巧用IOS的BLE实现上下班打卡提醒（Python实现）

0x00 背景

因为公司使用刷脸打卡，这就导致有时候打了卡，却突然失忆，忘了自己有没有打卡；或者直接就忘了打卡，并且也忘了自己有没有打卡。这几种情况都实实在在发生过的，上个班还要时时刻刻去回忆有没有打卡实在是非常痛苦的一件事。所以一直就想做一个提醒打卡的小程序。

0x01 设想的几种方案

第一种方案，是基于IOS快捷指令的自动化功能，设置到达或者离开目的地的提醒，但是这个自动化的方式非常鸡肋，一个是触发之后，还要手动点运行；二是到达或离开目的地根本就不提醒，反而是每次走到定位地址外的一个准确位置，反而又会准确提醒，不知道是不是地图位置有偏移还是咋滴。

第二种方案是想起之前阿里公众号中的一篇文章，就讲到在外卖取餐的场景中，如何准确识别外卖小哥到店取餐的解决方案，这给了我很大的启发，该场景跟我上下班的场景很是契合，只要在到店（到公司上班）识别的基础上，加上离店（下班回家）识别的功能即可。开干！

0x02 资料收集

遵循不重复造轮子原则，我首先在网上搜集了一下相关的信息，看看有没有现成的方案。

首先在知乎找到了《总是忘打卡？用iBeacon提醒你！》这篇文章，作者在万能淘宝上购买的iBeacon信标，使用Python搭配pybluez库探测iBeacon信号，根据iBeacon信号的消失或者出现来判断作者上班与下班的状态。

但是据了解，iPhone是会持续向外发射BLE信号的，既然有现成的信号源，就不用买万能淘宝的iBeacon信标了。

因为iPhone的BLE广播的是随机地址，那么要如何唯一确定该随机地址是我的设备呢? 首先我们要知道随机地址是什么意思，随机地址是蓝牙核心规范中的一个词条，那么在蓝牙核心规范中必然会有”随机地址”的定义和描述，附上蓝牙核心规范5.3下载链接。

0x03 实现方案

根据蓝牙核心规范5.3中[Vol 6] Part B, Section 1.3.2.3的描述，可解析随机地址（iPhone BLE使用的正是可解析随机地址）可以使用设备配对过程中产生的IRK进行解析

将IRK以及随机地址的前24位prand作为输入，然后prand需要补齐128位变为r’
使用[Vol 3] Part H, Section 2.2.2的ah哈希函数，进行ah(IRK,r’)，ah函数实际上就是NIST Publication FIPS-197中描述的AES-128加密，IRK作为key，r’作为plaintext
取ah哈希运算结果的最后24位，跟随机地址的后24位进行比较，若一样则可判断为同一设备。

0x04 运行环境的选择

我脑海中最先想到的是树莓派，作为一个wifi 蓝牙有线功能完备，软件支持完整，即插即用，并且技术成熟的ARM设备，确实是实现各种小功能的首选设备。

等等，为什么不在windows中实现呢？我的办公电脑又是24小时开机的，少维护一个设备多香啊。但是在实现的过程中发现pybluez的库在windows平台上并不支持BLE。。。但是万能的GayHub说：pybluez不行我这还有pysimpleble，尽管文档少，又不是不能用对吧。

0x05 获取IRK

既然随机地址是根据IRK来解析的，那首先就要获取到一个IRK。

首先，需要一个支持BLE的蓝牙适配器（我两台电脑蓝牙适配器可能因为不支持BLE配对，只能获取到Linkkey），以及Win10系统环境。

将电脑与手机进行配对，配对完成后，打开设备管理器，找到iPhone的蓝牙LE设备，打开属性窗口的事件选项卡，在信息栏记录蓝牙LE设备的设备号（如图5.1）

下载PsTools解压,使用管理员权限打开CMD，cd到解压好的PsTools根目录，执行命令

# 64位操作系统执行以下命令
PsExec64.exe -si regedit
# 32位操作系统执行以下命令
PsExec.exe -si regedit

执行命令后会打开注册表窗口，在左侧找到HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\services\BTHPORT\Parameters\Keys\目录(如图 5.2)

第一层目录是本机蓝牙Mac地址，在第二层目录中找到设备管理器中记录下的设备号，点击该目录，记录右侧窗口的IRK秘钥串

PS：如果有 ESP32 开发板，可以烧录Decoding-Random-Bluetooth-Address项目的get_irk - esp32_irk.ino，再使用手机跟ESP32配对，在串口监视器中即可看到打印出来的IRK。

另外，Decoding-Random-Bluetooth-Address这个项目中的nrf_ble_add文件夹中，有C语实现的程序，可以用来研究随机地址与irk匹配的具体算法，我仅参考了ah函数的具体实现过程，因为项目跑起来的发现随机地址和irk的匹配结果不对。

0x06 位置判断实现篇

## 随机地址校验器
class RandomAddressValidator(object):
    def __init__(self):
        self.irk = 'XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX'
        # 将irk的hex数值转换为字节数组
        self.key = bytearray.fromhex(self.irk)  
        self.MODE = AES.MODE_ECB

    # ah函数
    def ah(self, k, _r):
        aes = AES.new(k, self.MODE)
        encrypted_text = aes.encrypt(_r)
        return encrypted_text.hex()

    def validate(self, random_address):
        random_address = random_address.replace(':', '')
        # padding用于填充prand位数
        padding = '00000000000000000000000000'
        # prand为随机地址的高24位
        prand = random_address[:6]
        # 用于最终校验的hash为随机地址的低24位
        hash = random_address[-6:]
        # 将填充到128位的prand转换为字节数组
        _r = bytearray.fromhex(padding + prand)
        # ah函数传入irk以及填充后的prand并返回运算结果
        ah_res = self.ah(self.key, _r)
        # 返回对比结果
        return ah_res[-6:] == hash

校验器有了，接下来只需要循环扫描BLE信号，然后将扫描到的蓝牙地址进行一一校验，即可判断我的手机有没有在附近

pre_is_nearby = False
is_nearby = False
sendNotify_status = 'unknow'

while True:
    adapters = simplepyble.Adapter.get_adapters()

    if len(adapters) == 0:
        print("No adapters found")

    adapter = adapters[0]

    print(f"Selected adapter: {adapter.identifier()} [{adapter.address()}]")
    adapter.set_callback_on_scan_start(lambda: print("Scan started."))
    adapter.set_callback_on_scan_stop(lambda: print("Scan complete."))
    adapter.set_callback_on_scan_found(
        lambda peripheral: print(f"Found {peripheral.identifier()} [{peripheral.address()}]"))

    # Scan for 10 seconds
    adapter.scan_for(10000)

    peripherals = adapter.scan_get_results()

    time.sleep(1)

    pre_is_nearby = is_nearby
    is_nearby = False

    for i, peripheral in enumerate(peripherals):
        validate_res = RandomAddressValidator().validate(peripheral.address())
        print(f"[{peripheral.address()}] is_Matched:{validate_res}")

        if validate_res:
            is_nearby = True
            break

    now_localtime = time.strftime("%H:%M:%S", time.localtime())

    # 上班时间
    if "07:00:00" < now_localtime < "08:10:00":
        if is_nearby and sendNotify_status != 'morning':
            # 发送上班打卡提醒
            sendNotify_status = 'morning'
    # 下班时间
    elif "16:59:00" < now_localtime < "20:00:00":
        # 晚上会有暂时离开电脑，但并未下班的情况，需重复提醒
        if pre_is_nearby != is_nearby:
            sendNotify_status = 'unknow'

        if not is_nearby and sendNotify_status != 'night':
            # 发送下班打卡提醒
            sendNotify_status = 'night'     

    # 每30秒扫描一次
    time.sleep(30）

0x07 提醒方式实现篇

我实现的提醒方式主要有两种：邮件提醒以及公众号通知提醒。还有一种扩展的提醒方式，是基于IOS快捷指令的自动化功能，当收到邮件时，自动弹出快捷指令提醒，该方式可以将快捷指令设置为当用户手动运行快捷指令时，自动访问确认打卡的回调网址。

邮件提醒的实现非常简单，只需要在邮箱后台设置一下授权码，填入代码中即可：

# 这段代码是可以开箱即用的
def send_email(title, content):
    import smtplib
    from email.mime.multipart import MIMEMultipart
    from email.mime.text import MIMEText
    # 设置smtp host
    mail_host = 'smtp.163.com'
    # 设置邮箱
    mail_user = 'XXXXXXXXXX@163.com'

    # 这个是授权码 不是密码 需要去163设置
    mail_pass = 'XXXXXXXXXX'
    sender = 'XXXXXXXXXX@163.com'
    # 收件人邮箱
    receivers = ['XXXXXXXXXX@qq.com']

    # 构造message （邮件内容）
    message = MIMEText(content, 'plain', 'utf-8')
    message['Subject'] = title
    message['From'] = sender
    message['To'] = receivers[0]

    # smtp = smtplib.SMTP(mail_host, 587)
    try:
        # smtp = smtplib.SMTP_SSL(mail_host, 465)  # 启用SSL发信, 端口一般是465

        smtp = smtplib.SMTP()
        smtp.connect(mail_host)
        smtp.set_debuglevel(1)
        smtp.ehlo()
        # smtp.starttls()
        smtp.ehlo()
        smtp.login(mail_user, mail_pass)
        smtp.sendmail(sender, receivers, message.as_string())
        smtp.quit()
        print("mail has been send successfully.")
    except smtplib.SMTPException as e:
        print(e)

公众号通知提醒，需要开通一个测试号（可以实现模板消息（业务通知）发送的功能的最简单方式），可以打开这里注册，然后配置消息模板，模板内容中字段使用”{{字段名.DATA}}“的格式进行配置，配置好之后记录下模板id，在代码层面还要做以下工作：

# access_token的数据结构
access_token = {'token': None, 'expire_time': None}

# 检查access_token是否过期，过期则重新获取
def check_access_token(access_token_dict):
    current_time = datetime.datetime.now()
    if access_token_dict['token'] is None or current_time > access_token_dict['expire_time']:
        token = get_access_token()
        expire_time = current_time + datetime.timedelta(seconds=7200)
        access_token_dict['token'] = token
        access_token_dict['expire_time'] = expire_time
    return access_token_dict

# 由于发送模板消息时需要携带access_token，token是有时间限制的，所以需要定期刷新token
def get_access_token():
    # appid和secret可以在测试号后台的“测试号信息”中获取
    url = "https://api.weixin.qq.com/cgi-bin/token?grant_type=client_credential&appid=xxxxxxxxxx&secret=xxxxxxxxxx"

    payload = {}
    headers = {}

    response = requests.request("GET", url, headers=headers, data=payload)
    res = json.loads(response.text)
    print(f"Get access_token successfully!\n[access_token]:{res['access_token']}")

    return res['access_token']

# 发送模板消息的方法，
def send_template_msg(access_token, msg_content, msg_time):
    url = "https://api.weixin.qq.com/cgi-bin/message/template/send?access_token=" + access_token

    payload = json.dumps({
        # 接收者openid
        "touser": "openid",
        # 模板id
        "template_id": "xxxxxxxxxx",
        # 点击模板消息跳转的url
        "url": "http://weixin.qq.com/download",
        "topcolor": "#FF0000",
        "data": {
            "content": {
                "value": msg_content,
                "color": "#173177"
            },
            "time": {
                "value": msg_time,
                "color": "#173177"
            }
        }
    })
    headers = {
        'Content-Type': 'application/json'
    }
    response = requests.request("POST", url, headers=headers, data=payload)
    print(response.text)
    return response.text

快捷指令提醒设置：首先需要设置IOS的邮箱，我使用的是QQ邮箱，需要到QQ邮箱的设置中启用IMAP/SMTP服务，然后生成授权码。获取到授权码之后，到“邮件”中添加QQ邮箱账户，然后主机名填写imap.qq.com，用户名为QQ邮箱，密码为授权码，由于我没使用到SMTP服务，就没有进行配置。具体的配置过程可以参考QQ官方教程

快捷指令设置：找到快捷指令的自动化功能，具体操作很简单，就不再赘述了。

0x08 花絮

在Windows中使用Python实现受阻后，发现Windows SDK是提供BLE的完整支持的，于是又转过头准备在windows使用C#实现这个功能，微软还提供了若干例程，比如：BluetoothLE, BluetoothLEExplorer有C#开发经验的朋友可以优先考虑C#实现。因为C#我太久没接触了，要重新上手开发所花费的时间成本是巨大的，就还是将工作转到寻找Win10兼容的Python BLE库了。