BÁO CÁO ĐỒ ÁN CUỐI KỲ MÔN HỌC THỰC HÀNH KẾT NỐI VÀ THU NHẬN DỮ LIỆU IOT Đề tài Tìm hiểu về Bluetooth Low Energy

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CUỐI KỲ MÔN HỌC: THỰC HÀNH KẾT NỐI VÀ THU NHẬN DỮ LIỆU IOT Đề tài: Tìm hiểu về Bluetooth Low Energy ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BỘ MÔN MÁY TÍNH HỆ THỐNG NHÚNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN CUỐI KỲ MÔN HỌC: THỰC HÀNH KẾT NỐI VÀ THU NHẬN DỮ LIỆU IOT Đề tài: Tìm hiểu về Bluetooth Low Energy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BỘ MÔN MÁY TÍNH HỆ THỐNG NHÚNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN CUỐI KỲ MÔN HỌC: THỰC HÀNH KẾT NỐI VÀ THU NHẬN DỮ LIỆU IOT Đề tài: Tìm hiểu Bluetooth Low Energy Giảng viên hướng dẫn : Đặng Tấn Phát Sinh viên thực : Nhóm Mục lục Giới thiệu Bluetooth 1.1 Khái niệm Bluetooth……………………………………………………………………………………………………………… 1.2 Các ứng dụng bật Bluetooth…………………………………………………………………………………………… Khái niệm Low Bluetooth Energy .3 Các loại Ble .4 So sánh Classic Bluetooth Bluetooth Ble Ứng dụng BLE Điều làm BLE trở nên khác biệt ? 7 Ưu nhược điểm BLE 7.1 Ưu điểm 7.2 Nhược điểm 8 Mơ hình mạng truyền thông cho BLE 8.1 Broadcasting 8.2 Connection .9 Giao thức cấu hình (Protocols Profiles) .10 9.1 The BLE Protocols Stack 10 9.2 Các profiles sở: GAP GATT 15 10 Kết luận 18 Giới thiệu Bluetooth 1.1 Khái niệm Bluetooth Bluetooh công nghệ dựa tần số vô tuyến sử dụng dể tạo kết nối giao tiếp hai loại thiết bị khác cự li định Có nhiều thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth như: điện thoại di động, máy tính thiết bị hỗ trợ cá nhân (PDA) 1.2 Các ứng dụng bật Bluetooth Điều khiển giao tiếp không dây điện thoại di động tai nghe không dây Mạng khơng dây máy tính cá nhân khơng gian hẹp địi hỏi băng thơng Giao tiếp không dây với thiết bị vào máy tính, chẳng hạn chuột bàn phím máy in Kết nối Internet cho PC PDA cách dùng điện thoại di động thay modem Khái niệm Low Bluetooth Energy Bluetooth Low Energy (BLE) gọi Bluetooth lượng thấp, Bluetooth công suất thấp, cơng nghệ mạng khơng dây tiêu thụ lượng dùng để kết nối thiết bị với Hiện nay, có nhiều cơng nghệ khơng dây giới thiệu, nhiên BLE yêu thích sử dụng nhiều dự án, với lý có tính tương đối cao với nhiều tảng Ble đời nhằm giải vấn đề nguồn điện Classic Bluetooth, giúp cho thiết bị Bluetooth chạy pin thời gian dài, lên đến năm thông qua chế độ Beacon Ở chế độ này, thiết bị BLE phát thông tin sau khoảng thời gian ngắn sleep phần lớn thời gian cịn lại Ngồi ra, chế độ truyền lượng kết nối nhanh chóng (3s so với 30s Classic) giúp tiêu thụ lượng thấp nhiều so với Classic 3 Các loại Ble Thiết bị Ble gồm loại Bluetooth Smart Bluetooth Smart Ready  Bluetooth Smart (Single mode): giao tiếp với thiết bị Bluetooth Smart Bluetooth Smart Ready  Bluetooth Smart Ready(Dual mode) : giao tiếp với loại thiết bị Bluetooth Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready Classic Bluetooth  Những thiết bị kế nối trung gian laptop, smartphone, tablet sử dụng chip kiểu Bluetooth Smart Ready (Dual mode) So sánh Classic Bluetooth Bluetooth Ble Thực chất loại bluetooth sử dụng với mục đích khác Classic Bluetooth Bluetooth Ble Tần số vô tuyến 2.4G 2.4G Khoảng cách 10m >60m Tốc độ truyền liệu 1-3Mbps 1Mbps Thông lượng 0.7-2.1 Mbps 305kbps Bảo mật 64bit,128bit 128bit AES Mức độ tiêu thụ Low Low Nhà sản xuất Bluetooth SIG Bluetooth SIG Cấu trúc liên kết mạng Point to point Point-to-point Scatternet Star lượng -Bluetooth thơng thường thích hợp để xử lý, truyền trao đổi lượng lớn liệu (ví dụ âm thanh, video).Tuy nhiên, tiêu tốn nhiều điện có giá thành đắt -Công nghệ Ble phù hợp với ứng dụng không yêu cầu chuyển lượng lớn liệu(nhịp tim,bước chạy, ), khơi phục lượng lớn liệu Và nhờ mà thiết bị chạy lượng pin nhiều năm với chi phí thấp Bluetooth khơng u cầu kết nối liên tục Ứng dụng BLE BLE đời với hy vọng mang lại hiệu tối ưu cho người dùng qua thiết bị Iot, điều ứng dụng cách rộng rãi thiết bị CNTT với đa lĩnh vực Ví dụ : Phụ kiện theo dõi đồ vật với độ xác cao – Apple Airtag Đây thiết bị gắn vào vật dụng khác để chủ nhân dễ dàng tìm thấy cần Nhà thông minh (Smart home) với đồ vật điều khiển Smart home Vịng đeo tay thơng minh hỗ trợ theo dõi ghi nhận thông tin trình tập luyện người đồng liệu cho Smart phone Beacon, phát triển cho cơng nghệ vị trí giao tiếp gần, có khả xác định gửi thơng tin sản phẩm/khuyến đến khách tham quan khu vực cửa hàng thông qua Smart phone 6 Điều làm BLE trở nên khác biệt ?  Sự phát triển mạnh thiết bị thông minh dẫn đến nhu cầu kết nối thiết bị với ngồi tăng mạnh Trong BLE tích hợp hầu hết điện thoại thơng minh  Gía thành thấp  BLE cho phép thiết bị “nói chuyện” với tảng di động  Một số thiết bị cần truyền nhận lượng liệu nhỏ cho chu kỳ kết nối chúng cần tiết kiệm lượng, ví dụ thiết bị theo dõi nhịp tim, thiết bị quản lý trẻ em  BLE có mơ hình liệu tương đối dễ hiểu, khơng cần chi phí giấy phép với Protocol stack không phức tạp Ưu nhược điểm BLE Mọi thiết bị lúc hồn hảo mặt tính năng, điều có mặt hạn chế thiết bị, bluetooth lượng thấp không ngoại lệ 7.1 Ưu điểm - Đầu tiên phải nói đến khả tiêu thụ lượng mức tối thiểu, cho phép thiết bị hoạt động vài tháng thặm chí vài năm với viên pin đồng xu nhờ vào chế độ Beacon - Những mơ hình liệu dùng thiết kế Ble có giá thành khơng q cao phức tạp cơng nghệ có mức giá thấp - Thủ tục thiết lập kết nối truyền liệu nhanh (khoảng 3s) - Ble hoạt động tần số 2.4Ghz ISM band, giúp tránh nhiễu sóng thiết bị WIFI bluetooth - Quan trọng tích hợp cơng nghệ BLE hầu hết điện thoại thông minh bán thị trường mang đến nhiều lợi công nghệ khác 7.2 Nhược điểm - Thông lượng liệu nhỏ: Tần số điều chế sóng BLE khơng gian 1Mbps Đây giới hạn theo lý thuyết Tuy nhiên thực tế tham số nhỏ ảnh hưởng nhiều yếu tố - Khoảng cách bị giới hạn: Trên lý thuyết BLE có khả truyền tối đa đến 100m Tuy nhiên, thực tế cơng nghệ truyền với khoảng cách 30m đạt hiệu cao mức – 5m Các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền thông môi trường hoạt động, thiết kế anten, vật cản, hướng thiết bị, … Mơ hình mạng truyền thơng cho BLE Một thiết bị BLE giao tiếp với bên ngồi thơng qua chế: Broadcasting Connection Mỗi chế mạnh giới hạn riêng, hai thiết lập GAP (Generic Access Profile) 8.1 Broadcasting   Thiết bị Broadcaster: Gửi gói tin quảng bá phi kết nối đến thiết bị nhận Thiết bị Observer: Quét liên tục theo tần số đặt trước để nhận gói tin quảng bá phi kết nối Đây kiểu truyền thông cho phép thiết bị truyền liệu đến nhiều thiết bị khác lúc (một chiều) Đây chế nhanh chóng dễ sử dụng, lựa chọn tốt muốn truyền lượng nhỏ liệu đến nhiều thiết bị lúc Hạn chế liệu khơng bảo đảm an ninh, không phù hợp để truyền liệu nhạy cảm 8.2 Connection     Thiết bị Central (Master): Quét gói tin quảng bá hướng kết nối theo tần số đặt trước, phù hợp khởi tạo kết nối với peripheral Central quản lý timing bắt đầu trao đổi liệu theo chu kỳ Thiết bị Peripheral (Slave): Phát gói tin quảng bá hướng kết nối theo chu kỳ chấp nhận kết nối central yêu cầu Khởi tạo kết nối: o Khi muốn kết nối, slave phát gói tin quảng bá khơng gian o Central nhận gói tin quảng bá slave, chứa thông tin cần thiết cho phép kết nối với slave o Dựa đó, central gửi yêu cầu kết nối đến slave để thiết lập kết nối riêng hai thiết bị o Khi kết nối thiết lập, slave dừng quảng bá hai thiết bị bắt đầu trao đổi liệu hai chiều Vai trị Master Slave khơng ảnh hưởng đến việc truyền liệu, Master bên quản lý thiết lập kết nối Lợi Connection so với Broadcasting là: o Thông lượng cao o Khả thiết lập kết nối liên kết mã hóa an ninh o Khả quản lý lượng tối ưu o Khả tổ chức liệu với nhiều thay đổi phù hợp cho thuộc tính thơng qua việc sử dụng lớp giao thức bổ sung thêm, đặc biệt Generic Attribute Profile (GATT) Dữ liệu tổ chức theo cấu trúc có ý nghĩa xoay quanh gọi services characteristics 9 Giao thức cấu hình (Protocols And Profiles) Để hai thiết bị giao tiếp với thơng qua chuẩn BLE, thiết bị BLE cần tuân thủ số quy định Các quy định khái quát hóa thành giao thức cấu hình   Protocol (Giao thức): Tập luật quy định việc định dạng gói tin, định tuyến, dồn kênh, mã hóa,… để trao đổi liệu bên Profile (Cấu hình): Định nghĩa cách mà giao thức dùng để đạt mục tiêu cụ thể Có hai loại cấu hình cấu hình chung (generic profiles) cấu hình cụ thể theo trường hợp sử dụng (use-case profiles) o Generic profiles: profile sở định nghĩa tài liệu Bluetooth Specifications, đặc biệt hai profiles thiếu giúp thiết bị BLE kết nối trao đổi liệu với nhau, GAP GATT o Use-case profile: Các profile cho trường hợp sử dụng cụ thể  Các profile Bluetooth Special Interest Group (SIG) định nghĩa  Các profile vendor tự định nghĩa 9.1 The BLE Protocols Stack Bộ giao thức cho thiết bị BLE chia thành phần chính: controller, host application 10 Controller Physical Layer Là lớp thấp làm nhiêm vụ truyền nhận tín hiệu Chuyển đổi qua lại tín hiệu số tương tự Điều chế giải điều chế tín hiệu Dải tần sử dụng 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical), chia làm 40 kênh từ 2.4 GHz đến 2.4835 GHz Link Layer Quản lý liên kết - Được cài đặt phần cứng phần mềm - Link Layer định nghĩa vai trò sau: + Advertiser: Một thiết bị quét gói tin quảng bá + Scanner: Một thiết bị quét gói tin quảng bá + Master: Một thiết bị khởi tạo kết nối quản lý + Slave: Một thiết bị chấp nhận yêu cầu kết nối tuân theo master’s timing - Bluetooth Device Address: tương tự địa MAC card mạng PC 11 Host Controller Inteface (HCI), Controller Giao diện để kết nối host Side controller Host L2CAP chức chính: - Như giao thức dồn kênh, từ nhiều giao thức lớp đóng gói thành định dạng gí BLE chuẩn ngược lại - Phân mảnh tải kết hợp: lấy gói liệu lớn từ lớp chia chúng thành gói BLE 27 byte bên truyền Tại bên nhận làm ngược lại Attribute Protocol ATT giao thức client/server phi trạng thái đơn giản dựa thuộc tính thể thiết bị Trong BLE, device client, server hai, khơng phân biệt master hay slave Một client yêu cầu liệu từ server, server gửi liệu đến client - Mỗi server chứa liệu tổ chức theo dạng thuộc tính (attributes), thuộc tính gán với handle 16bit, UUID (ID nhất), tập giới hạn 12 quyền, giá trị - Khi client muốn đọc ghi giá trị thuộc tính từ/đến server, phát read request write request đến server với handle Server đáp ứng với giá trị thuộc tính tín hiệu ACK Trường hợp hoạt động đọc, client phân tích giá trị hiểu kiểu liệu dựa UUID thuộc tính Khi ghi, client mong đợi để cung cấp liệu với kiểu thuộc tính server sẵn sàng để nhận Security Manager Chuỗi thuật toán dùng để bảo đảm an ninh cho trình truyền nhận liệu qua BLE Generic Attribute Profile Dựa ATT bổ sung thêm hệ phân cấp mơ hình liệu - Định nghĩa cách tổ chức liệu trao đổi liệu ứng dụng - Dữ liệu đóng gói services Trong services gồm characteristics Generic Access Profile Chỉ cách thiết bị thực thủ tục tìm kiếm thiết bị, kết nối, thiết lập an ninh, thủ tục khác để đảm bảo hoạt động nội cho phép trao đổi liệu diễn thiết bị hãng 13 sản xuất khác Application Application Là lớp cao giao thức, cung cấp giao diện người dùng, xử lý logic, điều khiển liệu thứ liên quan đến trường hợp hoạt động ứng dụng Kiến trúc application phụ thuộc nhiều vào toán cụ thể 9.2 Các profiles sở: GAP GATT - GAP (Generic Access Profile) tảng cho phép thiết bị BLE giao tiếp với Nó cung cấp framework mà thiết bị BLE phải tuân theo để tìm kiếm thiết bị BLE (Bluetooth) khác, quảng bá liệu, thiết lập kết nối an ninh, thực nhiều hoạt động tảng theo chuẩn     Roles: Mỗi thiết bị hoạt động theo nhiều vai trò khác thời điểm: broadcaster, observer, central, peripheral Modes: Một mode trạng thái mà thiết bị chuyển đến khoảng thời gian để đạt mục đích cụ thể nhiều điều đặc biệt, phép peer thực thủ tục cụ thể Procedures: Là thủ tục (thường Link Layer điều khiển trao đổi gói tin) phép thiết bị đạt mục đích chắn Một thủ tục thường liên kết với mode, nên mode procedure thường xem xét Security: GAP xây dựng dựa Security Manager Security Manager Protocol (định nghĩa modes procedures an ninh để xác định cách mà thiết bị đặt mức an ninh trao đổi liệu) Ngoài GAP định nghĩa thêm tính an ninh cao mà không gắn với modes procedures cụ thể nào, tăng cường mức bảo vệ liệu yêu cầu ứng dụng - GAT:  Thiết lập chi tiết cách trao đổi tất profile liệu người dùng qua kết nối BLE Ngược lại với GAP (định nghĩa tương tác mức thấp với thiết bị), GATT trình bày thủ tục truyền định dạng liệu thực tế 14  Sử dụng ATT giao thức truyền để trao đổi liệu thiết bị Dữ liệu tổ chức phân cấp thành phần gọi services, nhóm phần khái niệm liên quan liệu người dùng gọi characteristic Nói cách ngắn gọn liệu truyền qua BLE liệu có cấu trúc, mà cụ thể tổ chức phân cấp thành services characteristics Roles  GATT Client: tương ứng với ATT client, gửi yêu cầu đến server nhận kết phản hồi Ban đầu, GATT Client khơng biết server hỗ trợ thuộc tính cần phải thực service discovery  GATT Server: tương ứng ATT server, nhận yêu cầu từ client gửi nội dung tương ứng  Chú ý vai trị GATT khơng phụ thuộc vào vai trị GAP Có nghĩa GAP Central GAP Peripheral hoạt động GATT Client GATT Server chí hai thời điểm UUIDs  Là số định danh thiết bị, dài 128 bit (16 byte) giới Vì độ dài lớn, chiếm phần lớn gói liệu, BLE Specification định nghĩa thêm định dạng UUID: 16bit 32 bit Các định dạng ngắn sử dụng với UUID định nghĩa BT Specification Attributes  Là thực thể liệu nhỏ định nghĩa GATT (và ATT)  Cả GATT ATT làm việc với attributes nên để tương tác client server tất liệu phải tổ chức theo định dạng  Mỗi attribute chứa thông tin liệu người dùng mô tả sau: o Handle: số 16 bit server để địa hóa attribute o Type: kiểu UUID, 16bit – 32bit – 128 bit o Permission: xác định ATT opertation thực thi attribute cụ thể o Value: chứa phần liệu thực tế attribute, giới hạn 512 byte Services Characteristics Dữ liệu trao đổi thông qua kết nối BLE liệu có cấu trúc, tổ chức phân cấp thành services, thân services lại bao gồm characteristics 15 16 10 Kết luận Với khoảng thời gian tìm hiểu chúng em hiểu chi tiết cách hoạt động Bluetooth Low Energy, hiệu thiết bị sử dụng pin nhu cầu truyền liệu nhỏ nay, phù hợp hồn tồn chi phí sinh viên để phát triển Qua báo cáo này, giúp cho chúng em nhiều việc hiểu rõ Bluetooth Low Energy Từ chúng em tích lũy kiến thức để phát triển sản phẩm liên quan BLE tốt Em xin chân thành cảm ơn Thầy 17 ... thiết bị vào máy tính, chẳng hạn chuột bàn phím máy in Kết nối Internet cho PC PDA cách dùng điện thoại di động thay modem Khái niệm Low Bluetooth Energy Bluetooth Low Energy (BLE) gọi Bluetooth. .. hợp khởi tạo kết nối với peripheral Central quản lý timing bắt đầu trao đổi liệu theo chu kỳ Thiết bị Peripheral (Slave): Phát gói tin quảng bá hướng kết nối theo chu kỳ chấp nhận kết nối central... opertation thực thi attribute cụ thể o Value: chứa phần liệu thực tế attribute, giới hạn 512 byte Services Characteristics Dữ liệu trao đổi thơng qua kết nối BLE liệu có cấu trúc, tổ chức phân cấp thành