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` 本帖最后由 migumigu 于 2015-7-2 09:31 编辑 早在1994年爱立信公司就创立了蓝牙技术，并制定了基本的技术规范，原意是创造一种设备间通讯的标准化协议，以解决设备间通讯不兼容的情况，规范公布后得到大量移动设备制造商的支持，并于1999年成立蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group），该联盟制定并维护蓝牙无线规范，并对设备制造厂商提供Bluetooth认证与授权。 当前影响最广的版本应该是蓝牙4.0，本标准中增加了Bluetooth Smart和Bluetooth SmartReady标准。特别是Bluetooth Smart版本，作为低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，简称BLE），相对历史版本有质的飞跃，主要表现在成本低，功耗低，峰值电流极小并可以非常快速的建立连接，使用一粒纽扣电池就可以连续工作数年之久。相较于Zigbee和传统蓝牙，协议标准化和低功耗的优势让BLE在智能家居和穿戴设备上的优势一目了然，如图1所示。 图1 常用无线协议比较 特别是2011年开始苹果iOS原生支持BLE之后，BLE得到大量iOS周边厂商和智能设备厂商的响应，基于BLE技术开发的智能硬件遍地开花，如：智能体重秤，智能手环，智能灯控，智能水杯，智能马桶，智能闹钟…… 项目背景 近两年各种智能家居的产品层出不穷，而且众多“科技公司”“互联网企业”“资本投资公司”纷纷加入战团，看到做手机的A公司出了一个智能净化器，做空调的B公司出了一个智能手机，做手表的C公司出了一个智能手环，做马桶的D公司坐不住了，在马桶里面塞进去了一个温控+通讯模块，就诞生了智能马桶…智能设备市场好热闹啊。那么智能产业迅速发展的现在，我们在智能家居上还能有什么创意可以挑衅？灵感真的都源于生活，小熊有一天开门收快递，然后无情的风把万恶的门拍死了，只剩小熊穿着睡衣举着手机拿着包裹在风中凌乱，开锁小哥在小熊女友担保外加3张毛爷爷之后才高抬贵手开了门，懊恼啊…拍大腿的瞬间，当时小熊就萌发了一个念头，要是门锁换成智能控制的话，是不是钥匙就不再困扰我们了！！！只需要打开手机APP，就可以操纵智能门锁开门，或者像有强迫症的熊二，每次锁完门都要回头再看一次门有没有锁好，是不是有了门锁的手机APP，就可以随时看自家门锁的开关状态了！ 想法出来了，回头就开始一步步落实。经过对场景设想，最终选用蓝牙+以太网网关的方案，正是因为蓝牙短距离+传输速度快的优势，其中以太网网关部分使用W5500硬件协议栈芯片实现。为了更加体现门锁的智能化，小熊设想了几个场景：其一是小熊出门收快递，门被无意中关上了，可以直接用手机开门；其二小熊不在家，小熊女朋友需要进门洗衣服做饭，小熊可以远程给女朋友开门；其三是熊二被女朋友赶出来了，需要临时借宿，小熊可以给熊二手机授予限时的开门权限（如2周）。看起来是不是很强大！图2就是小熊今天要为大家介绍的蓝牙智能门锁的实现示意图。 图2 蓝牙智能门锁示意图 本方案的组成主要分为三个部分：BLE门锁机构，BLE网关设计，门锁管理服务器。因为门锁管理服务器主要为数据库管理以及APP调用等内容，本文不做过多阐述，本文将主要讲述BLE门锁和BLE的以太网网关的实现等部分内容。关于BLE的实现，我们选用的是目前市场上最常见的TI CC2541，CC2541是BLE单芯片解决方案，包含一个工业级的8051内核以及RF收发器，集成TI的BLE低功耗协议栈并拥有相对完善的低功耗外设；而以太网部分用的硬件协议栈芯片W5500，W5500芯片使用硬件逻辑门电路实现TCP/IP协议栈的传输层及网络层（如：TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE等协议），并集成了数据链路层，物理层，以及32K字节片上RAM作为数据收发缓存。不言而喻，W5500非常适合CC2541这种8051内核，而且片上资源不是很丰富的MCU，一切就这么愉快的决定了。 为了实现BLE通讯，我们需要使用两个CC2541模块，一个作为Central，另一个作为Peripheral；他们之间实现BLE通信，其中Peripheral作为门锁机构的控制，而Central则驱动W5500作为TCP Client实现网络通信，从而在网络端查询门锁状态以及实现网络控制开锁的功能。图3列出了需要准备的硬件设备。 [url=http://www.iwiznet.cn/blog/wp-content/uploads/2015/06/图片3.png] 图3 所需硬件设备 准备工作： 1. 安装编译环境IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation2. 安装协议栈BLE-CC254x-1.3.2 3. 安装CC-Debugger模块调试下载器驱动 BLE以太网网关部分： BLE以太网网关部分结构如图4：图4 BLE以太网网关接线图 需要在CC2541的Central模式中集成W5500的驱动以及Socket处理部分，由于W5500的函数驱动库是分层次书写的，我们只需将SPI通信的硬件抽象层的函数重新编写即可。以下为CC2541的SPI1的初始化配置函数和数据收发函数的程序，以及复位管脚的控制程序：01 void WIZ_SPI_Init(void) 02 { 03 PERCFG |= 0×02; // PERCFG.U1CFG = 1 04 P1SEL |= 0xE0; // P1_7, P1_6, and P1_5 are 05 peripherals 06 07 P1SEL &= ~0×10; // P1_4 is GPIO (SSN) 08 P1DIR |= 0×10; // SSN is set as output 09 10 // Set baud rate to max (system clock frequency / 8) 11 U1CSR = 0; // SPI Master Mode 12 // Configure phase, polarity, and bit order 13 U1GCR = 15; 14 U1BAUD = 255; 15 U1UCR = 0×80; 16 U1GCR |= BV(5); 17 18 P1SEL &= ~0×08; // P1_3 is GPIO (SSN) 19 P1DIR |= 0×08; // P1_3 is set as output 20 } 21 22 void WIZ_RST(uint8 val) 23 { 24 if (val == LOW) 25 { 26 P1_3=0; 27 } 28 else if (val == HIGH) 29 { 30 P1_3=1; 31 } 32 } 33 // Connected to Data Flash 34 void WIZ_CS(uint8 val) 35 { 36 if (val == LOW) 37 { 38 P1_4=0; 39 } 40 else if (val == HIGH) 41 { 42 P1_4=1; 43 } 44 }需要注意的是，CC2541的LCD驱动的部分引脚与SPI1的几个引脚是复用的，需要将和LCD有关的编译项去掉，避免发生冲突，导致SPI不可用。具体方法为在工程选项的编译子项里，将”HAL_LCD=TRUE”更改为“HAL_LCD=FALSE”。 程序重写完毕后，打开TI官方BLE的例程SerialApp3，此例程包含Central和Peripheral两部分，原始例程可以实现串口数据透传，基于此例进行集成相对起来会比较简单。将W5500的驱动程序包添加到工程中，如图5所示。 [url=http://www.iwiznet.cn/blog/wp-content/uploads/2015/06/图5.png] 图5 将W5500部分集成并初始化 其中Ethernrt_Init函数主要负责W5500的接口和参数的初始化：01 /*该函数将会在任务函数的初始化函数中调用*/02 void Ethernrt_Init( uint8 taskID ) 03 { 04 WIZ_SPI_Init(); //初始化CC2541的SPI1作为W5500的通讯接口 05 Reset_W5500(); //复位W5500 06 set_default(); //设置初始化参数如MAC，IP地址等参数 07 set_network(); //使初始化的IP参数生效 08 09 //记录任务函数的taskID，备用 10 sendMsgTo_TaskID = taskID; 11 }TI的官方BLE例程中有比较完备的协议栈程序，提供了完备的应用函数供用户调用，用户可以在应用层添加自己的任务和事件；更改应用层数据之前我们必须了解一下BLE的应答机制以及CC2541的OSAL也就是系统抽象层的任务调用机制，首先TI已经做了大量工作，我们无需重写BLE协议，而只需要根据自身的需求更改相应任务参数即可，在SimpleBLECentral_Init函数中将Central的相关参数初始化，比如： GAPCentralRole_SetParameter：设置Central可以扫描到的最大从端设备数目； GATT_InitClient：初始化GATT_Client，一般情况下Central做为Client，Peripheral作为Server，Central通过GATT_WriteCharValue和GATT_ReadCharValue来和Peripheral进行通讯； GATT_RegisterForInd：注册当前任务为GATT的notify和indicate的接收端，当Peripheral通过notify发来数据时，当前任务函数会收到数据； osal_set_event：该函数会启动任务函数START_DEVICE_EVT以及SBP_PERIODIC_EVT，由此转入系统任务的运行。 而我们的目的是在当前的任务处理机制中增加W5500的通讯连接维持以及通讯数据处理的工作，TI的意图是减少每项任务的处理时间，从而获得系统的快速响应，否则单项任务处理时间过长的话就会因为任务延迟而造成BLE连接中断。基于此原理，应尽量减少W5500每个任务循环所占用的时间，从而获得尽快的任务响应，所以应该减少原始的程序中任务等待和delay时间，我在将W5500的通讯任务函数do_tcpclient()放进主循环之后也对本函数进行了一些瘦身处理。 01 void osal_start_system( void ) 02 { 03 #if !defined ( ZBIT ) && !defined ( UBIT ) 04 for (;;) // Forever Loop 05 #endif 06 { 07 #ifdef BLECentral 08 do_tcpclient(); 09 #endif 10 11 osal_run_system(); 12 } 13 } 01 void do_tcpclient(void) 02 { 03 uint8 s=0; 04 uint16 anyport=3000; /*定义一个任意端口并初始化*/ 05 06 switch (getSn_SR(s)) 07 { 08 case SOCK_CLOSED: //查询Socket状态是closed状态时，初始化当前Socket 09 socket(s,Sn_MR_TCP,anyport++,Sn_MR_ND); 10 break; 11 12 case SOCK_INIT: //查询Socket状态是初始化状态时，打开此Socket 13 connect(s,pc_ip,pc_port); 14 break; 15 16 case SOCK_ESTABLISHED: //查询Socket状态是连接已建立状态时，进行数据通信 17 18 break; 19 20 case SOCK_CLOSE_WAIT: //查询Socket状态是等待关闭状态时，关闭此Socket 21 close(s); 22 break; 23 } 24 } 大家可能注意到了，在SOCK_ESTABLISHED状态下，没有任何实际处理，那是因为我们为了减少任务处理时间，将Socket数据处理任务放在了前文提到的SBP_PERIODIC_EVT中，这个任务由SimpleBLECentral_ProcessEvent调用，并在任务的末尾进行重新委托，以SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD为间隔循环调用，从而实现定时查询Socket状态，发送和接收W5500的缓存中数据。01 if ( events & SBP_PERIODIC_EVT ) 02 { 03 if ( SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD ) 04 { 05 if ((getSn_SR(0))== SOCK_ESTABLISHED) 06 { 07 if (getSn_IR(0) & Sn_IR_CON) 08 { 09 setSn_IR(0, Sn_IR_CON); 10 } 11 len=getSn_RX_RSR(0); 12 if (len>0) 13 { 14 recv(0,buffer,len); //接收Socket数据 15 buffer[len]=0×00; 16 SerialPrintString(buffer); //串口打印接收到Socket的数据 17 //printf(“%s ”,pub_buf); 18 w_send(0,buffer,len); //向Socket发送接收到的数据，方便调试 19 ***pGattWriteString(buffer,len);//将接收的数据向Peripheral发送 20 } 21 } 22 osal_start_timerEx( simpleBLETaskId, SBP_PERIODIC_EVT, SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD ); 23 } 24 return (events ^ SBP_PERIODIC_EVT); 25 } 至此，W5500的集成已经完成，下一步是处理任务数据，在原始例程中，已经有指令处理部分，比如AT+SCAN是搜索Peripheral，AT+CON1是与搜索到的第一个从端建立链接，这部分我们无需处理，只需要把门锁的控制指令按标准数据发送就可以。 BLE门锁部分： 在完成BLE以太网网关之后，我们下一步进行门锁部分的工作，作为Peripheral，程序上和Central大同小异，Central搜索Peripheral，并通过GATT_WriteCharValue和GATT_ReadCharValue查询和调用Peripheral上具体的服务；我们要做的是，在系统抽象层的任务调用机制中增加步进电机控制机制，以及在接收到Central发送的门锁的控制指令后执行相应的开锁和闭锁动作，另外还可以增加一个干簧管用作磁控开关用来判断门的闭合状态，如图6所示。 图6 BLE门锁步进电机传动部分 本文选用的5v供电的5线4相步进电机，步进电机的原始例程是通过Delay函数来实现延迟的，而在TI的这种尽量减少每个任务处理时间的机制下，我们需要更改为定时器Timer3触发来执行步进电机的控制，更改部分如图7所示。 [url=http://www.iwiznet.cn/blog/wp-content/uploads/2015/06/步进电机.jpg] 图7 定时器改进部分代码 01 void Moter_GPIO_init(void) 02 { 03 P1DIR |= BV(0) | BV(1) | BV(2)| BV(3); //P1.0定义为输出口 04 P1SEL &= ~(BV(0) | BV(1) | BV(2)| BV(3)); //P1.0定义为一般GPIO 05 06 T3CTL |= BV(3); //开启溢出中断 07 T3CTL |= BV(5) | BV(6) | BV(7) ;//128分频 08 //T3CTL &= ~(BV(0) | BV(1)); //0×00~0xff，重复 09 T3CC0 = 0x4f; 10 T3CTL |= BV(0)| BV(1); 11 12 T3CTL |= BV(4); //启动timer3 13 T3IE =1; //开启T3中断控制 14 EA=1; 15 } 在SimpleBLEPeripheral_Init函数中进行了步进电机控制IO的初始化Moter_GPIO_init();并在其中将Timer3进行了初始化；选取P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，分别作为步进电机四相ABCD;如果按照A-B-C-D的顺序就是正转，也就是开门，相应D-C-B-A就是反转，也就是闭门操作； Timer3的中断触发执行如下步骤 01 #pragma vector = T3_VECTOR 02 __interrupt void Timer3_ISR(void) 03 { 04 IRCON = 0×00; 05 /*这里实现每隔0.5秒翻转一次，128分频，由于timer3为8为，从0×00~0xff， 06 128/16M *Number=0.5s,所以Number=62500次 07 运行255次，count*255=62500，所以，count=245次*/ 08 if (xxcount++>10) 09 { 10 xxcount=0; 11 if (Motor_AB_flag > 0 && Motor_BA_flag == 0) 12 { 13 MotorCW(); 14 Motor_AB_flag++; 15 if (Motor_AB_flag >= 1024) 16 { 17 MotorStop(); 18 Motor_AB_flag = 0; 19 ***pSerialAppSendNoti(“unlock ”,8); 20 } 21 22 } 23 if (Motor_BA_flag > 0 && Motor_AB_flag == 0) 24 { 25 MotorCCW(); 26 Motor_BA_flag++; 27 if (Motor_BA_flag >= 1024) 28 { 29 MotorStop(); 30 Motor_BA_flag = 0; 31 ***pSerialAppSendNoti(“lock ”,6); 32 } 33 } 34 } 35 } 可以看到在中断触发中根据Motor_AB_flag和Motor_BA_flag的状态来执行开锁和闭锁动作，当执行1024个周期后停止动作并将相应的标志位置0；而Motor_AB_flag和Motor_BA_flag的状态这时根据Central发送过来的数据进行相关解析之后进行的，在Peripheral的初始化函数SimpleBLEPeripheral_Init中注册了一个接收数据的回调函数simpleProfileChangeCB。 当Central对Peripheral发送数据更改PROFILE服务的CHAR1字段时，下面的步骤被触发 01 case SIMPLEPROFILE_CHAR1: 02 //SimpleProfile_GetParameter( SIMPLEPROFILE_CHAR1, &newValue ); 03 SimpleProfile_GetParameter( SIMPLEPROFILE_CHAR1, newValueBuf ); 04 if (newValueBuf[0]== ‘a’ && newValueBuf[1]== ‘d’ && newValueBuf[2]== ‘m’ && newValueBuf[3]== ‘i’ && newValueBuf[4]== ‘n’) 05 { 06 if (newValueBuf[5] == ‘?’) 07 { 08 BLE_REPLY(); 09 } 10 else 11 { 12 if (newValueBuf[5]==’='&&newValueBuf[6]== ‘A’ && newValueBuf[7]== ‘B’) 13 { 14 Motor_AB_flag = 1; 15 } 16 else if(newValueBuf[5]==’='&&newValueBuf[6]==’B'&& newValueBuf[7]== ‘A’) 17 { 18 Motor_BA_flag = 1; 19 } 20 else 21 { 22 SetRGB(newValueBuf[5], newValueBuf[6], newValueBuf[7]); 23 ***pSerialAppWrite (newValueBuf, 20); 24 #if (defined HAL_LCD) && (HAL_LCD == TRUE) 25 HalLcdWriteString((char*)newValueBuf, HAL_LCD_LINE_4 ); 26 #endif // (defined HAL_LCD) && (HAL_LCD == TRUE) 27 } 28 } 29 } 30 31 break; 为了安全的需要，我们定义了一个密码段，这个密码段可以进一步改进为SSL加密或者RSA算法加密，本文以admin为例，查询状态指令为”admin?”，Peripheral根据当前”lock”或”unlock”状态以及磁控开关回复当前状态；开锁指令目前为”admin=AB”;闭锁为”admin=BA”。 系统测试： 系统测试部分我们可以按照手机APP（BLE）控制门锁和网络控制门锁两部分进行：
为了方便测试BLE，需要在手机上安装一个APP“LightBlue – Bluetooth Low Energy”， 图8 APP LightBlue – Bluetooth Low Energy 可以测试BLE的数据收发等工作，我们在 apple store上安装此app之后，就可以搜索到BLE门锁“Smart Lock”，如图9所示。 [url=http://www.iwiznet.cn/blog/wp-content/uploads/2015/06/图9.png] [/url] 图9 搜索BLE门锁Smart Lock 图10 写入对应字段字符 在选择“Smart Lock”并对UUID ：FFF0的服务Characteristic1字段写入HEX字符的admin=AB“0x61646D696E3D4142”，如图10所示；之后就可以听到“Smart Lock”传来的齿轮摩擦声，成功。
网关通讯测试我分为两部分进行： 1）通过BLE以太网网关的串口指令和”Smart Lock”配对并控制门锁开关，如图11 [url=http://www.iwiznet.cn/blog/wp-content/uploads/2015/06/图11.png] 图11 通过串口指令与”Smart Lock”配对 我们一共发送了三个指令： AT+SCAN //搜索从端设备 AT+CON1 //与搜索到的第一个设备建立连接 admin=AB //前面两个是发送给网关的指令，而admin=AB会作为数据发送给从端 从端在接收到本数据之后控制电机转动，到达指令周期之后停转并回复 “unlock”给网关，控制周期完成。
图12 通过测试工具Pdu Receiver进行门锁控制 最后 至此，已经实现了蓝牙BLE网关对门锁的智能控制，希望能给大家提供一个DIY的思路。那么，在智能家居的大潮中，蓝牙BLE技术的应用已被越来越多厂商关注并采用，在这里借助W5500的硬件协议栈，给大家提示一个更便捷的联网方式，进一步减轻智能网关开发的难度，真正做到制作简便、智能易用！ 感谢阅读！更多信息，请关注： WIZne官方网站：[url=http://www.iwiznet.cn/]http://www.iwiznet.cn WIZnet微信公众号： 
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