基于蓝牙控制的智能照明设计

基于蓝牙控制的智能照明设计
绪论
众所周知，现在LED灯在我们的周围已经很普遍了，它散发出来的灯光无时无刻的伴随在我们的身边，它给我们生活带来了极大的方便，而现如今控制它的开关也在随着科技的发展也在慢慢的发生变化，而蓝牙作为一种短距离无线控制技术，它的特性能否应用到我们所熟悉的LED灯上呢？日常生活中我们的开关掌控着电灯，假如把这开关换为更为先进的无线控制，不是更能方便我们的生活，那LED灯的控制器怎样去设计与实现呢？因此，基于低功耗蓝牙技术控制的LED 灯设计就很有必要了，而这其中最关键的就是怎样在蓝牙模块与单片机模块、单片机模块与LED灯模块之间建立起通信，而在这种方案设计前我们必须要了解蓝牙的工作原理，单片机的工作原理，以及开关元器件的工作原理。

凭借着蓝牙短距离无线通信技术的特性，我们可以实现无线操控，所以在单片机与LED灯之间加入的元器件就很重要了，经过思考，我们用MOS管来控制LED灯，那么这个无线控制器的基本构成模块就很清楚了，本设计就是是利用手机蓝牙来实现无线电灯开关的工作。

1 蓝牙的发展
1.1蓝牙
我们所说的蓝牙一词是从英语单词"Bluetooth"中音译而来的，实际上它就是我们所谓的一种短距离无线通信技术，而且利用这种蓝牙技术它能使我们更加的方便有效，在笔记本电脑、移动电话手机、以及各种信息化设备和医疗设备之间大大增加了通信效率，进而使这些通信终端设备之间的联系在通过Internet 上的信息传递变得快捷有效，这为无线通信技术奠定了基础。

换而言之，那就是蓝牙技术让我们的移动通信设备能够无线上网，一些我们方便携带的的现代化设备在没有通过有线电缆连接时，我们可以在移动中上网。

其实际范围它还可以延伸到其它领域，如各种家电产品、汽车产业、个人消费电子设备和医疗设备等各种物联网的产物，这些通信设备在蓝牙技术的基础上形成一个庞大的无线通信网络。

蓝牙技术的最初设计目的是为了方便现代化的信息产品，使这些数字化的电子产品不用通过有线电缆的连接，想着更加现代化迈进，以低成本的运作、低功率的消耗代替原来的有线连接，从而构造成一种单向发散式的网络，让那些拥有移动通信设备的的人在网络领域里能够实现资源共享。

据国外的一些权威机构预测，蓝牙技术将会越来愈多的应用到各个领域，全球会有成百上亿的数字移动通信设备把蓝牙的无线接口作为一种标准配置，蓝牙技术将会以更加迅猛的姿态屹立在信息科技的舞台。

自从在1998年提出了蓝牙技术以来，蓝牙的发展就异常迅速。

蓝牙（Bluetooth）以一种另类的无线通信标准迅速被我们所接纳，所以世界上就有了一个关于蓝牙的组织：世界蓝牙组织Bluetooth SIG。

而这也引发了越来越多的科学研究机构和通信技术公司对它感兴趣，这些公司和机构在期待着的能够挖掘更多的利益的源动力下，不知疲倦的研究发展它，结合世界蓝牙组织以版本标准公开化的方式的推广，蓝牙它已经渗透到了我们生活中的各个角落。

凭借着它在全球高新技术中的独树一帜，在全世界已经有3000多家的设备制造商成为了它的拥簇，而这一种无线通信技术标准令工业界默默认同，无声统一的以此为规范是令人罕见的。

在近些年来,便携式设备的存在从传统的笔记本电脑到完全成熟的智能手机，我们已经笼统的介绍了低成本，而总是在线不间断的网络连接对
社会有重大的意义。

网络应用程序设计的沟通和连接，为人们提供了随时随地的移动网络结构设施。

数字通信时代来临,例如短信和社交网络,连接了个人的沟通和交流，它不断扩大信息流动,同时越来越多的互相交织在一起。

是否有引人注目的社会问题，像这样的数字社会互动是自然的修饰和人类社会相互作用的频率结果。

研究人员在这一领域的一个关键指标是这些网络促进了面对面的相互作用还是这些网络阻碍了面对面的相互作用。

在我们国内同样的也有对此感兴趣的机构，所以对于蓝牙技术的开发也就应运而生了，纵然我们的研究发展相较于国外而言接触起步晚，但蓝牙产品的应用和发展却很快，这时候一些关于蓝牙产品的实现，也就水到渠成了。

由来自国家主管部门、企业界、学术界以及研究生产机构的领导、专家、教授等权威人士发起成立的中国蓝牙技术发展与应用论坛，吸引了大批对蓝牙技术感兴趣的各个领域的技术人员，此次的论坛还促成了国内各个领域的相关人员与世界蓝牙组织SIG的优秀代表共聚一堂，就蓝牙技术问题在未来的趋势与发展有了更深层次的交流。

并就双方今后在进一步加强联系、共享蓝牙技术信息资源、共同促进蓝牙技术在中国的推广与应用等方面上达成共识。

1.2 低功耗蓝牙
1.2.1 蓝牙的版本
从蓝牙发展积累的时间所看蓝牙有很多种版本，在很早的时候，也就是最初1998年，蓝牙刚刚起步，随着技术成熟而发布了最早的蓝牙V1.1版本，其实在这之前也有1.0版本和1.0B版本，但这两个版本都出现了问题，在应用中是不成熟的。

而蓝牙V1.1版本在以前的版本规格中改进了很多，在基于原来的基础上增加了一些能够修复技术漏洞的可能性。

随后的蓝牙1.2版本与1.1的版本传输率在实际应用中有一些提升，也增加了对射频干扰的抵抗，蓝牙2.0是对1.2版本的进一步完美，传输速率大幅度的提升了，还可以一边作语音通讯，一边发送文件图片，而蓝牙的2.0 + EDR版本在2004年公布，它传输数据的速率更快，工作周期短从而降低了工耗。

蓝牙技术联盟在2009年又一次的推出了新的版本，即蓝牙 3.0 + HS版本，这一个版本的数据传输速率在理论上更是达到了24 Mbit/s，这与我们想象中向着速度更快、消耗更低的方向发展相一致，而这个版本的核心是一种全新的交替射频技术。

仅仅在次年就推出了蓝牙4.0版本，蓝牙4.0最显著的的特性就是低功耗，它包括了传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙
低功耗技术这三个子规范，所以由此我们不难看出蓝牙低功耗就是蓝牙4.0版本的一个部分，它在各个方面都有所改进了，功能耗用更低导致的电池续航时间变长，低功耗就是它的代名词，在以后的几年，蓝牙技术联盟陆陆续续的推出了蓝牙4.1、蓝牙4.2版本。

蓝牙4.0版本是个里程碑，而今天我们设计所需要的就是研究蓝牙4.0版本。

1.2.2 蓝牙4.0版本
蓝牙4.0版本是在蓝牙3.0+HS版本上的改进升级，它支持两种模式：单模式和双模式。

单模式是针对那些集成度较高、结构紧凑复杂的设备，在启动轻量级连接层(Link Layer)的情况下，它能提供的超低的峰值、平均和待机模式的功耗，较为简单的应用设备恢复和一面对多面的数据传输，还能让我们应用设备中的网络连接传感器在蓝牙传输中安排好低功耗蓝牙流量的顺序，同时它还具备连接时能够安全加密。

蓝牙4.0与3.0版本最大的进步就是功耗大幅度的降低了，它与3.0版本相比功耗较降低了90%，在数据传输上性能更省电这可能是它最大的优点。

随着现如今社会的发展，蓝牙在智能手机、笔记本电脑、智能设备和汽车等向着物联网、汽车自动化行业和个人设备等领域的发展，它对低功耗的要求只会越来越高。

蓝牙4.0给我们的第一印象或许就是低功耗，但它在以前的版本上确实有了里程碑式的发展，它在传输速率、防串扰时的跳频、智能式的主控制、连接设置的延迟、响应范围内的搜索、和安全加密性等方面有了相当大的进步及完善。

1.2.3 蓝牙4.0的应用
蓝牙4.0版本应用范围很广，它一直伴随在我们现今生活的周围，在我们常常不离身的手机、个人电脑及掌上电脑相机、摄像机及电视等视讯等上面。

蓝牙低功耗技术是基于蓝牙低功耗无线技术核心规格的升级版，它为开拓智能家居、远程控制、及运动感应器等具有应用发展前景市场的应用打下了很好的基础。

目前就有不少企业随着蓝牙技术的成熟而推出了迷你型便携式蓝牙音箱，这是将传统数码和多媒体音箱结合应用的蓝牙技术，它能让消费者放下让人纠结的有线连接的羁绊，自由自在的以各种方式与音乐打交道。

但现如今，最有发展前途的应该是蓝牙技术在智能家居上的应用，智能家居是我们迈向更加自动化的一步，试想我们通过蓝牙传递信息来控制家里的各种电器设备，这岂不是异常的方便快捷，蓝牙是短距离传输信息的发起者，假如我们想调节LED灯的亮度和色调，我们可
以通过蓝牙把我们想表达的意思以不同种类的方式无线传递出去，这就是我们不同于平常的家居生活，不需要人为的去物理操控它们，躺在被窝里我们或许就可以控制灯的开关与亮暗类似于家里的电扇、冰箱、空调等各种电器设备。

这一切的一切都是要基于在低功耗的性能上面，蓝牙4.0版本就是我们生活进步上的产物。

2 灯控开关的思路
目前利用普通开关来控制电灯开关的方法有两种：单控开关和双联双控开关。

前者只起灯的单一地点控制通断作用；后者可实现二地可控制电灯通断作用。

人们在日常生活中经常遇到以下情况，躺在床上看书或看电视时，书可以随手放在枕头边上，电视也可以用手中的遥控器来开关，但是灯电灯如何方便的控制呢？
现有的常见开关有如下缺点：
（1）方便性，要控制必须人为的去物理操作；
（2）安全性，有时候因为情况出现了漏电；
（3）控制地点少，最多只能实现两地的控制。

为了解决以上问题，在设计过程中想到了生活中无处不在的无线技术，如无线鼠标、无线耳机、无线路由器、无线遥控器、无线收音机等等，其实无线技术主要有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术三种。

其中蓝牙无线技术实际上是一种短距离无线通信技术。

说得通俗一点，是蓝牙技术使现代一些易携带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等家电，组成一个巨大的无线通信网络。

红外无线技术是设备或者系统通过红外辐射传递数据的一种无线技术。

调频无线技术也最早使用的无线电技术。

只要利用这三种技术中的一种我们就可以实现无线控制电灯开关了。

日常我们生活中的印象就是一个LED灯亮着，它接受这电源给它提供的功率，而一个开关元器件来斩断它与连通它，断掉它的能源供给的路线，它就熄灭了，反之，能够发亮。

我们设计所运用到无线技术不是直接来控制整个电路的导通与断开，它是间接的通过传递数据的方式，来经过信息处理来实现控制器的的通断。

3 无线开关的选择
为什么想要用蓝牙做无线开关呢？蓝牙对于我们来说并不是很陌生，它就在我们的周围，由蓝牙技术联盟管理着，在我们的身边无声无息的发挥着它的作用，遍布于我们生活中的各个领域，如电子信息工程、计算机、电子商务、信息传递、文件接收等等。

设想我们只要通过智能手机，就可以操控生活中各式各样的电气设备，无论是体积庞大的工程机器还是体积渺小的电子器件。

在如今的社会中，手机几乎成为了我们日常生活中必不可缺的一部分，在走路步行、搭车出门、工作学习、吃饭睡觉等等。

手机都无时无刻的陪伴着我们，而智能手机上的蓝牙就能够短距离传递信息，设想我们用自己身边的日常品去操控电灯的话，岂不是很方便。

在冬天暖和的被窝里我们还愿不愿爬起来，在学校的寝室里有了睡意还愿不愿下床来，这些都是实实在在困扰着我们的问题。

因此考虑到蓝牙技术原理的功能性，我们想到了智能手机作为无线遥控开关。

同样的利用蓝牙技术，可以尝试一下无线控制电视、空调、电饭锅等等家用电器。

这样我们所有的电器设备或许就能通过智能手机来实现对它们的操控，这样不仅简化了我们的家居生活，还对整个的电气设备做出了统一，它的优点自不必说，方便快捷，安全智能。

所以想到从蓝牙入手，做一个利用手机蓝牙来实行无线传输从而实现控制。

在需要控制时，只要打开智能手机蓝牙，输入和该设备匹配的蓝牙密码，连接打开手机中的组态软件进行控制。

电灯开关一般是能控制电源通断的一种元器件。

手机蓝牙作为一种短距离无线通讯技术。

蓝牙它在一定范围内的电子装置通过局域的无线网连接起来,除去了传统的电线。

透过安装在芯片里的无线收发器,配有蓝牙技术的电子产品可以在10公尺的范围内互相通讯,传发照片,视频,照片等。

它的传输速度也达到了惊人的1Mb/s。

这是以往的红外线接口技术所远不能达到的。

何况红外线的传输还需要电子装置在很短的距离内才能正常进行。

目前,蓝牙技术已被普遍应用在笔记本电脑上,以帮助两台(或多台)笔记本电脑之间实现无线通信。

较红外线传输“必须保证传输信息的两个设备正对,且中间不能有障碍物”、“几乎无法控制信息传输的进度”、“没有成为被广泛接受的工业标准、设备种类不多”等致命的缺陷,蓝牙的优势显示出了勃勃生机。

4 设计方案的组成
选择一款合适的低功耗蓝牙开发平台，如TI CC2540芯片，在熟悉开发环境的基础上，进行软硬件的开发，实现利用手机与蓝牙芯片的通信，利用手机控制蓝牙芯片，蓝牙模块接收到的信息再传递给单片机模块，单片机模块经过信息处理后，直接对MOS 管进行引脚触点的控制，进而实现它对LED 灯的开关，完成室内照明遥控的功能。

由下面图5-1可知我们是通过三个部分来完成这套无线控制开关。

第一个是信号传输的蓝牙模块部分，第二个是进行下达指令的单片机部分、第三个是完成执行任务的控制器的部分。

图4-1
系统组成框图 通过手机蓝牙模块，发送信号，传输到单片机上，通过单片机的接收处理，
进行下达指令直接控制MOS 管，关闭断开MOS
管可以实现LED 灯的亮灭。

由此可
见，我们可以窥见我们系统组成的大致模型，可以了解我们方案设计的大致思路，以及估计它们的可行性。

4.1 蓝牙的从机模块
蓝牙串口模块用于把串口转换为蓝牙，这种模块工作的时候分为主机和从机，其中偶数命名的型号出厂时就确定了是从机或者是主机，并无法更改。

奇数命名的型号可以用户自己通过AT 指令修改模块为主机或者从机。

下面就是蓝牙的从机模块引脚。

（1）．ATUS ：蓝牙状态输出，持续高电平表示数据链路已经连通。

可以接单片机的IO 口来查询蓝牙的状态。

这个STATUS 不是必须连接的。

（2）.VCC ：电源接口，接5V 必须连接。

（3）.GND ：电源负极必须连接。

（4）.TXD ：数据输出接口，需要连接单片机的数据输入接口，一般单片机I/O 的名称为RX 或者RXD 。

（5）.RXD：数据接收接口，需要连接单片机的数据发送接口，一般单片机I/O的名称为TX或者TXD。

（6）.MCLR：主模块清除配对功能的管脚。

一般接单片机的某一个IO，单片机输出一个500ms的低电平，然后再上拉输出高电平，实现清除蓝牙主机配对信息的功能。

从模块管脚无定义，没有任何功能。

4.2 识别主机模块和从机模块
（1）最大的区别是主机模块有按钮，从机模块没有按钮。

（2）主机模块主芯片上有一个白点，从机模块没有白点。

（3）主机模块只能和从机模块通讯，从机模块可以和主机模块或者PC的蓝牙适配器、PDA、蓝牙手机通讯。

我们需要选择一款软件，这是专门测试蓝牙通信串口的软件，把它下载装到电脑和手机里。

用手机或者电脑和蓝牙模块连接进行传输时，在蓝牙的从机模块引脚txd或者引脚rxd上即产生一个高电平。

这是为了连接控制下一个设备单片机的数据输入接口，单片机接收到高电平信息后，经过内部处理而输出，这就是前半部的设计。

4.3 手机与蓝牙模块间的通信
4.3.1 通信前的准备：
（1) 蓝牙串口的模块；
（2）安卓系统并带有蓝牙的手机；
（3）串口调试的软件；
（4）蓝牙测试软件；
4.3.2 配置蓝牙串口模块：
这里把蓝牙串口模块配置成从机模式，具体设置过程如下：
（1）让蓝牙串口模块进入命令设置状态，具体操作是按着模块上唯一的按键不放，用USB接口给模块上电，这时正确的情景是模块上的LED灯是长亮几秒后熄灭再循环的。

如果出现灯快速闪烁的情况，证明模块并未进入命令设置状态，断电重复上述操作即可。

（2）将模块通过串口线与电脑连接；成功连接的标志是：打开电脑的设备管理器可以看到“端口”下有USB-SERIAL 端口
此时我们在手机上安装串口助手软件（ANDROI系统P串口助手），将
HC-PDA-ANDROID.apk文件放在手机上安装即可；安装后即有BTClient程序图标。

点击运行即可。

这里的蓝牙串口助手软件有很多，而且种类多，作用也不一样，而我们只需找到适合我们的即可。

4.3.3 手机与蓝牙模块连接：
（1）因为之前设置了蓝牙串口模块的蓝牙为从机，所以这里手机上的蓝牙作为主机发起连接。

直接点击手机上BTClient软件上的“连接”，“查找设备”，选择我们的蓝牙串口模块“Bluebooth”，提示“连接成功”；
（2）打开串口调试软件，选择串口号2 和波特率9600，数据位8位，停止位1位，校验位和数据流控制都是none；
（3）在串口调试软件发送数据到手机上，或者手机发送数据到到电脑上，支持字母和数字，不支持中文。

这些基本工作做完后，然后就是尝试智能手机模块与蓝牙芯片进行的接通。

4.4 单片机的设计处理
单片机：即单片微型计算机，是典型的嵌入式微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，需要往单片机写入串口通讯程序，在程序里设置输出口，输出口连接你想控制的硬件，我们输出口控制的是MOS 管。

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态，由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。

开关管是整个电源主要的工作器件，正确的选用，是电源成功制作的前提。

首先，开关管的截止时间不宜过长，假如截止时间过长，当开关管的上一个控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管还没有完全关断，马上就进入下一个导通周期，这样开关管几乎是一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源的损坏。

其次，开关的导通时间也不宜过长。

当开关频率较高时，开关管导通和截止的频率频繁，导通时间长，意味着开关管有更多的时间是在放大状态下工作（开关导通后是利用晶体管的放大作用而工作的），这样开关管的功耗就会迅速增加，电源的效率将大为下降。

最后要求MOS管的开启电压在I/O的输出范围内，这时I/O可以直接驱动，但为了防止上电暂态的失控，一般要加一个静态偏置即上拉或下拉电阻，这个由MOS管的类型（P沟道还是N沟道）决定。

现在我们基本上使用的类型是以NMOS
为主的，原因是导通电阻小，且容易制造。

MOS管的GS级有寄生电容,而且电容值还不小,所以通常情况下会在GS之间挂一个几十千欧的电阻,平且在驱动线路中串如一个几欧姆或者更小的电阻,以防止驱动放生震荡，也有是对MOS管的保护，以防击穿损坏。

设计的是对MOS管加正向电压，最好是在5V左右，这时它处于导通状态，由于MOS管的特性，要想它处于断开状态，形式上的断开往往还不行，漏电流是足以点亮LED灯的，如果想比较好的关断，需要用到负电压。

假如在频率很低的情况下只是用作普通的开关，在这里我们直接用三极管就行了，因此以此为研究对象我们实现单片机对三极管的控制，以三极管的导通与截止来对LED灯的开关的调控。

三极管的工作原理与特性，因为相对熟悉在这里我们就不一一作为介绍了。

单片机的I/O口引脚与三极管基极b之间串联接入一个小电阻，其中将单片机的I/O口引脚设置为输出模式,对于NPN型三极管发射极e接地.此时引脚I/O 口输出高电平,三极管则导通,CE极会有电流流过，反之送入低电平三极管截止。

而PNP型三极管正好相反,发射极e接电源，单片机的I/O口引脚输出低电平则导通,输出高电平截止。

但在这里必须要保证单片机的I/O口引脚输出高电平值等于三极管发射极e电压值才行,如果低与发射极e电压值,I/O口引脚不管输出高电平还是低电平三极管都是导通状态。

4.5 MOS管控制LED灯
LED即是发光二极管，作为半导体的元器件，在我们日常生活中经常见到。

它能够发光发亮，生活中控制LED灯印象大概中只有3个部分，电源，开关和输出设备。

发光二极管，与普通二极管一样，是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

全彩LED灯是一种新型LED幻彩灯，在幻彩LED灯的基础上增加了专业白光照明功能，既能提供专业照明白光，又能随意调节灯光的颜色和亮度。

全彩LED 灯采用白、红、绿、蓝（R、G 、B）四种基本颜色的LED灯珠芯片，每个芯片都。