送连接请求。若用户同意蓝牙LED 灯的请求, 则手机终端就可以通过手机应用软件对该蓝牙LED 灯进行调光、控制操作。

2 硬件电路设计

本系统硬件主要分为以下几个模块： 电源模块、MCU 控制模块、蓝牙数据传输模块、LED 驱动模块、系统硬件框图如图2 所示。

2.1 LED 驱动模块

主要通过MCU 输出的PWM 来控制MOS 管组成的网络开关。MOS 管选用美国万代公司生产的P 沟道A03401，该MOS 管采用SOT-23 贴片小型封装，非常适合在LED 球泡灯中PCB 空间较小的场合。网络开关的原理如下，MCU 分别输出R、G、B、W 四个通道的PWM 信号， LED+、LED- 接直流24V 电压，每个MOS 管控制一组颜色的LED。当PWM 为高电平时，MOS 管导通，相应的LED 被短路，呈灭的状态。当PWM 转换成低电平时， MOS 管截止，相应的LED 点亮。PWM 值的范围为0~255，当为0 时，LED 最亮，反之亦然。通过改变不同通道的PWM 值，即可改变LED 灯的颜色、亮度了。其原理图如下图3 ：

2.2 MCU 控制单元

CC2540 是美国TI 公司生产的 一款高性价比，低功耗的正在片上系统（Soc） 解决方案，适合蓝牙低耗能应用，它使低总体物料清单成本建立强健的网络节点成为可能。CC2540 包含一个出色的工业标准的8051 内核的RF 收发器，系统编程闪存记忆，8KB RAM 和其他功能强大的配套特征以及外设。CC2540 适用于低功耗系统，超低的睡眠模式，以及运行模式的超低功耗的转换进一步实现了超低功耗。CC2540 有2 种不同的版本:CC2540 及CC2541，两者主要的区别是：前者带用I2C 接口，后者为USB 接口。此外，CC2540 的发射功率要大于CC2541。CC2540 的最小系统控制图如下图4 ：

2.3 电源模块

蓝牙灯主要需要两路电源，一路供给MCU，另外一路为LED 驱动电源。单片机的功耗很低，但对电源质量要求较高。所以选用一颗低压差的LDOMBJ1117-3.3。该LDO 最大可输入18V 电压，最大电流可达1A。由于MCU 的功耗很低，可选用SOT-223 小型封装。如图5 所示。LED 电源可采用开关电源隔离设计，可以提高LED 的安全性。其原理图如下图6 所示：

该方案采用TK5401 为核心的电源方案，因芯片其内部集成了高压功率MOS 管及控制电路，可以省略DC 电源部分的电解电容。从而实现了小型化、低成本，因省略了电解电容，还可以进一步延长LED 灯的寿命。

3 软件设计及程序框图

本设计的软件流程图，CC2540 上电后：首先进行系统配置初始化( 包括MCU 定时器、串口的初始化，蓝牙的初始化）， 接着，初始化结束后，蓝牙会主动搜索周围环境的手机终端发送连接请求。末了待用户同意LDE 蓝牙灯的连接请求后， LDE 蓝牙灯将轮流检测是否收到手机终端发送的命令，进而处理相关的指令。软件流程图如图7 所示：

4 实验测试结果

打开手机APP，对LED 灯的颜色进行控制。APP 手机界面如下图8 所示：通过改变色盘的颜色，相应的LED 即可显示对应的颜色。最终可实现255X255 种颜色方案。

5 总结

本文介绍的利用TI 的CC2540 芯片制成的家庭智能照明系统，它具有较高的可靠性、节能性和便捷性等特点，并通过了实验验证，证明了其设计的可靠性和实用性，具有实际的使用价值。

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【作者简介】

殳佳辉（1993—），男，汉族，浙江嘉兴人，本科，丽水学院工程与设计学院在校生，本科生，主要研究方向嵌入式应用。

【指导老师简介】

叶国文（1966—），男，汉族，浙江丽水，硕士，就职于丽水学院，硕士生， 主要研究方向嵌入式应用，传感器等。008