基于藍牙4.0技術智能燈泡的設計與實現

張少華　魏志遠

摘 要：為了實現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的目的，采用在傳統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實現對LED燈泡通斷、亮度和顏色調節的控制。做了調色、波形和控制距離的實驗。實際使用證明：該系統工作良好，響應及時，達到了設計要求。

關鍵詞：遠程調節；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，物聯網成為全球關注的熱點領域，被認為是繼互聯網之后最重大的科技創新。物聯網的發展也為智能家居引入了新的概念及發展空間，智能家居可以被看作是物聯網的一種重要應用。智能家居涉及土建裝修、通信網絡、信息系統集成、傳感器件、家電、醫療、自動控制等多個領域[1]。

由于對物聯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），是一種低數據量、突發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設計，主要在傳統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的中心出發點，通過無線短距離傳輸技術控制燈泡的通斷狀態、亮度和發光顏色。同時燈泡具有定時、漸變顏色等功能。

1 系統總體架構

本系統主要由兩部分組成：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、通信等操作。系統總體結構框如圖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函數完成藍牙配對、鏈接、控制指令的組裝、發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據的傳輸、命令解析、調節燈泡的亮度和顏色。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模塊實現交流的220 V轉成直流18 V供電，為整個系統供電。

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，用于調節燈泡的發光顏色。

（3）LED發光模塊

LED發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協議棧，該協議棧主要包括ATT、GATT、SMP、L2CAP、GAP等規范。

通用訪問規范（Generic Access Profile，GAP）規定了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起者，控制器支持主設備（Master）角色。

GATT規范位于協議的最頂層，由一個或者多個服務構成規范用來實現某個應用。在系統中，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。規定命令值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，前三個字節用于控制燈泡的顏色，最后一個字節用于控制燈泡的亮度。前三字節只當最后字節為0有效。

硬件上電后，主要進行系統的初始化工作，包括GATT、SMP、GAP、硬件等模塊的初始化。初始化完成后，再讀取系統時間和規則，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，所以出于節約能耗的考慮，將廣播狀態中將廣播設置為三種模式：快播，中播，慢播。其中快播持續時間為1 min，廣播時間間隔為60 ms，中播持續時間為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現和連接。

調色的實現方式為自定義一個函數用于控制占空比：

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、發現設備、發起連接、發送控制指令、斷開連接等操作。開啟軟件后，進行相關數據初始化，然后系統進入輪訓掃描設備階段。連接設備后，按照上文規定的格式發送指令，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協議最短可以在3 ms內完成連接并傳輸數據的特性，實現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

基于系統的設計要求是移動終端設備能正確控制燈泡的開關、調節亮度和色彩、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。為檢測系統是否達到設計要求，所以對系統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境下達到15 m左右的通信距離。

3.3 出現問題及解決方案

（1）燈泡不能實現0～255的全范圍調色。

在實驗中發現，在調色的過程中，有一個調色的上限和下限。當低于下限或者高于上限時，顏色只會保持在下限或者上限所對應的顏色。經研究發現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

在距離測試中發現，藍牙的通信距離過短。在空曠地區只有30米，室內10米。經過排查后發現，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發光模塊等組成。系統經過試驗測試，可以滿足實際需求。

參考文獻

[1]童曉渝.物聯網智能家居發展分析[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設計與實現[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數據庫的智能糧情監測Android客戶端設計[D]. 安徽：安徽大學，2014.

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