基于CC3200的无线照明控制系统的设计*

辛大欣 张志龙

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)

基于CC3200的无线照明控制系统的设计*

辛大欣 张志龙

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)

针对家居照明中布线复杂,控制繁琐的问题,结合TTP229触摸芯片、UCC28810电源控制器、光敏传感器等元件,设计了基于TI最新的单片Wi-Fi MCU CC3200的无线照明控制系统。系统主要包括电容触摸滑条的硬件设计、RF硬件电路设计、光敏传感器电路设计；通讯方式上,控制终端采用I2C方式,并通过无线Wi-Fi控制LED照明灯。经测试,系统能够实现智能无线调光的目的,具有一定的参考价值。

CC3200; TTP229; 无线控制

1 引言

LED照明作为家居生活中最重要的一个方面,合适的控制方式是实现舒适性与艺术性的有效措施,是实现节约能源的合理手段。目前照明控制一般分为调光控制与开关控制,传统照明控制方式大多是通过连接在照明灯回路中的手动开关或者旋钮对灯具进行开关或者亮度控制[1]。而采用直接数字控制器控制回路中交流接触器的分合的控制方式能有效解决传统的分散控制的问题,但却不能实现智能调光[2]。以上方式显然已经无法满足人们日益增长的生活需求,它们或者是自动化程度不够,不能够实现自动控制,或者是控制功能较为单一,无法实现人们对照明效果的不同需求。随着网络技术与计算机技术的发展,智能照明控制方式得以逐步实现,该方式将自动化控制与照明控制完美结合,不仅具备简单的开关控制,还能够对灯光亮度进行智能调节。基于此,本文设计了一种将开关控制与亮度控制结合的一体式智能无线照明控制系统,相比其他的智能控制方案,此Wi-Fi无线方式更加通用,控制方式更加灵活,并且相比其他Wi-Fi方案,功耗更低,实时性更好,在智能家居方面具有极大地应用价值。

2 系统结构与总体方案设计

本方案采用的无线通信控制平台采用业界第一个具有内置Wi-Fi连通性的单片微控制器单元CC3200,其内部集成80MHz运行频率的Cortex-M4内核,由Wi-Fi网络处理子系统、应用控制子系统以及电源控制子系统组成[3～4]。极低功耗处理机制可有效实现微处理单元的低功耗运行,强大加密引擎的MAC以实现支持256位加密的安全快速网络连接。CC3200模块支持Wi-Fi直连、访问点及基站模式。客户可以非常方便地将物理设备通过该模块连接到Wi-Fi网络上,从而实现物联网的控制与管理。电源管理子系统包括支持广泛电源电压范围的集成DC-DC转换器。系统可启用低功耗模式,诸如具有RTC的休眠模式,所需电流少于4μA。智能无线照明控制系统的整体框图如图1所示。

图1 系统的结构框图

图2 触摸滑条与PWM示意图

控制终端设计为使用双节5号电池供电的手持遥控模块,触控单元采用一款触摸芯片TTP229结合电容感应式原理设计而成,可以根据实际需求(控制亮度的精细度)独立支持8个触摸键或16个触摸键,触摸按键与PWM输出信号控制照明灯的亮度的示意图如图2所示。手持遥控模块上的LED灯用来显示Wi-Fi的连接状态以及LED灯的亮度信息,手持遥控上的按键用来控制终端的休眠状态(当长时间不使用时,将终端休眠处理,当需要使用终端时,通过按键的形式将终端唤醒),控制信息经过CC3200处理后由手持终端的RF天线发送出去[5～6]。电灯端接收到控制信息后经过PWM调制将控制信息发送到UCC28810电源控制器,控制LED照明灯的状态。电路中设计了一个光敏传感器电路,实现根据不同的光线情况自动调整LED亮度的智能控制的目的。

3 系统硬件电路的设计

3.1 电容触摸滑块的硬件设计

本设计方案采用无线手持遥控终端对LED照明灯的亮度进行调节,人机交互采用终端面板上的LED显示灯以及无级照明灯亮度调节触摸滑条。而将触摸滑条加入到照明灯亮度的调节中是本设计较为新颖的部分。电容CJ0、CJ1用于调节触摸滑条的灵敏度,电容CJWA用于调节休眠模式下唤醒灵敏度。在可用范围(1pF≦CJ0～CJ1≦50pF, 1pF≦CJWA≦50pF)内增大CJ0、CJ1及CJWA的值将降低触摸滑条灵敏度。当不连接任何电容时其灵敏度最大。TTP229在睡眠模式下有两种采样率,分别是8Hz和16Hz,从降低功耗的角度考虑,此次设计采用8Hz的休眠采样率。此模式的选择是通过连接TP5引脚到高电平的方式确定的。由于手持终端采用两节干电池供电,为了最大程度地降低功耗,电路设计上采用8Hz的休眠采样率。为增加电池使用时间,电路设计了有效键最大输出时间功能,硬件上采用连接TP7引脚到低电平的方式,以设置按键有效最大输出时间为80秒,同时通过TP6 连接高阻值电阻到VSS将睡眠模式下的采样长度设定为2ms。为能够在满足应用需求的前提下最大限度地减小功耗,此选择采用八键模式。TTP229通过I2C通讯方式与CC3200微控制单元进行通信,此模式下SDA 端口作为串行数据端口,SCL 作为串行时钟输入端口。八键模式的触摸滑块芯片TTP229的连接电路图如图3所示。

3.2 RF硬件电路设计

RF电路作为连接外部通信中重要的一环,电路设计的好坏直接影响通信的质量。CC3200采用标准的工业2.4GHz的输出频率,RF硬件电路如图4所示。图中的 L3、L4、C2、C3构成平衡转换器,将差分端口 RF P/RF N 平衡电路变换成为单端不平衡RF信号,从而很方便地截断流过电缆屏蔽层外的高频电流。图中的L4、L6、C5构成带通滤波器；C1、L1、L2构成低通滤波器。在本设计中 RF 的天线采用的是陶瓷天线。

3.3 光敏传感器电路的设计

为了实现自动调光的功能,在电灯端加入光敏传感器,以方便根据光线的不同对照明灯的亮度进行实时自动调节。从节约成本的角度考虑,本次设计采用的是5549光敏电阻组成的光线检测电路[7]。具体电路设计如图5所示。

图3 八键模式TTP229连接图

图4 RF硬件电路

电压比较器LM393的同相输入端1IN+接收接在光敏二极管在光照射时产生的电阻值变化所转化成的电压信号,此电压信号与1IN-(比较器反相输入端)的基准电压进行比较。当同相端子1IN+的电压比反相输入端1IN-大时,电压比较器LM393的输出端1OUT输出高电平信号,当同相端1IN+电压小于反相端1IN-端电压时,电压比较器的输出端1OUT输出低电平电压。

光敏二极管在没有光照时电阻值很大,电阻R2与光敏二极管R3组成的分压点电压升高,使1IN+端电压大于1IN-端电压,电压比较器输出端1OUT输出高电平电压,此时可控制照明LED灯亮。在有光照时,光敏二极管的电阻值很小,电阻R2与该光敏二极管组成的分压点电压下降,使同相端1IN+电压小于反相端1IN-端电压,电压比较器的输出端1OUT输出低电平电压,此时可控制照明LED灯灭。接在反相端1IN-端的电位器VR1用于调节该端的电位电压,这个电压也就是电压比较器输入的阈值翻转电压,用于光照灵敏度调节。LED照明端CC3200检测1OUT端电压,并与手持终端的控制信号进行综合,最终将综合后的控制信息传递给UCC28810电源控制器,并最终控制照明LED灯的亮度。

4 系统软件设计

4.1 电容触摸滑条的软件设计

触摸滑条是通过为每个触摸键分配的多个位置制成的,是多个触摸键的一个结合,实现简单的触摸滑块功能。此设计中的触摸滑块包括由8个按键,并创建每个触摸按钮有4个位置,它最大可以提供32个单独步阶的检测。步阶数是电容变化的反映,电容的变化幅度越大,Delta值越大。在系统中设置Delta的峰值以实现最大的响应,通过用最大的Delta值除以每一个按键的所需步阶数,通过每个按键的加权计算产生1～32步阶的线性输出。

图6 滑条位置的确定方法

4.2 I2C通信的软件设计

此次设计中的触摸单元和微控制单元的通信采用I2C的方式。CC3200和TTP229的I2C通讯协议均符合标准的I2C通讯协议。并且都支持最大SCL时钟频率为400Kbps的快速模式,从实际应用的角度出发,此次设计选择采用传输速度为100Kbps的标准通信模式。CC3200的I2C接口信号是某些IO口的的复用功能,应用时应将GPIO_PAD_CONFIG寄存器中的CONFMODE位置位以选中I2C功能,同时应使用GPIO_PAD_CONFIG寄存器中的IODEN位,将I2CSDA和I2CSCL设置为开漏极。软件设计中,为了进行连续的数据传输,应用程序不应该交换I2CSDR寄存器和TXFIFO的数据。图7所示为一次完整的数据传输的命令序列。

图7 一次完整的数据传送命令序列

4.3 控制端和接收端软件设计

为降低手持端功耗,尤其是Wi-Fi的功耗,通过软件设置TTP229以及CC3200的休眠模式,在长时间不使用手持终端对LED照明灯进行控制时,使终端进入低功耗模式(CC3200仅保持Wi-Fi的连接),而在需要进行控制操作时通过手持终端上的唤醒按键对模块进行快速唤醒,此次设计中设定为有效按键最长输出时间为80 s[8]。CC3200的电源管理子系统包含一个集成的DC-DC转换器,当启用低功耗模式时,该子系统的RTC模块的电流需求仅为4μA,低功耗的模式以及进入低功耗的时间由软件编程实现。同时为了防止终端的误操作以及控制其灵敏度,软件中还需要对触发时序进行设计。同时也需要在软件中进行触摸滑条的校准操作,系统上电时将首先对起始环境做自动校准,此后系统进入到待机模式。若全部触摸滑条4s内没有检测到触摸操作,系统将重新校准,此过程持续重复进行。此重新校准的特性实现了系统即使环境变化也可以正常工作的目的。图8所示为设计的触发时序。

图8 触发时序

系统软件设计中最重要的是发送端和接收端的功能设计,CC3200内部集成了可编程的Cortex-M4内核的MCU,允许用户方便灵活地添加修改代码。TI提供了丰富的API接口函数和丰富的例程,可以快速搭建起用户应用程序。软件采用C语言编写,程序中包含以下子模块:模式选择、触摸滑条检测、传感器检测、数据发送、数据接收、PWM转换等。图9为控制端和接收端软件设计流程图。长时间不操作时,手持控制端处于待机低功耗模式,以保证电池使用的持久性。当唤醒并操作滑条,手持端会检测触摸位置的变化进行PWM输出的改变,控制信息通过Wi-Fi无线发送出去。接收端会对接收到的控制信息进行处理,并通过PWM的变化进行LED亮度的调节[9～10]。系统中设计的光线传感器也会和手持终端协同对LED亮度进行调节,从而实现智能无线控制的目的。

图9 控制、接收端软件设计流程图

5 结语

本文将Wi-Fi无线通信与家居照明结合起来,设计了以CC3200微控制器为核心的Wi-Fi智能无线照明控制系统,经过软硬件的合理设计实现无线控制、智能控制等功能。设计中融合无线触摸滑条对灯光亮度的多级调光,设计并软件实现了CC3200的数据处理与无线收发功能。针对无线方案电池耐久度问题,通过设置触摸滑条芯片及CC3200芯片休眠的方式降低无线终端功耗。整个设计从实际应用需求出发,将家居智能照明和Wi-Fi无线通信与控制结合起来,具有很好的应用前景。

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Design of Wireless Lighting Control System Based on CC3200

XIN Daxin ZHANG Zhilong

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

Aiming at the problems that home lighting wiring is complicated and control is fussg, combined with TTP229 touch chip, UCC28810 power controller, light sensors and other components, wireless lighting control system based on TI’s latest single-chip Wi-Fi MCU CC3200 is designed. The system includes hardware design of capacitive touch slider, RF hardware circuit design, light sensors circuit design.On the aspect of communication method, control terminals use I2C and a wireless Wi-Fi to control LED lights. After testing ,the system can achieve intelligent wireless dimming, and has a certain reference value.

CC3200, TTP229, wireless control Class Number TP29

2016年10月8日,

2016年11月27日

西安工业大学校长基金(编号:XAGDXJJ14010)资助。

辛大欣,男,硕士,副教授,研究方向:人工智能、计算机控制。张志龙,男,硕士研究生,研究方向:计算机控制。

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.035