BÁO CÁO MÔN: MẠNG TRONG IOT ĐỀ TÀI: Hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh sử dụng BLE của ESP32 Đề xuất mô hình: BLE Mesh
Tổng quan về IoT
Lịch sử
Năm 1999, Kevin Ashton đã đặt ra thuật ngữ "Internet of Things" (IoT), đề cập đến các đối tượng có thể xác định được cả bản thân và môi trường của chúng Tính đến năm 2016, IoT đã có những bước tiến đáng kể nhờ sự hội tụ của nhiều công nghệ, bao gồm truyền tải vô tuyến diện rộng, phân tích dữ liệu thời gian thực, học máy, cảm biến hàng hóa và hệ thống nhúng Điều này có nghĩa là mọi hình thức hệ thống nhúng truyền thống, như mạng cảm biến không dây, hệ thống điều khiển, tự động hóa (bao gồm nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà), đều góp phần vận hành IoT.
Lợi ích
IoT được coi là chìa khóa thành công của con người trong tương lai gần, nó tác động tích cực đến đời sống, công việc thông qua nhiều ứng dụng:
• Tự động hóa hệ thống nhà thông minh
• Quản lý các thiết bị cá nhân bằng kết nối mạng
• Mua sắm thông minh qua các phần mềm máy tính, điện thoại
• Quản lý môi trường, chất thải trong các nhà máy, xí nghiệp
• Quản lý, lập kế hoạch công việc cho các doanh nghiệp, công ty
• Theo dõi sức khỏe từ xa
• Hầu hết các ngành nghề hiện nay đều phát triển hơn dựa trên sự kết nối linh hoạt của mạng lưới IoT Bao gồm từ giáo dục, nông nghiệp, công nghiệp, y tế, .Điển hình như các nhà máy sản xuất bắt đầu áp dụng cảm biến cho các thành phần làm ra sản phẩm Từ đó theo dõi hoạt động của chúng và nâng cao chất lượng Hay các doanh nghiệp sử dụng công nghệ IoT để quản lý nhân sự, dữ liệu công ty cải thiện hiệu suất làm việc.
Ưu điểm
IoT khuyến khích tương tác giữa các thiết bị, còn được gọi là giao tiếp giữa các máy (M2M) Kết nối liên tục giữa các thiết bị vật lý cho phép tích hợp liền mạch, dẫn đến năng suất và chất lượng sản phẩm cao hơn.
• Tự động hóa giúp giám sát thiết bị tốt hơn:
IoT cho phép tự động hóa và kiểm soát các nhiệm vụ thường nhật Nó không cần sự can thiệp của con người, các máy móc có thể giao tiếp và làm việc với nhau, giúp tăng tốc độ và chất lượng sản phẩm.
Các cuộc cách mạng công nghiệp đã phát triển nhiều hơn về đầu mối cũng như nguồn thông tin về mọi thứ Doanh nghiệp bạn chỉ cần chuẩn bị những thứ cần thiết và tra cứu thông tin để có thể ra quyết định ngay tập tức.
• Màn hình, máy quan sát: Ưu điểm rõ ràng của IoT là giám sát Nó biết chính xác số lượng vật tư hoặc chất lượng không khí, sản phẩm trong nhà bạn và cũng có thể cung cấp thêm thông tin mà trước đây bạn gặp khó khăn khi thu thập.
Tương tác máy với máy mang lại hiệu quả và độ chính xác cao hơn Nó tự động hóa các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, giải phóng thời gian con người cho những công việc sáng tạo và có giá trị hơn.
IoT rất hữu ích khi giúp cho thói quen hàng ngày của mọi người bằng cách làm cho các thiết bị giao tiếp với nhau hiệu quả Chúng sẽ cảnh báo kịp thời những vấn đề, sự cố phát sinh Vì vậy, bạn có thể tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí sửa chữa, duy trì nhiều sản phẩm.
Khuyết điểm
IoT là một mạng lưới đa dạng và phức tạp, vì vậy với bất kỳ lỗi hoặc lỗi trong phần mềm hoặc phần cứng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Khi mất điện cũng có thể gây ra nhiều bất tiện trong các hệ thống và thao tác của nhiều thiết bị vì chúng được kết nối với nhau.
• Quyền riêng tư/Bảo mật:
Cuộc sống của chúng ta sẽ ngày càng được kiểm soát bởi công nghệ, và sẽ phụ thuộc vào nó Nếu tất cả dữ liệu IoT này được truyền đi, nguy cơ mất quyền riêng tư sẽ tăng lên.
Tất cả các thiết bị gia dụng, máy móc công nghiệp, dịch vụ khu vực công và nhiều thiết bị khác đều được kết nối với Internet Vì vậy, nó đã tạo ra một kho thông tin khổng lồ có sẵn trên các thiết bị đó và những thông tin này dễ bị tấn công bởi tin tặc.
Lĩnh vực của IoT
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài
- Nghiên cứu và tìm hiểu về giao thức mạng truyền thông BLE trong hệ thốngIoT Hiểu rõ cách thức hoạt động của giao thức, bao gồm cách thiết lập kết nối,truyền dữ liệu, và xử lý lỗi Ứng dụng thực tế BLE của ESP32 trong hệ thống bãi đỗ xe.
- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến, vi xử lí trung tâm Esp32, các thiết bị IoT phổ biến hiện nay và xu hướng các công nghệ mới nhất hiện nay.
- Nghiên cứu về các kỹ thuật đấu nối và đọc thông số từ các cảm biến cũng như các chân input và output của các board mạch.
- Thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị từ xa: Nghiên cứu và phát triển kiến trúc tổng thể của hệ thống điều khiển thiết bị từ xa, bao gồm việc thiết kế các thành phần phần cứng và phần mềm, xây dựng các kênh truyền thông để kết nối các thiết bị từ xa với hệ thống trung tâm.
- Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển thiết bị: Tập trung vào lập trình các tính năng điều khiển thiết bị như bật/tắt, xem thông số, và tương tác với các thiết bị khác trong hệ thống Phát triển các thuật toán để xử lý các tín hiệu điều khiển và phản hồi từ thiết bị.
- Thiết kế và xây dựng môi trường giao tiếp: Tạo ra một môi trường giao tiếp ổn định và hiệu quả giữa các thiết bị và hệ thống trung tâm, bao gồm việc tối ưu hóa giao thức truyền thông để đảm bảo tốc độ và độ tin cậy.
- Thiết kế và đấu nối các thiết bị: Đấu nối các thiết bị và các cảm biến với board kết nối Wifi Esp32 Định rõ các tính năng của thiết bị, cách thức các thiết bị tương tác với hệ thống và với nhau, và đảm bảo tính nhất quán và đồng bộ trong hoạt động của toàn hệ thống.
- Kiểm thử và cải thiện hệ thống: Thực hiện thử nghiệm hệ thống điều khiển thiết bị từ xa trong các kịch bản và điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu suất và độ tin cậy Tìm kiếm và khắc phục các vấn đề phát sinh, tối ưu hóa hệ thống để cải thiện trải nghiệm người dùng và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
Khái quát về bãi đỗ xe thông minh
Tìm hiểu về bãi đỗ xe thông minh:
Hiện nay, ở các bãi đỗ xe trong các thành phố lớn, vấn đề quản lý và tối ưu hóa không gian đỗ xe đang trở thành một thách thức lớn Các bãi đỗ xe thông minh được phát triển nhằm giải quyết những khó khăn này thông qua việc sử dụng các công nghệ hiện đại, trong đó có công nghệ BLE (Bluetooth Low Energy) của ESP32 Bãi đỗ xe thông minh không chỉ giúp tiết kiệm thời gian cho người lái xe mà còn giúp tối ưu hóa không gian đỗ xe, giảm thiểu ùn tắc giao thông và bảo vệ môi trường.
- Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa là một phần quan trọng của hệ thống bãi đỗ xe thông minh, giúp người dùng có thể tối ưu hóa không gian đỗ xe thông quaBLE.
Board ESP32
Lịch sử
ESP32 là một bộ vi điều khiển thuộc danh mục vi điều khiển trên chip công suất thấp và tiết kiệm chi phí Hầu hết tất cả các biến thể ESP32 đều tích hợp Bluetooth và Wi-Fi chế độ kép, làm cho nó có tính linh hoạt cao, mạnh mẽ và đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng.
Nó là sự kế thừa của vi điều khiển NodeMCU ESP8266 phổ biến và cung cấp hiệu suất và tính năng tốt hơn Bộ vi điều khiển ESP32 được sản xuất bởi Espressif Systems và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau như IoT, robot và tự động hóa.
ESP32 cũng được thiết kế để tiêu thụ điện năng thấp, lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin Nó có hệ thống quản lý năng lượng cho phép nó hoạt động ở chế độ ngủ và chỉ thức dậy khi cần thiết, điều này có thể kéo dài tuổi thọ pin rất nhiều.
Thông số kỹ thuật
Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240 MHz.
520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16 KB SRAM RTC.
Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n với tốc độ lên đến 150 Mbps.
Hỗ trợ cho cả thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2 và BLE cổ điển.
34 GPIO có thể lập trình.
18 kênh SAR ADC 12 bit và 2 kênh DAC 8 bit Kết nối nối tiếp bao gồm 4xSPI, 2xI2C, 2xI2S, 3xUART.
Ethernet MAC cho giao tiếp mạng LAN vật lý (yêu cầu PHY bên ngoài).
1 bộ điều khiển host cho SD/SDIO/MMC và 1 bộ điều khiển slave cho SDIO/SPI. Động cơ PWM và 16 kênh LED PWM.
Khởi động an toàn và mã hóa Flash.
Tăng tốc phần cứng mật mã cho AES, Hash (SHA-2), RSA, ECC và RNG.
Một số lưu ý khi làm việc với ESP32 Khi làm việc với ESP32, có một số lưu ý quan trọng để đảm bảo rằng bạn sử dụng thiết bị một cách hiệu quả và an toàn Dưới đây là một số điểm cần chú ý:
Nguồn cung cấp điện ổn định trong khoảng từ 2.7V đến 3.6V là yêu cầu bắt buộc đối với ESP32 Nguồn 3.3V được khuyến khích sử dụng Cần tránh các nguồn điện yếu hoặc không ổn định để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc gây hư hỏng cho thiết bị.
Quản lý nguồn tiêu thụ: ESP32 có thể tiêu thụ nhiều năng lượng khi sử dụng Wi-Fi hoặc Bluetooth Hãy thiết kế mạch điện để có thể cung cấp đủ dòng điện, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi kết nối mạng liên tục Sử dụng các chế độ tiết kiệm năng lượng của ESP32 khi có thể để giảm tiêu thụ điện.
Nhiệt độ hoạt động: Tránh làm việc với ESP32 trong môi trường có nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp ngoài khoảng nhiệt độ hoạt động chuẩn từ -40 ° C đến +85 ° C Đảm bảo rằng thiết bị được thông gió tốt để tránh quá nhiệt trong quá trình hoạt động.
Lập trình và cập nhật firmware: Sử dụng các công cụ chính thức như
For programming ESP32, select an integrated development environment (IDE) such as Arduino IDE, PlatformIO, or Espressif IDF These platforms provide a comprehensive suite of tools for developing, compiling, and uploading code to your ESP32 device Firmware updates are crucial for maintaining the reliability and security of your device Regularly check for firmware updates to address any potential security vulnerabilities or performance issues.
Kết nối mạng: Khi sử dụng Wi-Fi, đảm bảo xử lý thông tin xác thực (SSID, mật khẩu) an toàn Áp dụng phương pháp mã hóa và bảo mật thích hợp để bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng, ngăn chặn truy cập trái phép và đảm bảo tính bảo mật của thông tin nhạy cảm.
Kết nối vật lý: Tránh kết nối trực tiếp các chân của ESP32 với nguồn điện hoặc đất mà không có điện trở hạn dòng để tránh làm hỏng các chân GPIO Sử dụng các điện trở pull-up hoặc pull-down khi cần thiết để đảm bảo tín hiệu ổn định.
Gỡ lỗi: Sử dụng các công cụ gỡ lỗi như serial monitor để kiểm tra và sửa lỗi trong quá trình phát triển Đảm bảo rằng bạn có các điểm kiểm tra và theo dõi các biến và trạng thái của hệ thống để dễ dàng tìm ra nguyên nhân các vấn đề.
Các tính năng tích hợp:ESP32 tích hợp nhiều tính năng như cảm biến cảm ứng, bộ chuyển đổi ADC, DAC, PWM, I2C, SPI, UART, và nhiều tính năng khác.
Hãy tận dụng các tính năng này để tối ưu hóa thiết kế của bạn.
Sử dụng thư viện: Sử dụng các thư viện mã nguồn mở đã được kiểm chứng để tiết kiệm thời gian phát triển và đảm bảo tính ổn định cho dự án của bạn.
An toàn và bảo mật:Luôn luôn sử dụng các biện pháp bảo mật như SSL/TLS khi truyền dữ liệu qua mạng Hạn chế truy cập vào các chân GPIO và chức năng quan trọng bằng cách sử dụng xác thực và phân quyền.
Cấu tạo của ESP32
Cáp USB: Dùng để kết nối ESP32 với máy tính để nạp chương trình và truyền dữ liệu.
IC CP2102/CH340: Đây là bộ điều khiển giao tiếp USB-Serial trên các mod- ule ESP32.
Cổng nguồn ngoài: Dùng để cấp nguồn từ nguồn điện ngoại vi cho ESP32.
Cổng USB: Dùng để kết nối ESP32 với máy tính và cung cấp nguồn điện cho board.
Nút reset: Dùng để khởi động lại board ESP32 hoặc kích hoạt chế độ nạp chương trình.
Nút boot: Dùng để đưa ESP32 vào chế độ nạp chương trình từ máy tính.
GPIO (General Purpose Input/Output): Các chân GPIO được sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi như đèn LED, cảm biến, và module khác Chúng có thể được cấu hình là đầu vào hoặc đầu ra tuỳ theo nhu cầu của ứng dụng.
Bộ nhớ Flash: Lưu trữ chương trình và dữ liệu cố định Đây là nơi lưu trữ các firmware và các thiết lập của ESP32.
Wi-Fi và Bluetooth: Các module kết nối không dây tích hợp Cung cấp khả năng kết nối mạng không dây và truyền thông Bluetooth, phù hợp cho các ứng dụng IoT.
Bộ cảm biến nhiệt độ và Hall Sensor: Cảm biến tích hợp trong ESP32 dùng để đo nhiệt độ và từ trường, cung cấp dữ liệu hữu ích cho các ứng dụng giám sát môi trường và đo lường.
Ứng dụng của ESP32
ESP32 là một vi điều khiển mạnh mẽ và đa năng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ vào khả năng kết nối không dây, khả năng xử lý mạnh mẽ, và tính năng tiết kiệm năng lượng Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của ESP32:
Nhà thông minh (Smart Home):
- Hệ thống chiếu sáng thông minh: Điều khiển đèn chiếu sáng qua Wi-Fi hoặc Bluetooth, cho phép điều khiển từ xa qua smartphone.
- Hệ thống an ninh: Camera giám sát, cảm biến chuyển động, và cửa khóa thông minh có thể kết nối với internet để theo dõi và điều khiển từ xa.
- Điều khiển môi trường: Các thiết bị điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, quạt và điều hòa không khí dựa trên các cảm biến được kết nối với ESP32.
- Giám sát từ xa: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, chất lượng không khí) và gửi về máy chủ hoặc dịch vụ đám mây để phân tích.
- Thiết bị đeo: Các thiết bị theo dõi sức khỏe và thể dục có thể sử dụng ESP32 để kết nối với điện thoại và gửi dữ liệu về hoạt động của người dùng.
- Hệ thống tưới nước tự động: Kiểm soát và quản lý hệ thống tưới nước dựa trên dữ liệu cảm biến độ ẩm đất và thời tiết.
Các ứng dụng công nghiệp:
- Tự động hóa nhà máy: Điều khiển và giám sát máy móc và thiết bị trong nhà máy từ xa.
- Quản lý kho hàng: Theo dõi và quản lý hàng tồn kho thông qua các cảm biến RFID và hệ thống giám sát không dây.
- Giám sát môi trường công nghiệp: Đo lường và giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và khí độc trong các khu vực sản xuất.
Các dự án giáo dục và DIY:
- Robot học: Sử dụng ESP32 để điều khiển các robot học tập, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm robot di động và cánh tay robot.
- Các dự án khoa học: Thu thập dữ liệu và phân tích từ các dự án khoa học như khí tượng học, thiên văn học, và sinh học. Ứng dụng âm thanh - Hệ thống âm thanh không dây: ESP32 có khả năng xử lý âm thanh và có thể được sử dụng trong các dự án loa thông minh và các hệ thống phát nhạc không dây.
Với khả năng kết nối đa dạng, ESP32 có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, điển hình là: lĩnh vực âm nhạc điện tử với việc tạo nhạc cụ điện tử, bộ tổng hợp âm thanh và bộ điều khiển MIDI Trong chăm sóc sức khỏe, ESP32 trở thành thiết bị giám sát bệnh nhân, theo dõi các thông số như nhịp tim, nhiệt độ cơ thể và truyền dữ liệu y tế tới thiết bị y tế hoặc đám mây, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.
Ứng dụng IoT trong y tế và giao thông vận tải cho phép giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị y tế, chẳng hạn như máy trợ thở, trong khi trong lĩnh vực giao thông, IoT được dùng để theo dõi phương tiện thông qua GPS, truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển để nắm bắt vị trí và trạng thái của xe.
- Hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh: Quản lý và tối ưu hóa việc đỗ xe thông qua các cảm biến và hệ thống kết nối không dây.
Tổng quan về BLE trên ESP32
Công nghệ không dây Bluetooth Low Energy (BLE) được thiết kế để truyền dữ liệu tốc độ thấp và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với tiêu chuẩn Bluetooth truyền thống (Bluetooth Classic) BLE là một thành phần của đặc điểm kỹ thuật Bluetooth 4.0 và hiện là một phần không thể thiếu của các phiên bản Bluetooth mới hơn như 4.1, 4.2 và 5.x.
Lịch sử và phát triển:
BLE được giới thiệu lần đầu vào năm 2010 bởi Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) Mục tiêu của BLE là đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị IoT (Internet of Things) và các ứng dụng cần sự truyền dữ liệu không dây hiệu quả năng lượng, như các thiết bị đeo (wearables), cảm biến không dây, thiết bị y tế, và các thiết bị nhà thông minh. Đặc điểm kỹ thuật chính của BLE:
Bảng 2.1: So sánh các phiên bản BLE Phiên bản Tốc độ Phạm vi Gói dữ liệu
BLE 4.0 1 Mbps 50-100 mét 27 byte Tiêu thụ năng lượng thấp
Tiêu thụ năng lượng cải thiện so với BLE 4.0
Tương tự BLE 4.1 251 byte Bảo mật cải thiện đáng kể
Tăng gấp 4 lần so với BLE 4.2
Tiêu thụ năng lượng thấp: BLE được thiết kế để hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng rất thấp, làm cho nó lý tưởng cho các thiết bị chạy bằng pin nhỏ và cần hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên.
Tốc độ truyền dữ liệu: BLE có tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 1 Mbps Tuy nhiên, tốc độ thực tế có thể thấp hơn tùy thuộc vào cấu hình và điều kiện môi trường.
Khoảng cách truyền của BLE có thể đạt tới 100 mét trong điều kiện lý tưởng như: không gian thoáng đãng, không có vật cản Tuy nhiên, khoảng cách truyền thực tế có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động và thiết bị sử dụng.
Topologies hỗ trợ:BLE hỗ trợ các cấu trúc mạng khác nhau, bao gồm quảng bá (broadcast), kết nối một-một (one-to-one), và kết nối một-nhiều (one-to-many).
Bảo mật: BLE hỗ trợ nhiều tính năng bảo mật như ghép đôi (pairing), ràng buộc (bonding), và mã hóa (encryption) để bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền.
Khả năng kết nối nhanh:BLE cho phép kết nối nhanh chóng và duy trì kết nối trong thời gian ngắn, tiết kiệm năng lượng khi thiết bị không truyền dữ liệu liên tục. Ứng Dụng của BLE:
BLE được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
- Thiết bị đeo thông minh (Wearables): Đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theo dõi sức khỏe.
- Thiết bị y tế: Các thiết bị đo lường y tế như máy đo đường huyết, nhiệt kế.
- Nhà thông minh: Cảm biến nhiệt độ, hệ thống an ninh, khóa cửa thông minh.
- Ứng dụng công nghiệp: Giám sát thiết bị, cảm biến không dây trong nhà máy.
- Ứng dụng bán lẻ: Beacons để quảng cáo và cung cấp thông tin cho khách hàng trong các cửa hàng.
So sánh BLE và Bluetooth Classic:
Hình 2.3: BLE vs Bluetooth Classic
Khả năng tiết kiệm năng lượng chính là điểm mạnh của BLE So với Bluetooth truyền thống, BLE tiết kiệm và tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể Nhờ vậy, các thiết bị dùng BLE có thời gian sử dụng lâu hơn, giảm thiểu việc phải sạc pin thường xuyên.
Tốc độ truyền dữ liệu: Bluetooth truyền thống có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn so với BLE Nếu bạn cần truyền dữ liệu lớn và nhanh, Bluetooth truyền thống là một lựa chọn tốt hơn.
Khoảng cách kết nối: Bluetooth truyền thống có khoảng cách kết nối xa hơn so với BLE Vì vậy, nếu bạn cần kết nối giữa các thiết bị ở khoảng cách xa hơn, Bluetooth truyền thống là một lựa chọn tốt hơn.
Về khả năng bảo mật, BLE được coi là an toàn hơn Bluetooth truyền thống nhờ sử dụng mã hóa dữ liệu 128 bit, trong khi Bluetooth truyền thống chỉ hỗ trợ mã hóa 64 bit.
Thời gian kết nối: BLE có thời gian kết nối nhanh hơn so với Bluetooth truyền thống Thời gian kết nối của BLE chỉ mất vài mili giây, trong khi Bluetooth truyền thống có thể mất nhiều giây để thiết lập kết nối. Ứng dụng: BLE thường được sử dụng trong các thiết bị y tế, vật liệu thông minh, đồng hồ thông minh và các thiết bị định vị GPS Trong khi đó, Bluetooth truyền thống thường được sử dụng trong các thiết bị âm thanh như tai nghe không dây, loa và hệ thống âm thanh trong ô tô.
Cả BLE vs Bluetooth Classic đều dùng đến sóng vô tuyến UHF (Ultra High Frequency) với mức tần số từ 2,4GHz đến 2,483GHz, tương tự như WiFi và Zigbee.
Tóm lại, BLE và Bluetooth truyền thống có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau Nếu bạn cần tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí, BLE là một lựa chọn tốt Tuy nhiên, nếu bạn cần truyền dữ liệu nhanh và kết nối ở khoảng cách xa hơn, Bluetooth truyền thống là một lựa chọn tốt hơn.
ESP32 là một hệ thống trên chip (SoC) phổ biến hỗ trợ cả Wi-Fi và BLE Nó cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho các ứng dụng IoT nhờ vào khả năng kết nối linh hoạt và hiệu quả năng lượng BLE trên ESP32 có các tính năng như:
- Hỗ trợ BLE 4.2 và một số tính năng của BLE 5.0.
- Công suất phát có thể điều chỉnh.
- Khả năng duy trì nhiều kết nối đồng thời.
- API lập trình thông qua ESP-IDF, giúp dễ dàng triển khai các ứng dụng BLE.
Giới thiệu về Bluetooth Mesh
Bluetooth mesh là một tiêu chuẩn mạng lưới dựa trên công nghệ Bluetooth Low Energy (Bluetooth năng lượng thấp), công nghệ này được thiết kế để cung cấp kết nối tiêu thụ năng lượng và chi phí thấp.
Bluetooth Mesh là mạng lưới kết nối Bluetooth cho phép giao tiếp nhiều thiết bị được liên kết với nhau và chúng tạo thành mạng lưới thiết bị quy mô lớn Khi đó, mỗi một thiết bị trong mạng lưới đóng vai trò là một điểm để truyền tin.
Ví dụ: Khi bạn đang ở tầng 1 và muốn điều khiển tắt/bật đèn ở tầng 3 Vì khoảng cách từ tầng 1 đến tầng 3 khá xa nên thông tin bạn truyền đi từ điều khiển từ xa hoặc công tắc ở tầng 1 sẽ được chuyển tiếp đến các thiết bị lân cận hoặc các thiết bị đèn lân cận như cầu thang và đến vị trí đèn ở tầng 3.
Hai trạng thái hoạt động chính của thiết bị BLE là chế độ phát quảng cáo (quét) hoặc chế độ kết nối Ngược lại, Bluetooth mesh chỉ sử dụng trạng thái phát quảng cáo/quét của thiết bị BLE, có nghĩa là các thiết bị trong mạng Bluetooth mesh không kết nối trực tiếp với nhau như BLE truyền thống Thay vào đó, chúng chuyển tiếp thông báo cho nhau thông qua các gói phát quảng cáo, được các thiết bị khác trong mạng nhận qua chế độ quét.
Cụ thể, các thiết bị chỉ cần dùng lượng năng lượng để gửi dữ liệu tới thiết bị lân cận, rồi thiết bị lân cận đó sẽ truyền tiếp đi Ngoài ra, không phải lúc nào thiết bị cũng cần phải phát sóng liên tục Một số thiết bị không sử dụng thường xuyên chỉ cần gửi nhận dữ liệu mỗi vài giờ một lần Ưu điểm này sẽ phát huy lợi ích với những cảm biến hay thiết bị dùng pin chẳng hạn như ổ khóa điện tử, cảm biến gắn ngoài vườn.
Do đó, Bluetooth mesh là chuẩn giao thức kết nối lý tưởng cho các trường hợp sử dụng IoT công nghiệp, đặc biệt là chiếu sáng, vì khả năng mở rộng, chi phí điện năng thấp, độ tin cậy và hiệu suất tốt Nó cho phép liên lạc nhiều thiết bị và được tối ưu hóa để tạo các mạng thiết bị quy mô lớn. Ưu điểm của BLE Mesh:
Mạng BLE Mesh rất linh hoạt và vận hành hiệu quả:
Một mạng sử dụng kết nối Wifi sẽ xoay quanh một nút mạng trung tâm gọi là Router, và toàn bộ đường truyền tín hiệu đều đi qua nó Nếu Router gặp vấn đề, cả hệ thống sẽ gặp trục trặc Ngược lại, BLE Mesh sử dụng một kỹ thuật gọi là
“managed flooding” để truyền đi bản tin.
Tin nhắn phát ra từ một nút mạng sẽ được truyền theo dạng phát sóng đến nhiều hướng khác nhau, thay vì truyền theo một đường dẫn cố định trực tiếp đến một nút hoặc nhiều nút cụ thể Tất cả các nút trong mạng đều có thể nhận được tin nhắn đó và tất cả chúng sẽ cùng chuyển tiếp tin nhắn đã nhận để các nút ở xa hơn vẫn có thể tiếp nhận thông tin.
Kết quả quan trọng của kỹ thuật “managed flooding” của công nghệ BLE Mesh chính là, bản tin được truyền tới nơi thông qua rất nhiều con đường trong mạng kết nối Quá trình truyền bản tin rất linh hoạt, dù một nút có bị hỏng, vẫn còn có rất nhiều đường truyền tin thông qua các nút khác.
Kỹ thuật "managed flooding" cung cấp khả năng định tuyến đáng tin cậy hơn cho mạng thông tin Bằng cách truyền phát thông báo đến tất cả các nút trong phạm vi, kỹ thuật này đảm bảo rằng thông báo đạt đến đích một cách nhanh chóng và ổn định Điều này đặc biệt hữu ích trong mạng lưới lưới, nơi các thiết bị có thể có kết nối không ổn định hoặc bị gián đoạn.
Mạng BLE Mesh có tính bảo mật cao: Trong mạng Bluetooth, bảo mật là bắt buộc Hệ thống mạng, các ứng dụng riêng lẻ và các thiết bị đều được bảo mật và sự bảo mật này không thể vô hiệu hóa hay cắt giảm bằng bất kỳ cách nào.
Những quy định cơ bản về bảo mật sau đây áp dụng cho tất cả các mạng BLE Mesh:
+ Tất cả các thông điệp lưới đều được mã hóa và xác thực.
+ Bảo mật mạng, bảo mật ứng dụng và bảo mật thiết bị được giải quyết độc lập.
+ Các khóa bảo mật có thể được thay đổi trong suốt vòng đời của mạng lưới thông qua quy trình Làm mới khóa.
+ Sự xáo trộn các bản tin sẽ khiến cho việc theo dấu các bản tin được gửi bên trong mạng trở nên khó khăn, bảo vệ quyền riêng tư.
+ An ninh lưới bảo vệ mạng chống lại những cuộc tấn công lặp lại + Quá trình các thiết bị được thêm vào mạng lưới để trở thành các nút là một quá trình được đảm bảo an toàn.
+ Các nút có thể được xóa khỏi mạng một cách an toàn, ngăn chặn cả các cuộc tấn công dữ liệu vào thùng rác (trashcan).
Bluetooth có tính kết nối và hệ thống:
BLE Mesh sử dụng nguyên tắc truyền bản tin không định hướng, tức là mỗi tin nhắn được gửi bởi tất cả thiết bị và chuyển tiếp qua các thiết bị khác để đến thiết bị mong muốn Điều này tăng khoảng cách điều khiển lên hàng trăm mét Nếu một thiết bị trong mạng bị mất kết nối, các thiết bị còn lại vẫn hoạt động bình thường, không ảnh hưởng đến hệ thống Mỗi thiết bị có chuẩn Bluetooth có thể kết nối với hàng chục đến hàng trăm thiết bị khác, giúp mở rộng mạng lưới dễ dàng Không cần bộ điều khiển trung tâm, người dùng có thể sử dụng điện thoại di động làm thiết bị trung gian, tiết kiệm chi phí và tăng tính tiện dụng.
Tối ưu năng lượng sử dụng:
Như nói ở trên BLE Mesh được phát triển dựa trên công nghệ BLE – Bluetooth Low Energy với ưu điểm tối ưu chi phí và năng lượng sử dụng. Ưu điểm này sẽ có lợi cho những cảm biến và thiết bị sử dụng pin, ví dụ như ổ khóa điện tử hoặc cảm biến ngoài trời.
Nhược điểm của BLE Mesh:
Bên cạnh những ưu điểm, công nghệ BLE Mesh vẫn có những nhược điểm Cụ thể:
Do cơ chế truyền thông không định hướng, việc truyền và nhận thông tin có thể gặp độ trễ, ảnh hưởng đáng kể đến thời gian phản hồi của mạng Điều này có thể gây ra gián đoạn trong quá trình truyền thông và ảnh hưởng đến hiệu suất chung của hệ thống mạng Để giải quyết vấn đề này, các giải pháp công nghệ tiên tiến như định tuyến thích ứng và giao thức kiểm soát tắc nghẽn có thể được triển khai để tối ưu hóa lưu lượng truy cập dữ liệu, giảm độ trễ và đảm bảo truyền thông mạng liền mạch.
Cảm biến và module chức năng
Cảm biến siêu âm
Hình 2.6: Cảm biến siêu âm
Tính năng: Đo khoảng cách chính xác: Cảm biến siêu âm có khả năng đo khoảng cách với độ chính xác cao.
Không tiếp xúc: Phát hiện và đo lường mà không cần tiếp xúc vật lý với đối tượng.
Phát hiện vật liệu đa dạng: Có thể phát hiện các loại vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa, gỗ, chất lỏng, v.v.
Khả năng chống nước và bụi: Nhiều cảm biến siêu âm được thiết kế để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
Tốc độ phản hồi nhanh: Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh chóng.
Dải đo: Khoảng cách đo tối thiểu và tối đa mà cảm biến có thể đo được (2 cm đến 4 m). Độ chính xác: Độ chính xác của phép đo khoảng cách ( ± 1 mm).
Góc phát hiện: Góc mà cảm biến có thể phát hiện vật cản (15 ° - 30 ° ).
Tần số hoạt động: Tần số của sóng siêu âm được sử dụng (40 kHz).
Nguồn cấp: Điện áp và dòng điện yêu cầu để cảm biến hoạt động (5V DC, 20 mA).
Nhiệt độ hoạt động: Phạm vi nhiệt độ có thể hoạt động ổn định (-20 ° C đến 70 ° C).
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng siêu âm và nhận phản hồi từ sóng dội lại Quy trình cơ bản như sau:
Phát sóng siêu âm: Cảm biến phát ra sóng siêu âm từ bộ phát.
Sóng phản xạ: Sóng siêu âm gặp vật cản và phản xạ lại.
Nhận sóng phản xạ: Bộ nhận trong cảm biến nhận sóng siêu âm phản xạ. Ứng dụng: Ô tô: Hệ thống hỗ trợ đỗ xe, phát hiện vật cản.
Robot: Định vị và tránh vật cản.
Công nghiệp: Đo mức chất lỏng trong bồn, kiểm tra vị trí và khoảng cách trong sản xuất.
Y tế: Máy siêu âm y tế để kiểm tra và chẩn đoán.
An ninh: Hệ thống cảnh báo xâm nhập.
Tự động hóa: Đo khoảng cách và phát hiện vật trong dây chuyền sản xuất tự động.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆTHỐNG
Đặc tả hệ thống
Hệ thống sử dụng BLE Mesh cho bài toán bãi đỗ xe là một giải pháp hiệu quả để quản lý và giám sát các vị trí đỗ xe một cách thông minh BLE Mesh (Bluetooth Low Energy Mesh) là một mạng lưới tự tổ chức gồm nhiều thiết bị BLE kết nối với nhau, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần phải thông qua một điểm truy cập trung tâm nào.
Thiết kế phần cứng và mạng lưới BLE Mesh:
BLE Nodes: Các thiết bị BLE được cài đặt tại từng vị trí đỗ xe trong bãi đỗ.
Mỗi thiết bị BLE có khả năng kết nối và truyền dữ liệu với các thiết bị khác trong phạm vi BLE Mesh.
Mạng lưới BLE Mesh có khả năng tự tổ chức, trong đó mỗi thiết bị BLE đều có thể hoạt động như một nút mạng (node) Các nút này có khả năng vận chuyển dữ liệu giữa các nút khác trong cùng mạng lưới.
Thu thập dữ liệu từ cảm biến: Các BLE Nodes thực hiện đo khoảng cách hoặc thu thập thông tin từ các cảm biến tại vị trí đỗ xe.
Mạng lưới BLE Mesh truyền dữ liệu thông qua các gói dữ liệu GATT (Hồ sơ thuộc tính chung) Những gói dữ liệu này chứa thông tin được gửi từ một nút BLE đến các nút BLE khác trong mạng lưới.
Gửi dữ liệu lên web server: Một trong các BLE Nodes (có thể là node cuối cùng hoặc node được chỉ định) sẽ chịu trách nhiệm gửi dữ liệu lên web server thông qua
BLE Các bước cụ thể bao gồm: Đọc dữ liệu từ các cảm biến.
Gửi dữ liệu lên mạng lưới BLE Mesh.
Node cuối cùng trong chuỗi nhận dữ liệu từ các nút khác và tổng hợp thành các bản tin dữ liệu hoàn chỉnh.
Sử dụng BLE GATT để ghi dữ liệu lên BLE Characteristic của một thiết bị trong mạng BLE.
Thiết lập một kết nối BLE giữa Node cuối cùng và thiết bị đọc BLE khác.
- ESP32 nhận dữ liệu từ 2 cảm biến siêu âm, sau đó truyền qua cho Node (ESP32 với cảm biến siêu âm kèm theo) khác gần nhất qua BLE.
Kịch bản ở phía Node cuối cùng:
- Nhận tất cả dữ liệu từ Node gần cuối, sau đó gửi tất cả dữ liệu lên Web Server.
Mỗi chỗ đỗ xe đều được gắn cảm biến siêu âm Đối với những chỗ đỗ xe trống, cảm biến không phát hiện vật thể nào Khi có xe đỗ vào, cảm biến sẽ phát hiện vật thể và cập nhật trạng thái chỗ đỗ xe là đã có người đỗ.
Sơ đồ hệ thống
Sơ đồ tổng quát
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống
Sơ đồ chức năng
Hình 3.2: Sơ đồ cụ thể của một Node trong BLE Mesh
Cảm biến siêu âm: Hai cảm biến siêu âm này được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của xe trong các chỗ đỗ.
ESP32: Vi điều khiển ESP32 nhận dữ liệu từ các cảm biến siêu âm và xử lý thông tin này ESP32 có khả năng giao tiếp qua BLE (Bluetooth Low Energy).
BLE:ESP32 sử dụng giao tiếp BLE để truyền thông tin tới các node khác hoặc hệ thống trung tâm.
Node: Node này có thể đại diện cho một ESP32 khác đóng vai trò như một node trong mạng BLE mesh.
Trong một mạng BLE mesh, mỗi node (như ESP32 với cảm biến siêu âm kèm theo) có thể giao tiếp với các node khác để chuyển tiếp thông tin về trạng thái của chỗ đỗ xe Sơ đồ này mô tả cách thức hoạt động của một node và cách nó tích hợp trong mạng mesh.
- Giao diện người dùng: Giao diện người dùng cho phép người dùng hiển thị các vị trí của bãi đỗ xe và trạng thái đã có người đỗ (Taken) hoặc trống (Empty).
Hình 3.3: Hình ảnh giao diện web
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong đề tài nghiên cứu này, em đã tìm hiểu và ứng dụng lý thuyết về BLE (Bluetooth Low Energy) và kiến trúc BLE Mesh vào việc xây dựng hệ thống bãi đỗ xe thông minh Hệ thống bao gồm các cảm biến siêu âm kết nối với vi điều khiển ESP32, qua đó thu thập dữ liệu và truyền tải thông tin trạng thái chỗ đỗ xe thông qua giao tiếp BLE.
Hướng phát triển của mô hình bãi đỗ xe thông minh có thể gồm các yếu tố sau:
Tối ưu hóa phần cứng và phần mềm:
+ Nâng cao độ chính xác và độ nhạy của cảm biến siêu âm.
+ Tối ưu hóa mã nguồn trên ESP32 để cải thiện hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng.
Mở rộng và tích hợp:
+ Tích hợp hệ thống với các nền tảng IoT khác để cung cấp dịch vụ đỗ xe thông minh hơn.
+ Mở rộng mạng lưới BLE Mesh để phủ sóng toàn bộ khu vực bãi đỗ xe lớn hơn.
Phát triển ứng dụng người dùng:
+ Tạo ứng dụng di động cho người dùng cuối để kiểm tra trạng thái chỗ đỗ xe theo thời gian thực, đặt chỗ đỗ xe trước và thanh toán trực tuyến.
Nghiên cứu và cải tiến bảo mật:
+ Nâng cao các biện pháp bảo mật để bảo vệ dữ liệu và ngăn chặn các truy cập trái phép trong hệ thống BLE Mesh.
Tích hợp các công nghệ tiên tiến:
+ Áp dụng các công nghệ AI để dự đoán nhu cầu đỗ xe và cung cấp các giải pháp thông minh hơn.
Với tốc độ phát triển của công nghệ, các hệ thống bãi đỗ xe thông minh sử dụng mạng BLE Mesh không chỉ giúp nâng cao hiệu quả và trải nghiệm người dùng mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của các thành phố thông minh trong tương lai.