基于CC2540的低功耗蓝牙门锁设计❋

洪琪璐，陆慧慧，赵庆岚

（1.南京理工大学机械工程学院，南京210000；2.陆军北京军事代表局驻二零七所军事代表室，太原030009）

基于CC2540的低功耗蓝牙门锁设计❋

洪琪璐1，陆慧慧1，赵庆岚2

（1.南京理工大学机械工程学院，南京210000；2.陆军北京军事代表局驻二零七所军事代表室，太原030009）

针对传统蓝牙门锁存在功耗大、成本高的问题，设计了一款基于CC2540的低功耗蓝牙4.0的智能门锁系统。选用集微控制器和射频于一体的CC2540芯片为主控芯片，采取低功耗、低成本的硬件设计和低功耗软件设计控制蓝牙门锁的功耗和成本问题，实现了智能手机开锁功能。测试结果表明，改进的低功耗蓝牙智能门锁系统不仅降低了功耗和成本，并且易于实现和操作，具有较强的实用价值。

智能门锁；功耗；低功耗蓝牙4.0协议；安卓系统；CC2540；智能家居

1 引 言

随着无线通信技术的发展和智能家居的普及，人们对于家居环境安全的要求和便捷智能生活的追求也越来越高，针对“手机已经连上家里的Wi-Fi，人却进不了家门”这一忘带钥匙的现象，蓝牙智能门锁应运而生。2010年蓝牙联盟正式发布蓝牙4.0规范，蓝牙4.0将3种蓝牙规格集一体，包括传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙技术。其中低功耗技术拥有功耗低、3ms低延迟、AES-128加密等优点［1］。与传统蓝牙设备采用16-32广播频道相比，低功耗蓝牙只使用3个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由22.5ms减少到0.6-1.2ms，从而大大降低了广播数据导致的功耗。随着支持蓝牙4.0规范的智能手机在人们生活中的普及，手机APP开锁的蓝牙智能门锁的发展前景越来越广阔。

目前的蓝牙智能门锁存在功耗大、续航能力差的问题，为了在提高蓝牙门锁续航能力的同时降低其生产成本，设计了一种基于CC2540的低功耗蓝牙智能门锁系统。首先，以蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，简称BLE）芯片CC2540为主控芯片，采用TPS60210作为电源管理芯片，使其工作在低功耗模式，从硬件上降低电源转换功耗，提高电池的使用效率；其次采用集成的巴伦电路芯片2450BM15A0002和贴片天线2450AT42A100，降低了印刷电路成本；同时开发了基于Android 4.3系统的应用软件，从软件上控制系统的工作状态，当系统空闲时进入休眠状态，从而进一步降低功耗，并通过该软件实现门锁与智能手机间的相互通信，控制门锁开关［2］。

2 低功耗蓝牙门锁系统设计

低功耗蓝牙门锁系统主要分为电源模块、主控模块以及外围模块、门锁模块和RF射频模块等［3］。该系统框图如图1所示，电源模块为整个系统提供正常的工作电压；外围电路包括两个晶振电路、键盘电路、LED检测电路和蜂鸣器电路；电机模块为系统开锁的执行模块，从而实现通过单片控制电机传动达到开锁的目的；RF射频模块主要作为信号的发送接收模块，负责整个系统的通信。

图1 蓝牙门锁系统框图

2.1 电源模块设计

电池续航能力是衡量蓝牙智能门锁质量的一项非常重要的指标，传统的蓝牙智能门锁电池供电时间短，并且输出电压纹波大，在开关频率高的情况下，电流输出较大。考虑实际应用情况，本系统采用两节1.5V的AA电池供电，满足CC2540芯片2V-3.6V的供电要求，由参考文献［4］的电池放电伏安曲线可知，电池的工作电压在2V-3.6V芯片输入电压之间无法达到稳定的状态。因此，采用了德州仪器的TPS60210电源管理芯片。该芯片拥有更宽的电压输入，最低可至1.6V，除此之外，其电压转换效率高达90%，静态工作电流低至2μA，极大延长了电池的使用寿命，并且该芯片还具有低压检测功能。其电源模块设计如图2所示。

2.2 主控模块及其外围模块设计

主控模块主要由主控芯片CC2540及其外围电路组成，CC2540F256芯片是德州仪器开发的蓝牙低功耗系统单芯片（SoC），内置增强型的8051 MCU、RF收发器、8KB的RAM和256KB的闪存［5］。由于CC2540自身集成了8051单片机，拥有21个通用I／O口和2个UART，一个全速USB 2.0，所以整个系统不需要外置MCU。电路如图3所示。蜂鸣器接P0_2引脚；按键接RESET引脚，作为复位按键；LED指示灯接P0_1引脚。

图2 电源模块电路设计

2.3 门锁模块设计

蓝牙门锁系统的RF射频模块接收到手机传输的开锁信号，由CC2540芯片进行数据处理并且通过I／O口P1_1控制门锁电机的开关状态，再结合机械结构传动装置，从而实现门锁开关。如图4所示，电机锁传动带动档杆运动，档杆转动嵌入配合后实现开锁。

2.4 天线模块设计

天线是通过导线电磁波的有效辐射来实现信号的输出和接收的重要设备，射频信号通过馈线传输到天线，由天线将高频电流能量转换成电磁波并辐射出去，因而，天线的选择将直接影响到蓝牙门锁系统的通信性能。Wi-Fi、蓝牙等无线信息技术均工作在2.4GHz ISM频段［6-8］，而2.4 GHz常用的天线有偶极子天线、单极天线、鞭状天线、倒F天线、蛇形天线及片状天线等［9］。为了减少蓝牙门锁模块的PCB尺寸，本系统选用片状天线，天线模块设计如图5所示。其中，本系统采用的CC2540芯片的RF输入／输出端口为平衡接口，为了将单端接口的天线与具有平衡输入／输出接口芯片相连接，需要在天线和主芯片之间接入平衡／不平衡转换器。本系统采用集成芯片2450BM15A0002作为平衡／不平衡转换器，较之传统的分立元器件组成的平衡／不平衡转换器，可大大减小PCB板的面积和空间，同时也降低了周围器件对于RF布局的敏感性。2450AT42A100为2.4GHz的片状天线。

图3 主控模块及外围电路设计

图4 门锁机械传动框图

图5 天线模块电路图

3 软件设计

蓝牙门锁系统通过Android4.3以上版本的手机系统APP与门锁进行连接［10］。门锁系统的软件设计由门锁软件和Android开锁应用软件两部分组成。门锁软件主要负责接收手机的广播信号并建立连接和校验开锁密码，3ms内建立连接后，接收手机发送的开锁信号，实现手机应用软件开锁功能。门锁程序框图如图6所示。Android开锁应用软件主要负责检测蓝牙开启状态、蓝牙的扫描启动与停止、扫描结果的获取、蓝牙连接的创建与断开及与门锁的数据传输等［8］。Android开锁应用软件的程序框图如图7所示。

图6 门锁程序框图

4 实验结果

在功耗方面，经测试，蓝牙门锁模块在休眠状态下的功耗约为0.4mA；唤醒状态下约为0.74mA；平均唤醒时间约为3μs；接收数据的功耗约为20mA左右，平均时间约为16ms；电机开锁状态下功耗大约为70mA左右；平均时间约为7ms。家庭使用蓝牙智能门锁频率以一天开锁10次计算，每天的功耗约为9.65mA·H，按照一节容量为2100mA·H的1.5V的AA电池计算，可以持续工作时间约为217.6小时。实验结果表明蓝牙门锁模块基本能满足低功耗要求。

图7 手机应用软件程序框图

5 结束语

该设计提出了一种基于低功耗蓝牙手机APP开锁的智能门锁系统，利用微控制器和射频于一体的CC2540为主控芯片，通过硬件电路设计控制功耗和成本，以及与软件低功耗模式设计相结合的方式，降低了低功耗蓝牙智能门锁的功耗和成本。通过实验验证了该系统低功耗、低成本的特性，并且具有较高的电源转换效率及低压检测功能，拥有较好的应用前景。

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［6］ Manuel Castillo-Cara，Edgar Huaranga-Junco，Giovanny Mondragón-Ruiz.Ray：Smart Indoor／Outdoor Routes for the Blind Using Bluetooth 4.0 BLE［J］.Procedia Computer Science，2016（83）：690-694.

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［9］ 范晨灿.基于蓝牙4.0传输的Android手机心电监护系统［D］.杭州：浙江大学，2016. Fan Chen Chan.The Android Smartphone’s ECG Monitoring System Based on Bluetooth 4.0［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2016.

［10］ 赵万年，潘辉，黄超，等.基于nRF51822的蓝牙防丢器的设计与实现［J］.电子科学技术，2016（1）：46-49. Zhao Wan Nian，Pan Hui，Huang Chao，et al.Design and Realization of Guard Against Theft System Based on nRF51822 Bluetooth Chip［J］.Electronic Science＆Technology，2016（1）：46-49.

Design of Low Power Lock based on CC2540

Hong Qilu1，Lu Huihui1，Zhao Qinglan2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210000，China；2.Military Representative Office207，The army of Beijing Military Representative Office，Taiyuan 030009，China）

Currently，because the traditional Bluetooth lock to the door has the problem of high power consumption and cost，the intelligent lock system，based on the chip of CC2540，using integrated micro controller and RF，is designed by low power hardware and software to control the power consumption and the cost.The test results show that the lock can be controlled normally for reduction of the power consumption and the cost，and is easy to be operated and has good practical value.

Smart lock to the door；Consumption；Bluetooth Low Power 4.0；Android；CC2540；Smart household

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.018

TP274

B

1002-2279（2016）06-0072-04

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（SJLX16_0134）

洪琪璐（1990-），女，浙江省金华市人，硕士研究生，主研方向：嵌入式开发，无线通信技术。

2016-09-09