【应用】基于EFR32MG12 ZigBee芯片的智能指示灯开关面板方案，软硬件开发简单、设备集成度高

时间： 2020-04-07 来源：世强

技术问答

目前智能家居领域中智能存在开关类设备指示灯颜色显示单一，不能根据用户的个性化需求灵活配置，不支持用户自定义开关状态显示等问题；如下图1所示，我们以两路智能面板为例，每个按键都会具有一个LED指示灯，用于显示本路灯的状态，一般指示灯灯亮为本路开关打开，指示灯灯熄灭为本路开关闭合，且两路灯的指示灯功能基本是一致的；而从实现的不同功能上区分，可以分为未配网状态、配网中状态，配网成功状态，配网失败状态，开关打开状态，开关关闭以及夜晚（或者阴暗环境）状态等，传统的智能面板显示方式为每种状态仅支持一种固定的显示方式，且不能设置改变，不能根据用户的需求进行定制化显示，用户有时会不希望指示灯点亮（针对某些特殊情况），特别是晚上睡眠的时候，卧室内几个开关面板无论以何种方式显示，或多或少都会影响睡眠质量，而如果面板直接不显示的话，又不能起到智能化的提示作用，与智能面板的设计理念背道而驰。

因此基于上述需求和用户痛点，我们提出一种能够支持智能化显示指示灯的智能面板方案，既能在黑暗环境自动延时关闭显示，夜晚在关闭的情况下，当用户接近的时候支持自动点亮，给用户以指示提示，还能够支持用户自定义设置指示灯显示的颜色，时长，亮度，支持用户自定义灯光显示的时间段，并且光照传感器还能够自动联动其他小夜灯等等，满足用户的个性化需求和配置，提升智能家居的整体用户体验。

图1.两路开关面板示意图

整个系统方案基于Silicon Labs EFR32MG12的ZigBee芯片为主控，由于多达65个通用GPIO 能够满足整体方案需求，因此此方案较传统智能面板方案省略一颗MCU，减少了ZigBee与MCU之间的通信连接，系统更稳定，效率更高，开发更便捷。如图2系统各功能详细说明如下：

1. EFR32MG12主控能够提供LED指示灯显示控制，继电器通断控制，按键输入操作检测，与无线网关的网络连接、数据传输和处理，开关的过零检测，环境光传感器及距离传感器的数据获取等功能，作为整个系统的数据处理中心；

2. 传感器模块，主要为环境光检测传感器和距离传感器，环境光检测传感器主要是用来检测周围环境光强度，距离传感器主要用户检测周围是否存在人近距离接触；如上图2所示，距离传感器安装在开关两侧中间位置，这样的设计优势为接近180度检测范围覆盖，几乎不存在盲区，用户从任何位置接近，都能检测到，避免盲区；环境光传感器安装在开关的上方居中位置，这样能够避免遮挡，检测效果较好；

3. LED灯，主要用于指示不同的状态，其颜色主要有红黄蓝三种颜色；且指示灯通过软件开关+延时操作实现三种呼吸灯显示状态：指示灯颜色分为红、黄、蓝，三色指示灯，且红灯、红灯同时点亮能够显示橙色的呼吸灯；呼吸灯由PWM控制，其中占空比分别为30%，60%，100%，亮度等级分别为等级1，等级2，等级3。其中橙色灯是经过用户调研最适合夜晚点亮的颜色，不刺眼，保护视力，且指示灯亮度经PWM分等级控制，亮度更柔和，LED指示灯与传感器工作流程图如下图3所示；

4. 按键输入模块，主要用于按键功能的输入、控制开关打开、关闭、入网操作，恢复出厂设置等功能；

5. 继电器模块，主要用于开关通断的实现，继电器开，对应灯亮，继电器关，对应灯灭；

图2.系统架构图

图3.指示灯与传感器检测流程图

综上所述，本方案能够提供解决智能开关未配网状态、配网中状态，配网成功状态，配网失败状态，开关打开状态，开关关闭以及夜晚（或者阴暗环境）状态下的智能显示，并能够提供多种颜色，多种亮度，多种呼吸闪烁频率，以供用户选择或者自定义配置（例如，21-凌晨7点灯光如何显示，7点至21点灯光如何显示），从而满足用户个性化的配置和选择，亦能够为用户提供便捷的显示和智能化的服务，提升了智能家居系统的扩展性和丰富性，也为系统方案设计以及安装施工带来了便捷，用户操作控制的便捷性也得到了提升，因此能够极大的提升智能家居用户体验。除此之外，基于Silicon Lab EFR32MG12系列的智能开关面板还有如下特性：

1、ZigBee性能稳定，系统扩展性强。相对于TI、NXP ZigBee方案，本方案推荐的主芯片SILICON LABS EFR32MG12系列，基于32位 ARM® Cortex®-M4 主频可达40MHz，内部Flash可达1MB ，256kB RAM，多达65个通用GPIO 能够满足ZigBee智能开关对于系统主频、内存及Flash需求，除此之外还具备如下优势：①EFR32MG12系列 2.4GHz射频TX功率高达19dBm，满足ZigBee智能开关对于传输距离的要求，此方案较TI2530等ZigBee方案更具优势，且智能开关在ZigBee网络中角色为网络中继，强大的信号发送能力，使得此ZigBee网络信号更稳定，传输距离也更远；②EFR32MG12系列在2.4GHz 1Mbit/s GFSK时，具备-94.8dBm灵敏度，使得ZigBee智能开关充当网络中继功能时，接收终端设备信号能力更强，维护了整个网络的稳定性；

2、智能开关初始具备初始化成功（恢复出厂设置）指示灯显示状态，恢复初始化配置操作包括灯光显示恢复为默认配置，联网信息恢复为默认；同时用户自定义信息保存在开关设备端Flash中，断电信息不丢失；只有恢复出厂设置或者重新设置，才会改变配置信息；

3、产品实测无线发射功率19dBm，接受灵敏度-97dBm，天线辐射效率约35%，整机通信距离空旷环境实测100m以上，上述指标满足应用领域无线接入的需求；

4、扩展性更强。EFR32MG12系列完美支持ZHA和ZigBee 3.0 协议，ZigBee 3.0 协议较ZHA 安全性更高，协议兼容性更高，而 Silicon Labs 以EFR32MG12为基础的ZigBee 3.0 协议栈更稳定，是目前全球领先的ZigBee 3.0解决方案，国内各大ZigBee模组厂商均选用此方案推出自己的ZigBee3.0 模组和产品，且能完美的兼容ZHA与ZigBee3.0协议，因此，此方案更利于智慧家居互联互通和便捷入网功能的实现。

Silicon Labs EFR32MG12 多协议无线SOC产品免费提供稳定的协议栈及辅助插件，以简单的图形化界面展示，开发方便快捷，保证性能的同时降低射频部分硬件的开发难度，极易产品化。综上，基于Silicon Labs EFR32MG12系列开发的ZigBee智能指示开关面板不仅具备软硬件开发简单、设备集成度高，整体成本更低，设备多功能，而且系统协议栈更稳定、兼容性更高，市场竞争力更足，目前项目已经在试产阶段，目标市场主要应用于四星及以上酒店项目，高端地产领域等，功能亮点突出，用户体验佳。

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