Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ phần cứng máy tính, cho phép thực hiện kết nối không dây mọi vật. Các smartphone có đầy đủ tính năng như một máy tính cho nên người ta đã khai thác triệt để smartphone để ứng dụng chúng cho việc giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách thông minh. Mạng không dây là hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì đường truyền dẫn bằng dây. Hiện nay khá nhiều phương thức truyền thông không dây được sử dụng để truyền nhận dữ liệu đã được áp dụng để điều khiển các đối tượng thông minh, phải kể đến như Bluetooth, Wifi, Zigbee, SMS, RF, hồng ngoại. Các phương thức kết nối điều khiển không dây phổ biến và đã được ban hành thành chuẩn như: Bluetooth, Wifi.
a) Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử có thể giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM trong dải tần (2,4- 4,48) MHz. Mục đích của Bluetooth dùng để thay thế cáp nối giữa
29
máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau một cách thuận tiện, giá thành rẻ.
Thời gian Chuẩn Thuật ngữ Mô tả 1999 1.0
BR Basic Rate (1 Mbps), bluetooth chuẩn 2002 1.1
2003 1.2
2004 2.0 EDR Enhanced Data Rate, bluetooth nâng cao 2009 3.0 HS High Speed, bluetooth tốc độ cao
2010 4.0
LE
Low Energy (1Mbps) năng lượng thấp 2013 4.1 Hỗ trợ LTE
2014 4.2 Kết nối IP, bảo mật, tốc độ cao 2016 5.0 Tốc độ tăng gấp hai lần 4.2 2019 5.1 Tăng gấp 4 lần độ phủ sóng
2020 5.2 EATT Enhanced Attribute, nâng cao thuộc tính, kết nối từ nhiều nguồn đến một thiết bị.
Bảng 2.7: Lịch sử hình thành công nghệ Bluetooth
Kiến trúc Bluetooth gồm 3 tầng: bộ điều khiển (Controller) thường là thiết bị vật lý có khả năng truyền và nhận các gói tin dưới dạng tín hiệu vô tuyến; chủ (Host) thường là một phần mềm quản lý việc truyền thông giữa các thiết bị; ứng dụng (Application).
Đặc điểm: Tiêu thụ năng lượng thấp, ứng dụng được nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ, dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng, an toàn và bảo mật cao, tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm hỗ trợ. Tuy nhiên, có nhược điểm là khoảng cách giao tiếp ngắn, dễ bị nhiễu, bắt sóng kém khi có vật cản, thiết lập kết nối tương đối lâu.
Ứng dụng: Bluetooth được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như thiết bị truyền dữ liệu, thiết bị truyền thanh, thiết bị di động, các ứng dụng nhúng,... Ngoài ra Bluetooth còn được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị thông minh bằng điện thoại di động. Bộ điều khiển sẽ chứa một module Bluetooth có chức năng tạo kết nối và nhận dữ liệu từ smartphone. Kết nối giữa điện thoại và bộ điều khiển là kết nối điểm - điểm, tức là muốn máy điện thoại khác điều khiển được thì máy điện thoại hiện tại đang điều khiển phải ngắt kết nối với bộ điều khiển trung tâm. Kết nối này được bảo mật bằng
30
một mã Pincode. Khoảng cách điều khiển giữa điện thoại và thiết bị khoảng 20m nếu không có vật cản. BLE (Bluetooth 4.0 trở đi) được thiết kế cho các ứng dụng:
Siêu tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài tháng hoặc vài năm chỉ với một viên pin đồng xu (coin-cell battery);
Khoảng cách ngắn, hoạt động ổn định trong phạm vi 10m;
Dữ liệu truyền tải không lớn, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển không liên tục, cảm biến.
Các ứng dụng điển hình sử dụng BLE như thiết bị theo dõi sức khỏe, beacons, nhà thông minh, an ninh, giải trí, cảm biến tiệm cận, ô tô. Trung tâm của một hệ thống ứng dụng BLE thường là Smart phones, tablets và PCs. Bluetooth thực hiện giao tiếp với nhau theo kiểu chủ-tớ (Master-Slave), và thông thường 1 chủ có thể nối với 7 thiết bị tớ cùng 1 lúc thành một hệ thống mạng mini. Dĩ nhiên các thiết bị có thể đổi vai trò, tùy vào điều kiện tiếp nối. Ví dụ: một cái tai nghe khởi đầu kết nối với điện thoại bắt buộc phải đóng vai chủ Master, nhưng sau đó sẽ hoạt động như là một tớ Slave sau khi kết nối hoàn tất. Sau đó thông tin được truyền đi theo phương thức giao chuyển gói (Packet Switching).
Hình 2.8: Cấu hình phần cứng của chip Bluetooth
Tần số điều chế của sóng BLE trong không gian là 1Mbps. Đây là giới hạn trên của thông lượng theo lý thuyết. Tuy nhiên trong thực tế tham số này nhỏ hơn do ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Để minh họa ta đặt giả thiết là một thiết bị trung tâm (Master) được khởi tạo và thiết lập kết nối đến một ngoại vi (Slave) qua giao diện BLE:
Ta có khái niệm về chu kỳ kết nối (Conneciton interval), đây là khoảng thời gian giữa 2 sự kiện kết nối liên tiếp. Với BLE, khi một sự kiện kết nối diễn ra, các thiết bị trong kết nối sẽ trao đổi dữ liệu với nhau, sau đó trở về trạng thái IDLE
31
để tiết kiệm năng lượng, và chờ đến thời điểm thì thực hiện sự kiện kết nối tiếp theo. Tham số này nằm trong khoảng 7.5ms đến 4s.
nRF51822 có thể truyền đến 6 gói dữ liệu trong mỗi sự kiện kết nối. Mỗi gói có thể chứa 20 bytes dữ liệu của người dùng.
Giả sử tần số sự kiện kết nối là lớn nhất (chu kỳ kết nối nhỏ nhất = 7.5ms). Khi đó mỗi giây có thể xảy ra tối đa 133 sự kiện kết nối
–> Công thức tính thông lượng: 133 * 120 = 15960 bytes/s (125Kbit/s)
Một thiết bị BLE có thể giao tiếp với bên ngoài thông qua 2 cơ chế: Broadcasting hoặc Connection. Mỗi cơ chế có thế mạnh và giới hạn riêng, cả hai được thiết lập bởi GAP (Generic Access Profile). Thiết bị Broadcaster: Gửi các gói tin quảng bá phi kết nối đến bất kỳ thiết bị nào có thể nhận.
Thiết bị Observer: Quét liên tục theo tần số đặt trước để nhận các gói tin quảng bá phi kết nối
Đây là kiểu truyền thông cho phép một thiết bị có thể truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị khác nhau cùng lúc (một chiều). Đây là cơ chế nhanh chóng và dễ sử dụng, là lựa chọn tốt nếu muốn truyền lượng nhỏ dữ liệu đến nhiều thiết bị cùng lúc. Hạn chế là dữ liệu không được bảo đảm an ninh, vì thế không phù hợp để truyền các dữ liệu nhạy cảm.
Thiết bị Central (Master): Quét các gói tin quảng bá hướng kết nối theo tần số đặt trước, khi phù hợp thì khởi tạo một kết nối với một peripheral. Central quản lý timing và bắt đầu những sự trao đổi dữ liệu theo chu kỳ.
Thiết bị Peripheral (Slave): Phát các gói tin quảng bá hướng kết nối theo chu kỳ và chấp nhận kết nối do central yêu cầu.
Khởi tạo kết nối:
Khi muốn kết nối, slave phát các gói tin quảng bá ra không gian.
Central nhận được các gói tin quảng bá của slave, trong đó chứa các thông tin cần thiết cho phép kết nối với slave đó.
Dựa trên đó, central gửi yêu cầu kết nối đến slave để thiết lập một kết nối riêng giữa hai thiết bị.
Khi kết nối được thiết lập, slave dừng quảng bá và hai thiết bị có thể bắt đầu trao đổi dữ liệu hai chiều. Vai trò Master và Slave không ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu, mặc dù Master là bên quản lý thiết lập kết nối.
32 b) Wifi
Wifi là viết tắt của từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio. Hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, điện thoại, tivi,… đều có thể kết nối Wifi.
Ưu điểm của công nghệ kết nối WIFI:
- Thuận tiện: Cho phép truy xuất tài nguyên ở bất cứ vị trí nào;
- Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu;
- Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này sang nơi khác;
- Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng kết nối.
Nhược điểm của WIFI: - Tính bảo mật kém;
- Phạm vi sử dụng khá hẹp, thường trong một căn nhà vừa và nhỏ;
- Độ tin cậy không cao: vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên dễ bị nhiễu, tín hiệu bị suy giảm do tác động của các thiết bị khác là không tránh khỏi. Ứng dụng:
- Biến điện thoại di động thành bộ điều khiển từ xa; - Chia sẻ dữ liệu giữa các máy tính;
- Trong căn hộ, doanh nghiệp, chăm sóc sức khỏe, du lịch,…
Cách thức hoạt động: Người dùng sẽ kết nối với mạng không dây qua cổng mạng, và sau đó nó sẽ khởi chạy trình duyệt Internet:
- Đường truyền tốc độ cao; - Cổng mạng;
- Mạng LAN không dây là một hệ thống kết nối máy tính của bạn với các thiết bị khác bằng sóng vô tuyến thay vì dây dẫn;
- Người dùng không dây là những người mà có một máy tính với một adapter không dây, là những phương tiện để họ truy cập không dây vào Internet. Adapter không dây có thể được tích hợp sẵn hoặc là một thiết bị rời sẽ được cắm vào máy tính.
33
Mô hình sử dụng Wifi: Trên hình 10 là mô hình hệ thống sử dụng Wifi gồm thiết bị phát sóng kết nối với Swich/HUB qua Modem đến Internet. Các Laptop được kết nối qua cáp còn các smarphone được kết nối qua RF.
Điều khiển đơn lẻ: Đối với những yêu cầu chỉ cần điều khiển một thiết bị đơn lẻ bằng Wifi thì việc dùng sơ đồ khối trên là hợp lý. Trong đó, Gateway thường là một module Wifi nhận lệnh điều khiển từ điện thoại di động. Module Wifi thường dùng là ESP8266.
Điều khiển tập trung nhiều thiết bị: Mỗi thiết bị cần điều khiển được định tuyến bằng một địa chỉ IP và một port thông qua router. Để điều khiển thiết bị smartphone phải tạo kết nối được với thiết bị đó, phương thức chủ yếu sử dụng là TCP/IP
Xu hướng phát triển của phương thức Wifi: Mạng không dây là một bước đột phá của ngành mạng máy tính. Cùng với sự phát triển của công nghệ Wifi, một số lượng lớn các thiết bị Wifi đã được bán ra thị trường.
c) Lora
Nếu giao thức bluetooth ra đời từ lâu và không hẳn phục vụ riêng cho các ứng dụng thuộc hệ sinh thái IoT, giao thức bluetooth mà cụ thể là bluetooth năng lượng thấp BLE đã và đang phát triển mạnh mẽ để tích hợp vào các thiết bị thông minh phục vụ trong các ứng dụng nhúng nói chung và đặc biệt là các thiết bị trong nhà thông minh nói riêng. Công nghệ LoRa (Long Range Radio), được phát triển bởi Semtech , là một giao thức không dây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp. Giao thức cung cấp loại khả năng liên lạc mà các thiết bị thông minh cần có, và Liên minh LoRa đang hoạt động để đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều mạng trên toàn quốc. Một phần của phổ LoRa sử dụng thể hiện ít nhiễu điện từ, do đó tín hiệu có thể kéo dài một khoảng cách xa, thậm chí đi qua các tòa nhà, với rất ít năng lượng. Điều này phù hợp với các thiết bị IoT với dung lượng pin hạn chế. Điều đó cũng có nghĩa là các tinh thể chi phí thấp hơn có thể được sử dụng, do đó, việc xây dựng LoRa thành các thiết bị rẻ hơn.Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node. Điều đó, cộng với thực tế là các tín hiệu có thể kéo dài khoảng cách đáng kể, có nghĩa là cần ít cơ sở hạ tầng mạng hơn, do đó làm cho việc xây dựng mạng LoRa rẻ hơn. Các mạng LoRa có thể được đặt cùng với các thiết bị liên lạc khác, như các tháp điện thoại di động, làm giảm đáng kể các hạn chế xây dựng. Các tính năng khác của LoRa cũng khiến nó trở nên lý tưởng cho IoT. LoRa sử dụng thuật toán tốc độ dữ liệu thích ứng để giúp tối đa hóa tuổi thọ pin và
34
dung lượng mạng của thiết bị. Các giao thức của nó bao gồm nhiều lớp mã hóa, ở cấp độ mạng, ứng dụng và thiết bị, cho phép liên lạc an toàn. Tính hai chiều của giao thức hỗ trợ các thông điệp quảng bá, cho phép chức năng cập nhật phần mềm.
Hình 2.9: Cấu trúc phân lớp mạng giao thức Lora
LoRaWAN là giao thức mạng năng lượng thấp, diện rộng (LPWA) được phát triển bởi Liên minh LoRa, kết nối không dây ‘hoạt động’ với internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, nhắm mục tiêu các yêu cầu chính của Internet of Things (IoT) như bi thông tin liên lạc hai chiều, dịch vụ bảo mật đầu cuối, di động và nội địa hóa. LoRaWAN sử dụng phổ không được cấp phép trong các dải ISM để xác định giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lý LoRa tạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kết nối với mạng. Giao thức này giúp thiết lập nhanh chóng các mạng IoT công cộng hoặc riêng tư ở bất cứ đâu bằng phần cứng và phần mềm. Kiến trúc mạng LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc liên kết hình ngôi sao – ngôi sao (so với cấu trúc liên kết Mesh, ví dụ: Zibgee). Các mạng LoRaWAN được đặt trong cấu trúc liên kết sao có các trạm cơ sở chuyển tiếp dữ liệu giữa các node cảm biến và Network Server. Giao tiếp giữa các node cảm biến và các trạm cơ sở đi qua kênh không dây sử dụng lớp vật lý LoRa, trong khi kết nối giữa các Gateway và máy chủ trung tâm được xử lý qua mạng dựa trên IP. Dựa vào cấu trúc phân lớp mạng của giao thức lora ta có các Class A, B, C.