基于藍牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡的智能照明系統(tǒng)設計

賈志宏

摘 要：采用物聯(lián)網(wǎng)技術對城市照明系統(tǒng)進行升級對提高其能效十分必要，因此文中基于藍牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡設計一種以EFR32BG13P為主控芯片的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關和LED照明燈。系統(tǒng)中，用戶通過GPRS網(wǎng)絡與網(wǎng)關進行通信，遠程查看LED照明燈的工作狀態(tài)、控制燈的開啟和關閉。實驗表明系統(tǒng)對遠程LED照明燈能進行可靠的控制、及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并報警，提高了照明系統(tǒng)的能源利用率。

關鍵詞：藍牙5;Mesh網(wǎng)絡;LED照明;物聯(lián)網(wǎng);GPRS;物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

中圖分類號：TP273+.5;TN919.3文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-033

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人類正在進入一個萬物互聯(lián)的時代。應用物聯(lián)網(wǎng)技術對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)進行升級，可以顯著提高照明系統(tǒng)的能效。

本文設計一種基于藍牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡的智能照明系統(tǒng)。用戶通過GPRS網(wǎng)絡與網(wǎng)關進行通信，遠程查看LED照明燈的工作狀態(tài)、控制燈的開啟和關閉;及時發(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)總體設計

該系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、藍牙LED照明燈、OneNET遠程控制平臺組成。系統(tǒng)采用藍牙Mesh網(wǎng)絡與GPRS蜂窩IoT網(wǎng)絡相結合的組網(wǎng)模式，利于系統(tǒng)設計和部署。藍牙LED照明燈采用Mesh技術進行通信和組網(wǎng)，與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關直接通信或路由通信;網(wǎng)關采用G510蜂窩IoT模塊接入OneNET遠程控制平臺[2]。OneNET遠程控制平臺可以查詢每盞燈的工作狀態(tài)，或對其進行開關控制。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件選型與設計

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

2.1 藍牙LED照明燈硬件設計

藍牙LED照明燈的硬件設計主要是控制器的硬件設計，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 電源電路設計

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轉換為直流5 V，用MCP1700-3.3電源芯片將直流5 V轉換為直流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電路設計

藍牙LED照明燈采用EFR32BG13P作為主控制器，兼容藍牙5和藍牙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指令集和浮點運算單元，可增強系統(tǒng)運算速度。同時采用了低能耗、快速喚醒的Gecko技術。芯片具有片上512 KB閃存、64 KB RAM，大容量的存儲器保證了藍牙Mesh協(xié)議棧的正常加載和運行。

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

2.1.3 射頻電路設計

EFR32BG13P具有藍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，內部集成2.4 GHz的平衡不平衡轉換器（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及調整電阻構成。天線采用IPEX接口的2.4 GHz FPC軟膜天線，增益5 dBi。

2.1.4 控制輸出電路設計

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

電路使用了N溝道功率MOSFET XP151A13A0MR，MCU控制信號LED-ON/OFF輸出至XP151A13A0MR的柵極，控制其源極和漏極的導通，從而控制繼電器SDT-S-105DMR線圈的得電，繼電器的一對常開節(jié)點控制LED燈的開關。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)關硬件設計

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

MCU電路設計與藍牙LED燈MCU電路的設計相似。G510的OneNET遠程控制平臺接入電路的設計如下所述。

2.2.1 電源電路設計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關電源輸入為交流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轉換為直流5 V;用MCP1700-3.3電源芯片將直流5 V轉換為直流3.3 V。

G510是GSM/GPRS模塊，GSM是時分多址，在發(fā)送時隙時會導致瞬時電流波動，出現(xiàn)電壓紋波現(xiàn)象。如果處理不當，電壓紋波將會降低模塊的性能。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范圍內可調，最大輸出電流可達3 A，最小負載電流為7 mA。為保證電路在各種工況下的正常工作，在LDO輸出端設計了指示燈電路，同時起負載電路的作用。G510電源電路如圖3所示。

G510模塊的電源電壓為4.0 V，設定R5的阻值為

2.21 kΩ，根據(jù)以下公式：

計算R3的阻值，結果取精密電阻值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，同時并聯(lián)33 pF，10 pF電容濾除高頻噪聲。

2.2.2 G510電路設計

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)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎oT系統(tǒng)或產(chǎn)品中[7]。

電路采用內置eSIM卡的模塊方案，外圍電路簡潔。模塊的LPG管腳用來驅動聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)指示燈，指示模塊的不同工作狀態(tài)。

2.2.3 射頻電路設計

在模塊和天線連接器之間設計了一個π型電路，其中電阻位置焊接0 Ω電阻，兩個電容位置不焊接元件，預留供天線調試使用。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計

射頻電路為分布參數(shù)電路，在電路的實際工作中容易產(chǎn)生趨膚效應和耦合效應，在PCB 設計中，著力減小電路干涉、信號干擾和損耗，對射頻電路穩(wěn)定工作至關重要。

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

當負載阻抗（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，跡線上距離負載任意間距處測得的阻抗（Z）均相同，線路損耗降到最小，實現(xiàn)發(fā)射器與天線間的最大功率傳輸。電路設計中使用匹配網(wǎng)絡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稱阻抗為50 Ω的平衡不平衡轉換器。設計芯片外部電路的調諧時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)絡及PCB的工藝設計來實現(xiàn)調諧[9]。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括藍牙LED照明燈程序設計、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關程序設計和OneNET遠程控制平臺程序設計[10]。

3.1 藍牙LED照明燈程序設計

燈節(jié)點的功能之一是接收從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關發(fā)送的打開或關閉LED燈的請求。

燈光控制基于藍牙Mesh通用開/關模型。燈節(jié)點支持以下兩種模型：OnPowerUp服務器模型和Default Transition Time服務器模型

OnPowerUp服務器模型在通電后將默認狀態(tài)配置到燈節(jié)點。狀態(tài)設置見表1所列。

Default Transition Time服務器模型表示配置燈光從一種狀態(tài)轉換到另一種狀態(tài)需要多長時間。

為了支持上面列出的模型，燈節(jié)點設計有存儲其內部狀態(tài)的功能，以便在重新啟動時使用。在程序中設計了一個名為lightbulb_state的結構體，狀態(tài)信息保存其中。結構體包含4個字段，見表2所列。

燈節(jié)點作為服務器端，響應來自網(wǎng)關的任何請求，該請求可以不指定任何轉換時間或延遲，則燈的狀態(tài)立即改變。當指定轉換時間或延遲時，燈節(jié)點應用程序會以給定的延遲啟動軟定時器;在軟定時器到期之前，燈的狀態(tài)不會改變。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關程序設計

網(wǎng)關程序設計包括藍牙客戶端程序設計和網(wǎng)關接入OneNet云平臺程序設計。

3.2.1 藍牙客戶端程序設計

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

在收到網(wǎng)絡節(jié)點初始化事件后，應用程序啟用GPIO中斷;并發(fā)送開/關請求。定時器在每次調用之間以50 ms的延遲觸發(fā)發(fā)送開關請求的三次調用。

網(wǎng)絡堆棧調用客戶端發(fā)布函數(shù)，發(fā)布一個開/關事件。其中，將延遲參數(shù)在第一，第二和第三請求中分別設置為100 ms/50 ms/0。這樣做的目的是確保目標組中的所有燈同時改變它們的狀態(tài)，而不管在接收端獲得三個開/關請求中的哪一個。

3.2.2 網(wǎng)關接入OneNET云平臺程序設計

從OneNET云平臺下載C語言版本的SDK，在EFR32BG13項目中創(chuàng)建目錄EDP，復制SDK目錄下的所有文件到EDP中，修改函數(shù)Open（），Close（），Send（），Recv（），來實現(xiàn)網(wǎng)絡連接、關閉、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收功能。采用while（）循環(huán)方式接收平臺數(shù)據(jù)，應用串口中斷，執(zhí)行網(wǎng)關的接收函數(shù)，然后進行相應的處理。

3.3 OneNET云平臺的程序設計

應用層通過RESTful API的方式和OneNET平臺進行交互對接。API調用主要實現(xiàn)命令的下發(fā)、數(shù)據(jù)的讀/寫以及相關業(yè)務的交互。RESTful API及EDP SDK應用示意如圖5所示。

4 實驗結果

登錄OneNET云平臺賬戶，在顯控儀表臺界面進行遠程藍牙LED照明燈的工作狀態(tài)查詢、控制燈的開啟和關閉操作;實時記錄現(xiàn)場藍牙LED照明燈的狀態(tài)變化，與OneNET云平臺顯控儀表臺界面指示狀態(tài)一致，測試網(wǎng)絡延時在理論計算的范圍內。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關如圖6所示。

5 結 語

本文設計的基于藍牙5 Mesh和GPRS網(wǎng)絡的智能照明系統(tǒng)對遠程LED照明燈能夠進行可靠的控制、及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并報警，提高了照明系統(tǒng)的能源利用率，提高了系統(tǒng)運行效率，對增強城市照明系統(tǒng)節(jié)能減排效果有著積極的作用。

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