基于TG7100B 芯片的智能蓝牙灯控设备的设计与实现方法

蒋梦云 曹晨莹

（三江学院，南京 210012）

在数字时代，智能家居越来越受到人们的欢迎。智能家居中，灯光控制是重要的组成部分。传统的灯光控制方式已经无法满足现代人们的生活需求，因此设计一种具有智能化、可远程控制、快速响应的蓝牙灯控设备具有重要意义[1]。以TG7100B 芯片为核心，研究智能蓝牙灯控设备的设计和实现方法，旨在满足人们对家居照明的多元化需求。

1 设计思路

设备的设计思路主要包括电路设计、软件设计和硬件组装。TG7100B 芯片是设备的核心元器件，负责处理蓝牙信号和控制灯光。

1.1 整体硬件设计

TG7100B 芯片的PB-02-Kit 开发板是针对PB-02模组设计的一款智能照明开发板，亮灯电路如图1 所示。PB-02-Kit 开发板采用通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接 口，支持固件烧录[2]。开发板自带板载有红-绿-蓝（Red-Green-Blue，RGB）七彩灯和两路冷暖灯珠，可自行调节。模组全部可用输入/输出（Input/Output，I/O）模式以排针引出，方便自行开发调试。多个开发板互联，可用于Ble Mesh 组网调试，支持使用AT（Attention）指令和软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）二次开发，支持安卓和iOS系统的App 控制及微信小程序控制，还支持天猫精灵语音直连控制。2.54 mm 排针引出通用输入/输出（General-Purpose Input/Output，GPIO）、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）等接口，可自由搭配外设。

图1 亮灯电路图

1.2 RGB 三合一灯珠设计

RGB 三色灯可以通过红、绿、蓝三色混光成白光，也可以单独控制红、绿、蓝三色混光效果。由于红、绿、蓝三色封装在一颗灯珠里，可以通过外部控制器调整3 个颜色的电流，使其达到不同的亮度效果[3]。P23、P31、P32 用于控制发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯，高电平有效。I/O 管脚的驱动能力能够满足驱动LED 灯，无须增加额外的驱动电路。

1.3 软件设计

蓝牙连接是智能蓝牙灯控设备软件设计的关键部分。使用TG7100B 芯片内置的蓝牙协议栈，调用相应的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）函数，能够实现智能蓝牙灯与手机或其他蓝牙设备的连接。在连接过程中，使用通用唯一识别码（Universally Unique Identifier，UUID）、个人身份识别码（Personal Identification Number，PIN）等机制确保连接的安全性和稳定性。

数据接收与处理是智能蓝牙灯控设备软件设计的核心部分。解析从手机或其他蓝牙设备发送过来的数据，提取相应的控制指令和参数，可以控制灯光模块的亮度和颜色。在数据接收与处理过程中，采用一些常用的数据校验和处理方法，如数据过滤、异常处理等，以确保数据的准确性和可靠性。人体检测程序根据人体检测模块的信号变化来控制程序，实现自动开关灯功能[4]。

控制信号输出是智能蓝牙灯控设备软件设计的关键部分。调用TG7100B 芯片内置的PWM 模块和其他外设接口，可以控制灯光模块的亮度和颜色。在控制信号输出过程中，实现自适应控制机制，可以根据环境光线和用户需求自动调整灯光亮度和颜色，从而保证设备的智能化和舒适性。同时，实现一种异常处理机制，可以及时处理和恢复控制信号输出过程中可能出现的异常情况，保证设备的稳定性和可靠性。

2 实现方法

设计基于TG7100B 芯片的智能蓝牙灯控设备时，需要考虑硬件实现、软件实现和天猫精灵配网模块实现3 部分。首先，利用TG7100B 芯片自带的七彩LED 驱动模块和冷暖LED 驱动模块，实现多种颜色和亮度的变化，并根据环境光线和用户喜好自动调节。其次，利用TG7100B 芯片支持的蓝牙5.0 协议，实现与天猫精灵智能音箱或其他蓝牙设备的无线连接，并通过天猫精灵平台接入阿里云生活物联网平台。最后，利用天猫精灵智能音箱提供的语音识别和语义理解功能，实现对设备的语音控制，如开关、调节颜色、亮度、色温和场景等，还可以在移动端可视化界面进行控制。设备框架结构，如图2 所示。

图2 设备框架结构图

2.1 硬件模块实现

选择TG7100B 蓝牙芯片作为核心控制器。该芯片具有低功耗、高性能的特点，支持蓝牙5.0 协议，适用于智能家居和物联网等领域[5]。根据设备的功能需求设计外围电路，包括电源电路、蓝牙通信电路、灯光控制电路和人体感应电路等。

2.1.1 蓝牙通信电路

选择与TG7100B 芯片兼容的蓝牙模块，实现蓝牙信号的收发功能。根据蓝牙频段和传输距离要求，设计合适的天线电路，确保信号传输的稳定性和可靠性。通过串口通信电路将蓝牙数据传输到微控制器进行处理[6]。

2.1.2 灯光控制电路

根据LED 灯的额定电压和电流，选择合适的驱动电路，如恒流驱动芯片或MOSFET 管等。通过控制电路实现根据用户需求手动或自动调节LED 灯开关和亮度。结合人体感应模块和定时模块，实现定时开关灯的功能，同时根据环境光线和人体感应信号自动调节灯光亮度，达到节能的目的。

2.1.3 人体感应电路

选择合适的人体感应传感器，如红外传感器或超声波传感器，用于检测人体信号。处理传感器检测到的信号，如放大、滤波等，以便于微控制器识别。当检测到人体信号时，触发中断信号给微控制器，微控制器根据预设的程序进行相应操作。

2.1.4 其他功能模块

第一，显示模块。根据需求选择合适的显示器件，如有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示屏或LED 数码管等，用于显示设备的工作状态、时间等信息。第二，存储模块。选择合适的存储芯片或模块，用于存储设备的工作状态、定时计划等信息，以便实现设备的自动化控制和历史记录查询等功能。第三，按键与遥控模块。根据用户需求设计按键或遥控模块，用于手动控制灯光及其他智能家居设备的操作。第四，网络通信模块。根据需要加入Wi-Fi、ZigBee 等网络通信模块，实现设备与云平台或其他智能家居设备的互联互通。

2.2 软件模块实现

2.2.1 蓝牙通信模块的实现

在实现蓝牙通信模块时，需要使用TG7100B 芯片的API 进行编程。这些API 包括建立蓝牙连接、发送和接收数据等功能的函数，需要根据具体的蓝牙协议进行软件开发，确保设备与手机之间的蓝牙通信稳定可靠[7]。

2.2.2 控制程序的实现

控制程序主要负责解析接收到的蓝牙信号，并实现对灯光的开关和亮度调节。具体而言，当接收到开启灯光的指令时，控制程序需要输出高电平信号到灯光驱动电路，从而点亮LED 灯。当接收到关闭灯光的指令时，则需要输出低电平信号到灯光驱动电路，熄灭LED 灯。对于亮度调节指令，控制程序可以通过PWM 信号来实现。PWM 信号是一种占空比可调的方波信号，通过调整高电平的持续时间来改变平均电压，从而调节LED 灯的亮度。

2.2.3 人体检测模块的实现

在人体检测模块的实现方面，需要编写相应的驱动程序来控制传感器的工作，并处理传感器的输出信号。当检测到人体进入一定范围时，驱动程序应向控制程序发送开启灯光的中断信号；当人体离开一定范围时，则发送关闭灯光的中断信号。

2.2.4 定时程序的实现

定时程序通过计时器实现时间的精确控制。设备使用操作系统的定时器API 创建定时器，并设定定时时间。当到达设定的时间点时，定时器API 会触发一个事件，向控制程序发送相应的指令，实现灯光的定时开关。

3 天猫精灵配网模块实现

将天猫精灵恢复出厂设置，让其处于配网模式，并在应用商城搜索天猫精灵App 点击下载安装。打开App，找到天猫精灵型号，提交配网信息。配网成功后，天猫精灵会有语音提示。烧录好固件的PB-02 开发板上电，此时只需对天猫精灵说“找队友”，天猫精灵就会和PB-02 开发板配对连接。刷新App 页面后会看到设备上线，显示配对成功。

4 实验结果

为了验证本智能蓝牙灯控设备的性能和实用性，进行实验测试和应用效果分析。结果表明，设备的控制效果良好，响应时间迅速。在实际应用中，用户普遍认为该设备方便快捷。同时，该设备具有较低的能耗和较长的使用寿命，节省了能源成本和维护成本。

5 结语

以TG7100B 芯片为核心设计一种智能蓝牙灯控设备。实验结果和实际应用表明，该设备性能优良，实用性强，而且得到了用户的广泛认可。在未来的研究中，可以进一步探索设备的优化设计，拓展应用场景，以满足更多用户的需求。