基于CC2540的低功耗藍(lán)牙門鎖設(shè)計(jì)?

洪琪璐，陸慧慧，趙慶嵐

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210000；2.陸軍北京軍事代表局駐二零七所軍事代表室，太原030009）

基于CC2540的低功耗藍(lán)牙門鎖設(shè)計(jì)?

洪琪璐1，陸慧慧1，趙慶嵐2

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210000；2.陸軍北京軍事代表局駐二零七所軍事代表室，太原030009）

針對(duì)傳統(tǒng)藍(lán)牙門鎖存在功耗大、成本高的問題，設(shè)計(jì)了一款基于CC2540的低功耗藍(lán)牙4.0的智能門鎖系統(tǒng)。選用集微控制器和射頻于一體的CC2540芯片為主控芯片，采取低功耗、低成本的硬件設(shè)計(jì)和低功耗軟件設(shè)計(jì)控制藍(lán)牙門鎖的功耗和成本問題，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)開鎖功能。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)的低功耗藍(lán)牙智能門鎖系統(tǒng)不僅降低了功耗和成本，并且易于實(shí)現(xiàn)和操作，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

智能門鎖；功耗；低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議；安卓系統(tǒng)；CC2540；智能家居

1 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和智能家居的普及，人們對(duì)于家居環(huán)境安全的要求和便捷智能生活的追求也越來越高，針對(duì)“手機(jī)已經(jīng)連上家里的Wi-Fi，人卻進(jìn)不了家門”這一忘帶鑰匙的現(xiàn)象，藍(lán)牙智能門鎖應(yīng)運(yùn)而生。2010年藍(lán)牙聯(lián)盟正式發(fā)布藍(lán)牙4.0規(guī)范，藍(lán)牙4.0將3種藍(lán)牙規(guī)格集一體，包括傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速藍(lán)牙技術(shù)和低功耗藍(lán)牙技術(shù)。其中低功耗技術(shù)擁有功耗低、3ms低延遲、AES-128加密等優(yōu)點(diǎn)［1］。與傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備采用16-32廣播頻道相比，低功耗藍(lán)牙只使用3個(gè)廣播通道，且每次廣播時(shí)射頻的開啟時(shí)間也由22.5ms減少到0.6-1.2ms，從而大大降低了廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的功耗。隨著支持藍(lán)牙4.0規(guī)范的智能手機(jī)在人們生活中的普及，手機(jī)APP開鎖的藍(lán)牙智能門鎖的發(fā)展前景越來越廣闊。

目前的藍(lán)牙智能門鎖存在功耗大、續(xù)航能力差的問題，為了在提高藍(lán)牙門鎖續(xù)航能力的同時(shí)降低其生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)了一種基于CC2540的低功耗藍(lán)牙智能門鎖系統(tǒng)。首先，以藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，簡(jiǎn)稱BLE）芯片CC2540為主控芯片，采用TPS60210作為電源管理芯片，使其工作在低功耗模式，從硬件上降低電源轉(zhuǎn)換功耗，提高電池的使用效率；其次采用集成的巴倫電路芯片2450BM15A0002和貼片天線2450AT42A100，降低了印刷電路成本；同時(shí)開發(fā)了基于Android 4.3系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，從軟件上控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而進(jìn)一步降低功耗，并通過該軟件實(shí)現(xiàn)門鎖與智能手機(jī)間的相互通信，控制門鎖開關(guān)［2］。

2 低功耗藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低功耗藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)主要分為電源模塊、主控模塊以及外圍模塊、門鎖模塊和RF射頻模塊等［3］。該系統(tǒng)框圖如圖1所示，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供正常的工作電壓；外圍電路包括兩個(gè)晶振電路、鍵盤電路、LED檢測(cè)電路和蜂鳴器電路；電機(jī)模塊為系統(tǒng)開鎖的執(zhí)行模塊，從而實(shí)現(xiàn)通過單片控制電機(jī)傳動(dòng)達(dá)到開鎖的目的；RF射頻模塊主要作為信號(hào)的發(fā)送接收模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信。

圖1 藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電池續(xù)航能力是衡量藍(lán)牙智能門鎖質(zhì)量的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，傳統(tǒng)的藍(lán)牙智能門鎖電池供電時(shí)間短，并且輸出電壓紋波大，在開關(guān)頻率高的情況下，電流輸出較大。考慮實(shí)際應(yīng)用情況，本系統(tǒng)采用兩節(jié)1.5V的AA電池供電，滿足CC2540芯片2V-3.6V的供電要求，由參考文獻(xiàn)［4］的電池放電伏安曲線可知，電池的工作電壓在2V-3.6V芯片輸入電壓之間無法達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，采用了德州儀器的TPS60210電源管理芯片。該芯片擁有更寬的電壓輸入，最低可至1.6V，除此之外，其電壓轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%，靜態(tài)工作電流低至2μA，極大延長(zhǎng)了電池的使用壽命，并且該芯片還具有低壓檢測(cè)功能。其電源模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 主控模塊及其外圍模塊設(shè)計(jì)

主控模塊主要由主控芯片CC2540及其外圍電路組成，CC2540F256芯片是德州儀器開發(fā)的藍(lán)牙低功耗系統(tǒng)單芯片（SoC），內(nèi)置增強(qiáng)型的8051 MCU、RF收發(fā)器、8KB的RAM和256KB的閃存［5］。由于CC2540自身集成了8051單片機(jī)，擁有21個(gè)通用I／O口和2個(gè)UART，一個(gè)全速USB 2.0，所以整個(gè)系統(tǒng)不需要外置MCU。電路如圖3所示。蜂鳴器接P0_2引腳；按鍵接RESET引腳，作為復(fù)位按鍵；LED指示燈接P0_1引腳。

圖2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

2.3 門鎖模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)的RF射頻模塊接收到手機(jī)傳輸?shù)拈_鎖信號(hào)，由CC2540芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并且通過I／O口P1_1控制門鎖電機(jī)的開關(guān)狀態(tài)，再結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置，從而實(shí)現(xiàn)門鎖開關(guān)。如圖4所示，電機(jī)鎖傳動(dòng)帶動(dòng)檔桿運(yùn)動(dòng)，檔桿轉(zhuǎn)動(dòng)嵌入配合后實(shí)現(xiàn)開鎖。

2.4 天線模塊設(shè)計(jì)

天線是通過導(dǎo)線電磁波的有效輻射來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出和接收的重要設(shè)備，射頻信號(hào)通過饋線傳輸?shù)教炀€，由天線將高頻電流能量轉(zhuǎn)換成電磁波并輻射出去，因而，天線的選擇將直接影響到藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)的通信性能。Wi-Fi、藍(lán)牙等無線信息技術(shù)均工作在2.4GHz ISM頻段［6-8］，而2.4 GHz常用的天線有偶極子天線、單極天線、鞭狀天線、倒F天線、蛇形天線及片狀天線等［9］。為了減少藍(lán)牙門鎖模塊的PCB尺寸，本系統(tǒng)選用片狀天線，天線模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，本系統(tǒng)采用的CC2540芯片的RF輸入／輸出端口為平衡接口，為了將單端接口的天線與具有平衡輸入／輸出接口芯片相連接，需要在天線和主芯片之間接入平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用集成芯片2450BM15A0002作為平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器，較之傳統(tǒng)的分立元器件組成的平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器，可大大減小PCB板的面積和空間，同時(shí)也降低了周圍器件對(duì)于RF布局的敏感性。2450AT42A100為2.4GHz的片狀天線。

圖3 主控模塊及外圍電路設(shè)計(jì)

圖4 門鎖機(jī)械傳動(dòng)框圖

圖5 天線模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙門鎖系統(tǒng)通過Android4.3以上版本的手機(jī)系統(tǒng)APP與門鎖進(jìn)行連接［10］。門鎖系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由門鎖軟件和Android開鎖應(yīng)用軟件兩部分組成。門鎖軟件主要負(fù)責(zé)接收手機(jī)的廣播信號(hào)并建立連接和校驗(yàn)開鎖密碼，3ms內(nèi)建立連接后，接收手機(jī)發(fā)送的開鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用軟件開鎖功能。門鎖程序框圖如圖6所示。Android開鎖應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)檢測(cè)藍(lán)牙開啟狀態(tài)、藍(lán)牙的掃描啟動(dòng)與停止、掃描結(jié)果的獲取、藍(lán)牙連接的創(chuàng)建與斷開及與門鎖的數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?］。Android開鎖應(yīng)用軟件的程序框圖如圖7所示。

圖6 門鎖程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在功耗方面，經(jīng)測(cè)試，藍(lán)牙門鎖模塊在休眠狀態(tài)下的功耗約為0.4mA；喚醒狀態(tài)下約為0.74mA；平均喚醒時(shí)間約為3μs；接收數(shù)據(jù)的功耗約為20mA左右，平均時(shí)間約為16ms；電機(jī)開鎖狀態(tài)下功耗大約為70mA左右；平均時(shí)間約為7ms。家庭使用藍(lán)牙智能門鎖頻率以一天開鎖10次計(jì)算，每天的功耗約為9.65mA·H，按照一節(jié)容量為2100mA·H的1.5V的AA電池計(jì)算，可以持續(xù)工作時(shí)間約為217.6小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明藍(lán)牙門鎖模塊基本能滿足低功耗要求。

圖7 手機(jī)應(yīng)用軟件程序框圖

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)提出了一種基于低功耗藍(lán)牙手機(jī)APP開鎖的智能門鎖系統(tǒng)，利用微控制器和射頻于一體的CC2540為主控芯片，通過硬件電路設(shè)計(jì)控制功耗和成本，以及與軟件低功耗模式設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，降低了低功耗藍(lán)牙智能門鎖的功耗和成本。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)低功耗、低成本的特性，并且具有較高的電源轉(zhuǎn)換效率及低壓檢測(cè)功能，擁有較好的應(yīng)用前景。

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Design of Low Power Lock based on CC2540

Hong Qilu1，Lu Huihui1，Zhao Qinglan2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210000，China；2.Military Representative Office207，The army of Beijing Military Representative Office，Taiyuan 030009，China）

Currently，because the traditional Bluetooth lock to the door has the problem of high power consumption and cost，the intelligent lock system，based on the chip of CC2540，using integrated micro controller and RF，is designed by low power hardware and software to control the power consumption and the cost.The test results show that the lock can be controlled normally for reduction of the power consumption and the cost，and is easy to be operated and has good practical value.

Smart lock to the door；Consumption；Bluetooth Low Power 4.0；Android；CC2540；Smart household

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.018

TP274

B

1002-2279（2016）06-0072-04

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJLX16_0134）

洪琪璐（1990-），女，浙江省金華市人，碩士研究生，主研方向：嵌入式開發(fā)，無線通信技術(shù)。

2016-09-09