追忆流年寻梦少年

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【2020意法半导体开发大赛】---“基于NFC接口的智能调节护眼灯”设计

创意思想:“基于NFC接口的智能调节护眼灯”设计
一、概述:
现有产品调研情况:
随着当前对教育的重视和人民对美好生活的期盼,护眼灯开始进入千家万户,最广大的用户就是各类学生。目前市面上的护眼灯种类繁多,就目前就使用的一款产品进行了分析。
现有护眼灯的图片:
台灯总体情况.jpg
可以看到,现有产品是以触摸按键方式来控制灯的开关、亮度调节、工作模式设定。
但如果再增加冷暖色调、亮度自动感应等功能,再增加触摸按键,由于机械尺寸限制,难度很大。
现有产品分析:可见现有产品中,对于护眼灯的操作控制相对繁琐,而且由于护眼灯的尺寸限制,难以再增加新的功能按键。对于要求日益增多的护眼灯,急需开发新类型的调整系统。
基于上述分析,提出了基于NFC接口的新型护眼灯设计方案。主要基于如下两方面考虑:
1. 安全和节能考虑:护眼灯为日常用电产品,最好的操控方式还是就近,类似于家庭的房间灯开关,随开随用,;
2. 简化产品原则:现有产品的复杂度不宜再增加、尺寸、重量等也不宜再增加,同时能简化接口,降低成本更好。
一、方案设计
灯现有功能:
1. 开关
2. 亮度手动调节;
3. 定时提醒;
拟增加功能:
1. 冷暖色调切换;
2. 亮度自动调节;
3. 亮度程序调节;
4. 冷暖混合灯光(功能开展);
5. 其它功能(如夜间自动关机等)
下面开始隆重推出全新的基于NFC的设计方案,
先看看所用的NFC接口芯片及LED驱动控制芯片:
PWM-eSet.jpg
因为具有两路PWM的控制,而且有2KbitEEPROM,会让护眼灯的设计大大简化;
The ST25DV-PWM-eSET is a dynamic NFC tag evaluation board based on the ST25DV02K-W2 device, an NFC/RFID tag IC with PWM outputs embedding a 2-Kbit EEPROM that can be partitioned for use-case flexibility.
又因为具有NFC接口,意味着通过外围的控制器,就可以实现近距离的无线控制;
外围的控制器,专门开发?当然不会,成本太高了;那现成的就只有你具有的东西了!你看看周围,肯定奇怪,我手头就有控制器?没错,就是你手中的手机了,只要开发一个手机APP,一切就都简单起来了!
整体控制方案如下:
整体控制框图-20200903.jpg
因为只涉及到手机控制台灯,所以信息为单向数据流。
整体控制思路为:
1、开发手机专用APP作为上位机,充分利用手机的周围环境亮度感应功能实现环境匹配自动调节功能,充分利用手机的定时功能,实现定时提醒;APP上具有开机、关机、亮度调节、冷暖色调调节等功能;
2、台灯采用ST25DV-PWM-eSET为驱动控制板,根据手机APP的设定数据,实现两路PWM的开关、占空比设定功能;
3、手机采用具有NFC功能手机,利用ST25DV-PWM-eSETNFC接口,作为无线通讯的接口。
查看ST25DV-PWM-eSET驱动控制板,其输出的PWM3.3V信号,7LED灯通过和不同电压比较来指示PWM输出的占空比情况。
Schmatic--PWM.jpg
硬件设计原理如下图:仅仅以一路示意,另一路完全相同。
偷懒直接采用了3.3V电压源,实际应该是ACDC源,LED多个。
硬件原理图.jpg
主要设计思路为: ST25DV-PWM-eSET 控制板输出的PWM信号用来控制MOSFET的开关,实现灯光亮度的调节,因为此处开关频率较高,同时考虑隔离,所以用了MOSFET。当然可以选用三极管降低成本,如果用光耦隔离,则安全性进一步提高,控制板不会在故障情况下引入大电流,安全性保障更高。
因为 ST25DV-PWM-eSET 控制板具有两路PWM输出,所以可以将护眼灯的LED分为两路独立控制,一路为暖色系列LED、一路为冷色系列LED。当然两路可以同时工作,实现冷暖混合色。
同时由于手机APP上可以实现亮度调节,灯的开关控制,所以台灯灯体上的各种触摸按键可以取消,由手机APP实现全部控制功能。
手机实现了PWM控制,而且调控后,自动写入到ST25DV-PWM-eSET 控制板的EEPROM中,数据自动保存,下次加电时,按已经存储的数据进行PWM输出。
整体实现效果如下:
仅仅以其配套的LED作为尝试啊,真得弄个台灯出来,费用还是支撑不起齐来的!
板子本身也有一定的驱动能力,可以外接LED等展示,但手头没有3.3LED,只要12V的,用12V的试了一下,可以被点亮,但在占空比比较小时,几乎没有亮度。
利用ST25配套的软件,对ST25DV-PWM-eSET 控制板的LED进行了PWM控制,如下图:
PWM配置及调控图.jpg
LED点亮、调光,两路独立控制,效果还是杠杠的!
欠缺的功能:
1)对于根据环境亮度自动调节台灯亮度,也是利用手机的自动屏幕调节功能实现,读取手机的亮度感应数据,设定台灯中ST25DV-PWM-eSET 控制板工作参数即可。
2)对于台灯原有的定时模式,由于 ST25DV-PWM-eSET 控制板无定时器或MCU,所以这个需要额外增加硬件实现;对此,当然可以在手机APP里面设定,到时间手机声音提醒,这样做可以节省硬件,但用户的体验不一定好,而且手机不会一直放在NFC感应控制区,所以台灯亮度是不调节的。
开发中的波折:
1. 手机NFCTag问题:
手机死活读不到 ST25DV-PWM-eSET 控制板的tag信息,尝试了借的图书的tag读取,发现只能读取到NXPtag,其它的tag也读不到,最初以为是软件有问题,需要从新下载软件,然后下载出现网站有链接错误,最后下载成功,发现和原来的一样,然后开始怀疑人生了,此处省略郁闷10000字。。。。。。然后开始在网上查找手机的NFC芯片情况,结果都是显示的NFC感应区在哪里,然后尝试用感应区去和tag交互,奇迹发生了,所有的tag都能读到了,这心里高兴啊。。。。。
原来NFC的接口对于感应线圈的位置有比较严格的要求,距离近但线圈错开,基本就没法读到数据了。。。。。这相对于蓝牙、WIFI等的球形,还是有点不方便,但应该更安全。
2. 画图中的波折:因为有了思路,开始画图,结果发现悲催了,Altium因为license问题,无法启动,只能用multisim进行粗略的画图示意了。。。。。。
3. 想进行硬件的实际演示操作,结果发现LED12V的,仪表通用的,这也是遗憾啊,手头还是欠缺些东西啊。。。。。。
后续需要研究的内容:
1. PWM的开关频率问题,频率越高,波动越小,灯的亮度越稳定,但开关速度也会带来开关的功耗问题,这个后续需根据硬件的具体情况来确定合适的开关频率,减少亮度波动,同时降低功耗;
2. 开发专用的APP,现有的ST25Demo版本APP已经很好,功能很强大了,但毕竟不是专用的,操作还是有些不便,简化易用的版本还是可以开发一下;
3. ST25DV-PWM-eSET 控制板的优化设计,去除7*2路的LED等,对主控CPU的定时功能进行分析或增加芯片;
4. 护眼灯的工业设计,去除触摸按键,LED灯色温选择、分路等。
特别感谢:
1. 特别感谢一位小朋友Judy,对使用台灯时,抱怨夏天还是暖色调,学习时间长了,非常烦躁!冷暖色调是必须的!色调混合会更好!所以这个好的Idea应该是Judy小朋友想到的,我只是翻译了一下而已!
2. 特别感谢ST公司,提供了一块ST25DV-PWM-eSET 控制板,及STSW-ST25001APP,节省了大量的复杂开发时间!
3. 对于现有的LED护眼灯,为好视力品牌,使用效果还是非常满意的,亮度很好,为学习专用,对学生而言强力推荐,当然价格也还可以接收,119元!改进等也是基于这个产品的。
后续工作建议:
1. ST网站好好升级下,下载、看介绍视频,慢如蜗牛;下载APP手续繁琐,建议简化、国内镜像!
2. 很多人会奇怪,为什么选择NFC接口,其它的红外、WIFI、蓝牙接口不都可以吗?当然,因为ST赞助了,只能首选NFC接口了,而且用在台灯这里也比较合乎实际;红外接口也很好,但考虑到手机很多红外接口没有,得配专用的控制器,所以不是很好的选择;至于WIFI或蓝牙,从接口而言,也是很好的选择,很多电子秤、智能的随身设备都是这类接口,也是优选之一。但因为这次是命题作文,而且也符合实际,所以NFC为开发重点了!
最后感谢:
面包板社区,提供了很好的交流平台,感谢ST的工程师,培训到位,讲解到位!
  
另:免费赠送大礼包,附上冷暖色调的介绍!来源于百度。
色温在5300k以上的叫冷色光,色温在3300K以下的是叫暖色光。
区别如下:
1、所含能量的大小有所差异。因色温、波长、频率的不同,冷暖色给人造成的感觉也就会产生差异。
2、适用的场景不一样。冷色光适合用在橱窗、大型工厂建筑工地、商场等,暖色光适合用在家庭住宅等。
3、冷色光和暖色光都能在不同程度上影响人的情绪。一般情况下冷暖是搭配使用的用中国哲学来解释阴阳调和,互补互足,不同环境有不同搭配。
扩展资料:
暖色光的色温在3300K以下,暖色光与白炽灯相近,红光成分较多,能给人温暖、健康、舒适的感觉。适用于家庭、住宅、宿舍、宾馆等场所或温度较低的地方。
冷色光又叫日光色,它的色温在5300K以上,光源接近自然光,有明亮的感觉,使人精力集中。适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。
另外,人对色性的感受也强烈受光线和邻近颜色的影响。色彩的冷暖感觉是人们在长期生活实践中由于联想而形成的。红、橙色常使人联想起红色的火焰,因此有温暖的感觉,所以称为暖色;绿、蓝色常使人联想起绿色的森林和蓝色的冰雪,因此有寒冷的感觉,所以称为冷色;黄、紫等色给人的感觉是不冷不暖,故称为中性色

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追忆流年寻梦少年

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抛砖引玉啊!
各位网友尽管拍砖啊!
感觉还是有市场前景的,ST公司的可以做个原型机,当然也可以提供赞助,干活让我等工程师来啊!

技术狗

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技术狗 2020-9-12 14:31:21 显示全部楼层
追忆流年寻梦少年 发表于 2020-9-7 14:58
抛砖引玉啊!
各位网友尽管拍砖啊!
感觉还是有市场前景的,ST公司的可以做个原型机,当然也可以提供赞助, ...

多谢楼主分享这么多ST NFC相关应用。

lyyinhe_xi

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跋扈洋

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追忆流年寻梦少年

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此次设计项目所用软硬件如下:
硬件:
ST,ST25DV-PWM-eSET开发板,后续如果工程批量应用,可以优化,板子会方正一些;
手机,带有NFC功能,要先看手机的NFC感应线圈位置所在,读卡方便,错位就容易读不到数据;
连接线,Micro-USB线;
外围硬件,LED灯、MOSFET(工作在开关状态,三极管也可以代替,固态开关,继电器寿命有限,不推荐,演示可以但长期工作有风险)、导线等;
电源,ACDC3.3V;
软件:
手机软件:安卓系统(IOS看ST的网站上也支持);
手机APP:STSW-ST25001,基本的控制功能已经ok了,但如果是批量工程,可以在此基础上进行进一步简化、优化,界面更加友好。

开发相关的软件:
schmatic及PCB设计:Altium;Multisim;
APP开发:因为此次用的ST的APP,所有没有开发过程,但如需优化,还需要APP的开发软件。

追忆流年寻梦少年

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基于NFC的另一个推荐应用场景:
------智能控制的电热毯------
最近天冷了,晚上在床上睡觉就想到了电热毯的问题。冬天里,很多家庭还是需要这个产品的。
但现有的产品还有很多安全隐患,忘记关了,很用以导致严重的后果。
所以很有必要做安全、智能的电热毯。
利用NFC接口,可以实现比较复杂的控制,各种类型的程序控制、智能控制等。
当然电热毯现有的手动控制还是要保留。

就是大批量下,NFC接口相对于蓝牙接口,WIFI接口的成本优势有多大?
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