蓝牙BLE以太网网关在智能家居中的应用（基于W5500）



已刊登至《无线电》六月刊

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。

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 Evaluation
2. 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。

 

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\r\n”,pub_buf);

18                 w_send(0,buffer,len);    //向Socket发送接收到的数据，方便调试

19                 sbpGattWriteString(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。

 

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                 sbpSerialAppSendNoti(“unlock\r\n”,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                 sbpSerialAppSendNoti(“lock\r\n”,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             sbpSerialAppWrite (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：

1. 使用手机的蓝牙和BLE门锁通讯

     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。
 

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。

 

1. 使用BLE以太网网关和BLE门锁通讯

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

 

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。

1. 通过socket发送数据给”Smart Lock”控制门锁开关

   BLE门锁”Smart Lock”在上电之后作为TCP Cllient去和Server建立通讯连接并等待接收数据，当通讯连接建立之后，我们通过Socket测试工具“Pdu Receiver”发送控制指令给“W5500+BLE”网关，网关会把数据转发给”Smart Lock”，从而控制步进电机按周期转动，如图12所示。

2.  

3. 图12 通过测试工具Pdu Receiver进行门锁控制 

4. 最后

5. 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！

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