蓝牙BLE以太网网关在智能家居中的应用

Home / 博客 / 蓝牙BLE以太网网关在智能家居中的应用

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 SmartBluetooth 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。

 Untitled-1

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 CC2541CC2541BLE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TIBLE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W5500W5500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。

图片33 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CC2541Central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CC2541SPI1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

06

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

08     P1DIR  |=  0x10;                // 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 = 0x80;

16     U1GCR |= BV(5);

17

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

19     P1DIR  |=  0x08;            // 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,CC2541LCD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CentralPeripheral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55 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CC2541OSAL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ClientPeripheral作为ServerCentral通过GATT_WriteCharValueGATT_ReadCharValue来和Peripheral进行通讯;

GATT_RegisterForInd注册当前任务为GATTnotifyindicate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]=0x00;

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PeripheralAT+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_WriteCharValueGATT_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66 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。

 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)); //0x00~0xff,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 }

         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P1.0P1.1P1.2P1.3,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 = 0x00;

05     /*这里实现每隔0.5秒翻转一次,128分频,由于timer3为8为,从0x00~0xff,

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_flagMotor_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_flagMotor_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

           CentralPeripheral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””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APPBLE)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APPLightBlue – Bluetooth Low Energy”,

 图8

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。
 

9 搜索BLE门锁Smart Lock                   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=AB0x61646D696E3D4142”,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

 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。 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:http://www.iwiznet.cn

WIZnet微信公众号:iwiznet