早在1994 年愛立信公司就創立了藍牙技術，並制定了基本的技術規範，原意是創造一種設備間通訊的標准化協議，以解決設備間通訊不兼容的情況，規範公布後得到大量移動設備制造商的支持，並於1999年成立藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group），該聯盟制定並維護藍牙無線規範，並對設備制造廠商提供Bluetooth認證與授權。
當前影響最廣的版本應該是藍牙4.0，本標准中增加了 Bluetooth Smart 和Bluetooth SmartReady 標准。特別是Bluetooth Smart版本，作為低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE），相對歷史版本有質的飛躍，主要表現在成本低，功耗低，峰值電流極小並可以非常快速的建立連接，使用一粒紐扣電池就可以連續工作數年之久。相較於Zigbee和傳統藍牙，協議標准化和低功耗的優勢讓BLE在智能家居和穿戴設備上的優勢一目了然，如圖1所示。
圖1 常用無線協議比較
特別是2011年開始蘋果iOS原生支持BLE之後，BLE得到大量iOS周邊廠商和智能設備廠商的響應，基於BLE技術開發的智能硬件遍地開花，如：智能體重秤，智能手環，智能燈控，智能水杯，智能馬桶，智能鬧鐘……
項目背景
近兩年各種智能家居的產品層出不窮，而且眾多“科技公司”“互聯網企業”“資本投資公司”紛紛加入戰團，看到做手機的 A 公司出了一個智能淨化器，做空調的 B 公司出了一個智能手機，做手表的 C 公司出了一個智能手環，做馬桶的 D 公司坐不住了，在馬桶裡面塞進去了一個溫控+通訊模塊，就誕生了智能馬桶…智能設備市場好熱鬧啊。那麼智能產業迅速發展的現在，我們在智能家居上還能有什麼創意可以挑釁？靈感真的都源於生活，小熊有一天開門收快遞，然後無情的風把萬惡的門拍死了，只剩小熊穿著睡衣舉著手機拿著包裹在風中凌亂，開鎖小哥在小熊女友擔保外加3張毛爺爺之後才高抬貴手開了門，懊惱啊…拍大腿的瞬間，當時小熊就萌發了一個念頭，要是門鎖換成智能控制的話，是不是鑰匙就不再困擾我們了！！！只需要打開手機 APP，就可以操縱智能門鎖開門，或者像有強迫症的熊二，每次鎖完門都要回頭再看一次門有沒有鎖好，是不是有了門鎖的手機APP，就可以隨時看自家門鎖的開關狀態了！
想法出來了，回頭就開始一步步落實。經過對場景設想，最終選用藍牙+以太網網關的方案，正是因為藍牙短距離+傳輸速度快的優勢，其中以太網網關部分使用W5500 硬件協議棧芯片實現。為了更加體現門鎖的智能化，小熊設想了幾個場景：其一是小熊出門收快遞，門被無意中關上了，可以直接用手機開門；其二小熊不在家，小熊女朋友需要進門洗衣服做飯，小熊可以遠程給女朋友開門；其三是熊二被女朋友趕出來了，需要臨時借宿，小熊可以給熊二手機授予限時的開門權限（如2周）。看起來是不是很強大！圖2就是小熊今天要為大家介紹的藍牙智能門鎖的實現示意圖。
圖2 藍牙智能門鎖示意圖
本方案的組成主要分為三個部分：BLE門鎖機構，BLE網關設計，門鎖管理服務器。因為門鎖管理服務器主要為數據庫管理以及APP調用等內容，本文不做過多闡述，本文將主要講述BLE門鎖和BLE的以太網網關的實現等部分內容。
關於BLE的實現，我們選用的是目前市場上最常見的TI CC2541，CC2541是BLE單芯片解決方案，包含一個工業級的8051內核以及RF收發器，集成TI的BLE低功耗協議棧並擁有相對完善的低功耗外設；而以太網部分用的硬件協議棧芯片W5500，W5500 芯片使用硬件邏輯門電路實現TCP/IP協議棧的傳輸層及網絡層（如：TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE等協議），並集成了數據鏈路層，物理層，以及 32K 字節片上 RAM 作為數據收發緩存。不言而喻，W5500 非常適合CC2541這種8051內核，而且片上資源不是很豐富的MCU，一切就這麼愉快的決定了。
為了實現BLE通訊，我們需要使用兩個 CC2541 模塊，一個作為 Central，另一個作為 Peripheral；他們之間實現BLE通信，其中 Peripheral 作為門鎖機構的控制，而 Central 則驅動 W5500 作為 TCP Client 實現網絡通信，從而在網絡端查詢門鎖狀態以及實現網絡控制開鎖的功能。圖3列出了需要准備的硬件設備。
圖3 所需硬件設備
准備工作：
1. 安裝編譯環境 IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation
2. 安裝協議棧 BLE-CC254x-1.3.2
3. 安裝 CC-Debugger 模塊調試下載器驅動
BLE 以太網網關部分：
BLE 以太網網關部分結構如圖4：
圖4 BLE 以太網網關接線圖
需要在 CC2541 的 Central 模式中集成 W5500 的驅動以及 Socket 處理部分，由於 W5500 的函數驅動庫是分層次書寫的，我們只需將 SPI 通信的硬件抽像層的函數重新編寫即可。以下為 CC2541 的 SPI1 的初始化配置函數和數據收發函數的程序，以及復位管腳的控制程序：
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 驅動的部分引腳與SPI1的幾個引腳是復用的，需要將和 LCD 有關的編譯項去掉，避免發生衝突，導致 SPI 不可用。具體方法為在工程選項的編譯子項裡，將 ”HAL_LCD=TRUE”更改為“HAL_LCD=FALSE”。
程序重寫完畢後，打開TI官方 BLE 的例程 SerialApp3，此例程包含 Central 和Peripheral 兩部分，原始例程可以實現串口數據透傳，基於此例進行集成相對起來會比較簡單。將 W5500 的驅動程序包添加到工程中，如圖 5 所示。
圖5 將 W5500 部分集成並初始化
其中Ethernrt_Init函數主要負責W5500的接口和參數的初始化：
01 /*該函數將會在任務函數的初始化函數中調用*/
02 void Ethernrt_Init( uint8 taskID )
03 {
04 WIZ_SPI_Init(); //初始化CC2541的SPI1作為 W5500 的通訊接口
05 Reset_W5500(); //復位W5500
06 set_default(); //設置初始化參數如MAC，IP地址等參數
07 set_network(); //使初始化的IP參數生效
08
09 //記錄任務函數的taskID，備用
10 sendMsgTo_TaskID = taskID;
11 }
TI 的官方 BLE 例程中有比較完備的協議棧程序，提供了完備的應用函數供用戶調用，用戶可以在應用層添加自己的任務和事件；更改應用層數據之前我們必須了解一下 BLE 的應答機制以及 CC2541 的 OSAL 也就是系統抽像層的任務調用機制，首先TI已經做了大量工作，我們無需重寫 BLE 協議，而只需要根據自身的需求更改相應任務參數即可，在 SimpleBLECentral_Init 函數中將 Central 的相關參數初始化，比如：
GAPCentralRole_SetParameter：設置 Central 可以掃描到的最大從端設備數目；
GATT_InitClient：初始化 GATT_Client，一般情況下 Central 做為 Client，Peripheral 作為 Server，Central 通過 GATT_WriteCharValue 和GATT_ReadCharValue 來和 Peripheral 進行通訊；
GATT_RegisterForInd：注冊當前任務為 GATT 的 notify 和 indicatee 的接收端，當 Peripheral 通過 notify 發來數據時，當前任務函數會收到數據；
osal_set_event：該函數會啟動任務函數 START_DEVICE_EVT以及SBP_PERIODIC_EVT，由此轉入系統任務的運行。
而我們的目的是在當前的任務處理機制中增加 W5500 的通訊連接維持以及通訊數據處理的工作，TI 的意圖是減少每項任務的處理時間，從而獲得系統的快速響應，否則單項任務處理時間過長的話就會因為任務延遲而造成 BLE 連接中斷。基於此原理，應盡量減少 W5500 每個任務循環所占用的時間，從而獲得盡快的任務響應，所以應該減少原始的程序中任務等待和delay時間，我在將 W5500 的通訊任務函數 do_tcpclient() 放進主循環之後也對本函數進行了一些瘦身處理。
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; /*定義一個任意端口並初始化*/
05
06 switch (getSn_SR(s))
07 {
08 case SOCK_CLOSED: //查詢Socket狀態是closed狀態時，初始化當前Socket
09 socket(s,Sn_MR_TCP,anyport++,Sn_MR_ND);
10 break;
11
12 case SOCK_INIT: //查詢Socket狀態是初始化狀態時，打開此Socket
13 connect(s,pc_ip,pc_port);
14 break;
15
16 case SOCK_ESTABLISHED: //查詢Socket狀態是連接已建立狀態時，進行數據通信
17
18 break;
19
20 case SOCK_CLOSE_WAIT: //查詢Socket狀態是等待關閉狀態時，關閉此Socket
21 close(s);
22 break;
23 }
24 }
大家可能注意到了，在 SOCK_ESTABLISHED 狀態下，沒有任何實際處理，那是因為我們為了減少任務處理時間，將 Socket 數據處理任務放在了前文提到的SBP_PERIODIC_EVT 中，這個任務由 SimpleBLECentral_ProcessEvent 調用，並在任務的末尾進行重新委托，以 SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD 為間隔循環調用，從而實現定時查詢 Socket 狀態，發送和接收 W5500 的緩存中數據。
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數據
15 buffer[len]=0×00;
16 SerialPrintString(buffer); //串口打印接收到Socket的數據
17 //printf(“%srn”,pub_buf);
18 w_send(0,buffer,len); //向Socket發送接收到的數據，方便調試
19 sbpGattWriteString(buffer,len);//將接收的數據向Peripheral發送
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 的集成已經完成，下一步是處理任務數據，在原始例程中，已經有指令處理部分，比如 AT+SCAN 是搜索 Peripheral，AT+CON1 是與搜索到的第一個從端建立鏈接，這部分我們無需處理，只需要把門鎖的控制指令按標准數據發送就可以。
BLE門鎖部分：
在完成 BLE 以太網網關之後，我們下一步進行門鎖部分的工作，作為Peripheral，程序上和 Central 大同小異，Central 搜索 Peripheral，並通過GATT_WriteCharValue 和 GATT_ReadCharValue 查詢和調用Peripheral上具體的服務；我們要做的是，在系統抽像層的任務調用機制中增加步進電機控制機制，以及在接收到 Central 發送的門鎖的控制指令後執行相應的開鎖和閉鎖動作，另外還可以增加一個干簧管用作磁控開關用來判斷門的閉合狀態，如圖 6 所示。
圖 6 BLE 門鎖步進電機傳動部分
本文選用的 5V 供電的 5 線 4 相步進電機，步進電機的原始例程是通過Delay 函數來實現延遲的，而在 TI 的這種盡量減少每個任務處理時間的機制下，我們需要更改為定時器 Timer3 觸發來執行步進電機的控制，更改部分如圖7所示。
圖7 定時器改進部分代碼
01 void Moter_GPIO_init(void)
02 {
03 P1DIR |= BV(0) | BV(1) | BV(2)| BV(3); //P1.0定義為輸出口
04 P1SEL &= ~(BV(0) | BV(1) | BV(2)| BV(3)); //P1.0定義為一般GPIO
05
06 T3CTL |= BV(3); //開啟溢出中斷
07 T3CTL |= BV(5) | BV(6) | BV(7) ;//128分頻
08 //T3CTL &= ~(BV(0) | BV(1)); //0×00~0xff，重復
09 T3CC0 = 0x4f;
10 T3CTL |= BV(0)| BV(1);
11
12 T3CTL |= BV(4); //啟動timer3
13 T3IE =1; //開啟T3中斷控制
14 EA=1;
15 }
在 SimpleBLEPeripheral_Init 函數中進行了步進電機控制 IO 的初始化Moter_GPIO_init(); 並在其中將 Timer3 進行了初始化；選取 P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，分別作為步進電機四相 ABCD ;如果按照 A-B-C-D 的順序就是正轉，也就是開門，相應 D-C-B-A 就是反轉，也就是閉門操作；
Timer3 的中斷觸發執行如下步驟
01 #pragma vector = T3_VECTOR
02 __interrupt void Timer3_ISR(void)
03 {
04 IRCON = 0×00;
05 /*這裡實現每隔0.5秒翻轉一次，128分頻，由於timer3為8為，從0×00~0xff，
06 128/16M *Number=0.5s,所以Number=62500次
07 運行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(“unlockrn”,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(“lockrn”,6);
32 }
33 }
34 }
35 }
可以看到在中斷觸發中根據 Motor_AB_flag 和 Motor_BA_flag 的狀態來執行開鎖和閉鎖動作，當執行 1024 個周期後停止動作並將相應的標志位置 0；而Motor_AB_flag 和 Motor_BA_flag 的狀態這時根據 Central 發送過來的數據進行相關解析之後進行的，在Peripheral的初始化函數 SimpleBLEPeripheral_Init 中注冊了一個接收數據的回調函數 simpleProfileChangeCB。
當Central對Peripheral 發送數據更改 PROFILE 服務的 CHAR1 字段時，下面的步驟被觸發
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;
為了安全的需要，我們定義了一個密碼段，這個密碼段可以進一步改進為 SSL 加密或者 RSA 算法加密，本文以 admin 為例，查詢狀態指令為”admin?”，Peripheral 根據當前”lock”或”unlock” 狀態以及磁控開關回復當前狀態；開鎖指令目前為”admin=AB”;閉鎖為”admin=BA”。
系統測試：
系統測試部分我們可以按照手機 APP（BLE）控制門鎖和網絡控制門鎖兩部分進行：
1.使用手機的藍牙和 BLE 門鎖通訊
為了方便測試 BLE，需要在手機上安裝一個 APP“LightBlue – Bluetooth Low Energy”，
圖8 APP LightBlue – Bluetooth Low Energy
可以測試 BLE 的數據收發等工作，我們在 apple store 上安裝此 app 之後，就可以搜索到 BLE 門鎖“Smart Lock”，如圖9所示。
在選擇 “Smart Lock” 並對UUID ：FFF0的服務Characteristic1字段寫入HEX字符的admin=AB“0x61646D696E3D4142”，如圖10所示；之後就可以聽到“Smart Lock”傳來的齒輪摩擦聲，成功。
1.使用 BLE 以太網網關和 BLE 門鎖通訊
網關通訊測試我分為兩部分進行：
1）通過 BLE 以太網網關的串口指令和 ”Smart Lock” 配對並控制門鎖開關，如圖11
圖 11 通過串口指令與”Smart Lock”配對
我們一共發送了三個指令：
AT+SCAN //搜索從端設備
AT+CON1 //與搜索到的第一個設備建立連接
admin=AB //前面兩個是發送給網關的指令，而 admin=AB 會作為數據發送給從端從端在接收到本數據之後控制電機轉動，到達指令周期之後停轉並復 “unlock”給網關，控制周期完成。
1.通過 socket 發送數據給 ”Smart Lock” 控制門鎖開關
BLE 門鎖 ”Smart Lock” 在上電之後作為 TCP Cllient 去和 Server 建立通訊連接並等待接收數據，當通訊連接建立之後，我們通過 Socket 測試工具 “Pdu Receiver”發送控制指令給 “W5500+BLE” 網關，網關會把數據轉發給 ”Smart Lock”，從而控制步進電機按周期轉動，如圖12所示。
圖12 通過測試工具Pdu Receiver進行門鎖控制
最後至此，已經實現了藍牙 BLE 網關對門鎖的智能控制，希望能給大家提供一個DIY 的思路。那麼，在智能家居的大潮中，藍牙 BLE 技術的應用已被越來越多廠商關注並采用，在這裡借助 W5500 的硬件協議棧，給大家提示一個更便捷的聯網方式，進一步減輕智能網關開發的難度，真正做到制作簡便、智能易用！
本文已刊登至《无线电》六月刊