基于蓝牙5 Mesh和GPRS网络的智能照明系统设计

贾志宏

摘 要：采用物联网技术对城市照明系统进行升级对提高其能效十分必要，因此文中基于蓝牙5 Mesh和GPRS网络设计一种以EFR32BG13P为主控芯片的物联网网关和LED照明灯。系统中，用户通过GPRS网络与网关进行通信，远程查看LED照明灯的工作状态、控制灯的开启和关闭。实验表明系统对远程LED照明灯能进行可靠的控制、及时发现异常状态并报警，提高了照明系统的能源利用率。

关键词：蓝牙5;Mesh网络;LED照明;物联网;GPRS;物联网网关

中图分类号：TP273+.5;TN919.3文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-033

0 引 言

随着科技的发展，人类正在进入一个万物互联的时代。应用物联网技术对传统照明系统进行升级，可以显著提高照明系统的能效。

本文设计一种基于蓝牙5 Mesh和GPRS网络的智能照明系统。用户通过GPRS网络与网关进行通信，远程查看LED照明灯的工作状态、控制灯的开启和关闭;及时发现故障和隐患，提高了照明系统的能源利用率[1]。

1 系统总体设计

该系统主要由物联网网关、蓝牙LED照明灯、OneNET远程控制平台组成。系统采用蓝牙Mesh网络与GPRS蜂窝IoT网络相结合的组网模式，利于系统设计和部署。蓝牙LED照明灯采用Mesh技术进行通信和组网，与物联网网关直接通信或路由通信;网关采用G510蜂窝IoT模块接入OneNET远程控制平台[2]。OneNET远程控制平台可以查询每盏灯的工作状态，或对其进行开关控制。系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件选型与设计

系统硬件包括蓝牙LED照明灯和物联网网关。

2.1 蓝牙LED照明灯硬件设计

蓝牙LED照明灯的硬件设计主要是控制器的硬件设计，包括：电源电路、MCU电路、射频电路和控制输出电路等[3]。

2.1.1 电源电路设计

控制器电源输入为交流220 V，电路需要用到直流5 V和3.3 V两种电压规格。电路采用AC/DC模块IRM-05-5，将交流220 V转换为直流5 V，用MCP1700-3.3電源芯片将直流5 V转换为直流3.3 V。MCP1700是采用CMOS工艺制造的低压差（LDO）稳压器，可以产生250 mA的电流，其静态电流[4]只有1.6 ?A。

2.1.2 MCU电路设计

蓝牙LED照明灯采用EFR32BG13P作为主控制器，兼容蓝牙5和蓝牙Mesh规范。

EFR32BG13P采用QFN48封装。芯片包含40 MHz ARM Cortex-M4F微控制器核，支持完整的DSP指令集和浮点运算单元，可增强系统运算速度。同时采用了低能耗、快速唤醒的Gecko技术。芯片具有片上512 KB闪存、64 KB RAM，大容量的存储器保证了蓝牙Mesh协议栈的正常加载和运行。

EFR32BG13P支持蓝牙5无线通信协议栈和蓝牙Mesh无线组网协议栈。相比蓝牙4.2，蓝牙5的无线传输速率提高了2倍达到2 Mb/s，传输距离提高了4倍，广播效能提高了8倍，广告扩展有效载荷从27 B增加到251 B。

2.1.3 射频电路设计

EFR32BG13P具有蓝牙低功耗无线电收发器，集成有功率放大器，可提供10 dBm的最大输出功率，具有-103.3 dBm的接收灵敏度，内部集成2.4 GHz的平衡不平衡转换器（balun），2.4 GHz天线接口直接连接到片上balun的2G4RF_IOP和2G4RF_ION两个引脚，2G4RF_ION引脚从外部接地。

2.4 GHz射频匹配电路由2.0 nH高频贴片电感L-14W2N0CV4E、1.5 pF射频贴片电容251R14S1R5BV4T及调整电阻构成。天线采用IPEX接口的2.4 GHz FPC软膜天线，增益5 dBi。

2.1.4 控制输出电路设计

MCU对LED电源的控制输出接口[5]主要是LED-ON/OFF开关控制信号输出接口电路。开关控制信号输出接口电路如图2所示。

电路使用了N沟道功率MOSFET XP151A13A0MR，MCU控制信号LED-ON/OFF输出至XP151A13A0MR的栅极，控制其源极和漏极的导通，从而控制继电器SDT-S-105DMR线圈的得电，继电器的一对常开节点控制LED灯的开关。线圈两端并联续流二极管D5，用于消除断电瞬间的自感电压。

2.2 物联网网关硬件设计

物联网网关功能是向上与云平台连接，向下与蓝牙LED灯组成无线Mesh网络。硬件主要由两个单元电路组成;一是以G510蜂窝IoT模块为主的OneNET远程控制平台接入电路;二是以EFR32BG13P芯片为核心的MCU电路[6]。

MCU电路设计与蓝牙LED灯MCU电路的设计相似。G510的OneNET远程控制平台接入电路的设计如下所述。

2.2.1 电源电路设计

物联网网关电源输入为交流220 V，电路需要用到直流5 V，4 V和3.3 V三种电压规格。电路采用AC/DC模块IRM-05-5将交流220 V转换为直流5 V;用MCP1700-3.3电源芯片将直流5 V转换为直流3.3 V。

G510是GSM/GPRS模块，GSM是时分多址，在发送时隙时会导致瞬时电流波动，出现电压纹波现象。如果处理不当，电压纹波将会降低模块的性能。电路采用线性稳压电源芯片降低电压纹波。MIC29302WU是一颗大电流低压差稳压电源芯片，输出电压在1.25～25 V范围内可调，最大输出电流可达3 A，最小负载电流为7 mA。为保证电路在各种工况下的正常工作，在LDO输出端设计了指示灯电路，同时起负载电路的作用。G510电源电路如图3所示。

G510模块的电源电压为4.0 V，设定R5的阻值为

2.21 kΩ，根据以下公式：

计算R3的阻值，结果取精密电阻值4.99 kΩ。

降低电压纹波的另一措施是在G510模块电源输入端并联一颗2 200 μF/10 V的电容，同时并联33 pF，10 pF电容滤除高频噪声。

2.2.2 G510电路设计

G510 模块支持GSM 四频850 Hz/900 Hz /1 800 Hz /

1 900 MHz，模块的GPRS 支持class 10。它能够被集成到任何需要通过蜂窝网络进行数据传输的IoT系统或产品中[7]。

电路采用内置eSIM卡的模块方案，外围电路简洁。模块的LPG管脚用来驱动联网状态指示灯，指示模块的不同工作状态。

2.2.3 射频电路设计

在模块和天线连接器之间设计了一个π型电路，其中电阻位置焊接0 Ω电阻，两个电容位置不焊接元件，预留供天线调试使用。天线采用IPEX接口的GPRS FPC软膜天线，增益[8]5 dBi。

2.2.4 射频电路阻抗匹配设计

射频电路为分布参数电路，在电路的实际工作中容易产生趋肤效应和耦合效应，在PCB 设计中，着力减小电路干涉、信号干扰和损耗，对射频电路稳定工作至关重要。

电路阻抗（Z）是关键参数之一，在使用2.4 GHz的频率时，射频电路迹线上某一点的阻抗与迹线的特征阻抗（Z0）有关。特征阻抗取决于印刷电路板基底和电路迹线尺寸、与负载间的距离及负载的阻抗。

当负载阻抗（ZL）（在发射系统中是天线，在接收系统中是EFR32BG13P芯片）等于Z0时，迹线上距离负载任意间距处测得的阻抗（Z）均相同，线路损耗降到最小，实现发射器与天线间的最大功率传输。电路设计中使用匹配网络来确保射频器件的阻抗等于迹线的特征阻抗。

EFR32BG13P芯片厂家基于芯片所连接的迹线具有50 Ω

的特征阻抗为芯片集成标称阻抗为50 Ω的平衡不平衡转换器。设计芯片外部电路的调谐时也需要确保阻抗精确到50 Ω。电路使用包括电感器和电容器的匹配网络及PCB的工艺设计来实现调谐[9]。

3 系统软件设计

系统软件设计包括蓝牙LED照明灯程序设计、物联网网关程序设计和OneNET远程控制平台程序设计[10]。

3.1 蓝牙LED照明灯程序设计

灯节点的功能之一是接收从物联网网关发送的打开或关闭LED灯的请求。

灯光控制基于蓝牙Mesh通用开/关模型。灯节点支持以下两种模型：OnPowerUp服务器模型和Default Transition Time服务器模型

OnPowerUp服務器模型在通电后将默认状态配置到灯节点。状态设置见表1所列。

Default Transition Time服务器模型表示配置灯光从一种状态转换到另一种状态需要多长时间。

为了支持上面列出的模型，灯节点设计有存储其内部状态的功能，以便在重新启动时使用。在程序中设计了一个名为lightbulb_state的结构体，状态信息保存其中。结构体包含4个字段，见表2所列。

灯节点作为服务器端，响应来自网关的任何请求，该请求可以不指定任何转换时间或延迟，则灯的状态立即改变。当指定转换时间或延迟时，灯节点应用程序会以给定的延迟启动软定时器;在软定时器到期之前，灯的状态不会改变。

3.2 物联网网关程序设计

网关程序设计包括蓝牙客户端程序设计和网关接入OneNet云平台程序设计。

3.2.1 蓝牙客户端程序设计

蓝牙客户端的任务之一是监听EFR32BG13P与G510模块的串行通信端口，依据命令打开或关闭指定组中的灯。接收程序流程如图4所示。

在收到网络节点初始化事件后，应用程序启用GPIO中断;并发送开/关请求。定时器在每次调用之间以50 ms的延迟触发发送开关请求的三次调用。

网络堆栈调用客户端发布函数，发布一个开/关事件。其中，将延迟参数在第一，第二和第三请求中分别设置为100 ms/50 ms/0。这样做的目的是确保目标组中的所有灯同时改变它们的状态，而不管在接收端获得三个开/关请求中的哪一个。

3.2.2 网关接入OneNET云平台程序设计

从OneNET云平台下载C语言版本的SDK，在EFR32BG13项目中创建目录EDP，复制SDK目录下的所有文件到EDP中，修改函数Open（），Close（），Send（），Recv（），来实现网络连接、关闭、数据发送、数据接收功能。采用while（）循环方式接收平台数据，应用串口中断，执行网关的接收函数，然后进行相应的处理。

3.3 OneNET云平台的程序设计

应用层通过RESTful API的方式和OneNET平台进行交互对接。API调用主要实现命令的下发、数据的读/写以及相关业务的交互。RESTful API及EDP SDK应用示意如图5所示。

4 实验结果

登录OneNET云平台账户，在显控仪表台界面进行远程蓝牙LED照明灯的工作状态查询、控制灯的开启和关闭操作;实时记录现场蓝牙LED照明灯的状态变化，与OneNET云平台显控仪表台界面指示状态一致，测试网络延时在理论计算的范围内。物联网网关如图6所示。

5 结 语

本文设计的基于蓝牙5 Mesh和GPRS网络的智能照明系统对远程LED照明灯能够进行可靠的控制、及时发现异常状态并报警，提高了照明系统的能源利用率，提高了系统运行效率，对增强城市照明系统节能减排效果有着积极的作用。

参考文献

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[2]邢毓华，宋俊慷，郭庆吉. 光伏应用系统远程监测平台设计[J].计算机测量与控制，2017，25（1）：57-60.

[3]黄晓红，朱宝明. 基于ZigBee和GSM网络的仓库环境监控系统设计[J].物联网技术，2018，8（1）：24-26.

[4]孙卓. 基于WSN和ZigBee的水质监测系统设计[J]. 电子设计工程，2017（24）：96-100.

[5]王玉婷，张建鹏，邱胜海，等. 一个智能蓝牙LED灯的开关控制系统的设计[J]. 物联网技术，2018，8（1）：49-50.

[6]任桂香，唐立军，任晓周，等. 远程实时堤坝边坡监测系统设计

[J]. 电子测量技术，2017，40（6）：190-196.

[7]徐军，杨帆，朴金宁，等. 室内环境参数远程监测系统设计[J].电子技术应用，2018，44（2）：48-51.

[8]王博，刘忠富，庄婧昱，等. 基于STM32的无线温室大棚控制系统设计[J].电子测量技术，2017，40（6）：42-46.

[9]温承鹏. 一种基于LoRa无线传输的嵌入式设备状态监测[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2018（12）：53-57.

[10]吕跃刚，邓文玉，刘俊承. 基于云服务器的旋转机械在线监测诊断系统设计[J].测控技术，2018（9）：108-110.