<h1>超低功耗可接入HomeKit的BLE传感器与无线按钮</h1> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/zsQrDQ9DMS2eIDVUarngTe7zr8kPYZwQxLTN8JXN.jpeg" alt="LC6-主图v3.jpg"></p> <h3>一、功能介绍</h3> <p>本项目设计了BLE多合一传感器与双键无线按钮，平均电流10.8、6.2uA，CR2032电池续航1.9年、3.2年 。</p> <p>通过自制的ESP32网关接入苹果HomeKit，成为苹果家庭智能家居的组成部分。</p> <ol> <li><strong>BLE多合一传感器</strong>：支持温湿度、光照、门磁，由网关接收数据并接入HomeKit。可通过网关查询历史数据。门磁状态可用于配置HomeKit家庭自动化。</li> <li><strong>BLE双键无线按钮</strong>：支持单击、双击、长按事件，由网关接收数据并接入HomeKit，接入后为可编程无线按钮（STATLESS PROGRAMMABLE SWITCH），可自定义事件功能，如控制其他配件状态（灯开关/亮度等）、启用场景、或执行快捷指令。</li> <li><strong>TLSR825X烧录器</strong>：TLSR825X（TLSR8250）为本项目使用的BLE主控芯片，硬件上使用安信生产的该芯片对应的模块TB-03F和TB-04。该烧录器可用于对TLSR825X的烧录调试，另引出电流测量引脚以测量功耗。烧录器中使用了<strong>航顺芯片HK7530</strong>，购买于立创商城（编号：C495381）。</li> <li><strong>ESP32 HomeKit网关</strong>：ESP32为支持蓝牙（传统蓝牙+BLE）与WiFi的双模芯片，本项目未对ESP32网关制作专属硬件，使用通用的ESP32芯片模组或开发板，软件上使用ESP32作为HomeKit网关，接收BLE Beacon数据，通过WiFi桥接至苹果HomeKit。具备体系化的桥接多数量、多类型BLE节点的能力，支持多类型数据，数据协议灵活易扩展，可本地存储节点历史数据。目前支持桥接的HomeKit数据属性包括：温度、湿度、光照、电量、接触(contact)、动作(motion)、存在(occupancy)、按键(stateless_programmable_switch)。</li> </ol> <h4>技术框图</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9sFUsK6ODuSCzuLiqx1SpwyJXxmpqXKYVtXvmNIh.png" alt="LC6-技术框架新-裁剪.png"></p> <h4>主要特点</h4> <ul> <li><strong>国产主控</strong>：主控采用国产芯片，泰凌微TLSR8250和乐鑫ESP32</li> <li><strong>超低功耗</strong>：BLE节点平均电流10.8、6.2uA，CR2032电池续航1.9年、3.2年</li> <li><strong>布局紧凑</strong>：传感器PCB布局设计紧凑，主体外壳尺寸迷你</li> <li><strong>协议灵活</strong>：数据协议设计灵活，易扩展并接入更多类型传感器</li> <li><strong>蓝牙网关</strong>：使用WiFi与蓝牙双模芯片ESP32作为网关，接入HomeKit</li> </ul> <h4>实物图片</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/GTcqRp9HPUyhibM5eFFvLxAZTgd3q8ZxW4MLlH1S.jpeg" alt="LC6-实物图v2.jpg"></p> <h3>二、项目属性</h3> <p>项目为首次公开，软硬件为原创设计，未曾参与其他比赛，未曾在学校参加过答辩。</p> <h3>三、开源协议</h3> <p>CC-BY-NC-SA 3.0</p> <p>本项目的HomeKit实现属于Apple公开的非商用版HomeKit Accessory Protocol (Non-Commercial Version)，相关协议见<a href="https://developers.apple.com/homekit/faq/" target="_blank">developer.apple.com</a> 。</p> <h3>四、硬件部分</h3> <p>本项目硬件使用立创EDA进行PCB绘制，使用嘉立创进行PCB打样，PCB上均带有本次大赛logo。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/4O9fbcHsKkpg5q6iKFeiKonj7n0auLIhwyCS5tl5.png" alt="LC6-PCB.png"></p> <h4>1. 多合一传感器</h4> <ul> <li>BLE主控：国产泰凌微TLSR8250，低功耗，使用安信可TB-03F、TB-04模块</li> <li>多合一：温湿度、光照、门磁，单PCB集成全部传感器，可根据实际需求选择传感器全部焊接或部分焊接</li> <li>温湿度：SHTC3，休眠电流0.3uA（典型值），瑞士Sensirion高精度传感器，精度±0.2℃ / ±2%RH，范围-40~125℃ / 0~100%RH，工作电压1.62 - 3.6 V</li> <li>光照：BH1750，休眠电流0.01uA（典型值），ROHM数字环境光传感器，支持0.11lx精度，范围1 - 65535 lx，工作电压2.4 - 3.6V</li> <li>霍尔（门磁）：MT6131AT，平均电流1.0uA（典型值），MagnTek麦歌恩全极性霍尔传感器，采样率20Hz，工作电压1.65V~5.0V</li> <li>紧凑布局：外壳尺寸长34x宽(24+8)x厚9.4mm（含磁铁），对比米家门窗传感器2尺寸为34x32.7x14.5</li> </ul> <h4>2. 双键无线按钮</h4> <ul> <li>BLE主控：国产泰凌微TLSR8250，低功耗，使用安信可TB-03F</li> <li>超薄设计：外壳尺寸长104x宽28x厚8.4mm，厚度与手机相当，长度10cm左右兼顾了握持手感</li> <li>隐藏式指示灯：按钮蓝色指示灯为隐藏式设计，合理利用了3D打印材料的透光特性，平时状态前面板为一体平面，指示灯亮时亮光可见。</li> </ul> <h4>3. TLSR825X烧录器</h4> <ul> <li>TLSR825X（TLSR8250, TLSR8253, TLSR8258等）为本项目使用的BEL主控芯片，硬件设计上使用安信生产的该芯片对应的模块TB-03F和TB-04。</li> <li>因目前尚无市售的TLSR825X专用烧录器，设计制作了本款烧录器，方便烧录调试与功耗测量。</li> <li>烧录接口与本项目的多合一传感器、无线按钮预留烧录接口一致，可直接使用。</li> <li>预留VIN和VOUT接口用于测量TLSR825X电流，开关开启时芯片直连3V用于烧录于调试，开关关闭时需由VIN向VOUT供电，使用万用表电流档或其他测电流设备接入这两个引脚即可测量TLSR825X电流。</li> <li>本烧录器中使用<strong>航顺芯片HK7530</strong>，购买于立创商城（编号：C495381），该芯片为LDO芯片，输出电压3.0V，符合TLSR825X的标准电压。</li> <li>支持安信可提供的自动烧录脚本进行烧录，详见<a href="https://github.com/Ai-Thinker-Open/TBXX_Flash_Tool" target="_blank">TBXX_Flash_Tool</a>。</li> </ul> <h4>4. 外壳</h4> <p>外壳使用Fusion 360绘制，使用3D打印制作实物。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/sZJ2XS0lVZMSf1516TlJrMkUpLP3LXomdWz4WfZQ.png" alt="LC6外壳_主要.png"></p> <p><strong>多合一传感器</strong>：长34x宽(24+8)x厚9.4mm（含磁铁），对比米家门窗传感器2尺寸为34x32.7x14.5。</p> <p><strong>双键无线按钮</strong>：长104x宽28x厚8.4mm，厚度仅8.4mm与手机相当，长度10cm兼顾了握持手感。</p> <p><strong>固定方式</strong>：二者均由卡扣固定，双键无线按钮预留M2螺丝孔（长6mm）用于加强固定。</p> <h3>五、软件部分</h3> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/eVtfbaJxjZBCEXiHqS2YhRto6VV0XnnzL7QjQVja.jpeg" alt="LC6-软件部分.jpg"></p> <p>本项目软件后续会不断完善，更新内容将发布于<a href="https://github.com/Mixiaoxiao/ESP32-HOMEKIT-GATEWAY" target="_blank">我的github/ESP32-HOMEKIT-GATEWAY</a>。</p> <h4>1. BLE传感器与无线按钮</h4> <ul> <li>基于安信可提供的<a href="https://github.com/Ai-Thinker-Open/Telink_825X_SDK" target="_blank">Telink_825X_SDK</a> 进行开发</li> <li>开源代码见附件TLSR825X_BLE_SENSOR_CODE.zip</li> <li>BLE传感器与无线按钮的固件分别为附件TLSR825X_BLE_SENSOR_LC6_20210917.bin和TLSR825X_BLE_BUTTON_LC6_20210917.bin</li> </ul> <h4>2. HomeKit网关</h4> <ul> <li>基于乐鑫<a href="https://github.com/espressif/esp-idf" target="_blank">ESP-IDF</a>进行开发</li> <li>HomeKit实现基于部分修改的乐鑫<a href="https://github.com/espressif/esp-homekit-sdk" target="_blank">esp-homekit-sdk</a>进行开发</li> <li>自发现符合数据协议的BLE节点并桥接至HomeKit</li> <li>具备体系化的桥接多数量、多类型BLE节点的能力，数据协议灵活易扩展</li> <li>所有逻辑均由ESP32芯片本身实现，无需外部服务器，无需外部网络</li> <li>BLE节点历史数据由ESP32存储在其Flash中，10分钟一个数据点，最大保存30天</li> <li>固件见附件ESP32_HOMEKIT_GATEWAY_ALPHA1_FULL_20210919.bin，适用于ESP32各类开发板，烧录于地址0x00，AP模式配网后，在家庭APP中添加配件，配对码为<code>111-11-111</code></li> <li>浏览器访问ESP32的IP地址即可进入网关后台页面</li> </ul> <h4>3. 数据协议</h4> <ul> <li>使用BLE Beacon进行数据传输</li> <li>由厂商编号+私有标记、特有UUID共同确定本项目数据类型归属</li> <li>自定义数据部分由内部设备类型确定数据的解析格式，具有良好的扩展性</li> </ul> <p>多合一传感器与双键无线按钮的具体数据协议如下：</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/bPkW4UcnfVwNpYb3iZd00wnz0RmUI5zOXFadppbu.jpeg" alt="LC6-数据协议v4.jpg"></p> <h3>六、低功耗</h3> <h4>1. BLE低功耗</h4> <ul> <li>采用变周期Beacon广播，包括“心跳模式”、“可连模式”、“极速模式”，平衡功耗、数据上报与快速响应，兼顾设备在线状态判断</li> <li>功耗较高的可连模式，需由用户手动触发，持续30s无设备请求连接则主动退出该模式，避免浪费电量</li> <li>连接状态时，已被其他设备连接后空闲一定时间（一定时间内无数据交互）后主动断开连接，避免浪费电量</li> </ul> <table> <tr> <th>模式</th> <th>广播周期</th> <th>可连接性</th> <th>适用场景</th> </tr> <tr> <td>心跳模式</td> <td>5s</td> <td>不可连接</td> <td>温湿度、光照等非事件型数据上报，同时用于设备在线状态判断</td> </tr> <tr> <td>可连模式</td> <td>1s</td> <td>可连接</td> <td>该模式下可被其他设备连接，目前连接后支持Tlink OTA</td> </tr> <tr> <td>极速模式</td> <td>20ms</td> <td>不可连接</td> <td>上报即时事件（门磁，按键），持续500ms，保证网关即时接收</td> </tr> </table> <h4>2. 传感器低功耗</h4> <ul> <li>传感器选型：选取静态电流较低的传感器型号，SHTC3 0.3uA，BH1750 0.01uA，MT6131AT 1.0uA（优于 CC6207/CC62021 5uA）</li> <li>测量期间主控休眠：向SHTC3与BH1750发出测量请求后，二者分别需要10.8ms、120ms完成测量，在此期间主控进入休眠状态以降低功耗</li> </ul> <h4>3. 按键扫描低功耗</h4> <ul> <li>按键与霍尔元件由IO变化唤醒主控处理事件，其他情况下主控可休眠</li> <li>仅在按键的双击与长按延时判定过程中由20ms的周期性睡眠/唤醒按键扫描</li> <li>BH1750测量需要120ms，在此期间穿插20ms的周期性睡眠/唤醒按键扫描</li> </ul> <h4>4. 功耗实测数据</h4> <p>使用万用表uA档进行测试，电流数据为每秒内的平均值。</p> <p>记录BLE节点每种工作状态下（休眠、广播、读取传感器等）的电流数据，根据每种工作状态持续时长计算平均电流。</p> <p>设置BLE发射功率为3.01dBm，高于Beacon设备普遍使用的0dBm，实测家庭环境下，BLE数据可穿透一堵实墙被网关接收。</p> <p>CR2032电池容量典型值210mAh，以下按85%实际可用容量进行计算。</p> <h5><strong>4.1 多合一传感器</strong></h5> <p>休眠3.8uA，广播23uA持续1秒，5秒广播一次，读取传感器+广播共 70uA持续1秒，15秒读取传感器一次。</p> <p>总平均电流（共15s一个循环） (70+23*2+3.8*12)/15=10.77uA</p> <p>若20秒读取传感器一次，总平均电流（共20s一个循环）(70+23*3+3.8*16)/20=9.99uA</p> <ul> <li><strong>(1) 15s读取一次传感器（固件默认），可用690.58天，合1.89年。</strong></li> <li><strong>(2) 20s读取一次传感器，可用744.49天，合 2.04年。</strong></li> </ul> <h5><strong>4.2 双键无线按钮</strong></h5> <p>休眠2.8uA，广播20.0uA持续1秒，5秒广播一次。</p> <p>总平均电流(20+2.8*4)/5=6.16uA</p> <p>单击400uA持续1s，双击500uA持续1s，长按550uA持续1s，这里统一取550uA持续1s。</p> <ul> <li><strong>(1) 纯待机，可用1191.91天，合3.27年</strong></li> <li><strong>(2) 每小时按1次（一天24次按钮事件），可用1163.74天，合 3.19年。</strong></li> <li><strong>(3) 每小时按2次（一天48次按钮事件），可用1136.87天，合 3.11年。</strong></li> </ul> <h3>七、BOM清单</h3> <p><strong>多合一传感器</strong></p> <table> <tr> <th>名称</th> <th>型号</th> <th>数量</th> </tr> <tr> <td>TLSR8250</td> <td>安信可TB-04</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>温湿度传感器</td> <td>SHTC3</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>光照传感器</td> <td>BH1750FVI</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>霍尔传感器</td> <td>MT6131AT</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>陶瓷天线</td> <td>AN9520-245 2.4G天线</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>轻触按键</td> <td>侧贴2x4x3.5mm</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>LED指示灯</td> <td>0603贴片蓝色</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>1206贴片电容</td> <td>100U</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>0603贴片电阻</td> <td>2K</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>0603贴片电容</td> <td>0.1U</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>CR2032电池座</td> <td>立创商城MY-2032-11</td> <td>1</td> </tr> </table> <p><strong>双键无线按钮</strong></p> <table> <tr> <th>名称</th> <th>型号</th> <th>数量</th> </tr> <tr> <td>TLSR8250</td> <td>安信可TB-03F</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>轻触按键</td> <td>4x4x1.5 防水铜头</td> <td>3</td> </tr> <tr> <td>LED指示灯</td> <td>0603贴片蓝色</td> <td>2</td> </tr> <tr> <td>1206贴片电容</td> <td>100U</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>0603贴片电阻</td> <td>2K</td> <td>2</td> </tr> <tr> <td>0603贴片电容</td> <td>0.1U</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>CR2032电池座</td> <td>立创商城MY-2032-11</td> <td>1</td> </tr> </table> <p><strong>TLSR825X烧录器</strong></p> <table> <tr> <th>名称</th> <th>型号</th> <th>数量</th> </tr> <tr> <td>HK7530</td> <td>航顺HK7530，立创商城</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>CH340C</td> <td>CH340C</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>USB公</td> <td>--</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>MicroUSB</td> <td>--</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>开关</td> <td>MSK12C02</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>轻触按键</td> <td>侧贴2x4x3.5mm</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>1206贴片电容</td> <td>100U</td> <td>1</td> </tr> <tr> <td>0603贴片电阻</td> <td>470R</td> <td>2</td> </tr> </table> <h3>八、大赛LOGO验证</h3> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/4EXNbqHSUBpUc9OIL65N2MSlJsigw9sAQRAWKzwy.jpeg" alt="LC6_logo验证v2_small.jpg"></p> <p>立创大赛logo以丝印形式印刷在PCB上面。</p> <h3>九、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <p>已上传项目视频，视频内容包括项目概述、硬件介绍、功能演示、功耗测试、大赛LOGO验证。</p> <p>更多详情：<a href="https://diy.szlcsc.com/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1</a></p>