Chương 1. Tình hình nước ngoài. Tình hình trong nưỚC.- +: + tt St2técề về g2 11201111. Lý do thực hiện đề tài.
MUC OU oe eee. CƠ SỞ LY THUYÊT. Vai trò mô hình mạng Bluetooth Mesh [1]. Mô hình mạng Bluetooth mesh [ Ï ].
Tổng quan về mạng mesh. Khái niệm về mang Bluetooth mesh. Các khái niệm quan trọng trong Bluetooth mesh. Giới thiệu về module Bluetooth nRF52832 [6].
Giới thiệu về DevKit Wifi ESP8266. Thư viện nRF5 SDK và nRE5 SDK for Mesh. Thư viện nRES SIDK. _ Thư viện nRF5 SDK for Mesh.
Thư viện RTOS SDK cho ESP8266. Các thiết bị sử dụng. | Module Wifi ESP8266. Cảm biến nhiệt độ LM75.
Cảm biến ánh sáng. Cảm biến lửa. Chuẩn giao tiếp UART [17]. Chuẩn giao tiếp I2C [1Ñ].
Giao thức WebSocket [19]. PHAN TÍCH VÀ THIET KE HE THÓNG. Thiết kế Gateway tích hop nRF52832 với ESP8266 3. Thiết kế Node Relay 4 kênh.
Thiết kế Node cảm biến nhiệt độ. Thiết kế Node cảm biến lửa. Thiết kế Node cảm biến ánh sáng. Thiết kế mô hình mang mesh giao tiếp giữa Gateway với các Nodes.
Thiết kế cơ sở dữ liệu với MongoDB. Thiết kế Server với JaVa.----cccc:cc2222 22 2 rrrttEEEEkkrrrrrrrrrrrkrrrrrerrrred 43 3. Thiết kế ứng dụng Android.-----2c+++2222vvvv+rrrttrrvrvvvrrrrrrrrre 45 Chương 4. KET QUA THỰC NGHIỆM.
Các thiết bị sử dụng trong hệ thỐng. Kết quả thực nghiệm hệ thống. Thực nghiệm tính nang relay message với 3 node. Thuc nghiém hé thống.
Phân tích sự ồn định khi truyền gói tin trong mạng mesh. KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIÊN. Kết 0 ere 57 DANH MỤC HÌNH VE Hình 1. So sánh các chuẩn Wireless khác nhau.
Sự phát triển của cấu trúc liên kết các thiết bị BLE [I]. Node và thiết bị Unprovisioned Device [1]. Các Element trong một node [ Ï ]. Ví dụ về cơ chế Publish Subscribe [5].
Low Power node và Friend node [1]. Kiến trúc của hệ thống Bluetooth mesh [5]. Quá trình trao đổi Public fe | ld a Oday, nen kee 8 Hình 2.- -¿-¿- ¿+ 5z + St S2E+t‡eEEeEetxexeeErveesetrrserrrseszee 8 Hình 2. Sơ dé nguyên lý nRF52832 Nano Development Kit [7].
Sơ đồ nguyên lý nRF52832 Nano Development Kit [7]. PCB của mach nRF52832 Nano Development Kit [7]. Module Wifi ESP8266 [8]. Cảm biến nhiệt độ LM75 [13].-----222222ccc2222222vvvccrsrccrrveee 25 Hình 2.
Cảm biến ánh SANg [14] oo. Cảm biến lửa. Cấu trúc Frame trong giao tiếp UART. Cơ chế kiểm tra bit even parity.----¿+:©222+222vvz+ecvvvvrrerrrsrrrrrr 27 Hình 2.
Sơ đồ kết nối I2C giữa các thiết bị [18]. So đồ truyền tín hiệu trong hệ thống. Kết nối nRF52832 với ESP8266. Thanh ghi con trỏ và giá tri các con trỏ [ 3].
Thanh ghi nhiệt độ của LM75 [13] .- s65 c se s£sesessesesseesee 34 Hình 3. Sơ đồ kết nối trong node cảm biến lửa. Generic OnOff Model [5] .--- - - -- << 5-5 <1 Y3 3E **+22##EEEE+eeeeeeeeeeezzz 36 Hình 3. Sơ đồ Publish/Subscribe các node trong mang mesh.
Quá trình provisioning node Light 2 vào mạng mesh. Node Light 2 sau khi được prosivion vào mạng mesh. Connection string do MongoDB cung cấp dé kết nỗi đến CSDL. Giao diện login của App .- - - c1 vn HH HH ng kg rvt 46 Hình 3.
Giao diện chính của ÄDpD. -- -- c1 111 HH HH ng kg g 47 Hình 4. Sơ đồ bố trí các node trong hệ thống .----- 2 + ++s++++zx+zxzsz 49 Hình 4. Các thiết bị đã được provision và hoàn tất việc thiết lập.
Sơ đồ thực nghiệm tinh năng relay với 3 node. Node Gateway được kết nối với laptop qua J-Link. Node Light tượng trưng cho một relay node.-- --- «+ +s«<++sss++sss+ 51 Hinh 4. Message được gửi về từ node Fire v.
Mô hình thực nghiỆm |.- -- c6 + E23 kE S1 k*SEESEEEkEsrkerkrsekrre 53 Hình 4. Mô hình thực nghiệm 2 .-- -- G2 E1 E93 E911 91 91v ng ng tr 55 DANH MỤC BANG Bang 4. Ảnh hưởng của các yếu tố đối với tỉ lệ rớt gói tin trong hệ thống DANH MỤC TỪ VIET TAT Chữ viết tắt Chữ tường minh AC Alternating Current ADC Analog to Digital Converter AES Advanced Encryption Standard API Application Programming Interface BLE Bluetooth Low Engerny CPU Central Processing Unit CSDL Co sở dit liệu GAP Generic Access Profile GATT Generic Attribute Profile GND Ground GPIO General-Purpose Input/Output HTTP Hypertext Transfer Protocol I2C Integrated Circuit IDE Integrated Development Environment loT Internet of Things IP Internet Protocol JSON JavaScript Object Notation LED Light Emitting Diode LPN Low Power Node LSB Least Significant Bit MSB Most Significant Bit OOB Out — of — Band PCB Printed Circuit Board PDUs Protocol Data Units RAM Random Access Memory ROM Read-Only Memory RTOS Real Time Operation System SCL Serial Clock SDA Serial Data SDK Software Development Kit SIG Special Interest Group SoC System on a Chip SPI Serial Peripheral Bus TCP Transmission Control Protocol TTL Time — to — live UART Universal Asynchronous Receiver / Transmitter UUID Universally Unique Identifier VDC Volts-direct Current TÓM TÁT KHÓA LUẬN Khóa luận “Nghiên cứu và ứng dụng Bluetooth mesh vào hệ thống thông minh” là khóa luận với mục tiêu tập trung tìm hiểu, xây dựng hoàn chỉnh mô hình mạng Bluetooth mesh, ứng dụng công nghệ Bluetooth mesh vào việc giao tiếp giữa các thiết bị có hỗ trợ Bluetooth, tương tác với người dùng thông qua mạng Internet để tạo thành một hệ thống IoT hoàn thiện. Trong nghiên cứu này, nhóm đã quyết định thực hiện 2 phần chính.
Phần đầu tiên là thiết kế mô hình mạng Bluetooth mesh gồm các node cảm biến lửa, ánh sáng, nhiệt độ và node Relay 4 kênh, thiết kế Gateway (bao gồm module Bluetooth nRF52832 và module Wifi ESP8266) để truyền nhận dữ liệu từ mang mesh tới Server và ngược lại. Phần thứ hai của khóa luận là thiết kế Server đề xử lý dữ liệu và tín hiệu điều khiển từ người dùng, thiết kế một ứng dụng Android trên thiết bị di động với giao diện thân thiện giúp người dùng dễ dàng tương tác, theo dõi trạng thái của các thiết bị trong mạng mesh (cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, báo cháy, điều khiển công tắc). Sản phẩm mô hình của nghiên cứu hứa hẹn áp dụng được cho các hệ thống thông minh như: quan lý thiết bị văn phòng, nhà thông minh, quản lý vườn thông minh. Tinh hình nước ngoài Năm 2017, Bluetooth Special Interest Group (SIG) — một tổ chức phi lợi nhuận chịu trách nhiệm phát triển công nghệ Bluetooth, đã giới thiệu hệ thống có tên gọi Bluetooth Mesh Networking.
Bluetooth Mesh Networking về bản chất cũng giống như các hệ thống trên mô hình mạng mesh khác, chỉ khác rằng giao thức được sử dụng trong mô hình này là Bluetooth. Cụ thể, mạng lưới kiểu này sé cho phép kết nối rất nhiều thiết bị với nhau, tạo thành một hệ thống quy mô lớn có tổ chức. Theo Bluetooth SIG, hệ thống hiện tại có thể bao gồm tối đa 32.000 thiết bị, họ cũng đã thử nghiệm thực tế hệ thống với quy mô I. Bluetooth mesh cho phép dữ liệu có thể “nhảy” giữa các thiết bị khác nhau cho tới khi nào đến được thiết bị đích, nhờ vậy phạm vi giao tiếp giữa các thiết bị đáp ứng được Bluetooth v5.0 đã xa nay lại còn xa hơn nhiều lần.
Trên thé giới có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng Bluetooth mesh với các kết quả đáng chú ý như: - Năm 2013, Ramlee và cộng sự đã giới thiệu phương pháp điều khién thời gian thực cho hệ thống thiết bị Smarthome sử dụng công nghệ Bluetooth với giao diện Window và Android GUI [2]. Mô hình ứng dụng của Ramlee có độ thân thiện người dùng cao, đặc biệt đối với người già và người khuyết tật. - Trong một nghiên cứu khác năm 2017 của M.0 được chứng minh là tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu, tăng tốc độ truyền và tăng khoảng cách phủ sóng so với Bluetooth 4. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng Bluetooth 5.0 có tỉ lệ lỗi thấp hơn so với phiên bản trước Bluetooth 4.
Tinh hình trong nước Các nghiên cứu liên quan đến ứng dụng Bluetooth mesh trong nước cũng nhận được sự quan tâm bởi các nghiên cứu sinh: Năm 2019, nhóm tác giả Nguyễn Thành Nam và Lê Văn Thống giới thiệu công trình nghiên cứu về Bluetooth cho ứng dụng trong nhà [4]. Ứng dụng thành công mô hình mang Bluetooth mesh dé điều khiến, giao tiếp giữa các thiết bị tích hợp công nghệ Bluetooth. Hệ thống cho phép người dùng giao tiếp với các thiết bị thông qua điện thoại thông minh (Smart phone). Ly do thực hiện đề tài Với mục tiêu dé tài là xây dựng một hệ thống mạng giúp điều khiến, theo dõi thông số các cảm biến từ xa thông qua ứng dụng người dùng, nhóm thực hiện đã so sánh 3 mạng không dây phô biến hiện nay là Zigbee, Wifi và Bluetooth mesh.
Khoảng cách 10 -100m 10- 50m 10 - 100m Tần số hoạt động 24GHz 2.4 GHz Năng lượng tiêu thụ Rat tháp Trung binh va cao Rat thap Data Rate 250 Kb/s Up to1 Gb/s 250 Kb/s Routing Full Routing Peer to peer Managed Flooding Số node tồi da trong mang ~65000 255 32768 Ung dung Home control and Wireless LAN, truyén tai Chiếu sáng thông Automation, Chiéu internet, data dữ liệu minh, điều khiển trung sang thông minh lớn, video, hình ảnh tâm và điều khiển tự động Hình 1. So sánh các chuẩn Wireless khác nhau Qua bảng so sánh có thể thấy rằng mặc dù cùng tần số hoạt động 2.4Ghz, nhưng so với Zigbee và Bluetooth, Wifi thé hiện sự hạn chế trong việc truyền bản tin ở khoảng cách xa. Ngoài ra, trong điều kiện lý tưởng, số node trong mạng Wifi là 255 nodes. Đây là con số khá khiêm tốn khi so sánh với mạng Zigbee hay Bluetooth mesh khi muôn mở rộng mang lưới với nhiêu thiệt bi, nhât là trong môi trường IoT.
Về khả năng truyền tin, Wifi vượt trội hơn hăn so với Zigbee hay Bluetooth mesh, nhưng khi đặt vào tinh huống điều khiến các thiết bi trong mạng, đặc điểm này lại trở nên không cần thiết bởi đặc thù của thiết bị IOT chính là lượng thông tin truyền tải khá nhỏ. Xét về thời điểm ra đời trên thị trường, Bluetooth mesh có phần non trẻ hơn so với Zigbee (2005) và Wifi (1997) khi chỉ mới được giới thiệu và năm 2017 bởi SIG. Tuy nhiên, Bluetooth lại có những ưu điểm vượt trội dé trở thành chuẩn truyền thông phù hợp nhất cho việc điều khiéu các thiết bị IoT: e Đầu tiên ta có thé thấy răng năng lượng tiêu thụ khi sử dụng Bluetooth mesh là rất thấp, Bluetooth mesh truyền được gói tin đi xa hơn Wifi nhờ vào các node trung gian. Bluetooth mesh hỗ trợ lên đến hơn 32 000 thiết bị trong mạng, rất thuận loi cho việc phát trién hệ thống trong tương lai.
e Tiếp đến, ở mạng Wifi, tất cả các thiết bị chỉ có thé kết nối trực tiếp tới điểm truy cập, gây khó khăn cho việc mở rộng hệ thống.