【 2025 DigiKey 杯】以台灯为载体的基于GD32的智能控制终端-可接入HA

以台灯为载体的基于GD32的智能控制终端-可接入HA

一、项目介绍

本项目旨在开发一款基于传统台灯的智能控制终端，其核心理念是追求“隐形智能化”。与市面上需要额外购置独立设备的方案不同，我尝试在不改变用户原有使用习惯的前提下，将智能模块集成于一个固定不动且本就存在的物品——台灯，使其在保持原有外观和功能的基础上，获得接入智能家居生态的能力。

本设计的最大亮点在于其高度集成性与隐蔽性。我以高性能GD32微控制器为核心，将各类传感器与通信模块精简地内嵌于台灯底座结构中。这使得普通台灯能够智能感知环境光照自动调节亮度，并监测用户坐姿以提供健康提醒，以及具备433Mhz设备的控制能力和2.4G设备的通信能力，而无需在桌面上增加任何突兀的额外硬件，最大程度保持了桌面的整洁与美观。

在控制方式上，该终端提供了极大的灵活性。用户既可以通过传统的物理按键进行本地操作，更能通过接入HomeAssistant智能家居平台，实现与Siri等语音助手的无缝联动，用自然的语音指令控制开关、调光等各种功能。这种“不增加设备负担的智能化”思路，降低了用户尝试智能家居的门槛，也使得旧物升级焕发新生成为可能。

二、功能框图

三、组成部分介绍

（一）香橙派5b

HA系统搭建在此，是DIY设备受控的关键设备，且集成有EMQX平台。更加方便调试MQTT设备。

（二）GD32主控板

搭载GD32F103RCT6作为主控芯片，集成有ATH20温湿度传感器，人在传感器，wifi模块，2.4G射频通信模块433Mhz发送模块，以及一路光敏电阻。

（三）灯板

由STC15W104W控制两个X11T恒流无频闪LED驱动芯片控制，并通过串口与主控连接

（四）主体框架

主要由咸鱼购置的台灯改造而来，仿照原本的PCB板框，最大程度贴合原本产品，原本产品的led有明显屏闪，顺带也就一起改造了。

四、硬件功能介绍

（一）主板介绍

1) 主控芯片

GD32F103是一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器，其核心运行频率高达108MHz，并借助独特的零等待闪存访问技术，实现了突出的运算效率。它提供了从16KB到3MB不等的灵活闪存选择以及最高96KB的SRAM，为复杂应用留有充足空间。芯片集成了包括多个U(S)ART、SPI、I2C、USB 2.0全速接口以及CAN总线在内的丰富外设，并配备有12位高速ADC和高级定时器，能够精准处理模拟信号与PWM控制。其在2.6V至3.6V的宽电压范围内工作，且具备工业级温度范围（-40°C至+85°C），在保证高性价比的同时，兼顾了强大的连接性、实时控制能力与可靠稳定性。

2) 433Mhz射频芯片

蜂鸟无线的“远-T1-433M”是一款超小型433MHz无线发射模块，其核心优势在于强大的信号穿透能力，宣称可穿透三层墙体，有效解决了红外遥控必须直线对准的局限，实现了无方向性的稳定遥控。该模块体积小巧，尺寸小过指甲盖，便于集成到各类电子产品中。它工作在433MHz免许可频段，在开阔地带可视距离传输可达约百米，并且频率稳定度较高，非常适合本产品。

3) 2.4G通信芯片

SI24R1是一款专为低功耗无线应用设计的高性能2.4GHz无线收发器芯片。其核心特点在于优异的功耗控制，在关断模式下电流仅为微安级别，待机模式下电流低于15微安，并能在大约130微秒内快速唤醒至工作状态。

在通信性能上，该芯片支持2Mbps、1Mbps和250Kbps三种可调数据速率，最高发射功率为+7dBm，接收灵敏度在2Mbps速率下优于-83dBm，实现了速率、功耗与传输距离的良好平衡。它内置了嵌入式ARQ（自动重传请求）基带协议引擎，能够自动处理数据包确认和重传，并集成收发FIFO，极大减轻了主控微处理器的处理负担。

SI24R1通过标准四线SPI接口与微控制器连接，操作简便。其另一显著优势是能够硬件兼容NRF24L01+，并支持126个1MHz带宽信道，便于现有设计的直接替换和多点通信、跳频等复杂应用部署。宽电源电压范围（1.9V至3.6V）进一步提升了其在各种场景下的适应性。

4) WIFI模块

DX-WF24是深圳大夏龙雀科技有限公司推出的一款高度集成的Wi-Fi/蓝牙二合一模组。其核心特点是单芯片集成Wi-Fi 802.11n和蓝牙低功耗（BLE）5.2，并内置一颗主频高达160MHz的32位MCU，兼具高性能与低功耗。

在无线连接性能上，该模块的Wi-Fi部分支持STA、AP和AP+STA三种工作模式，发射功率高达+19 dBm，接收灵敏度为-99 dBm。蓝牙部分则支持1Mbps、2Mbps以及远距离（125kbps和500kbps）传输，并具备蓝牙测向（AoA/AoD）功能，适合室内定位等应用。

模块提供了丰富的外设接口，包括UART、SPI、I2C、多达6路PWM以及4路ADC输入，便于连接和控制各类传感器与执行器。其宽电压工作范围（2.7V-3.6V）和宽广的工作温度（-40℃至+105℃）保证了在复杂环境下的稳定可靠性。通过简单的AT指令集即可便捷地配置网络连接（如连接Wi-Fi）或接入云平台（如实现MQTT通信），大幅降低了物联网应用的开发门槛。

5) 灯板电源控制

6) 温湿度传感器

AHT20是广州奥松电子推出的一款高性能数字式温湿度传感器，其核心特点在于将高精度测量、微型化封装和低功耗特性融为一体。该传感器采用仅为3mm x 3mm x 1.0mm的超小型SMD封装，非常适合在空间受限的智能设备（如您的智能台灯）中集成，且适于回流焊工艺，便于规模化生产。

在测量性能上，AHT20表现出色。其湿度测量精度典型值为±2% RH，温度测量精度为±0.3°C，分辨率分别达到0.024% RH和0.01°C，能够提供准确的环境数据。传感器内部集成了经过改良的MEMS半导体电容式湿度传感元件和片上温度传感元件，并配备了专用ASIC芯片，确保了优异的长期稳定性与抗干扰能力，使其在恶劣环境下也能稳定工作。

AHT20通过标准的I²C数字接口直接输出经过工厂校准的数字信号，极大简化了与主控微处理器（如STM32、ESP32等）的连接和编程工作。同时，它的功耗极低，在休眠模式下电流低至0.25μA，符合节能设备的设计需求。凭借高性价比、小体积和卓越的综合性能，AHT20已成为智能家居、环境监测等领域的理想选择。

7) UI界面

（二）灯板介绍

1) 主控芯片

STC15W104-35I-SOP8是STC（宏晶）公司推出的一款基于8051内核的高性能8位单片机，以其紧凑的SOP-8封装、丰富的片内资源和低功耗特性，适用于各种嵌入式控制场景。

其核心采用增强型1T 8051内核，在35MHz的最高工作频率下，指令执行速度比传统12T 8051快8-12倍。芯片集成了4KB的Flash程序存储器、128字节的SRAM以及1KB的EEPROM，EEPROM支持掉电保存数据，便于存储关键参数。片内集成高精度R/C时钟，常温下精度可达±0.6%，有效节省外部晶振空间。

该芯片提供了6个I/O口，支持多种工作模式，并集成了2个定时器和看门狗，增强系统稳定性。其工作电压范围宽达2.4V至5.5V，并支持低功耗模式，适合电池供电或节能应用。开发支持方面，可通过STC-ISP软件进行串口程序下载，配合Keil C开发环境，选择Intel 8052编译即可。

这款芯片在小型化、高集成度和成本控制方面实现了良好平衡，适合作为智能台灯等智能家居终端的核心控制器。

2) LED灯组

3) LED驱动

X11T是一款由智芯（Hichips）推出的单路线性LED恒流驱动芯片，其主要特点在于能够实现精细的亮度控制和简洁的外围电路设计。

这款芯片的核心优势是支持高精度PWM调光，调光比高达65536:1，并能响应最短60纳秒的PWM信号，这使得它能够实现极其平滑、无频闪的亮度调节，非常适合需要高级调光效果的景观照明和高端商业照明领域。其工作电压范围宽达5V至46V，输出电流可通过外部电阻设置在20mA到1.05A之间，恒流精度高至±3%。

在设计上，X11T采用LDO线性恒流控制方案，显著简化了外围电路，无需传统的电感和续流二极管，这有助于减小整体方案体积并提高可靠性。芯片内部集成了5V稳压管，并具备过温保护功能，当温度过高时会自动降低输出电流以保护芯片，其工作温度范围为-40℃至+125℃，封装形式为TO252-4。因此，它特别适用于追求小型化、高可靠性和优异调光性能的低压LED照明场景，如智能台灯、汽车灯饰和建筑亮化等