基于BLE的智能门禁系统

jj1989

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基于BLE的智能门禁系统

前言

想当初活动报名的时候，觉得这么长的时间，完成作品应该很轻松。实际上手才发现，时间根本不够用，主要平时只能利用业余时间搞一下。 本次作品名称为《基于BLE的智能门禁系统》，涉及到BLE、Thread和服务器三部分。目前仅完成了BLE部分，Thread部分第一次接触，信息量太大，还需要慢慢研究。虽然没有完成整个作品，但还是将已完成部分与大家分享一下。

作品名称

《基于BLE的智能门禁系统》

作品实现功能说明

1.系统框图

图1 基于BLE的智能门禁系统框图

2.功能说明

整个系统包括BLE、Thread和服务器三部分。BLE部分主要完成身份识别，Thread部分完成数据的上传，服务器主要记录门禁信息。 两个开发板，一个做主机，一个做从机。从机广播蓝牙信号，提供各种服务，其为服务的提供者，因此又叫服务器（Server）。主机为控制中心，扫描蓝牙信号并连接到从机，相对于从机，为客户端（client）。 这里开发板2作为一个Beacon设备，一直处于广播状态。开发板1作为主机，处于扫描状态。当扫描到2的广播信号，通过RSSI值，可判断2的距离。当2处于1的有效距离范围内，1将会触发开门等一系列操作，这里通过1上的绿色LED来指示。当检测到2时，绿色LED点亮，否则熄灭。

软件设计思路

BLE部分

这里的代码基于官方SDK中的Beacon和HID_Host例程。

1.从机端:

开发板2做BLE从机，一直广播蓝牙信号，不可被连接，称为Beacon设备。 基于官方Beacon例程，需要修改的地方有：

• 修改设备地址（MAC Address）
• 修改广播的UUID

说明： 1.这里主机通过MAC地址来辨别不同设备，假设有两个Beacon设备广播相同的信息，通过MAC地址即可将他们区分开来。 2.广播UUID主要用于主机扫描时进行过滤。比如不是我们的Beacon设备广播的信息，直接忽略。

代码修改

接下来我们来看代码。 打开Beacon例程。 首先打开app_config.c文件，定位到如下代码：

const gapAdvertisingParameters_t gAppAdvParams = {
    /* minInterval */         800 /* 500 ms */, 
    /* maxInterval */         1600 /* 1 s */, 
    /* advertisingType */     gAdvNonConnectable_c, 
    /* addressType */         gBleAddrTypePublic_c, 
    /* directedAddressType */ gBleAddrTypePublic_c, 
    /* directedAddress */     {0, 0, 0, 0, 0, 0}, 
    /* channelMap */          (gapAdvertisingChannelMapFlags_t) (gAdvChanMapFlag37_c | gAdvChanMapFlag38_c | gAdvChanMapFlag39_c), 
    /* filterPolicy */        gProcessAll_c 
};

该结构体为广播参数的设置。设置了广播间隔，广播类型，地址类型，广播信道等。Beacon设备一直广播，不可被连接，其广播类型为gAdvNonConnectable_c，不可连接的广播。 接下来定位到以下代码：

static const uint8_t adData0[1] =  { (gapAdTypeFlags_t)(gLeGeneralDiscoverableMode_c | gBrEdrNotSupported_c) };
static uint8_t adData1[26] = { 
                       /* Company Identifier*/ 
                       mAdvCompanyId,    
                       /* Beacon Identifier */ 
                       mBeaconId,
                       /* UUID */
                       mUuid,                               
                       /* A */
                       0x00, 0x00,
                       /* B */
                       0x00, 0x00,
                       /* C */
                       0x00, 0x00,
                       /* RSSI at 1m */
                       0x1E};

static const gapAdStructure_t advScanStruct[] = {
  {
    .length = NumberOfElements(adData0) + 1,
    .adType = gAdFlags_c,
    .aData = (void *)adData0
  },  
  {
    .length = NumberOfElements(adData1) + 1,
    .adType = gAdManufacturerSpecificData_c,
    .aData = (void *)adData1
  }
};

该结构体配置了广播数据。设备广播时，借助Dongle抓包可以查看到这些数据。 其中mAdvCompanyId和mBeaconId可用于区分不同的Beacon。这里mUuid为一个宏，将其值修改为：

#define mUuid   0xa7,0xbf,0x42,0xa2,0xfc,0x4d,0x49,0xf4,0xb2,0x2c,0xd6,0xf7,0x39,0x12,0x28,0xbe

然后在main_task()函数中，注释掉BleApp_Init()函数，其会产生一串随机数来修改mUuid的值。 接下来打开app_preinclude.h文件，修改MAC地址，如下：

#define BD_ADDR 0x12,0x34,0x56,0x78,0x9A,0xBC

通过以上几步简单的操作，Beacon设备的代码就修改完成了。接下来编译烧录并运行，使用Dongle抓取广播数据，看一下是否跟预期的一致。

广播数据抓包

这里使用TI的CC2540 USB Dongle，结合其软件，抓取蓝牙信号。如下图：

图2 Dongle抓包数据

抓取的广播数据和地址与我们上面定义的一致。 话说为什么NXP不提供USB Dongle呢？两块板子都给了，Dongle还舍不得吗？虽然开发板可以烧固件成Dongle，但像我这种两块板子一起使用的就尴尬了。

2.主机端:

开发板1做BLE主机，不断扫描蓝牙广播信号。 打开HID_Host例程，定位到 BleApp_ScanningCallback 函数中的CheckScanEvent函数，如下：

static bool_t CheckScanEvent(gapScannedDevice_t* pData)
{
    uint8_t index = 0;
    uint8_t name[10];
    uint8_t nameLength;
    bool_t foundMatch = FALSE;

    while (index < pData->dataLength)
    {
        gapAdStructure_t adElement;

        adElement.length = pData->data[index];
        adElement.adType = (gapAdType_t)pData->data[index + 1];
        adElement.aData = &pData->data[index + 2];

         /* Search for Temperature Custom Service */
        if ((adElement.adType == gAdIncomplete16bitServiceList_c) ||
          (adElement.adType == gAdComplete16bitServiceList_c))
        {
            uint16_t uuid = gBleSig_HidService_d;
            foundMatch = MatchDataInAdvElementList(&adElement, &uuid, sizeof(uint16_t));
        }

        if ((adElement.adType == gAdShortenedLocalName_c) ||
          (adElement.adType == gAdCompleteLocalName_c))
        {
            nameLength = MIN(adElement.length, 10);
            FLib_MemCpy(name, adElement.aData, nameLength);
        }

        /* Move on to the next AD elemnt type */
        index += adElement.length + sizeof(uint8_t);
    }

    if (foundMatch)
    {
        /* UI */
        shell_write("rnFound device: rn");
        shell_writeN((char*)name, nameLength-1);
        SHELL_NEWLINE();
        shell_writeHex(pData->aAddress, 6);
    }
    return foundMatch;
}

先说一下HID主机例程是如何识别并连接到从机的。首先判断UUID类型是否是16位，若是则继续判断是否为0x1812，即HID服务。若是则说明匹配，主机将尝试与之连接。 接下来修改这一部分的代码，如下：

static bool_t CheckScanEvent(gapScannedDevice_t* pData)
{
    bool_t foundMatch = FALSE;
    uint8_t temp[32];                   //用于调试使用
    memcpy(temp,&pData->data[0],pData->dataLength);       
    //长度判断
    if(pData->dataLength == 0x1F)
    {
      //UUID过滤
      if(FLib_MemCmp(&temp[8],mUuid,16))
      {
          //MAC地址匹配
        if(FLib_MemCmp(mac_address,&pData->aAddress,6))
        {
          //获取信号强度
          beacon_rssi = pData->rssi;
          foundMatch = true;
        }
      }
    } 
    if (foundMatch)
    {
      /* UI */
      shell_write("rnFound device: rn");
      shell_write("rnMAC Address: rn");
      shell_writeHex(pData->aAddress, 6);
    }
    return foundMatch;
}

通过一步步判断广播数据长度，UUID、MAC地址，筛选出目标设备。当三者都匹配时，获取信号强度，串口打印相关信息，并返回真值。这里使用MAC地址作为用户ID。 接下来先编译代码并调试一下，在长度判断处打一个断点，当程序运行到断点处，看一下temp变量的值，如下图：

图3 调试数据

与使用Dongle抓取的数据一致。

在BleApp_ScanningCallback函数中，会判断刚刚的返回值，若返回值为真，说明是我们的Beacon设备。然后再判断信号强度是否满足要求，即是否在有效距离范围内。为了便于测试，这里取-30dBm。当信号强度满足要求，则点亮绿色LED。具体代码如下：

if (CheckScanEvent(&pScanningEvent->eventData.scannedDevice))
{          
    Gap_StopScanning();       //停止扫描
    if(beacon_rssi > -30)
    {
        Led3On();               
    }
    else
    {
        Led3Off();
    }
    BleApp_Start();           //启动扫描
}

Thread、服务器部分

暂无

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作品源代码

上述代码分析，只对重要部分做了简单的讲解。其它地方，如广播间隔，扫描间隔等参数的选择就不一一分析了。具体参见源码。

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演示视频

见文末。 说明： 开发板1（主机）静止不动，开发板2（Beacon）慢慢靠近主机，距离缩短到一定范围后，主机上面的绿色LED灯点亮。接下来Beacon慢慢远离主机，当超过一定距离后，主机上面的绿色LED灯熄灭。当让Beacon快速靠近主机又离开时，绿色LED不断闪烁。说明尽管Beacon移动很快，也能被主机迅速识别。

总结及展望

本次作品为基于BLE的智能门禁系统，分为BLE、Thread和服务器三部分，目前仅实现了BLE部分。在Beacon识别过程中，主机通过广播信息过滤设备，并通过MAC地址来区分不同的Beacon设备。由于使用MAC地址作为身份验证，这样即使其它设备克隆广播信息，也无法通过主机的验证。但还是存在安全隐患，即如果克隆者克隆了MAC地址，则主机会验证通过。因此后续仍需要做的是提高系统的安全性。 本方案中，可以再增加一个主机，即开发板1。这里假设原先的主机为A，新增的主机为B。将B放置于上下班必经之处，与A隔一段距离。上班的时候，B先检测到Beacon信号，之后是A。而下班的时候，顺序刚好相反。由此可判断出人的行为。 由于时间的原因，未能完全完成本次作品，但通过这次活动，收获了很多东西。对Thread有了初步的了解，对BLE有了更加深入的认识。在这里感谢EEWORLD和NXP(排名不分先后)举办此次活动。感谢幕后所有的工作人员！！！