Khóa Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Bluetooth Mesh Trong Hệ Thống Thông Minh

• Tác giả: Vũ Thị Lan Anh
• Người hướng dẫn: Th.S Phan Đình Duy
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh - Trường Đại học Công nghệ Thông tin
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng Bluetooth Mesh vào hệ thống thông minh
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NƯỚC NGOÀI. TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC
• 1.1. Lý do thực hiện đề tài
• 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.2.1. Vai trò mô hình mạng Bluetooth Mesh
• 1.2.2. Mô hình mạng Bluetooth mesh
• 1.2.3. Tổng quan về mạng mesh
• 1.2.4. Khái niệm về mạng Bluetooth mesh
• 1.2.5. Các khái niệm quan trọng trong Bluetooth mesh
• 1.2.6. Giới thiệu về module Bluetooth nRF52832
• 1.2.7. Giới thiệu về DevKit Wifi ESP8266
• 1.2.8. Thư viện nRF5 SDK và nRF5 SDK for Mesh
• 1.2.9. Thư viện RTOS SDK cho ESP8266
• 1.2.10. Các thiết bị sử dụng
• 1.2.10.1. Module Wifi ESP8266
• 1.2.10.2. Cảm biến nhiệt độ LM75
• 1.2.10.3. Cảm biến ánh sáng
• 1.2.10.4. Cảm biến lửa
• 1.2.11. Chuẩn giao tiếp UART
• 1.2.12. Chuẩn giao tiếp I2C
• 1.2.13. Giao thức WebSocket
• 1.3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 1.3.1. Thiết kế Gateway tích hợp nRF52832 với ESP8266
• 1.3.2. Thiết kế Node Relay 4 kênh
• 1.3.3. Thiết kế Node cảm biến nhiệt độ
• 1.3.4. Thiết kế Node cảm biến lửa
• 1.3.5. Thiết kế Node cảm biến ánh sáng
• 1.3.6. Thiết kế mô hình mạng mesh giao tiếp giữa Gateway với các Nodes
• 1.3.7. Thiết kế cơ sở dữ liệu với MongoDB
• 1.3.8. Thiết kế Server với Java
• 1.3.9. Thiết kế ứng dụng Android
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
• 4.2. Kết quả thực nghiệm hệ thống
• 4.2.1. Thực nghiệm tính năng relay message với 3 node
• 4.2.2. Phân tích sự ổn định khi truyền gói tin trong mạng mesh
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Giới thiệu về Bluetooth Mesh và hệ thống thông minh

Bluetooth Mesh là công nghệ mạng không dây tiên tiến, được phát triển bởi Bluetooth SIG vào năm 2017. Công nghệ này cho phép kết nối nhiều thiết bị trong một mạng lưới lớn, tạo nên hệ thống thông minh với khả năng tự động hóa và quản lý thiết bị hiệu quả. Khóa luận kỹ thuật máy tính này tập trung nghiên cứu và ứng dụng Bluetooth Mesh vào các hệ thống IoT, đặc biệt là trong nhà thông minh và công nghiệp. Công nghệ này không chỉ tối ưu hóa việc kết nối thiết bị mà còn giúp tiết kiệm năng lượng và mở rộng phạm vi giao tiếp.

1.1. Tổng quan về Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh là một mạng lưới không dây dựa trên công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE), cho phép các thiết bị giao tiếp theo kiểu many-to-many. Khác với các phiên bản Bluetooth trước đây, Bluetooth Mesh hỗ trợ cấu trúc mạng lưới, giúp dữ liệu có thể truyền qua nhiều node trung gian, mở rộng phạm vi kết nối. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng IoT, nơi cần kết nối hàng nghìn thiết bị với nhau.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống thông minh

Bluetooth Mesh được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông minh như nhà thông minh, văn phòng thông minh, và công nghiệp tự động hóa. Công nghệ này cho phép quản lý và điều khiển các thiết bị từ xa thông qua ứng dụng di động, tạo nên một hệ thống IoT hoàn chỉnh. Ví dụ, trong nhà thông minh, Bluetooth Mesh có thể kết nối các thiết bị như đèn, cảm biến nhiệt độ, và hệ thống báo cháy, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển.

II. Thiết kế và triển khai hệ thống Bluetooth Mesh

Phần này tập trung vào việc thiết kế và triển khai mạng lưới Bluetooth Mesh trong hệ thống thông minh. Các thành phần chính bao gồm Gateway, Node Relay, và các Node cảm biến. Gateway được tích hợp module nRF52832 và ESP8266 để kết nối mạng mesh với server. Các Node cảm biến như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, và lửa được thiết kế để thu thập dữ liệu và truyền về Gateway. Hệ thống này được tối ưu hóa để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong việc truyền dữ liệu.

2.1. Thiết kế Gateway và Node

Gateway là trung tâm kết nối giữa mạng Bluetooth Mesh và server. Nó được tích hợp module nRF52832 để giao tiếp với các Node trong mạng và module ESP8266 để kết nối Internet. Các Node như Node Relay và Node cảm biến được thiết kế để thu thập dữ liệu và truyền về Gateway. Node Relay đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu giữa các Node, giúp mở rộng phạm vi kết nối.

2.2. Tối ưu hóa mạng Bluetooth Mesh

Để tối ưu hóa mạng Bluetooth Mesh, các kỹ thuật như Managed Flooding và Relay được áp dụng. Managed Flooding cho phép dữ liệu truyền qua nhiều con đường khác nhau, đảm bảo tính ổn định ngay cả khi một số Node bị lỗi. Relay giúp dữ liệu truyền đi xa hơn thông qua các Node trung gian. Những kỹ thuật này giúp hệ thống đáp ứng yêu cầu real-time trong các ứng dụng IoT.

III. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống Bluetooth Mesh hoạt động ổn định và hiệu quả trong việc truyền dữ liệu. Hệ thống được thử nghiệm với các Node như cảm biến lửa, ánh sáng, và nhiệt độ, cùng với Node Relay để mở rộng phạm vi kết nối. Bluetooth Mesh đã chứng minh khả năng truyền dữ liệu qua nhiều Node trung gian, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhà thông minh, văn phòng thông minh, và các hệ thống IoT khác.

3.1. Kết quả thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành với 5 Node bao gồm Gateway, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến lửa, và Node Relay. Kết quả cho thấy dữ liệu được truyền thành công từ các Node cảm biến về Gateway thông qua các Node trung gian. Hệ thống cũng được thử nghiệm với kỹ thuật Managed Flooding, cho thấy khả năng tự phục hồi khi một số Node bị lỗi.

3.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống Bluetooth Mesh có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, văn phòng thông minh, và công nghiệp tự động hóa. Trong nhà thông minh, hệ thống có thể kết nối và điều khiển các thiết bị như đèn, cảm biến, và hệ thống báo cháy. Trong công nghiệp, hệ thống có thể được sử dụng để quản lý và giám sát các thiết bị từ xa, tăng cường hiệu quả và an toàn.