2021年度基于的照明控制系统设计毕业设计

目录

1序言.........................................................................................................................................12总体方案设计..........................................................................................................................22.1方案比较.....................................................................................................................22.1.1方案一传统蓝牙3.0+一般灯泡...................................................................2
2.1.2方案二低功耗蓝牙（BLE）+LED灯.............................................................2
2.2方案论证.....................................................................................................................22.3方案选择.....................................................................................................................3

3.1各单元模块功效介绍及电路设计.............................................................................4
3硬件设计................................................................................................................................3

3.1.4电源电路.........................................................................................................5 3.1.5外围LED电路...................................................................................................6 3.1.6复位电路.........................................................................................................6 3.1.7下载调试电路.................................................................................................7 3.2特殊器件介绍.............................................................................................................7 3.2.1蓝牙CC20芯片...............................................................................................7 3.2.2USBDongle.......................................................................................................8 3.2.3.SmartRF04EB...................................................................................................94软件设计...............................................................................................................................10
4.1系统设计框图...........................................................................................................10

4.2软件设计原理及设计所用工具...............................................................................11 4.2.1软件设计原理...............................................................................................11 4.2.2设计所用工具...............................................................................................17 4.3HostTestRelease主机编程.....................................................................................19 4.4SimpleBLEPeripheral从机编程.............................................................................225系统调试...............................................................................................................................27 5.1调试平台介绍...........................................................................................................27 5.2调试步骤...................................................................................................................276总结和体会...........................................................................................................................307谢辞.......................................................................................................................................318参考文件..............................................................................................................................329附录......................................................................................................................................33
附录一电路原理图................................................................................................................33

1序言
伴伴随科技发展,电子技术不停地革新,生活水平大大提升,大家对家庭生活也提出了更高要求,而照明作为家庭生活一个关键组成部分,

伴随经济增加大家生活水平也不停提升,大家对房间灯光效果要求也越来越高。

期望在房间中进行不一样活动能够取得不一样照明体验。

而采取智能照明系统恰好能满足大家对丰富多彩生活需求,所以不管从节能角度还是从结构一个舒适生活环境角度来讲,开展智能照明研究全部是必需。LED作为一个新型绿色光源,更是得到了大家青睐,它不仅环境保护, 功耗低,更含有体积小, 安全耐用等优点。 此次设计目标关键是为了处理家庭照明能有愈加好体验, 蓝牙4.0是最新推出一代蓝牙技术规范,含有高可靠性, 低成本,低功耗, 快速开启、瞬间连接, 传输距离极大提升,高安全性等优点。

也能够由单个BLE从机和BLE主机相连接,不一样网络拓扑对应不一样应用领域,而此次设计实现是单个BLE主、从机之间连接。 蓝牙无线传输能确保数据能够立即、正确地送回到控制中心,而且现在手机应用已经很广泛,实现BEL和安卓结合将促进“物联网”发展,在这一过程中BLE起到作用是很关键,这将从根本上推进物联网快速发展。

在 此 我 们 首 先 要 了解 协 议 栈 ,因为蓝牙4.0软件编程建立在一定协议栈基础上,即使其难易程度不定,

此次设计将以TI企业CC20芯片作为关键开发板,然后依据LED照明电路需要在外围拓展数据采集端,再由CC20USBDongle和上位机串口调试软件来组成PC端。最终经过对蓝牙4.0协议栈进行编写和应用来实现数据采集模块和PC机有效通信。

2总体方案设计

2.1.1 方案一 传统蓝牙3.0+一般灯泡2.1方案比较

图2.1一般蓝牙传输步骤图2.1.2方案二低功耗蓝牙（BLE）+LED灯
采取低功耗蓝牙BLE和LED灯方法,步骤图图2.2所表示:

图2.2低功耗蓝牙传输步骤图

2.2方案论证

方案一采取是蓝牙3.0+一般灯泡方法,蓝牙3.0:BT 3.0 +HS, 高速传输速率,而且速率将提升到约24Mbps。4月21日, Bluetooth SIG 正式颁布了"BluetoothCore Specification Version 3.0 High Speed" (蓝牙关键规范3.0版高速),蓝牙3.0是以一个新型射频技术——"GenericAlternate MAC/PHY"(AMP)作为关键,其许可蓝牙协议栈针对任何一个任务动态选择正确地射频。

但在新规范中UMB应用被取消了。在新版规范里,
蓝 牙 3.0最 初 规 含 802.11和 UMB,

即使蓝牙3.0高速传送大量数据会消耗更多能量,但我们引入了增强电源控制机制,再辅以802.11,将显著降低其空闲功耗。
方案二采取是低功耗蓝牙（BLE）+LED灯方法。

4.0版本强化了3.0版本在数据传输上低功耗性能,和3.0版本比较有更省电、成本低、低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等优点;常常见于智能家居,可穿戴设备,医疗保健类智能仪器上。

低功耗蓝牙有以下特点和优点:
1.该技术运行和待机功耗极低,一块小小电池全部能够使其正常工作数年。2.支持1Mbps数据传输率下超短数据包。含有超低工作循环设计。

3.采取自适应跳频,能有效降低和其它无线技术之间大干扰。4.能够在极短时间内完成连接并开始传输数据。

5.调制指数范围大。

6.使用AES-128CCM加密算法进行数据包加密和认证。7.拓展能力十分强大。

8.无需复杂网络就能够实现数据在网状拓扑内转移。

2.3方案选择

蓝牙3.0使用是Wi-Fi技术,这种技术极大提升了传输速度。能够实现蓝牙3.0设备经过Wi-Fi和其它设备进行数据传输;蓝牙4.0中则在3.0版本基础上拓展出新功效结构,同时设计了低功耗工作模式,

传输速度快等优点,使其可应用领域很广泛,让蓝牙技术得到了充足应用。
这使其性能愈加完善。另外,蓝牙4.0还有低成本和跨厂商互操作性,和反应灵敏、

低功耗蓝牙+LED灯方法。

3硬件设计

3.1各单元模块功效介绍及电路设计

3.1.1 CC20关键电路
CC20关键板电路关键包含CC20单片机、全尺寸倒F天线,

晶振和扩展接口,CC20关键板图3.1所表示:

图3.1 CC20关键电路

3.1.2晶振电路

所以本设计安装要求设计了这2个晶振电路,晶振电路接口图3.2所表示:

CC20外部由多个简单阻容网络来组成复杂RF前端。

这部分电路设计成功是否直接影响通信距离和系统功耗。此次设计是根据TI企业提供参考来完成电路二次开发。

天线设计依据使用位置不一样而有所不一样,通常有PCB天线和SMA天线两种设计形式。而本设计采取是PCB天线,其天线电路图图3.3所表示。

图3.3 天线电路

3.1.4电源电路
CC20关键板供电可由SUB转换,也能够由锂电池等供电,电压输入范围在3.4～6V,电源电路图3.4所表示。

图3.4 电源电路
3.1.5外围LED电路

图3.5 LED电路
3.1.6复位电路
CC20本身内部集成有电复位电路,但本设计中为了方便程序调试,

这么能够很好预防在使用UART转串口时候因直接断电而造成PC机出现异常。复位电路图3.6所表示。

图3.6复位电路

3.1.7 下载调试电路
CC20开发板使用是标准CC-Debugger调试接口,为了调试方便,故特意将debugger接口9号引脚和2号引脚短接,这么就能够使用CC-
Debugger为开发板提供电源。下载调试电路图3.7所表示。

图3.7下载调试电路

3.2特殊器件介绍

3.2.1蓝牙CC20芯片

CC20集成了2.4GHz射频收发器,是一款完全兼容8051内核无线射频单片机,它完美兼容了蓝牙低功耗协议栈,很适合蓝牙低功耗开发和应用,它有3个不一样存放器访问总线:

CC20单片机使用单周期访问SFR、DATA和SRAM。

当CC20处于控线模式时,任何终端能够把CC20恢复到主动模式。

在系统关键存放器交叉开关使用SFR总线将CPU、

DMA控制器和物理存放器和全部外接设备连接起来。

这就是CC20单片机在线可编程非易失性存放器,

而且映射到代码和外部数据存放器空间。除了保留程序代码和常亮之外,

非易失性存放器许可应用程序保留必需数据,以确保这些数据在设备重启后可用。

图3.8是CC20内部结构图:

图3.8CC20内部结构图

3.2.2USBDongle

图3.9所表示,CC20 USBDongle实物图。它是作用是能够配合TI

USBDongle经过USB接口和PC连接,安装TI驱动程序,将USBDongle模拟成串口,

然后运行BTool。

图3.9USBDongle 实物图

3.2.3.SmartRF04EB

图 3.9所 表 示 , 是 SmartRF04EB实

它是用来调试和下载软件到EM仿真器。它是TI第一代CC系列仿真器,性价比高,

支持CC20和CC2530,但不支持CC21。

图3.9SmartRF04EB 实物图

4 软件设计
4.1

图4.1系统步骤框图

4.2软件设计原理及设计所用工具

4.2.1 软件设计原理

假协议具体表现形式关键是经过协议栈实现,什么是协议栈呢？通常我们能够这么了解,

该接口能够愈加好方便开发人员利用它来进行对应协议处理,

当然必需遵守通信协议标准,以此来实现数据传送和接收;也能够这么了解,

它就相当于一个数据库,当我们需要用到它时候,

此次设计基于蓝牙4.0BLE协议栈就是在此基础上实现,经过该数据库调用,

而且以函数形式表示出来,以提供给部分应用层API,供开发者进行合理正当调用。

当然我们也需要注意到部分注意事项,该协议即使是统一,
不过它表现形式却是不停变换,即不一样厂家提供协议栈是不一样,

有时候这种差距还是很大,所以我们在选择和调用时候需要尤其注意。

蓝牙4.0BLE协议栈含有很多版本,不一样厂商提供蓝牙4.0BLE协议栈有一定区分,此次毕业设计选择是TI企业推出蓝牙4.0BLE协议栈BLE—CC2x—1.3.2.

协议栈关键由两个部分组成,主机和控制器,如TI企业研究开发新型一代蓝牙4.0BLE协议栈。

协议栈关键是经过实施分层模块思想方法来实现,如控制器物理层、链路层、 主机控制接口层等;其中主机部分又分为很多管理层,
比如通用访问配置文件层及属性配置文件层、安全管理层及属性协议层等。

这些不一样层全部含有各
自不一样功效,它们共同组成了一个蓝牙协议栈,图4.2所表示:

蓝牙4.0BLE协议栈利用这种分层模块思想将服务、接口、

这么不仅使得各个模块分层之间含有很强性,

也使得我们在修改内容方面起到了很大很方便作用,因为它们性,

当一部分发生变换需要我们修改时,我们就能够经过对应模块分层进行修改,

简化了我们工作任务。

物理层PhysicalLayer它是一个1Mbps自适应跳频GFSK射频,而且当工作于工业、

科学、医疗领域时免许可证2.4GhzISM频段。

链路层LinkLayer是用来控制设备射频状态,等候、广告、 扫描、

初 始 化 和 连 接 是 设 备常 常 处 于 五 种 状 态 , 其 中 ,

广告设备是不需要建立设备之间连接就能够进行数据发送,

扫描设备能够进行收听广播设备等发出对设备相关数据;

连接设备提议是经过连接发送请求对广播设备进行对应回应,

这

使得广播设备和连接设备正常进入到工作状态。

接口层是连接主机和控制器之间标准通信接口层,它能够是软件API或硬件电路,

如生活中我们常常见到UART、SPI、USB等。

逻辑链路控制及自适应协议层是能够为上层提供封装数据任务,

而且它能够实现在逻辑上数据通信进行点对点服务。

属性协议层简称为“属性”,能够经过它向其它设备展示自己特定属性数据,

在部分环境中,我们也把展示设备属性设备称作为服务器,如在ATT环境中,

当然有服务器就会有对应用户端,它是和属性设备配正确设备,

而且主机和从机链路层状态是和对应设备ATT角色是相互各不相关。

通用属性配置文件层是一个定义使用ATT相关服务框架,

而且在ATT服务上面属于一层结极,这当中GATT要求相关配置文件结极,

这种特征是建立在两个设备连接之间全部数据之间进行相关通信,

而且它们是GATT子程序处理过,再在应用程序中在GATT层直接简单进行使用。 TI企业无偿蓝牙4.0BLE软件开发套件是完整地支持单模蓝牙4.0BLE应用开发平台,它基于CC20/CC21射频单片机,蓝牙4.0BLE软件平台支持两种不一样应用开发配置。

协议栈工作步骤图4.3所表示:

图4.3 协议栈工作步骤

OSAL（操作系统抽象层）是类似于一个系统抽象层,但它不是一个真正意义上操作系统。

OSAL常见术语:

需要了解到部分相关OSAL常见术语,如资源、共享资源和任务等。

再把这些小任务经过相关技术要求组织起来,这些小任务完成,

也有一定优先级,同时它们通常全部拥有自己寄存器和堆栈空间。在设计时,

我们常常使用到内核,借助内核能够使得程序设计方法大大简化,

而且能够使得一个任务经过不一样小任务表现出来且得到我们要求实现。

保护共享资源最常见方法是:
1.关中止;
4.使用信号量。

其中,在蓝牙4.0BLE协议栈内嵌操作系统中,关中止是我们常常采取方法。

在蓝牙4.0BLE协议栈中,OSAL关键提供以下功效:1.任务注册、初始化和开启;
2.任务间同时、互斥;
3.中止处理;
4.存放器分配和管理;
5.提供定时器功效。

在新推出蓝牙4.0 BLE协议栈中,其中有三个变量值得一提:
tasksCnt: 该变量保留了任务总个数。

该变量申明为:uint8 taskCnt。其中uint8定义为:typedef unsigned char uint8。

taskEvents:这是一个指针;
该变量申明为:uint16 *taskEvents。其中uint16定义为:typedef unsigned short uint16。

taskArr:这是一个数组;
该数组申明为:pTaskEventHandlerFn taskArr[].这是一个函数指针,指向了对应事件处理函数。

4.2.1.2硬件抽象层HAL
硬件抽象层（HAL）是一层提供硬件服务而又不包含太多硬件细节,是为应用程序提供访问GPIO、UART、ADC等硬件接口。

硬件抽象层文件目录图4.4所表示:

图4.4HAL文件目录

HALInclude文件夹包含HAL驱动及HAL相关文件头文件,图4.5所表示:

图4.5Include文件下头文件

HAL Target文件夹下Drivers包含全部HAL驱动“.c”文件。
（1）通用访问配置文件（GAP）:
BLE协议栈中GAP层负责处理设备访问模式和程序,包含设备发觉、
建立连接、终止连接、初始化安全特色和设备配置。

GAP层总是作为下面四种角色之一:
广播者—不可连接广播设备;
观察者—扫描广播,但不提议建立连接;
外部设备—可连接广告设备,能够在单个链路层连接中作为从机;
集中器—扫描广告设备并提议连接,在单链路层或多链路层作为主机,现在,

经过外部设备广告特定数据使得集中器来分辨它是否是一个能够经过相关连接设

比如说设备地址和部分相关额外数据和部分设备名称。

然后在经过对应外部设备发送用户指定扫描请求,经过部分简单处理,经过外部部分设备将部分系统特定数据反馈回给集中器,这一阶段我们称之为扫描回应。当它收到这一阶段扫描回应后,经过系统判定便知道它是一个能够连接外部设备,这一过程我们称之为设备发觉过程。再以后,系统就向外发送建立连接设备请求。

从机延迟—这个参数设置能够使从机（外部设备）跳过若干连接事件,
这给了外设更多灵活度,假如它没有数据发送时,能够选择跳过连接事件继续休眠,以节省功耗。

则设备被认为是丢失连接,返回到未被连接状态。这个值单位是10ms,

超时值必需大于有效连接间隔[有效连接间隔=连接间隔*（1+从机延迟）]。

外设能够经过向集中器发送“连接参数更新请求” 来改变连接设置,这个请求由协议栈L2CAP层来处理。这个请求包含4个参数:最小连接间隔、最大连接间隔、从机延迟、超时。这些值代表了外设所要求连接参数。当集中器收到请求后,能够选择接收或拒绝这些新参数。

连接能够被主机或从机以任何原因自动终止。当一方提议终止连接时,

主机既能够是GATT用户端也能够是GATT服务器;从机既能够是GATT用户端也能够是GATT服务器。在蓝牙4.0BLE协议栈中SimpleBLEPeripheral应用中,有三个GATT服务。GATT定义了在BLE连接中发觉、读取和写入属性子过程。。属性表是一个数据库,包含了称为属性小块数据,除了值本身,每个属性全部包含下列属性:
句柄—属性在表中地址,每个属性有唯一句柄;