Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0

Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0 ,Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0 ,Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0 ,Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0 ,Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0 ,Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Công Chiến MSSV: 2013 0390

Tên đồ án: Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công nghệ Bluetooth 5.0

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 57

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

510b Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên 2

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: / /201 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Công Chiến MSSV: 2013 0390

Tên đồ án: Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công nghệ Bluetooth 5.0

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 57

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

1 2 3 4 5

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

2

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày ……./…… /2018 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngôi nhà thông minh (SmartHome) đã xuất hiện vàđược ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống từ những khách sạn hay resort sang trọng chođến những ngôi nhà hiện đại đều được lắp đặt các hệ thống cảm biến và điều khiển thôngminh Để thực hiện cho hệ thống đó, một công nghệ vốn tưởng chừng như đã bị bỏ quên,

đó là Bluetooth 5.0 hay còn gọi là Bluetooth Low Energy (BLE) Điểm mạnh lớn nhất củaBLE chính là công suất tiêu thụ cực thấp (khoảng vài chục uA khi hoạt động) cùng vớicác board BLE có thể có kích thước rất nhỏ nên có thể gắn vào rất nhiều đồ vật lớn, bélàm cho mọi thứ trở nên thông minh hơn Hơn nữa, chúng ta chỉ cần ngồi một chỗ với mộtcái smartphone trên tay, chúng ta có thể biết được các thông tin xung quanh nhờ các cảmbiến và điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng Theo xu hướng phát triển đó, em quyết

định lựa chọn thực hiện nghiên cứu đề tài: “Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công

nghệ Bluetooth 5.0”

Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn có

ý nghĩa sâu sắc đối với em Một lần nữa, em được thực hành những kiến thức học được từghế nhà trường sau gần 5 năm để vận dụng vào đề tài này Tuy nhiên, do hạn chế về kinhnghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đề tài không thể không tránhkhỏi những sai sót Do đó, em rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm của quý thầy cô cũngnhư đóng góp của các bạn sinh viên

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS và thầy ThS đã nhiệt tình giúp đỡ,

chỉ bảo, động viên và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và làm việc tạiphòng thí nghiệm Nhờ những góp ý của thầy, em đã có thể hoàn thành được đề tài tốtnghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đồ án này trình bày tìm hiểu tổng quan về công nghệ Bluetooth Low Energy(BLE) và mô hình nhà thông minh với ứng dụng thực tế là đọc các thông tin từ các cảmbiến, hiển thị trạng thái và điều khiển thiết bị như đèn, quạt và cửa thông minh Hệ thống

có các thiết bị phần cứng: Smartphone, module BLE nrf52832, module Arduino Nano,cảm biến nhiệt độ, đèn led, module thời gian thực và module RFID RC522 Phần mềmcủa hệ thống là một application để thực hiện các chức năng ứng dụng trên

Nội dung đồ án bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống nhà thông minh Chương này trình bày tổng quan

về hệ thống nhà thông minh và các tiện nghi mà nó mang lại

Chương 2: Công nghệ Bluetooth Low Energy Chương này giới thiệu công nghệ

Bluetooth Low Energy (BLE), mô hình truyền thông cho BLE, nguyên lý hoạt động vàứng dụng của BLE

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển/giám sát nhà thông minh ứng dụng công nghệ BLE Chương này trình bày các sơ đồ khối, phân tích lựa chọn linh kiện

và ghép nối các module BLE với các cảm biến và thiết bị, giao tiếp với Arduino và xâydựng app để thực hiện các chức năng mà phần cứng đáp ứng

Chương 4: Thực thi hệ thống và kết quả thực nghiệm Chương cuối cùng đưa ra các

kết quả thực nghiệm thực tế

This project will show you about the general application in reality of BluetoothLow Energy (BLE) technology and Smarthome model Its functions are not only readinginformation from sensors but also showing status and controling devices such as lightbulbs, fans and smart doors The system includes hardware devices: Smartphone, BLEnrf52832 module, Arduino Nano module, temperature sensor, LED, real time module andRFID RC522 module Its software is an app which performs these functions above

The contents of this project includes:

Chapter 1: The general of smarthome system: This chapter shows an overview about

smarthome and its convenience

Chapter 2: Bluetooth Low Energy technology: This chapter introduces Bluetooth Low

Energy (BLE) technology, BLE communicative model, operating principles andapplication of BLE

Chapter 3: Analyzing and designing the intelligent home control/monitoring systems: This chapter shows block diagrams; analyzes the choice of components and

links BLE modules with sensors and device; communicates with Arduino and builds app

to perform functions of the hardware

Chapter 4: System execution and experimental results: The final chapter brings out

the experimental results in reality

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 2

ABSTRACT 3

MỤC LỤC 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

PHẦN MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 12

1.1 Giới thiệu 12

1.2 Nguồn gốc nhà thông minh 13

1.3 Ưu khuyết điểm của nhà thông minh 16

1.4 Nhà thông minh hoạt động như thế nào ? 17

1.5 Các công nghệ hiện nay đang sử dụng trong nhà thông minh 19

1.6 Kết luận chương 21

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE) 22

2.1 Giới thiệu 22

2.1.1 Bluetooth Low Energy (BLE) là gì ? 22

2.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth 23

2.1.3 Ưu khuyết điểm của BLE 23

2.2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth 25

2.3 Các loại thiết bị BLE trong một ứng dụng 26

2.4 Các hoạt động cơ bản của thiết bị BLE 28

2.5 Đặc tính tần số và quá trình kết nối của thiết bị BLE 29

2.5.1 Đặc tính tần số 29

2.5.2 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE 30

2.6 The BLE protocol stack 32

2.7 Các ứng dụng phổ biến của công nghệ BLE trong cuộc sống 36

2.8 Kết luận chương 38

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN/GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5.0 39

3.1 Phân tích hệ thống 39

3.1.1 Yêu cầu hệ thống 39

3.1.2 Cấu trúc của hệ thống 40

3.1.3 Sự hoạt động của hệ thống 41

3.2 Mô phỏng phần cứng 41

3.2.1 Sơ đồ khối cho mạch 41

3.2.2 Lựa chọn linh kiện cho các khối 42

3.2.3 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in của hệ thống 52

3.3 Lập trình phần mềm 53

3.3.1 Sơ đồ thuật toán 53

3.3.2 Lập trình nhúng 57

3.3.3 Lập trình app 63

CHƯƠNG 4: THỰC THI HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 64

4.1 Khởi tạo kịch bản thực nghiệm 64

4.2 Kết quả thực nghiệm 64

4.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm 71

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1 1 Nhà thông minh 12Y

Hình 2 1 Bluetooth Low Energy (BLE) cho các ứng dụng thông minh 22

Hình 2 2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth 25

Hình 2 3 Hai chế độ hoạt động phổ biến của BLE 26

Hình 2 4 Kênh truyền dữ liệu nhận dạng và kênh truyền dữ liệu ứng dụng 30

Hình 2 5 Quá trình nhận dữ liệu nhận dạng (Scanning) của BLE Central và quá trình phát dữ liệu nhận dạng (Advertising) của BLE 31

Hình 2 6 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE 32

Hình 2 7 Bộ giao thức BLE 33

Hình 2 8 Vòng tay theo dõi sức khỏe 36

Hình 2 9 Tai nghe Bluetooth 37

Hình 2 10 Chìa khóa Bluetooth 3 Hình 3 1 Cấu trúc hệ thống 41

Hình 3 2 Sơ đồ khối của mạch 41

Hình 3 3 Cảm biến nhiệt độ DHT11 43

Hình 3 4 Cảm biến khí gas MQ2 44

Hình 3 5 Module RFID RC522 45

Hình 3 6 Module thời gian thực RTC Ds1307 46

Hình 3 7 Led và motor DC 47

Hình 3 8 Ứng dụng trên smartphone 48

Hình 3 9 Module nRF52832 49

Hình 3 10 Arduino Nano 50

Hình 3 11 Sơ đồ mạch nguyên lý 52

Hình 3 12 Sơ đồ mạch in 3D 53

Hình 3 13 Sơ đồ khối cho sự kiện quẹt thẻ 54

Hình 3 14 Sơ đồ khối của App 55

Hình 3 15 Sơ đồ khối cho cảnh báo hệ thống 56

Hình 3 16 Hàm main.c 58

Hình 3 17 Sự kiện ngắt UART 60

Hình 3 18 Sự kiện ngắt Timer 61

Hình 3 19 Ngắt trên BLE 6 Hình 4 1 Chỉ số RSSI theo khoảng cách 65

Hình 4 2 Tùy chọn chức năng 66

Hình 4 3 Hiển thị các dữ liệu cảm biến ở nhiệt độ môi trường 67

Hình 4 4 Hiển thị trạng thái và điều khiển thiết bị 68

Hình 4 5 Hiển thị lịch sử thẻ RFID 69

Hình 4 6 Kết nối phần cứng 70

DANH SÁCH BẢNG BI

Bảng 2 1 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth 23 Bảng 2 2 So sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless 25 Bảng 2 3 So sánh sự khác nhau giữa BLE Peripheral và BLE Central 27 Bảng 2 4 Bảng tổng hợp chức năng các lớp trong stack 35Y

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của Arduino Nano 5

Bảng 4 1 Chỉ số RSSI theo khoảng cách 65 Bảng 4 2 Kết quả thực nghiệm đo cảm biến 67

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AES Advanced Encryption Standard

SSID Service Set Identifier

WEP Wired Equivalent Privacy

SIG Special Interest Group

RFID Radio Frequency Identification

UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

RSSI Received Signal Strength Indicator

PHẦN MỞ ĐẦU

Khi cuộc sống con người được nâng cao, những nhu cầu cuộc sống hằng ngày càngcao đòi hỏi phải được hỗ trợ tốt hơn Và từ những nhu cầu thực tế đó, ý tưởng ngôi nhàthông minh hình thành Một ngôi nhà mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ,giúp đỡ một cách linh hoạt và quản lý một cách thông minh Với sự phát triển một cáchnhanh chóng của ngành điện tử thì ý tưởng này không còn vướng bởi rào cản công nghệ.Việc điều khiển nhà thông minh qua Smartphone tạo nên bước ngoặt lớn trong việc điềukhiển tự động không dây một cách linh hoạt Để kết nối các thiết bị với smartphone thìmột chuẩn giao tiếp khá mạnh mẽ đáp ứng được tốc độ kết nối cũng như an ninh, đó làcông nghệ Bluetooth 5.0 Nó sẽ giúp smartphone đọc các dữ liệu từ cảm biến, hiển thịtrạng thái của thiết bị, điều khiển thiết bị và quản lý an ninh cửa Với một app có giaodiện thiết kế rõ ràng và gần gũi với người dùng thì việc quản lý các tiện ích trên một cáchkhá dễ dàng

Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế hệ thống nhà thông minh khác nhau, trênnhiều nền khác nhau như vi xử lý, vi điều khiển, smartphone hay máy tính, … điều khiểnkết nối hữu tuyến hay vô tuyến Cụ thể hơn, ở đề tài này hệ thống sử dụng module BLEnrf52832, module Arduino Nano R3, module RFID RC522, các cảm biến và các thiết bịđược điều khiển như đèn, quạt Với đề tài này, phạm vi nghiên cứu là mô hình nhà thôngminh ở Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Dường như mọi thứ xung quanh chúng ta đều trở nên thông minh: Từ điện thoạithông minh cho đến máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh, máy hút bụi thông minh…

và ở đề tài này, chúng ta sẽ quen thêm với “nhà thông minh” Vậy nhà thông minh là gì ?

1.1 Giới thiệu

Nhà thông minh (tiếng Anh là “Smart Home”) hoặc hệ thống nhà thông minh làmột ngôi nhà/ căn hộ được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tựđộng hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tácquản lý, điều khiển

Hình 1 1 Nhà thông minh

(Ảnh: http://www.sntek.vn/giai-phap-nha-thong-minh/)Nhà thông minh sử dụng các thiết bị kết nối Internet, Zigbee, Bluetooth, … để cóthể quản lý và giám sát các thiết bị và hệ thống từ xa như ánh sáng, nhiệt độ Công nghệ

nhà thông minh Smart Home, còn được biết đến như Home Automation (tự động hóa ngôinhà), cung cấp cho chủ nhà sự an toàn, thoải mái, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng bằngcách cho phép họ kiểm soát các thiết bị thông minh bởi một ứng dụng smart home trênđiện thoại smartphone hoặc các thiết bị kết nối mạng khác Một phần của mạng lưới vạnvật kết nối (Internet of Things - IoT), các hệ thống và thiết bị nhà thông minh thường hoạtđộng cùng nhau, chia sẻ dữ liệu người dùng và tự động hóa các hành động dựa trên quyền

ưu tiên của chủ nhà

Các chức năng chính của nhà thông minh là gì ?

 Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, …)

 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng

 Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy

 Điều khiển điều hòa, máy lạnh

 Hệ thống âm thanh đa vùng

 Camera, chuông hình

 Hệ thống bảo vệ nguồn điện

 Các tiện ích và ứng dụng khác

1.2 Nguồn gốc nhà thông minh

Với việc phát hành X10 năm 1975, một giao thức truyền thông cho HomeAutomation, nhà thông minh, khi đó chỉ là một giấc mơ viển vông trong serie phim hoạthình “Gia đình nhà Jetsons” (The Jetsons) đã xuất hiện trong cuộc sống thực X10 gửi tínhiệu 120 kHz (radio frequency - RF) của thông tin số lên hệ thống dây điện hiện tại trongnhà đến các đầu ra hoặc công tắc có thể lập trình được Các tín hiệu này truyền tải lệnhđến các thiết bị tương ứng, kiểm soát cách thức và thời gian hoạt động của thiết bị Ví dụ:một máy phát có thể gửi tín hiệu dọc theo dây điện trong nhà, yêu cầu bật thiết bị vào mộtthời gian cụ thể

Tuy nhiên, vì dây điện không được thiết kế đặc biệtchống nhiễu sóng radio nên X10không phải lúc nào cũng đáng tin cậy Các tín hiệu sẽ bị mất và trong một số trường hợp,

các tín hiệu không vượt qua các mạch nối với các cực khác nhau, được tạo ra khi dịch vụ

220 volt tách ra thành một cặp nguồn cấp dữ liệu 100 volt, phổ biến ở Hoa Kỳ X10 banđầu là công nghệ một chiều, do đó các thiết bị thông minh có thể thực hiện lệnh nhưngkhông thể gửi dữ liệu trở lại mạng trung tâm Sau đó, các thiết bị X10 hai chiều được sảnxuất với chi phí cao hơn

Khi công ty tự động hóa nhà Insteon xuất hiện vào năm 2005, công ty đã giới thiệucông nghệ kết nối dây điện với tín hiệu không dây Các giao thức khác, bao gồm

cả Zigbee và Z-Wave, được đưa ra để chống lại các vấn đề có thể xảy ra với X10, mặc dùX10 vẫn là một giao thức truyền thông được cài đặt rộng rãi cho đến hiện nay

Nest Labs được thành lập năm 2010 và phát hành sản phẩm thông minh đầu tiên NestLearning Thermostat vào năm 2011 Công ty cũng tạo ra máy dò khói/cacbon monoxidethông minh và camera an ninh Sau khi Google mua lại vào năm 2015, Nest Labs đã trởthành công ty con của Alphabet Inc trong năm đó

Vào năm 2012, SmartThings Inc đã phát động chiến dịch Kickstarter, huy động ngânsách 1,2 triệu đô-la để hỗ trợ hệ thống nhà thông minh Sau khi bổ sung ngân sách, công

ty đã ra mắt thị trường vào tháng 8 năm 2013 và được Samsung mua lại vào năm 2014.Gần đây, các công ty bao gồm Amazon, Apple và Google đã đưa ra các sản phẩmSmart Home và nền tảng Smart Home của họ, bao gồm Amazon Echo, Apple HomeKit

và Google Home

Các ví dụ về công nghệ smart home

Công nghệ dường như đã đặt chân đến mọi khía cạnh của cuộc sống, bao gồm cảkhông gian nội thất nhà ở(bóng đèn, máy rửa bát và…) Sự ra đời của nhà thông minhnhư một giải pháp thay thế hiện đại:

 Smart TV - TV thông minh kết nối Internet, truy cập nội dung thông qua các ứng

dụng, chẳng hạn như video và âm nhạc theo yêu cầu Một số TV thông minh baogồm nhận diện giọng nói hoặc cử chỉ

 Ngoài khả năng điều khiển từ xa và tùy biến, các hệ thống chiếu sáng thông

minh như Hue từ Philips Lighting Holding B.V., có thể phát hiện khi nào có người

ở trong phòng và điều chỉnh ánh sáng nếu cần Bóng đèn thông minh cũng có thể

tự điều chỉnh dựa trên ánh sáng ban ngày

 Các bộ điều chỉnh nhiệt thông minh (Smart thermostats) chẳng hạn như Nest của

Nest Labs Inc., được tích hợp Wi-Fi, cho phép người dùng lên lịch, theo dõi vàđiều khiển nhiệt độ trong nhà từ xa Các thiết bị này cũng học hành vi của chủ nhà

và tự động sửa đổi thiết lập nhằm cung cấp cho người dùng sự thoải mái và hiệuquả tối đa Bộ điều chỉnh nhiệt thông minh cũng có thể báo cáo việc sử dụng nănglượng và nhắc nhở người dùng thay đổi bộ lọc

 Sử dụng khóa thông minh và dụng cụ mở cửa nhà để xe, người dùng có thể cho

phép hoặc từ chối mở cửa cho khách vào nhà Hơn nữa, khóa thông minh cũng cóthể phát hiện khi chủ nhà đang ở gần và mở khóa cho họ

 Với camera quan sát thông minh, người dùng có thể theo dõi nhà của mình khi

di chuyển hoặc đi nghỉ mát Các cảm biến chuyển động thông minh cũng có thểxác định sự khác biệt giữa chủ nhà, khách, thú cưng và kẻ trộm để thông báo chochính quyền nếu phát hiện hành vi đáng ngờ

 Có thể tự động chăm sóc vật nuôi với hệ thống cho ăn đã được kết nối sẵn Câytrồng trong nhà và cỏ cũng được tưới nước bằng bộ đếm thời gian đã được kết nối

 Các thiết bị nhà bếp đều có sẵn, bao gồm máy pha cà phê thông minh có thể phamột tách cà phê thơm ngon ngay khi chuông báo thức của bạn reo lên; tủ lạnhthông minh theo dõi ngày hết hạn, lên danh sách mua sắm hoặc thậm chí tạo ra cáccông thức nấu ăn dựa trên các thành phần sẵn có; nồi nấu và lò nướng bánh mỳ;trong phòng giặt có máy giặt và máy sấy

 Các màn hình hệ thống hộ gia đình có thể cảm nhận được điện áp tăng vọt và tắtthiết bị; nhận thấyđường ống nước bị hỏng hoặc ngắt các đường ống và tắt nước

để không bị tràn ra sàn

1.3 Ưu khuyết điểm của nhà thông minh

Một trong những lợi ích nổi bật nhất của tự động hóa ngôi nhà là cung cấp sự antâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa, chống lại những nguy hiểm như máypha cà phê bị bỏ quên hoặc cửa phía trước quên chưa khóa Nhà thông minh còn có lợicho người cao tuổi, cung cấp sự giám sát giúp người cao tuổi được ở nhà thoải mái và antoàn hơn là chuyển đến nhà dưỡng lão hoặc yêu cầu chăm sóc tại nhà 24/7 Không có gìđáng ngạc nhiên khi nhà thông minh có thể thích ứng với sở thích của người dùng Ví dụ,ngay khi bạn về đến nhà, cửa nhà để xe sẽ mở, đèn sẽ sáng, lò sưởi sẽ bật và các giai điệuyêu thích của chúng ta sẽ bắt đầu phát trên loa.

Smart home giúp người dùng nâng cao hiệu quả Thay vì để máy điều hoà khôngkhí chạy liên tục vào ban ngày, hệ thống nhà thông minh có thể học các hành vi củachúng ta và đảm bảo ngôi nhà sẽ được làm mát khi chúng ta trở về nhà Tương tự với cácthiết bị gia dụng: Hệ thống tưới nước thông minh, bãi cỏ sẽ được tưới nước khi cần thiếtvới một lượng nước vừa đủ Đối với smart home, năng lượng, nước và các nguồn lựckhác được sử dụng hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và tiền bạc chongười dùng

Hệ thống nhà thông minh nỗ lực trở thành xu thế chủ đạo, một phần là do tính chất

kỹ thuật của chúng Một hạn chế của nhà thông minh là sự phức tạp trong cảm nhận, một sốngười gặp khó khăn khi sử dụng công nghệ hoặc sẽ từ chối sử dụng vì cảm thấy khó chịungay lần đầu Các nhà sản xuất nhà thông minh và đối tác của họ đang cố gắng để giảmtính phức tạp và cải thiện trải nghiệm người dùng, làm cho nó trở nên thú vị cũng như cólợi cho người sử dụng ở mọi độ tuổi và trình độ Đối với các hệ thống nhà thông minhthực sự có hiệu quả, các thiết bị phải tương tác với nhau bất kể nhà sản xuất của chúng là

ai, sử dụng cùng một giao thức hoặc ít nhất, bổ sung thêm một giao thức khác Vì là mộtthị trường mới nên chưa có tiêu chuẩn vàng nào dành cho nhà thông minh Tuy nhiên, cácliên minh tiêu chuẩn đang hợp tác với các nhà sản xuất và các giao thức để đảm bảo khảnăng tương tác và trải nghiệm người dùng không bị gián đoạn

Một vấn đề chính khác là an ninh nhà thông minh Báo cáo năm 2016 của NTT DataCorp cho thấy rằng 80% người dùng Mỹ quan tâm đến tính bảo mật dữ liệu smart home

của họ Nếu tin tặc có thể xâm nhập vào một thiết bị thông minh, họ có thể tắt đèn, tắt báothức và mở khóa cửa ra vào để đột nhập Hơn nữa, tin tặc có thể truy cập vào mạng củachủ nhà, dẫn đến các cuộc tấn công tồi tệ hơn hoặc rò rỉ dữ liệu (Data Exfiltration) Vàotháng 10 năm 2016, Mirai IoT botnet (botnet Mirai IoT) đã làm sập một phần của Internetbằng một loạt cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán (tấn công DDoS - DistributedDenial of Service) sử dụng camera an ninh và bộ định tuyến.

Ngoài việc bảo mật, nhiều người không thích nhà thông minh vì lo lắng về dữ liệuriêng tư Báo cáo NTT Data cho thấy 73% người dùng quan tâm đến dữ liệu riêng tư đượcchia sẻ bởi các thiết bị smart home Mặc dù các nhà sản xuất thiết bị smart home và nhàsản xuất nền tảng có thể thu thập dữ liệu người dùng để điều chỉnh sản phẩm của họ tốthơn, hoặc cung cấp các dịch vụ mới cải tiến cho khách hàng, nhưng sự tin tưởng và minhbạch là điều quan trọng để các nhà sản xuất xây dựng lòng tin với người sử dụng các sảnphẩm thông minh của họ

1.4 Nhà thông minh hoạt động như thế nào ?

Công nghệ nhà thông minh là hiện thực và nó ngày càng trở nên tinh vi Các tínhiệu được mã hóa được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyểnmạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trongngôi nhà Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật,những người muốn sống tự lập Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôinhà và chủ nhân của nó rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ vàmáy tính cá nhân đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua - bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệmthời gian, tiền bạc và năng lượng

Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biếnnhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết

bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõicác trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấphành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người Nhà

thông minh không phải là các thiết bị và ứng dụng riêng biệt, chúng làm việc cùng nhau

để tạo ra một mạng lưới có thể điều khiển từ xa Chủ nhà điều khiển tất cả các thiết bịđược kiểm soát bởi một bộ điều khiển tự động, được gọi là smart home hub Smart homehub là một thiết bị phần cứng hoạt động như điểm trung tâm của hệ thống smart home cóthể cảm nhận, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây Nó kết hợp tất cả các ứng dụngriêng lẻ vào một ứng dụng smart home duy nhất có thể được kiểm soát từ xa bởi chủ nhà

Ví dụ các smart home hub bao gồm Amazon Echo, Google Home, Insteon Hub Pro,Samsung SmartThings và Wink Hub

Một số hệ thống smart home được tạo ra từ đầu, ví dụ như sử dụng Raspberry

Pi hoặc bảng mạch mẫu thử nghiệm Những sản phẩm khác có thể được mua như một bộsmart home kit - còn được gọi là nền tảng smart home - có chứa các phần cần thiết để bắtđầu dự án tự động hóa nhà ở

Trong các mô hình smart home đơn giản, các sự kiện có thể được tính giờ hoặckích hoạt Sự kiện tính giờ dựa theo đồng hồ, ví dụ như hạ thấp rèm vào lúc 6 giờ chiều,

sự kiện được kích hoạt dựa trên hành động trong hệ thống tự động; như khi điện thoạithông minh của chủ nhà đến gần cửa, khóa thông minh sẽ mở ra và đèn thông minh sẽsáng lên

Machine learning và trí tuệ nhân tạo (AI) ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thốngsmart home, cho phép các ứng dụng home automation thích ứng với môi trường của họ.Các hệ thống kích hoạt bằng giọng nói, chẳng hạn Amazon Echo hoặc Google Home, cócác trợ lý ảo trợ giúp tìm hiểu và cá nhân hóa smart home với sở thích và hành vi củangười dùng

1.5 Các công nghệ hiện nay đang sử dụng trong nhà thông minh

Cũng giống như các hệ thống điện tử khác, các thiết bị thông minh hoạt động dựatrên nhiều giao thức khác nhau, mỗi giao thức quy định những nguyên tắc và tiêu chuẩnriêng cho các thiết bị giao tiếp nhau Nếu tưởng tượng mỗi giao thức là một ngôn ngữ, thìthiết bị sử dụng công nghệ ZigBee giao tiếp bằng ngôn ngữ ZigBee, thiết bị sử dụng công

nghệ Z-wave giao tiếp bằng ngôn ngữ Z-wave, hai thiết bị sử dụng ngôn ngữ khác nhauthì không hiểu nhau được Thực tế cũng có một số thiết bị hỗ trợ cả hai loại giao thức,nhưng không nhiều, mỗi nhà sản xuất thường có những thiết bị thế mạnh riêng, và chúng

ta cũng không muốn phải chọn tất cả thiết bị của một nhà sản xuất Dưới đây là những tìmhiểu về ưu và nhược điểm của các loại giao thức để có thể rõ hơn

 X10 (Tham khảo: https://www.x10.com/ )

Là giao thức đầu tiên áp dụng cho thiết bị tự động ra đời từ giữa những năm 1970,

sử dụng đường dây, hiện không phổ biến Các sản phẩm X10 có thể được sử dụng để điềukhiển đèn và thiết bị, thay thế công tắc trên tường và thậm chí được sử dụng để giám sátcửa ra vào, cửa sổ và chuyển động

 UPB (Tham khảo: http://buildyoursmarthome.co )

Là một giao thức truyền thông giữa các thiết bị được sử dụng cho tự động hóa tạinhà Nó sử dụng dây điện đường dây để báo hiệu và điều khiển UPB được phát triển bởiPowerline Control Systems (PCS) của Northridge, California và phát hành vào năm 1999.Dựa trên khái niệm về tiêu chuẩn X10 phổ biến, UPB có tốc độ truyền được cải thiện và

độ tin cậy cao hơn Hệ thống này cần đi dây, tín hiệu mạnh hơn X10 nhưng chi phí tốnkém và khó lắp đặt

 INSTEON (Nguồn tham khảo: https://www.insteon.com/ )

Là giao thức cho phép kết nối giao tiếp có dây và giao tiếp không dây thành một hệthống duy nhất mang đến sự tin cậy ổn định và linh hoạt Dây dẫn điện được sử dụng mộtcách đặc trưng để thay thế cho tần số RF được sử dụng trong hệ thống Điều này cho phépcác lệnh được gửi tới địa chỉ chính xác với ít sự can thiệp Insteon hỗ trợ 65,000 lệnhkhách nhau và là một trong những hệ thống tốt nhất để nâng cấp những chiếc công tắcđiện trong nhà Insteon cũng tương thích một phần với X10, dĩ nhiên là chỉ với một sốloại thiết bị nhất định, có thể đổi mới hệ thống X10 cũ kỹ bằng công nghệ Insteon hoặcnếu đang muốn tìm kiếm một giao tiếp không dây cho X10

 Z-Wave (Nguồn tham khảo: www.z-wave.com/ )

Z-Wave là giao thức không dây hoạt động ở dải tần số 908.42MHz Đây là côngnghệ khá mới phát triển khá mạnh những năm gần đây Liên minh Z-Wave đã cho ra đờihơn 1000 loại thiết bị khác nhau có thể giao tiếp với nhau cho phép người dùng có nhiềulựa chọn hơn Đặc điêm nổi bật của Z-Wave là hệ thống dạng mạng lưới giúp cho hệthống mở rộng tối đa, tốn rất ít năng lượng, thích hợp cho những thiết bị thiết kế dùng pin.

 ZigBee (Nguồn tham khảo: http://www.zigbee.org/ )

Là một giao thức mạng không dây được dùng để kết nối các thiết bị với nhau.ZigBee phát triển dựa trên tiêu chuẩn mạng không dây 802.15.4, cũng như Z-Wave,ZigBee phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đây là công nghệ mở, hiện có rấtnhiều hãng sản xuất thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee ZigBee cũng tiêu thụ rất ít nănglượng, cũng sử dụng mạng dạng lưới giúp mở rộng hệ thống, mạng giao tiếp nhanh,nhưng có một số người dùng than phiền rằng thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee của cácnhà sản xuất thường khó giao tiếp nhau

 WI-FI (Nguồn tham khảo: https://vi.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi )

Dĩ nhiên WI-FI giờ đã rất thịnh hành, và cũng có rất nhiều thiết bị thông minhdùng công nghệ WI-FI, nhưng có một nhược điểm là vấn đề mạng, nếu có quá nhiều thiết

bị sử dụng mạng WI-FI trong căn nhà làm cho mạng chậm lại và hơn nữa WI-FI lại ngốnkhá nhiều năng lượng nên không thích hợp sử dụng cho một số thiết bị như khoá cửa,chuông cửa và các thiết bị thiết kế dùng pin

 BLE (Nguồn tham khảo: https://www.bluetooth.com )

BLE là Bluetooth Low Energy, hiện nay có nhiều công nghệ dùng giao thứcBluetooth, rất phổ biến cho các thiết bị thông minh Trước đây, Bluetooth rất ít phổ biếntrong nhà thông minh bởi giới hạn phủ sóng ngắn và thường không dùng cho các hệ thống

an ninh, nhưng giờ đây với những cải tiến đột phá được thể hiện ở BLE version 5.0 thì đãkhắc phục được những nhược điểm trên Và đó là cơ sở, là giải pháp công nghệ cho nhàthông minh hiện nay và trong tương lai

1.6 Kết luận chương

Với hệ thống nhà thông minh được lắp đặt trong căn nhà, chúng ta có thể thực hiệnnhững chức năng từ đơn giản đến phức tạp từ trong hay bên ngoài căn nhà, thậm chí từchỗ cách rất xa nhà Từ thiết bị di động cá nhân, một người chủ căn nhà chỉ cần dùng mộtnút nhấn là có thể bật tắt đèn, cửa ra vào, … Đó chính là hình ảnh của một căn nhà thôngminh.

Hiện nay, có nhiều công nghệ được lựa chọn sử dụng trong nhà thông minh ỞViệt Nam hầu như chúng ta lắp đặt hệ thống nhà thông minh mới hoàn toàn, nên côngnghệ Bluetooth đang là giải pháp mới với ưu điểm là mạng không dây, nhanh, độ phủrộng, dễ mở rộng và có nhiều loại thiết bị để lựa chọn

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)

Bluetooth Low Energy (BLE) là 1 chuẩn giao tiếp thế hệ mới (version 4.x, 5.0) củađàn anh Bluetooth thông thường (version 1.x, 2.x và 3.x) mà chúng ta đã quen từ các thậpniên trước Cũng giống thế hệ đàn anh, BLE cũng hoạt động trên băng tần 2.4GHz vàthừa hưởng các kiến trúc phần cứng và phần mềm của chuẩn Bluetooth thông thường

Hình 2 1 Bluetooth Low Energy (BLE) cho các ứng dụng thông minh

2.1 Giới thiệu

2.1.1 Bluetooth Low Energy (BLE) là gì ?

Bluetooth Low Energy (BLE) là một công nghệ mạng kết nối cá nhân không dâyđược thiết kế và tiếp thị bởi Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) nhằm vàocác ứng dụng mới trong chăm sóc sức khỏe, thể dục, beacons, nhà thông minh, an ninh vàcác ngành công nghiệp giải trí Trung tâm của một hệ thống ứng dụng BLE thường làSmart phone, tablets và PCs BLE không phải là tất cả, nó không thay thế hoàn toàn các

chuẩn truyền thông không dây khác như Wifi, Zigbee, … hay thậm chí là BluetoothClassic (2.0) Nó được thiết kế với mục đích chuyên biệt hơn, với miền ứng dụng cụ thểhơn.

2.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth

1.1,1.2

1999,2002,2003EDR Enhanced Data Rate (2Mbps và 3Mbps) 2.0 2004

Bảng 2 1 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth

2.1.3 Ưu khuyết điểm của BLE

Điểm mạnh lớn nhất của BLE chính là công suất tiêu thụ cực thấp (khoảng vàichục uA khi hoạt động) Do công suât tiêu thụ rất thấp, các board BLE có thể có kíchthước rất nhỏ do có thể sử dụng các loại pin dung lượng nhỏ và kích thước nhỏ mà thờigian hoạt động có thể kéo dài vài tháng trước khi thay pin Từ đây chúng ta có thể tưởngtượng về khả năng ứng dụng to lớn của BLE do nó rất nhỏ nên có thể gắn vào rất nhiều đồvật từ lớn (tivi, tủ lạnh, nồi cơm điện, xe hơi, xe máy,… ) đến các đồ vật bé (quần áo,giày dép, dây đeo tay, xâu chìa khóa….) làm cho các đồ vật trở nên thông minh hơn

Vậy điểm yếu của BLE là gì ? Đó chính là tốc độ truyền dữ liệu Để giảm côngsuất tiêu thụ, các chip BLE chỉ có thể truyền dữ liệu theo chu kỳ (không như bậc đàn anhClassic Bluetooth có thể truyền dữ liệu liên tục tùy thích) và lượng dữ liệu truyền trongmột chu kỳ cũng giới hạn chỉ vài chục bytes Nhờ vậy mà chip BLE có thể ngủ đôngtrong phần lớn thời gian hoạt động và chỉ thức dậy khi đến chu kỳ truyền/nhận dữ liệu.Tất cả việc thức dậy và ngủ đông đều thực hiện ỏ mức phần cứng trong chip mà khôngcần phần mềm điều khiển Theo thống kê thì tốc độ truyền dữ liệu tối đa của BLE vớismartphone nằm trong tầm từ 7kB/s đến 8kB/s Tuy không thể chạy các ứng dụngstreaming hay music/video, nhưng với tốc độ đó đã rất dư cho các ứng dụng đồ vật smart

vì yêu cầu truyền dữ liệu ít và không liên tục

Bảng so sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless phổ biến hiện nay:

Class bluetooth

Bluetooth BLE

Point-to-PointStar

Hub

Point-to-Mesh, hoc

Ad-Bảng 2 2 So sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless

2.2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth

Mỗi thiết bị Bluetooth gồm 3 khối chính sau:

- Application: Ứng dụng người dung giao tiếp với Bluetooth protocol stack

- Host: Các lớp trên của Bluetooth protocol stack

- Controller: Các lớp dưới của Bluetooth protocol stack

Bluetooth protocol stack là bộ giao thức dạng stack cho phép các thiết bị Bluetooththiết lập, kết nối, truyền nhận dữ liệu với nhau Ba khối chính của một thiết bị Bluetoothđược tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, dưới đây là 3 kiểu cấu hình phầncứng chính:

Hình 2 2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth

2.3 Các loại thiết bị BLE trong một ứng dụng

Có 4 loại thiết bị BLE (có thể gọi là chế độ hoạt động) đó là Peripheral, Central,Observer và Broadcaster và bình thường thì một thiết bị BLE chỉ hoạt động trong mộtchế độ (tuy nhiên cũng có những ứng dụng đặc biệt mà thiết bị có thể hoạt động ở nhiềuchế độ) Hơn 90% các thiết bị BLE hoạt động ở trong hai chế độ: Peripheral và Central

Do vậy, ở phần lí thuyết này sẽ trình bày về hai chế độ phổ biến trên.

Hình 2 3 Hai chế độ hoạt động phổ biến của BLE

Có thể phân biệt một cách cơ bản như sau:

 BLE Central là thiết bị sẽ chủ động yêu cầu kết nối đến các thiết bị BLE khác(thường là smartphone, tablet) Sau khi kết nối thì lại gọi BLE Central là BLEMaster (gọi Master với ý nghĩa là thiết bị này sẽ làm chủ các hoạt động đồng bộradio để giữ kết nối và truyền dữ liệu)

 BLE Peripheral là thiết bị chấp nhận yêu cầu kết nối (thường là đồ vật BLE).Tương tự, sau khi kết nối thì gọi BLE Peripheral là BLE Slave (Slave ý nghĩa làthiết bị này sẽ tuân theo hoạt động đồng bộ radio từ phía Master để giữ kết nối vàtruyền dữ liệu)

Do đó, có thể thường thấy smartphone, tablet sẽ là BLE Central và các đồ vật sẽ làBLE Peripheral trong 1 ứng dụng Bluetooth Low Energy

Do tính chất hoạt động như thế, thiết bị BLE Central và thiết bị BLE Peripheral cónhững điểm khác nhau như bảng sau:

BLE Central BLE Peripheral

Trước khi kết

nối

Nhận thông tin nhận dạng từ cácthiết bị xung quanh

Phát thông tin nhận dạngcủa thiết bị

Bắt đầu kết nối Gửi yêu cầu kết nối đến thiết bị

muốn kết nối

Nhận yêu cầu kết nối vàquyết định có kết nối haykhông

Sau khi kết nối Gửi yêu cầu về các loại thông tin

mà thiết bị BLE Peripheral có thểcung cấp

Gửi các loại thông tinthiết bị có thể cung cấp

Quá trình truyền

dữ liệu

Nhận thông tin cập nhật từ thiết bịBLE Peripheral để thực hiện chứcnăng ứng dụng

Gửi dữ liệu đến thiết bịBLE Central khi có thôngtin cập nhật trong thiết bị

Bảng 2 3 So sánh sự khác nhau giữa BLE Peripheral và BLE Central

Theo chuẩn Bluetooth Low Energy, một thiết bị BLE Central có thể kết nối 1 lúcnhiều thiết bị BLE Peripheral (số lượng thiết bị có thể kết nối tùy thuộc vào loại BLEchip); nhưng một thiết bị BLE Peripheral chỉ có thể kết nối với 1 thiết bị BLE Central

Khái niệm về BLE Server và BLE Client Khái niệm này chỉ tồn tại sau khi 2thiết bị BLE đã kết nối với nhau và có thể hiểu như sau:

 Thiết bị BLE nào tạo ra dữ liệu sẽ được gọi là BLE Server (ví dụ như BLE sensor)

 Ngược lại thiết bị BLE nào là nơi xử lý dữ liệu sẽ được gọi là BLE Client (ví dụnhư smartphone, tablet)

Ở đây có thể thấy BLE Server/Client và BLE Central/Peripheral là 2 khái niệm độclập và khác nhau trong đó BLE Central/Peripheral thể hiện vai trò của thiết bị BLE trướckhi kết nối; và BLE Server/Client thể hiện điểm xuất phát của dữ liệu truyền giữa 2 thiết

bị BLE sau khi kết nối Do đó thiết bị BLE Central sau khi kết nối có thể là BLE Serverhay BLE Client tùy theo nó tạo ra dữ liệu hay nó nhận và xử lý dữ liệu; tương tự cho BLEPeripheral cũng có thể là BLE Server hoặc BLE Client sau khi kết nối

Nói sơ qua BLE Observer và BLE Broadcaster, thực chất đây là 2 dạng đặc biệtcủa BLE Central và BLE Peripheral như sau:

 BLE Observer là BLE Central nhưng chỉ nhận dữ liệu nhận dạng của các thiết bịxung quanh nhưng không bao giờ tạo kết nối

 BLE Broadcaster là BLE Peripheral chỉ phát dữ liệu nhận dạng nhưng không baogiờ chấp nhận yêu cầu kết nối từ các BLE Central

Các chip hiện nay như của TI: CC2540,CC2541, CC2650,… hay Nordic:nRF51822… có hỗ trợ sự kết hợp giữa các chức năng như Peripheral Observer, PeripheralBroadcaster,… Nó cho phép các Peripheral có thể nói chuyện với nhau không cần quaCentral.

2.4 Các hoạt động cơ bản của thiết bị BLE

Theo chuẩn BLE định nghĩa thì các thiết bị BLE có 4 hoạt động cơ bản như sau:

 Advertising: là hoạt động phát dữ liệu nhận dạng cơ bản của thiết bị BLE

Peripheral ra môi trường xung quanh trước khi kết nối

 Scanning: là hoạt động của thiết bị BLE Central để thu thập dữ liệu nhận dạng của

nhiều thiết bị BLE Peripheral xung quanh

 Connecting: là hoạt động của cả thiết bị BLE Central và BLE peripheral trong đó

thiết bị BLE Central có thể gửi yêu cầu thêm thông tin nhận dạng (gọi là ScanRequest) và BLE Peripheral gửi theo yêu cầu (gọi là Scan Response) Sau đó BLECentral sẽ kiểm tra đầy đủ thông tin nhận dạng (từ Advertising data và từ ScanResponse data) và gửi yêu cầu kết nối (gọi là Connection Request), cuối cùng thiết

bị BLE Peripheral sẽ trả lời chấp nhận hay từ chối kết nối (gọi là ConnectionResponse)

 Discovering: là hoạt động của thiết bị BLE Client sau khi kết nối nhằm lấy thông

tin về các loại dữ liệu mà thiết bị BLE Server có thể cung cấp Ví dụ, thiết bị BLEServer có thể có dữ liệu về gia tốc, hoặc có dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, và thiết

bị BLE Client sẽ có nhu cầu biết các loại dữ liệu nào có thể nhận từ BLE Server

Để hai thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua chuẩn BLE, các thiết bị BLE cần tuânthủ một số quy định Các quy định này được khái quát hóa thành các giao thức và cấuhình

 Protocol (Giao thức): Tập các luật quy định việc định dạng gói tin, định tuyến, dồnkênh, mã hóa,… để trao đổi dữ liệu giữa các bên

 Profile (Cấu hình): Định nghĩa cách mà giao thức được dùng để đạt các mục tiêu

cụ thể Có hai loại cấu hình là cấu hình chung (generic profiles) và cấu hình cụ thểtheo trường hợp sử dụng (use-case profiles)

o Generic profiles: các profile cơ sở được định nghĩa trong tài liệu Bluetooth

Specifications, đặc biệt là hai profiles không thể thiếu giúp các thiết bị BLEkết nối và trao đổi dữ liệu với nhau, GAP và GATT

o Use-case profile: Các profile cho các trường hợp sử dụng cụ thể

 Các profile do Bluetooth Special Interest Group (SIG) định nghĩa

 Các profile do vendor tự định nghĩa

2.5 Đặc tính tần số và quá trình kết nối của thiết bị BLE

2.5.1 Đặc tính tần số

Không chỉ các thiết bị BLE chỉ hoạt động ở tần số 2.4GHz Điều này đúng nhưngchưa đầy đủ, thực tế các thiết bị BLE có thể hoạt động trong 1 dãy tần số từ 2402MHzđến 2480 MHz và dãy tần số này được chia làm 40 kênh truyền; trong đó các chip BLE cóthể sử dụng 1 trong 40 kênh tần số để truyền dữ liệu

Hình 2 4 Kênh truyền dữ liệu nhận dạng và kênh truyền dữ liệu ứng dụng

Các kênh tần số này sẽ được sử dụng như sau:

– Kênh 2402MHz, 2426MHz và 2480MHz là 3 kênh chỉ được dùng để truyền dữliệu nhận dạng (advertising data) của BLE Peripheral trước khi kết nối và được gọi

là Advertising Channels

– Tất cả 37 kênh còn lại sẽ được dùng để truyền dữ liệu ứng dụng giữa các thiết bị

BLE sau khi kết nối và được gọi là Data Channels

2.5.2 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE

Để kết nối thì BLE Central sẽ nhận advertising data từ các BLE Peripherl ở xungquanh Cả 2 thiết bị BLE Central và BLE Peripheral đều truyền/nhận dữ liệu theo chu kỳtương ứng chứ không liên tục (để tiết kiệm năng lượng)

- Chu kỳ nhận dạng dữ liệu (Scanning interval): Khoảng thời gian mà BLE Central

sẽ thức dậy và nhận dữ liệu nhận dạng sau mỗi scanning interval

- Chu kỳ phát dữ liệu nhận dạng (advertising interval): Khoảng thời gian mà thiết bị

sẽ thức dậy sau mỗi chu kỳ để truyền advertising data

 các yếu tố ảnh hưởng việc nhanh/chậm khi BLE Central nhận biết các thiết bịBLE Peripheral xung quanh:

– Nếu chọn Scanning Interval thấp, thì BLE Central sẽ thức dậy nhiều hơn vànhận được nhiều advertising data hơn nên tìm đúng BLE Peripheral nhanh hơn

– Nếu chọn Advertising Interval thấp, thì BLE Peripheral sẽ thức dậy nhanhhơn và phát nhiều dữ liệu hơn dẫn đến tăng khả năng nhận của BLE Central(tốn pin) Hơn nữa, nếu chọn số Advertising Packets lớn, thì sẽ phát nhiều dữliệu hơn nữa (tốn pin)

 cân nhắc tốc độ kết nối và mức năng lượng tiêu thụ khi khởi tạo các thông sốtrên cho thiết bị BLE

Hình 2 5 Quá trình nhận dữ liệu nhận dạng (Scanning) của BLE Central và quá trình phát

dữ liệu nhận dạng (Advertising) của BLE

Quá trình kết nối của các thiết bị BLE thể hiện trong hình sau:

Hình 2 6 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE

2.6 The BLE protocol stack

Bộ giao thức cho thiết bị BLE được chia thành 3 thành phần chính: controller, host

và application Mỗi phần bao gồm một hoặc nhiều lớp (layer) theo chức năng:

o Application: là lớp cao nhất của bộ giao thức, cung cấp giao diện ngườidùng, xử lý logic và điều khiển dữ liệu của mọi thứ liên quan đến cáctrường hợp hoạt động của ứng dụng Kiến trúc của application phụ thuộcvào từng bài toán cụ thể

o Host: bao gồm các lớp sau

 Generic Access Profile (GAP)

 Generic Attribute Profile (GATT)

 Attribute Protocol (ATT)

 Security (SM)

 Logiccal Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)

 Host Controller Interface (HCI), Host side

o Controller: bao gồm các lớp sau

 Host Controller Interface (HCI), Controller side