蓝牙BLE以太网网关在智能家居中的应用（基于W5500）

来源：互联网发布：一根网线开两个淘宝店编辑：程序博客网时间：2024/05/19 17:57

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。

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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。

智能门锁

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：

BLE网关接线图

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 |= 0x02; // PERCFG.U1CFG = 1

04 P1SEL |= 0xE0; // P1_7, P1_6, and P1_5 are

05 peripherals

07 P1SEL &= ~0x10; // P1_4 is GPIO (SSN)

08 P1DIR |= 0x10; // SSN is set as output

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 = 0x80;

16 U1GCR |= BV(5);

18 P1SEL &= ~0x08; // P1_3 is GPIO (SSN)

19 P1DIR |= 0x08; // P1_3 is set as output

20 }

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

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；

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转载：http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3029711.HTM?source=related_blog

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