一种蓝牙网关产品的实现

张强 姜海洋 李红建 陈灿东 周林

摘 要：基于WiFi芯片和蓝牙芯片设计了一款蓝牙网关产品，它具备后备锂电池供电功能，在外接电源断电的情况下能够自动切换到电池供电并保持周边智能家居传感器设备与蓝牙网关正常通信。为了应对复杂的家居环境，它还集成有功率放大PA芯片，可实现RF信号的放大输出与全屋蓝牙信号覆盖。并集成有压电蜂鸣片驱动电路和压电蜂鸣片报警电路，可实现80 dB以上的报警音量输出与智能家居应用场景集中报警功能，降低周边智能传感器设备成本。

关键词：WiFi;蓝牙;电池供电;智能网关;功率放大;报警

中图分类号：TP39;TN99文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-02

0 引 言

目前智能家居市场发展迅速，万物互联已成为时代发展趋势[1]。目前家庭智能组网大多使用ZigBee或蓝牙技术实现，组网产品包括智能网关产品和周边传感类产品、控制类产品。其中网关产品作为智能组网的核心部分，在家庭智能组网应用中格外重要[2]。

1 总体设计

该网关产品主要由电源管理单元、WiFi主控单元、蓝牙单元、报警单元、RTC单元组成，系统整体设计如图1所示。该产品供电包括外接USB供电和后备锂电池供电，当外接电源市电断电时，可通过后备锂电池为整个系统供电。设计中的蓝牙网关还集成了可输出80 dB以上报警音量的压电蜂鸣片，当网关接收到如烟雾传感器、煤气传感器的报警信息后发出声音报警，并推送报警信息至远端手机[3]。

2 硬件设计详述

网关产品基于2.4G WiFi主控RTL8195和蓝牙芯片nRF52832设计，其中蓝牙部分实现本地组网应用，WiFi部分作为网络侧通道，实现与WiFi路由器和云端的数据交互[4]。

2.1 WiFi主控

WiFi主控选用支持2.4 GHz频段的RTL8195实现，外挂4 MB SPI接口的NOR FLASH存储，用于存储程序代码和用户数据。主控GPIO连接轻触开关按键，并检测按键操作，该按键主要用于网关产品的配网与恢复出厂操作。本产品设置有LED状态指示灯用于指示无线网络连接状态，网关与云端平台、网关与周边产品通信状态。

2.2 蓝牙

蓝牙组网应用部分选用Nordic公司设计生产的nRF52832，该芯片支持低功耗蓝牙BLE应用，最大发射功率为4 dbm。为了应对家居复杂环境，外挂一个最大22.5 dBm输出功率的功率放大PA芯片RT201，实现RF信号的放大输出[5];通过nRF52832芯片的GPIO口实现PA芯片的发送与接收控制。

2.3 RTC电路

为保证网关产品本地时间的同步，采用RTC实时时钟芯片PT7C4337A实现本地计时，PT7C4337A通过I2C接口连接主控芯片[6]。使用超级电容作为RTC电路备用电源，在市电断电与锂电池电能耗尽的情况下，可通过超级电容RTC电路供电，维持本地计时。相比纽扣电池，采用超级电容为RTC电路提供备用电源具有免维护的优点。

2.4 报警单元

周边传感器产品如烟雾报警器、漏水检测器、煤气传感器等检测到异常需进行声音报警。本网关产品集成有报警单元，可实现家居组网应用的集中报警，无需每个传感器单独集成报警电路，降低了周边传感器产品的成本[7-8]。选用压电驱动芯片PAM8904，主控芯片通过GPIO输出方波信号经过放大后输出，最大可输出24 Vpp的差分音频驱动压电蜂鸣片，实现80 dB以上报警声音输出。

2.5 电源管理电路

文中的蓝牙网关产品可由USB供电或后备电池供电，当市电停电时，后备锂电池为整个系统供电，保障市电停电情况下家居组网应用的本地监控可正常运行。电源管理单元主要由充电管理电路、DC-DC转换电路、电源路径管理、电池电流监控电路组成，其功能如下：

（1）充电管理电路对锂电池进行充电管理;

（2）DC-DC转换为其他电路提供工作电源;

（3）电源路径管理电路主要實现外接USB供电和电池供电的自动切换管理;

（4）电池电量监控电路主要实现锂电池电量监控[9]。

3 蓝牙组网工作流程

智能家居蓝牙组网工作流程如图2所示。蓝牙网关产品首次使用需要进行配网操作，使用配套的手机APP添加蓝牙网关产品，并为蓝牙网关产品设置所连接的路由器。配网操作后，网关产品将自动与云端同步，手机APP端将显示网关产品在线状态。完成网关产品添加后，需添加周边传感器或控制类产品，网关产品将作为周边产品的控制中心[10]。蓝牙组网成功后，网关与周边产品之间将保持定时心跳数据连接，并在手机APP端显示设备在线、电池电量、报警等信息，还可通过手机端APP远程实现家居环境的监控与控制功能。

4 结 语

本文介绍了基于RTL8195和nRF52832的蓝牙网关产品的硬件设计，并对基于蓝牙网关的产品组网工作流程进行了描述。设计的蓝牙网关产品具备后备电池供电、可应对家居复杂环境信号覆盖、可实现本地声音报警和远端推送报警信息的能力。

参 考 文 献

[1]米秋香.基于2.4G技术的智能家居系统实现[D].广州：华南理工大学，2018.

[2]黄鑫.基于物联网的多模式网关研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2018.

[3]曾胡涛，黄晁，白玉军.基于BLE Mesh组网应用系统设计[J].传感器与微系统，2017，36（12）：64-67.

[4]王浩.多通道智能网关设计与实现[D].北京：北方工业大学，2017.

[5]王佳欣.智能家居系统网关的设计与实现[J].智能计算机与应用，2016，6（3）：41-45.

[6]邓军，吴俊君，詹泳.基于S3C44B0X的蓝牙家庭网关的设计[J].现代计算机（专业版），2007（11）：104-106.

[7]符修文.基于物联网的消防监控系统关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[8]马沙沙.基于Arduino&Android的烟雾报警系统[D].西安：长安大学，2017.

[9]蒋宏杰.智能家居控制系统软硬件设计与实现[D].昆明：云南大学，2017.

[10]张泽.面向智能家居应用的蓝牙组网技术研究[D].北京：北方工业大学，2017.