蔣夢云 曹晨瑩

（三江學院，南京 210012）

在數(shù)字時代，智能家居越來越受到人們的歡迎。智能家居中，燈光控制是重要的組成部分。傳統(tǒng)的燈光控制方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人們的生活需求，因此設計一種具有智能化、可遠程控制、快速響應的藍牙燈控設備具有重要意義[1]。以TG7100B 芯片為核心，研究智能藍牙燈控設備的設計和實現(xiàn)方法，旨在滿足人們對家居照明的多元化需求。

1 設計思路

設備的設計思路主要包括電路設計、軟件設計和硬件組裝。TG7100B 芯片是設備的核心元器件，負責處理藍牙信號和控制燈光。

1.1 整體硬件設計

TG7100B 芯片的PB-02-Kit 開發(fā)板是針對PB-02模組設計的一款智能照明開發(fā)板，亮燈電路如圖1 所示。PB-02-Kit 開發(fā)板采用通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接 口，支持固件燒錄[2]。開發(fā)板自帶板載有紅-綠-藍（Red-Green-Blue，RGB）七彩燈和兩路冷暖燈珠，可自行調(diào)節(jié)。模組全部可用輸入/輸出（Input/Output，I/O）模式以排針引出，方便自行開發(fā)調(diào)試。多個開發(fā)板互聯(lián)，可用于Ble Mesh 組網(wǎng)調(diào)試，支持使用AT（Attention）指令和軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）二次開發(fā)，支持安卓和iOS系統(tǒng)的App 控制及微信小程序控制，還支持天貓精靈語音直連控制。2.54 mm 排針引出通用輸入/輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）等接口，可自由搭配外設。

圖1 亮燈電路圖

1.2 RGB 三合一燈珠設計

RGB 三色燈可以通過紅、綠、藍三色混光成白光，也可以單獨控制紅、綠、藍三色混光效果。由于紅、綠、藍三色封裝在一顆燈珠里，可以通過外部控制器調(diào)整3 個顏色的電流，使其達到不同的亮度效果[3]。P23、P31、P32 用于控制發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈，高電平有效。I/O 管腳的驅(qū)動能力能夠滿足驅(qū)動LED 燈，無須增加額外的驅(qū)動電路。

1.3 軟件設計

藍牙連接是智能藍牙燈控設備軟件設計的關(guān)鍵部分。使用TG7100B 芯片內(nèi)置的藍牙協(xié)議棧，調(diào)用相應的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能藍牙燈與手機或其他藍牙設備的連接。在連接過程中，使用通用唯一識別碼（Universally Unique Identifier，UUID）、個人身份識別碼（Personal Identification Number，PIN）等機制確保連接的安全性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)接收與處理是智能藍牙燈控設備軟件設計的核心部分。解析從手機或其他藍牙設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，提取相應的控制指令和參數(shù)，可以控制燈光模塊的亮度和顏色。在數(shù)據(jù)接收與處理過程中，采用一些常用的數(shù)據(jù)校驗和處理方法，如數(shù)據(jù)過濾、異常處理等，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。人體檢測程序根據(jù)人體檢測模塊的信號變化來控制程序，實現(xiàn)自動開關(guān)燈功能[4]。

控制信號輸出是智能藍牙燈控設備軟件設計的關(guān)鍵部分。調(diào)用TG7100B 芯片內(nèi)置的PWM 模塊和其他外設接口，可以控制燈光模塊的亮度和顏色。在控制信號輸出過程中，實現(xiàn)自適應控制機制，可以根據(jù)環(huán)境光線和用戶需求自動調(diào)整燈光亮度和顏色，從而保證設備的智能化和舒適性。同時，實現(xiàn)一種異常處理機制，可以及時處理和恢復控制信號輸出過程中可能出現(xiàn)的異常情況，保證設備的穩(wěn)定性和可靠性。

2 實現(xiàn)方法

設計基于TG7100B 芯片的智能藍牙燈控設備時，需要考慮硬件實現(xiàn)、軟件實現(xiàn)和天貓精靈配網(wǎng)模塊實現(xiàn)3 部分。首先，利用TG7100B 芯片自帶的七彩LED 驅(qū)動模塊和冷暖LED 驅(qū)動模塊，實現(xiàn)多種顏色和亮度的變化，并根據(jù)環(huán)境光線和用戶喜好自動調(diào)節(jié)。其次，利用TG7100B 芯片支持的藍牙5.0 協(xié)議，實現(xiàn)與天貓精靈智能音箱或其他藍牙設備的無線連接，并通過天貓精靈平臺接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺。最后，利用天貓精靈智能音箱提供的語音識別和語義理解功能，實現(xiàn)對設備的語音控制，如開關(guān)、調(diào)節(jié)顏色、亮度、色溫和場景等，還可以在移動端可視化界面進行控制。設備框架結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 設備框架結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件模塊實現(xiàn)

選擇TG7100B 藍牙芯片作為核心控制器。該芯片具有低功耗、高性能的特點，支持藍牙5.0 協(xié)議，適用于智能家居和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域[5]。根據(jù)設備的功能需求設計外圍電路，包括電源電路、藍牙通信電路、燈光控制電路和人體感應電路等。

2.1.1 藍牙通信電路

選擇與TG7100B 芯片兼容的藍牙模塊，實現(xiàn)藍牙信號的收發(fā)功能。根據(jù)藍牙頻段和傳輸距離要求，設計合適的天線電路，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。通過串口通信電路將藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M行處理[6]。

2.1.2 燈光控制電路

根據(jù)LED 燈的額定電壓和電流，選擇合適的驅(qū)動電路，如恒流驅(qū)動芯片或MOSFET 管等。通過控制電路實現(xiàn)根據(jù)用戶需求手動或自動調(diào)節(jié)LED 燈開關(guān)和亮度。結(jié)合人體感應模塊和定時模塊，實現(xiàn)定時開關(guān)燈的功能，同時根據(jù)環(huán)境光線和人體感應信號自動調(diào)節(jié)燈光亮度，達到節(jié)能的目的。

2.1.3 人體感應電路

選擇合適的人體感應傳感器，如紅外傳感器或超聲波傳感器，用于檢測人體信號。處理傳感器檢測到的信號，如放大、濾波等，以便于微控制器識別。當檢測到人體信號時，觸發(fā)中斷信號給微控制器，微控制器根據(jù)預設的程序進行相應操作。

2.1.4 其他功能模塊

第一，顯示模塊。根據(jù)需求選擇合適的顯示器件，如有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏或LED 數(shù)碼管等，用于顯示設備的工作狀態(tài)、時間等信息。第二，存儲模塊。選擇合適的存儲芯片或模塊，用于存儲設備的工作狀態(tài)、定時計劃等信息，以便實現(xiàn)設備的自動化控制和歷史記錄查詢等功能。第三，按鍵與遙控模塊。根據(jù)用戶需求設計按鍵或遙控模塊，用于手動控制燈光及其他智能家居設備的操作。第四，網(wǎng)絡通信模塊。根據(jù)需要加入Wi-Fi、ZigBee 等網(wǎng)絡通信模塊，實現(xiàn)設備與云平臺或其他智能家居設備的互聯(lián)互通。

2.2 軟件模塊實現(xiàn)

2.2.1 藍牙通信模塊的實現(xiàn)

在實現(xiàn)藍牙通信模塊時，需要使用TG7100B 芯片的API 進行編程。這些API 包括建立藍牙連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等功能的函數(shù)，需要根據(jù)具體的藍牙協(xié)議進行軟件開發(fā)，確保設備與手機之間的藍牙通信穩(wěn)定可靠[7]。

2.2.2 控制程序的實現(xiàn)

控制程序主要負責解析接收到的藍牙信號，并實現(xiàn)對燈光的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。具體而言，當接收到開啟燈光的指令時，控制程序需要輸出高電平信號到燈光驅(qū)動電路，從而點亮LED 燈。當接收到關(guān)閉燈光的指令時，則需要輸出低電平信號到燈光驅(qū)動電路，熄滅LED 燈。對于亮度調(diào)節(jié)指令，控制程序可以通過PWM 信號來實現(xiàn)。PWM 信號是一種占空比可調(diào)的方波信號，通過調(diào)整高電平的持續(xù)時間來改變平均電壓，從而調(diào)節(jié)LED 燈的亮度。

2.2.3 人體檢測模塊的實現(xiàn)

在人體檢測模塊的實現(xiàn)方面，需要編寫相應的驅(qū)動程序來控制傳感器的工作，并處理傳感器的輸出信號。當檢測到人體進入一定范圍時，驅(qū)動程序應向控制程序發(fā)送開啟燈光的中斷信號；當人體離開一定范圍時，則發(fā)送關(guān)閉燈光的中斷信號。

2.2.4 定時程序的實現(xiàn)

定時程序通過計時器實現(xiàn)時間的精確控制。設備使用操作系統(tǒng)的定時器API 創(chuàng)建定時器，并設定定時時間。當?shù)竭_設定的時間點時，定時器API 會觸發(fā)一個事件，向控制程序發(fā)送相應的指令，實現(xiàn)燈光的定時開關(guān)。

3 天貓精靈配網(wǎng)模塊實現(xiàn)

將天貓精靈恢復出廠設置，讓其處于配網(wǎng)模式，并在應用商城搜索天貓精靈App 點擊下載安裝。打開App，找到天貓精靈型號，提交配網(wǎng)信息。配網(wǎng)成功后，天貓精靈會有語音提示。燒錄好固件的PB-02 開發(fā)板上電，此時只需對天貓精靈說“找隊友”，天貓精靈就會和PB-02 開發(fā)板配對連接。刷新App 頁面后會看到設備上線，顯示配對成功。

4 實驗結(jié)果

為了驗證本智能藍牙燈控設備的性能和實用性，進行實驗測試和應用效果分析。結(jié)果表明，設備的控制效果良好，響應時間迅速。在實際應用中，用戶普遍認為該設備方便快捷。同時，該設備具有較低的能耗和較長的使用壽命，節(jié)省了能源成本和維護成本。

5 結(jié)語

以TG7100B 芯片為核心設計一種智能藍牙燈控設備。實驗結(jié)果和實際應用表明，該設備性能優(yōu)良，實用性強，而且得到了用戶的廣泛認可。在未來的研究中，可以進一步探索設備的優(yōu)化設計，拓展應用場景，以滿足更多用戶的需求。