基于藍(lán)牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈志宏

摘 要：采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)城市照明系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)對(duì)提高其能效十分必要，因此文中基于藍(lán)牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種以EFR32BG13P為主控芯片的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和LED照明燈。系統(tǒng)中，用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程查看LED照明燈的工作狀態(tài)、控制燈的開啟和關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程LED照明燈能進(jìn)行可靠的控制、及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并報(bào)警，提高了照明系統(tǒng)的能源利用率。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙5;Mesh網(wǎng)絡(luò);LED照明;物聯(lián)網(wǎng);GPRS;物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TP273+.5;TN919.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-033

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人類正在進(jìn)入一個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，可以顯著提高照明系統(tǒng)的能效。

本文設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)。用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程查看LED照明燈的工作狀態(tài)、控制燈的開啟和關(guān)閉;及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和隱患，提高了照明系統(tǒng)的能源利用率[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙LED照明燈、OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)組成。系統(tǒng)采用藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)與GPRS蜂窩IoT網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)模式，利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署。藍(lán)牙LED照明燈采用Mesh技術(shù)進(jìn)行通信和組網(wǎng)，與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直接通信或路由通信;網(wǎng)關(guān)采用G510蜂窩IoT模塊接入OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)[2]。OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)可以查詢每盞燈的工作狀態(tài)，或?qū)ζ溥M(jìn)行開關(guān)控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括藍(lán)牙LED照明燈和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

2.1 藍(lán)牙LED照明燈硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙LED照明燈的硬件設(shè)計(jì)主要是控制器的硬件設(shè)計(jì)，包括：電源電路、MCU電路、射頻電路和控制輸出電路等[3]。

2.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

控制器電源輸入為交流220 V，電路需要用到直流5 V和3.3 V兩種電壓規(guī)格。電路采用AC/DC模塊IRM-05-5，將交流220 V轉(zhuǎn)換為直流5 V，用MCP1700-3.3電源芯片將直流5 V轉(zhuǎn)換為直流3.3 V。MCP1700是采用CMOS工藝制造的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，可以產(chǎn)生250 mA的電流，其靜態(tài)電流[4]只有1.6 ?A。

2.1.2 MCU電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙LED照明燈采用EFR32BG13P作為主控制器，兼容藍(lán)牙5和藍(lán)牙Mesh規(guī)范。

EFR32BG13P采用QFN48封裝。芯片包含40 MHz ARM Cortex-M4F微控制器核，支持完整的DSP指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)算速度。同時(shí)采用了低能耗、快速喚醒的Gecko技術(shù)。芯片具有片上512 KB閃存、64 KB RAM，大容量的存儲(chǔ)器保證了藍(lán)牙Mesh協(xié)議棧的正常加載和運(yùn)行。

EFR32BG13P支持藍(lán)牙5無線通信協(xié)議棧和藍(lán)牙Mesh無線組網(wǎng)協(xié)議棧。相比藍(lán)牙4.2，藍(lán)牙5的無線傳輸速率提高了2倍達(dá)到2 Mb/s，傳輸距離提高了4倍，廣播效能提高了8倍，廣告擴(kuò)展有效載荷從27 B增加到251 B。

2.1.3 射頻電路設(shè)計(jì)

EFR32BG13P具有藍(lán)牙低功耗無線電收發(fā)器，集成有功率放大器，可提供10 dBm的最大輸出功率，具有-103.3 dBm的接收靈敏度，內(nèi)部集成2.4 GHz的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器（balun），2.4 GHz天線接口直接連接到片上balun的2G4RF_IOP和2G4RF_ION兩個(gè)引腳，2G4RF_ION引腳從外部接地。

2.4 GHz射頻匹配電路由2.0 nH高頻貼片電感L-14W2N0CV4E、1.5 pF射頻貼片電容251R14S1R5BV4T及調(diào)整電阻構(gòu)成。天線采用IPEX接口的2.4 GHz FPC軟膜天線，增益5 dBi。

2.1.4 控制輸出電路設(shè)計(jì)

MCU對(duì)LED電源的控制輸出接口[5]主要是LED-ON/OFF開關(guān)控制信號(hào)輸出接口電路。開關(guān)控制信號(hào)輸出接口電路如圖2所示。

電路使用了N溝道功率MOSFET XP151A13A0MR，MCU控制信號(hào)LED-ON/OFF輸出至XP151A13A0MR的柵極，控制其源極和漏極的導(dǎo)通，從而控制繼電器SDT-S-105DMR線圈的得電，繼電器的一對(duì)常開節(jié)點(diǎn)控制LED燈的開關(guān)。線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管D5，用于消除斷電瞬間的自感電壓。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能是向上與云平臺(tái)連接，向下與藍(lán)牙LED燈組成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。硬件主要由兩個(gè)單元電路組成;一是以G510蜂窩IoT模塊為主的OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)接入電路;二是以EFR32BG13P芯片為核心的MCU電路[6]。

MCU電路設(shè)計(jì)與藍(lán)牙LED燈MCU電路的設(shè)計(jì)相似。G510的OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)接入電路的設(shè)計(jì)如下所述。

2.2.1 電源電路設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)電源輸入為交流220 V，電路需要用到直流5 V，4 V和3.3 V三種電壓規(guī)格。電路采用AC/DC模塊IRM-05-5將交流220 V轉(zhuǎn)換為直流5 V;用MCP1700-3.3電源芯片將直流5 V轉(zhuǎn)換為直流3.3 V。

G510是GSM/GPRS模塊，GSM是時(shí)分多址，在發(fā)送時(shí)隙時(shí)會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)電流波動(dòng)，出現(xiàn)電壓紋波現(xiàn)象。如果處理不當(dāng)，電壓紋波將會(huì)降低模塊的性能。電路采用線性穩(wěn)壓電源芯片降低電壓紋波。MIC29302WU是一顆大電流低壓差穩(wěn)壓電源芯片，輸出電壓在1.25～25 V范圍內(nèi)可調(diào)，最大輸出電流可達(dá)3 A，最小負(fù)載電流為7 mA。為保證電路在各種工況下的正常工作，在LDO輸出端設(shè)計(jì)了指示燈電路，同時(shí)起負(fù)載電路的作用。G510電源電路如圖3所示。

G510模塊的電源電壓為4.0 V，設(shè)定R5的阻值為

2.21 kΩ，根據(jù)以下公式：

計(jì)算R3的阻值，結(jié)果取精密電阻值4.99 kΩ。

降低電壓紋波的另一措施是在G510模塊電源輸入端并聯(lián)一顆2 200 μF/10 V的電容，同時(shí)并聯(lián)33 pF，10 pF電容濾除高頻噪聲。

2.2.2 G510電路設(shè)計(jì)

G510 模塊支持GSM 四頻850 Hz/900 Hz /1 800 Hz /

1 900 MHz，模塊的GPRS 支持class 10。它能夠被集成到任何需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎oT系統(tǒng)或產(chǎn)品中[7]。

電路采用內(nèi)置eSIM卡的模塊方案，外圍電路簡(jiǎn)潔。模塊的LPG管腳用來驅(qū)動(dòng)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)指示燈，指示模塊的不同工作狀態(tài)。

2.2.3 射頻電路設(shè)計(jì)

在模塊和天線連接器之間設(shè)計(jì)了一個(gè)π型電路，其中電阻位置焊接0 Ω電阻，兩個(gè)電容位置不焊接元件，預(yù)留供天線調(diào)試使用。天線采用IPEX接口的GPRS FPC軟膜天線，增益[8]5 dBi。

2.2.4 射頻電路阻抗匹配設(shè)計(jì)

射頻電路為分布參數(shù)電路，在電路的實(shí)際工作中容易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，在PCB 設(shè)計(jì)中，著力減小電路干涉、信號(hào)干擾和損耗，對(duì)射頻電路穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

電路阻抗（Z）是關(guān)鍵參數(shù)之一，在使用2.4 GHz的頻率時(shí)，射頻電路跡線上某一點(diǎn)的阻抗與跡線的特征阻抗（Z0）有關(guān)。特征阻抗取決于印刷電路板基底和電路跡線尺寸、與負(fù)載間的距離及負(fù)載的阻抗。

當(dāng)負(fù)載阻抗（ZL）（在發(fā)射系統(tǒng)中是天線，在接收系統(tǒng)中是EFR32BG13P芯片）等于Z0時(shí)，跡線上距離負(fù)載任意間距處測(cè)得的阻抗（Z）均相同，線路損耗降到最小，實(shí)現(xiàn)發(fā)射器與天線間的最大功率傳輸。電路設(shè)計(jì)中使用匹配網(wǎng)絡(luò)來確保射頻器件的阻抗等于跡線的特征阻抗。

EFR32BG13P芯片廠家基于芯片所連接的跡線具有50 Ω

的特征阻抗為芯片集成標(biāo)稱阻抗為50 Ω的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)芯片外部電路的調(diào)諧時(shí)也需要確保阻抗精確到50 Ω。電路使用包括電感器和電容器的匹配網(wǎng)絡(luò)及PCB的工藝設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙LED照明燈程序設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)和OneNET遠(yuǎn)程控制平臺(tái)程序設(shè)計(jì)[10]。

3.1 藍(lán)牙LED照明燈程序設(shè)計(jì)

燈節(jié)點(diǎn)的功能之一是接收從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送的打開或關(guān)閉LED燈的請(qǐng)求。

燈光控制基于藍(lán)牙Mesh通用開/關(guān)模型。燈節(jié)點(diǎn)支持以下兩種模型：OnPowerUp服務(wù)器模型和Default Transition Time服務(wù)器模型

OnPowerUp服務(wù)器模型在通電后將默認(rèn)狀態(tài)配置到燈節(jié)點(diǎn)。狀態(tài)設(shè)置見表1所列。

Default Transition Time服務(wù)器模型表示配置燈光從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)需要多長(zhǎng)時(shí)間。

為了支持上面列出的模型，燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)其內(nèi)部狀態(tài)的功能，以便在重新啟動(dòng)時(shí)使用。在程序中設(shè)計(jì)了一個(gè)名為lightbulb_state的結(jié)構(gòu)體，狀態(tài)信息保存其中。結(jié)構(gòu)體包含4個(gè)字段，見表2所列。

燈節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)器端，響應(yīng)來自網(wǎng)關(guān)的任何請(qǐng)求，該請(qǐng)求可以不指定任何轉(zhuǎn)換時(shí)間或延遲，則燈的狀態(tài)立即改變。當(dāng)指定轉(zhuǎn)換時(shí)間或延遲時(shí)，燈節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序會(huì)以給定的延遲啟動(dòng)軟定時(shí)器;在軟定時(shí)器到期之前，燈的狀態(tài)不會(huì)改變。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙客戶端程序設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)接入OneNet云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)。

3.2.1 藍(lán)牙客戶端程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙客戶端的任務(wù)之一是監(jiān)聽EFR32BG13P與G510模塊的串行通信端口，依據(jù)命令打開或關(guān)閉指定組中的燈。接收程序流程如圖4所示。

在收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化事件后，應(yīng)用程序啟用GPIO中斷;并發(fā)送開/關(guān)請(qǐng)求。定時(shí)器在每次調(diào)用之間以50 ms的延遲觸發(fā)發(fā)送開關(guān)請(qǐng)求的三次調(diào)用。

網(wǎng)絡(luò)堆棧調(diào)用客戶端發(fā)布函數(shù)，發(fā)布一個(gè)開/關(guān)事件。其中，將延遲參數(shù)在第一，第二和第三請(qǐng)求中分別設(shè)置為100 ms/50 ms/0。這樣做的目的是確保目標(biāo)組中的所有燈同時(shí)改變它們的狀態(tài)，而不管在接收端獲得三個(gè)開/關(guān)請(qǐng)求中的哪一個(gè)。

3.2.2 網(wǎng)關(guān)接入OneNET云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

從OneNET云平臺(tái)下載C語言版本的SDK，在EFR32BG13項(xiàng)目中創(chuàng)建目錄EDP，復(fù)制SDK目錄下的所有文件到EDP中，修改函數(shù)Open（），Close（），Send（），Recv（），來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、關(guān)閉、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收功能。采用while（）循環(huán)方式接收平臺(tái)數(shù)據(jù)，應(yīng)用串口中斷，執(zhí)行網(wǎng)關(guān)的接收函數(shù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.3 OneNET云平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用層通過RESTful API的方式和OneNET平臺(tái)進(jìn)行交互對(duì)接。API調(diào)用主要實(shí)現(xiàn)命令的下發(fā)、數(shù)據(jù)的讀/寫以及相關(guān)業(yè)務(wù)的交互。RESTful API及EDP SDK應(yīng)用示意如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

登錄OneNET云平臺(tái)賬戶，在顯控儀表臺(tái)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程藍(lán)牙LED照明燈的工作狀態(tài)查詢、控制燈的開啟和關(guān)閉操作;實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙LED照明燈的狀態(tài)變化，與OneNET云平臺(tái)顯控儀表臺(tái)界面指示狀態(tài)一致，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在理論計(jì)算的范圍內(nèi)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)如圖6所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程LED照明燈能夠進(jìn)行可靠的控制、及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并報(bào)警，提高了照明系統(tǒng)的能源利用率，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，對(duì)增強(qiáng)城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排效果有著積極的作用。

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