Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ giao tiếp không dây công suất thấp có thể được sử dụng trong một khoảng cách ngắn để cho phép các thiết bị thông minh giao tiếp với nhau. Một số thiết bị bạn tương tác hàng ngày như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục, tai nghe không dây và máy tính đang sử dụng BLE để tạo ra trải nghiệm liền mạch.
Hình 1.15: Bluetooth BLE
Ban đầu công nghệ này được phát minh bởi Nokia vào năm 2006 với tên gọi Wibree, trước khi được Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) tích hợp vào Bluetooth 4.0 có tên BLE vào năm 2010. Mục tiêu chính của việc tích hợp là tối ưu hóa mức năng lượng tiêu thụ.
BLE là một tiêu chuẩn Bluetooth tương đối mới được "định danh" bởi SIG (Bluetooth Special Interest Group) với trọng tâm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng khi truyền dữ liệu. BLE có nhiều khả năng và được triển khai trong một loạt các lĩnh vực như sức khỏe, thể dục, bảo mật, tự động hóa gia đình, giải trí gia đình, công nghiệp thông minh và IoT (Internet of Things). Nó cũng được ứng dụng trên các thiết bị quen thuộc hàng ngày như điện thoại thông minh và máy tính xách tay mà bạn đang sử dụng.
Apple đã sớm áp dụng BLE trên điện thoại thông minh thông qua việc phát hành iPhone 4s vào năm 2011. Ngày nay, phần lớn các thiết bị Android và iOS trên thị trường đều sử dụng BLE để giao tiếp và tương tác với các thiết bị khác. Sự phổ biến của điện thoại thông minh đã cho phép công nghệ Bluetooth này xuất hiện trên toàn thế giới.
1.4.2. Vai trò của BLE trong thiết bị
Thiết bị BLE hoạt động ở vai trò trung tâm hoặc ngoại vi và đôi khi còn được gọi là client hoặc máy server.
Trung tâm (client):
Thiết bị khởi tạo các lệnh và yêu cầu cũng như chấp nhận các phản hồi.
Ví dụ: máy tính, điện thoại thông minh.
Ngoại vi (server):
Thiết bị nhận lệnh và yêu cầu và trả về phản hồi.
Ví dụ: cảm biến nhiệt độ, máy đo nhịp tim.
Chúng ta thường nghĩ về thiết bị BLE với vai trò thiết bị ngoại vi qua những thứ như tai nghe, máy theo dõi thể dục, máy đo nhịp tim,... Nếu thiết bị báo tính khả dụng của nó để kết nối và cung cấp giao diện để giao tiếp thì nó chính là thiết bị ngoại vi.
Thay vào đó nếu thiết bị phát hiện, kết nối và tương tác với các thiết bị ngoại vi thì nó chính là thiết bị trung tâm. Chẳng hạn như máy tính hoặc điện thoại thông minh. Trung tâm thường quét các thiết bị ngoại vi gần đó và hiển thị danh sách các thiết bị được tìm thấy. Nếu thiết bị ngoại vi có thể kết nối, trung tâm có thể kết nối với thiết bị ngoại vi được chỉ định và bắt đầu trao đổi thông tin.
1.4.3. Giao tiếp BLE hoạt động như thế nào?
BLE sử dụng cấu trúc dữ liệu phân cấp để xác định cấu trúc trao đổi thông tin. Thiết bị BLE với vai trò là thiết bị ngoại vi sẽ báo các đặc điểm có thể được sử dụng để giao tiếp với thiết bị. Các thuộc tính này được xác định bằng cách sử dụng cấu hình GATT (Thuộc tính chung). Các đặc điểm thể hiện các giá trị dưới dạng các gói thông tin nhỏ có thể thay đổi theo thời gian.
Các đặc tính có thể được định nghĩa để chứa các giá trị kiểu đọc hoặc ghi.
Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu đọc nói chung là công bố thông tin cho trung tâm tiêu thụ. Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu ghi thường cung cấp giao diện để nhận dữ liệu từ trung tâm - ví dụ như giá trị cấu hình thay đổi một số thứ trên thiết bị ngoại vi.
Ví dụ, giả sử chúng ta có một thiết bị ngoại vi triển khai BLE để cung cấp giá trị đọc nhiệt độ từ cảm biến. Thiết bị ngoại vi này sẽ có đặc tính nhiệt độ kiểu đọc với giá trị nhiệt độ hiện tại được đặt trên đặc tính. Khi các kết quả đọc nhiệt độ thay đổi, thiết bị ngoại vi sẽ cập nhật giá trị đặc tính. Sau đó, thiết bị trung tâm được kết nối như máy tính hoặc điện thoại thông minh sẽ ghi nhận các thay đổi trên đặc tính ngoại vi đó để cập nhật nhiệt độ theo thời gian thực qua BLE từ thiết bị ngoại vi.
1.4.4. Sự khác biệt giữa Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy
Hình 1.16: So sánh Classic Bluetooth và Bluetooth BLE
Bluetooth thông thường thích hợp để xử lý, truyền và trao đổi một lượng lớn dữ liệu (ví dụ như trong âm thanh, video). Tuy nhiên, nó sẽ tiêu tốn nhiều điện năng hơn và có giá thành đắt hơn.
Công nghệ BLE phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu chuyển một lượng lớn dữ liệu, do đó có thể chỉ khôi phục một số ít thông tin dữ liệu. Và cũng nhờ thế mà thiết bị có thể chạy bằng năng lượng pin trong nhiều năm với chi phí thấp hơn Bluetooth vì nó không yêu cầu kết nối liên tục.
1.4.5. Ứng dụng của BLE
Bluetooth Low Energy ra đời với hy vọng mang lại những hiệu quả tối ưu cho người dùng qua các thiết bị IoT, chính vì điều đó nó đã được ứng dụng một cách rộng rãi trong các thiết bị công nghệ thông minh với đa dạng lĩnh vực.
Chẳng hạn như:
Phụ kiện định vị theo dõi vị trí đồ vật với độ chính xác cao - Samsung SmartTag. Đây là thiết bị được gắn vào các vật dụng khác nhau để chủ nhân có thể dễ dàng tìm thấy khi cần.
Những thiết bị nhà thông minh được điều khiển bằng smartphone. Chẳng hạn khóa vân tay Fhome sẽ biến chiếc điện thoại của người dùng thành một chiếc chìa khóa điện tử.
Vòng đeo tay thông minh MiBand hỗ trợ tính năng theo dõi và ghi nhận thông tin về các chế độ luyện tập thể thao của người dùng và đồng bộ dữ liệu cho smartphone.
1.4.6. Ưu và nhược điểm của BLE Ưu điểm
Khả năng tiêu thụ năng lượng đến mức tối thiểu. Năng lượng được tối ưu hóa, chỉ bật khi dữ liệu đến/đi cho phép thiết bị hoạt động vài năm chỉ với một viên pin nhỏ.
Chi phí giá thành thấp do công nghệ sản suất không quá phức tạp.
BLE hoạt động ở tần số 2.4 Ghz ISM band tránh nhiễu sóng giữa các thiết bị WiFi và Bluetooth.
Tốc độ thiết lập kết nối rất nhanh (khoảng 3 ms).
BLE được tích hợp trên hầu hết điện thoại thông minh hiện nay là một ưu thế lớn.
Nhược điểm
Băng thông nhỏ: theo lý thuyết tần số của sóng BLE trong không gian là 1Mbps và có thể nhỏ hơn trong thực tế do nhiều yếu tố.
Khoảng cách bị giới hạn: BLE có khả năng truyền dữ liệu với khoảng cách tối đa 100m theo lý thuyết, trên thực tế là 30m và đạt hiệu quả cao nhất ở khoảng cách 2 – 5m.
24
Chương 2: Giải pháp công nghệ ĐỒ ÁN
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ