Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo thông số môi trường cho phòng thông minh

Trong ngôi nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet, điện thoại di động, cho phép chủ nhân điề

Người hướng dẫn luận văn: TS TRẦN ĐỖ ĐẠT

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan r»ng, b¶n luËn v¨n nµy lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña b¶n th©n t«i d−íi sù h−íng dÉn cña TS TrÇn §ç §¹t NÕu cã g× sai ph¹m t«i xin hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm

T¸c gi¶ luËn v¨n

Lª ThÞ Th¾m

Mục lục

Mục lục 2

Mở đầu 4

Chương 1: Tìm hiểu về nhà thông minh 6

1.1.1.Khái niệm 6

1.1.2 Đặc điểm nhà thông minh 6

1.5.1 Giải pháp nhà thông minh Gamma 16

1.5.2 Giải pháp nhà thông minh của trung tâm Mica 20

1.7.1 Phân tích nhiệm vụ 24

1.7.2 Lựa chọn giải pháp 25

Chương 2 Tìm hiểu công nghệ bluetooth 27

2.3.1 Master Unit 28

2.3.2 Slave Unit 28

2.3.3 Piconet 28

2.3.4 Scatternet 30

2.3.5 Kết nối theo kiểu Adhoc 31

2.3.6 Trạng thái của thiết bị Bluetooth 31

2.3.7 Các chế độ kết nối 32

2.4.1 Radio Spectrum - dQy sóng vô tuyến 32

2.4.2 Interference Immunity: Sự chống nhiễu 33

2.4.3 Multiple Access Scheme - Phối hợp đa truy nhập 34

2.5.1 Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây 36

2.5.2 Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth 36

2.6.1 Cơ chế truyền và sửa lỗi 39

2.6.2 Quá trình hình thành một Piconet 40

41

2.6.3 Quá trình hình thành Scatternet 42

2.7.1 Bluetooth 44

2.7.2 Baseband 45

2.7.3 Liên kết SCO và ACL 46

2.7.4 Định dạng gói tin 46

2.7.5 Link Mannager Protocol 47

2.7.6 Host Controller Interface 47

2.7.7 RFCOMM Protocol 50

2.7.8 Service Discovery Protocol 50

2.8.1 Profile tổng quát trong đặc tả Bluetooth v1.1 53

2.8.2 Model - Oriented Profiles 53

2.10.1 So sánh Bluetooth với Wi - Fi 59

2.10.2 So sánh Bluetooth với IrDA 62

2.11.1 Sơ lược chuẩn bảo mật mạng không dây trong 802.11 64

2.11.2 Chuẩn bảo mật WEP trong IEEE 802.11 64

2.11.3 Những vấn đề nảy sinh trong an ninh mạng không dây 66

An toàn bảo mật trong Bluetooth 68

2.13.1.1 Thiết bị thông minh 70

2.13.1.2 Thiết bị truyền thanh 71

2.13.1.3 Thiết bị truyền dữ liệu 73

2.13.1.4 Một số ứng dụng khác 75

2.13.2 Tương lai của Bluetooth 78

2.13.2.1 Blutooth sẽ thay thế cái gì? 78

2.13.2.2 Chính phủ bảo trợ Bluetooth 78

2.13.2.3 Bluetooth là một công nghệ mở hay độc quyền 79

Chương 3: Thiết kế phần cứng và mô phỏng 80

3.4.1 Cảm biến 83

3.4.2 Các khối chức năng AVR sử dụng cho thiết kế 84

3.4.4 Hiển thị LCD 16x2 86

3.4.5 Bộ điều khiển đường truyền MAX232 88

3.4.6 Mô đun truyền thông Bluetooth 88

3.5.1 Khối nguồn DC 94

3.5.2 Khối thu thập và truyền thông 95

4.5.3 Khối điều khiển 95

Linh kiện cho mạch điều khiển gồm có: 96

3.6.1 Lưu đồ hoạt động 98

3.6.2 Xây dựng chương trình 101

1 Kết luận 105

Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó, và Bluetooth đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm, rất thuận lợi cho những thiết bị di động Với một tổ chức nghiên cứu đông đảo, hiện đại và số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm của

họ ngày càng tăng, Bluetooth đang dần lan rộng khắp thế giới, xâm nhập vào mọi lĩnh vực của thiết bị điện tử và trong tương lai mọi thiết bị điện tử đều có thể được hỗ trợ kỹ thuật này

Xuất phát từ các lý do trên, em đQ thực hiện đề tài Đo tín hiệu môi

trường trong nhà thông minh bằng Bluetooth Trong đề tài này, em tìm hiểu

về nhà thông minh, đo thông số môi trường và thực hiện truyền nhờ kỹ thuật không dây Bluetooth Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu nhà thông minh, đo thông số môi trường sau đó truyền nhờ công nghệ Bluetooth Các nội dung chính của đề tài bao gồm:

Tìm hiểu về ngôi nhà thông minh

Tìm hiểu về công nghệ không dây Bluetooth

ưu nhược điểm và tương lai Bluetooth

Chương 3: Thiết kế phần cứng và mô phỏng: Sơ đồ khối, sơ đồ chi tiết các khối, giới thiệu mô đun Bluetooth, mô phỏng chương trình

Do thời gian có hạn và nhận thức vấn đề còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những sai sót cần phải hoàn thiện thêm Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý các thầy cô giáo, của bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn: TS Trần Đỗ

Đạt, người đQ tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội

và đặc biệt các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật đo lường & Tin học công nghiệp đQ tận tâm truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu đến các học viên

Chương 1: Tìm hiểu về nhà thông minh 1.1 Khái niệm và đặc điểm nhà thông minh

- Hệ thống chiếu sáng: điều khiển theo cảnh

- Hệ thống điều khiển: Công tắc, điều khiển từ xa, màn hình cảm ứng, chuông hình, điện thoại và Internet

điều khiển từ xa, điện thoại, hệ thống chuông hình, màn hình cảm ứng hay công tắc trong nhà bạn

- Khu vực sân vườn: Được bố trí cảm biến chuyển động cho phép tự động bật đèn chiếu sáng khi có người sử dụng và tắt định thời khi không có người

sử dụng Các cảm biến này có khả năng đo độ sáng để bật/tắt thiết bị tùy thuộc hoàn cảnh Ngoài ra, cảm biến chuyển động này có khả năng báo trộm khi cần thiết Hệ thống chiếu sáng điều khiển theo cảnh sinh hoạt Hệ thống tưới tiêu sân vườn được điều khiển theo thời gian Hệ thống cảnh báo qua đèn, còi và điện thoại Hệ thống chiếu sáng được điều khiển bằng nhiều cách khác nhau: Công tắc, điều khiển từ xa, màn hình cảm ứng, chuông hình, điện thoại hay internet

- Khu vực Gara ô - tô, tiền sảnh và khu vực cầu thang: Được bố trí cảm biến chuyển động cho phép tự động bật đèn chiếu sáng khi có người sử dụng Các cảm biến này có khả năng đo độ sáng để bật/tắt thiết bị tùy thuộc hoàn cảnh Ngoài ra, cảm biến chuyển động này có khả năng báo trộm khi cần thiết

- Khu vực WC: Bố trí cảm biến chuyển động cho phép tự động bật đèn chiếu sáng và tắt định thời khi không có người sử dụng Các cảm biến này có khả năng đo độ sáng để bật/tắt thiết bị tùy thuộc hoàn cảnh Ngoài ra, các cảm biến chuyển động này có khả năng báo trộm khi cần thiết Bình nước nóng

được điều khiển theo thời gian Hệ thống chiếu sáng và bình nước nóng đều

được điều khiển bằng nhiều cách khác nhau: Công tắc, điều khiển từ xa, màn hình cảm biến, điện thoại hay Internet

- Hệ thống điện chiếu sáng trong nhà: Hệ thống chiếu sáng trong khu vực này được điều khiển theo chế độ cảnh Với mỗi một chế độ cảnh thì các thiết

bị trong phòng được phối hợp với nhau để tạo ra các kịch bản phù hợp Ví dụ

ở khu vực bếp và phòng ăn Chế độ nấu cơm: chỉ cần ấn một phím, đèn ở khu vực bếp sẽ bật, quạt thông gió, hệ thống hút mùi sẽ bật, âm thanh sẽ mở, … Chế độ ăn tối: đèn chiếu sáng mở, đèn ở khu vực bếp sẽ tắt, điều hòa bật (nếu

có), âm thanh (nếu có) bật, …Các chế độ cảnh được thay đổi theo nhu cầu của người sử dụng

Tất cả các thiết bị trong nhà có thể điều khiển được từ các giao diện người sử dụng như: màn hình cảm ứng, máy tính cá nhân trong nhà hay từ xa qua mạng Internet, Smartphone, điện thoại.v.v

Hệ thống điều khiển trung tâm có thể điều khiển các thiết bị một cách tự

động dựa trên sự kiện hệ thống Các chương trình tự động được lập trình cho từng khách hàng để tạo ra các tính năng mong muốn

Các tính năng tự động tham khảo:

Tự động bật đèn sân vườn khi mặt trời lặn và tự động tắt vào nửa đêm

Tự động bật đèn khi gia chủ vào nhà nếu trời tối và đèn chưa bật

Khi đặt hệ thống an ninh ở chế độ AWAY - ĐI XA thì hệ thống sẽ tự

động tắt toàn bộ đèn trong nhà, tắt hệ thống điều hòa và thiết bị điện, tắt hệ thống âm thanh trong tất cả các phòng

Tự động tắt loa sân vườn vào 10 giờ tối hàng ngày

Tự động bật đèn hành lang, cầu thang khi có người và trong điều kiện môi trường thiếu ánh sáng và tự động tắt sau 30 giây khi người ra khỏi khu vực cần chiếu sáng

Hiển thị các thông báo nhắc nhở các ngày quan trọng hoặc các sự kiện quan trọng của gia chủ

Hệ thống điều khiển trung tâm cho phép tạo ra các nút nhấn trên giao diện người sử dụng hoặc các khối chức năng cho phép điều khiển nhiều hệ thống cùng một lúc Các nút nhấn này được tạo ra theo yêu cầu của người sử dụng và được lập trình các tính năng theo mong muốn

1 Tăng cường an ninh – an toàn:

Bạn không bao giờ phải đi trong bóng tối

Ngôi nhà của bạn có thể tự động xử lý các tình huống xảy ra và thông báo được tới bạn

Hệ thống tự động bật để xua đuổi kẻ xấu xâm nhập trái phép

Hệ thống tự động làm nhấp nháy đèn ngoài trời, hú còi để thông báo cho hàng xóm, gọi điện thoại thông báo cho bạn hoặc cho cảnh sát

so với các quản lý tự động chỉ dựa theo thời gian

Điều khiển các thiết bị như bình nóng lạnh, điều hòa không khí theo các thông số cảm biến nhiệt độ và các thông số cài đặt

Phối hợp hoạt động các hệ thống một cách hoàn hảo và dễ dàng sử dụng

3 Tăng tính tiện nghi của ngôi nhà

Hệ thống nhà thông minh cũng giống như một hệ thống giải trí Hệ thống

sẽ đem đến cho bạn những trải nghiệm thú vị mới lạ và cũng rất dễ sử dụng Luôn kiểm tra được ngôi nhà của bạn trong những chuyến đi xa nhà Tăng tính thẩm mỹ cho ngôi nhà bạn

Trong ngôi nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet,

điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau

Biệt thự Thái Bình Dương của Bill Gates, được mệnh danh là “ngôi nhà thông minh” đầu tiên trong lịch sử loài người cả về nghĩa đen và nghĩa bóng,

do có những hệ thống trang thiết bị điện tử tinh vi, hiện đại và rất phức tạp

được bố trí ở nội thất bên trong

Một số giải pháp thiết kế ngôi nhà thông minh và các vật dụng cho một ngôi nhà như vậy đQ được giới thiệu tại Việt Nam, với giá thành ở mức trung bình

Ngày nay, hệ thống Thông minh Quản lý công trình (Intelligent Building Management System – IBMS) đQ trở thành hiện thực nhờ vào sự kết hợp thành công giữa các hệ thống công nghệ thông tin và quy trình quản trị đồng bộ Các công trình thông minh có khả năng tích hợp nhiều hệ thống chuyên biệt được lắp đặt tại một hoặc nhiều địa điểm, được vận hành trên cùng một hạ tầng mạng, được giám sát và điều khiển trực quan đơn giản thông qua một giao diện trung tâm thân thiện

Nền tảng của sự hình thành IBMS là từ xu thế hợp nhất tất yếu trên thị trường:

- Ưu điểm vượt bậc của việc tích hợp các hệ thống tự động quản trị công trình dựa trên nền giao thức (IP) mang đến những ứng dụng cho các hệ thống

kĩ thuật chuyên biệt như: Hệ thống điều hòa không khí (HVAC), hệ thống kiểm soát an ninh (Access Control), hệ thống kiểm soát năng lượng (Power Management), hệ thống kiểm soát chiếu sáng (Lighting Control), hệ thống quản lý và điều khiển thang máy (Elevator Control), hệ thống an toàn và phòng chống cháy nổ (Life Safety & Fire Protection)…

- Sự hội tụ của các hệ thống thoại và dữ liệu (Voice Data), hệ thống đa phương tiện quan sát bằng hình ảnh trên nền giao thức Internet (IP) thống nhất Công ty Netwold đQ nắm bắt triệt để và thấu đáo các công nghệ tiên tiến nêu trên để hỗ trợ các doanh nghiệp, các chủ đầu tư nhằm tạo ra giá trị gia tăng cho các hệ thống vận hành đQ được lắp đặt tại các công trình

Bằng các phương thức trên, hệ thống iBMS quản lý các công trình đồng thời đem đến cho khách hàng các giá trị như: gia tăng hiệu quả sử dụng năng

lượng, giảm thiểu chi phí vận hành, phát huy năng suất lao động, tối ưu hóa hệ thống quản lý để đem lại nguồn lợi nhuận

Tại Netwold đQ thiết kế và cung cấp giải pháp phần cứng, phần mềm và các dịch vụ hoàn chỉnh dựa trên tiêu chuẩn Mở có định hướng và cung cấp sự

hỗ trợ liên tục phù hợp với những nhu cầu, xu hướng thay đổi và phát triển trong kinh doanh

Hiện nay, có rất nhiều hứa hẹn trong công nghệ phức hợp này, netwold thiết kế chuyển giao và hiện thực hóa các giải pháp chứa đựng công nghệ tương lai cũng như giải quyết thấu đáo tính phức tạp của công nghệ này Các

kỹ sư và chuyên gia là những người đQ được đào tạo, được huấn luyện và cung cấp các chứng chỉ chuyên ngành và họ luôn nắm bắt các tính năng của công nghệ mới này một cách đầy đủ nhất Sử dụng những kiến thức chuyên sâu này

để xác định chính xác các loại phần cứng, phần mềm và dịch vụ từ các nhà cung cấp công nghệ hàng đầu, kết hợp với các dịch vụ chuyên nghiệp của netwold để đảm bảo rằng khách hàng luôn nhận được các giải pháp thích hợp sẵn có cho từng nhu cầu cụ thể

1.2 Phân loại nhà thông minh

Nhà có thể điều khiển

Cho tới nay, những căn nhà thông minh không nhiều và phần lớn mọi người vẫn phải bật đèn bằng tay Mặc dầu vậy, sự thực là nhà ngày nay thông minh nhiều hơn so với trước kia Và nó có thể thông minh hơn nữa! Chẳng hạn, nhiều ngôi nhà có một số máy tính được kết nối với nhau để truy cập Internet, hoặc bằng cách sử dụng cáp hoặc công nghệ không dây Wi – fi, hồng ngoại, Bluetooth Đây là một bước tiến nhỏ hướng tới việc kết nối các thứ khác vào mạng, từ ti vi, máy nghe nhạc cho tới các thiết bị gia dụng khác Như vậy, mọi người đQ có một ngôi nhà nối mạng, nền tảng của nhà thông minh

Là nhóm đầu tiên, trong đó các đồ dùng khác nhau trong nhà đều có thể

điều khiển được Đó là một ngôi nhà mà người ở có thể điều khiển nhiều thiết

bị khác nhau bằng các cách hiệu quả và ưu việt hơn so với các ngôi nhà bình thường khác Ta có thể phân chia nhóm này thành ba lớp nhỏ phân biệt

1 Những ngôi nhà với một bộ điều khiển từ xa tích hợp: Trong ngôi nhà này một số các hệ thống con và các thiết bị có thể được điều khiển từ một điều khiển từ xa hay một bảng điều khiển Đây có thể nói là mô hình đơn giản nhất

và thường gặp trong các ngôi nhà thông thường hiện nay và không đòi hỏi quá nhiều về kỹ thuật để có thể triển khai cơ sở hạ tầng cho ngôi nhà kiểu này Chỉ cần một giao tiếp từ xa có dây hoặc không dây được thiết lập giữa thiết bị và

bộ điều khiển Một ví dụ cho công nghệ này đó là bộ điều khiển từ xa tích hợp cho VCR và TV

2 Những ngôi nhà với các thiết bị liên kết với nhau: Các thiết bị điện tử khác nhau như TV, VCR, radio, máy tính và các thiết bị phụ trợ như loa, màn hình hiển thị, microphone hoặc camera được kết nối với nhau Cấu trúc này cho phép truyền thông trao đổi thông tin giữa các thiết bị và cho phép tiếp cận với các phương tiện giải trí và dễ dàng giao tiếp giữa những người sống trong những phòng khác nhau trong ngôi nhà Để thực hiện được những chức năng này cần phải có một mạng băng thông rộng trong ngôi nhà, cả công nghệ không dây và có dây đề có thể thích hợp cho mục đích này

3 Những ngôi nhà điều khiển bằng giọng nói, hành động hay sự di chuyển của con người: Cấu trúc này có thể tương tự như mô hình ngôi nhà trong lớp đầu tiên Điều khác biệt duy nhất đó là có thiết bị điều khiển được

ẩn đi và có thể phản ứng lại với tiếng nói, chuyển động hay các hành động của con người Đối với việc triển khai và thực hiện cơ sở hạ tầng cho mô hình nhà thuộc lớp này thì không khó khăn gì khi triển khai phần cứng do thị trường hiện nay có nhiều loại thiết bị cảm biến thu thập tiếng nói, chuyển động Tuy

nhiên vấn đề khó khăn ở đây là phần mềm, việc xây dựng phần mềm thu thập

và xử lý dữ liệu và đưa ra tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh đòi hỏi khả năng lập trình chuyên sâu như xử lý tín hiệu, xử lý tiếng nói Công nghệ mô tả ở

đây có thể tương tự như chức năng quay số bằng giọng nói trên các điện thoại hiện đại hay giao tiếp với máy tính bằng giọng nói

Nhà được lập trình sẵn

Là nhóm thứ 2 của mô hình Smart house Cấu trúc này cho phép lập trình các thiết bị trong nhà có thể bật, tắt hoặc điều chỉnh tùy thuộc vào các

điều kiện nhất định Có thể phân thành hai lớp con:

1 Ngôi nhà có khả năng phản ứng hay hoạt động theo thời gian và các cảm biến đầu vào đơn giản Lập trình hoạt động theo thời gian cho phép các thiết bị có thể tự động bật hoặc tắt vào một thời điểm nhất định Ví dụ đèn hành lang tự động bật lúc 18h và tự động tắt lúc 6h Còn điều khiển dựa trên cảm biến đầu vào có thể lấy ví dụ là một máy điều nhiệt đơn giản, có khả năng tự động bật hoặc tắt khi nhiệt độ trong nhà đạt tới một mức nào đó hoặc

ví dụ như dựa vào một cảm biến ánh sáng để tự động bật đèn khi trời tối Về cơ bản hệ thống sử dụng dữ liệu truyền về từ một cảm biến tin cậy để gây ra

sự thay đổi trạng thái cho các thiết bị cần điều khiển Để triển khai mô hình này cần có các loại cảm biến khác nhau và có độ tin cậy cao, điều này không khó vì các loại cảm biến hiện nay rất phong phú và có độ ổn định cao

2 Ngôi nhà có khả năng tự đánh giá và nhận biết các tình huống Mô hình này có khả năng nhận biết đồng thời đầu vào từ một vài cảm biến như một kịch bản từ đó đưa ra quyết định điều khiển dựa vào kịch bản tương ứng

đó Ví dụ con người cảm thấy mệt mỏi sau khi làm việc, trở về nhà và ngồi xuống đi văng để nghỉ ngơi Khi đó ngôi nhà có thể tự động tắt bật đèn và chơi một vài bản nhạc nhẹ nhàng để phục vụ cho con người Những kịch bản hoạt động của ngôi nhà cần được lập trình từ trước Do được lập trình từ trước

nên mô hình này chỉ có khả năng đáp ứng với những kịch bản có sẵn, khi có

sự thay đổi của môi trường thì cũng cần phải có sự lập trình lại để tạo ra các kịch bản hoạt động mới đáp ứng được với sự thay đổi đó Với các chức năng của mô hình này, điều quan trọng và khó khăn nhất đó là cần phải có một phần mềm quản lý hoạt động ổn định, đáng tin cậy để có thể phân tích tình huống một cách chính xác Bên cạnh đó cần lập trình sao cho các kịch bản trong bộ xử lý phải sát với những tình huống thực tế nhất có thể

Nhà thông minh

Thuộc vào nhóm cuối cùng của Smart House Nhóm này cũng có nét tương tự như nhóm trước, với một sự khác biệt nhỏ đó là không cần phải lập trình bất cứ chức năng nào vì ngôi nhà có khả năng lập trình cho nó Môi trường thông minh trong ngôi nhà sẽ quan sát hoạt động của con người trong cuộc sống hằng ngày của họ, ghi lại các hành động lặp đi lặp lại của con người Sau đó mỗi mẫu kịch bản được định dạng và ngôi nhà sẽ tự lập trình cho nó, vì thế đến lần tiếp theo khi kịch bản được nhận ra, ngôi nhà sẽ tự động bật hay tắt các đồ dùng, thiết bị trong nhà

1.3 Các đối tượng điều khiển trong ngôi nhà thông minh

Hệ thống chiếu sáng

Đây là hệ thống thông dụng được dùng nhiều nhất trong các hệ thống nhà thông minh Bạn có thể điều khiển ánh sáng từ mọi vị trí trong nhà (hay bất kỳ nơi nào trên mạng Internet)

Hệ thống bảo vệ và kiểm soát vào ra

Nhà của bạn tự động gửi thông báo đến cho bạn hay bất kỳ người nào khi

có báo động Bạn có thể tiết kiệm được rất nhiều tiền vì không phải thuê các Công ty bảo vệ chuyên nghiệp hoặc thuê người gác cổng Hơn thế nữa các sản phẩm nhà thông minh cho phép bạn đóng mở cửa ra để cho phép người thân ra

vào hoặc ngăn cản người lạ ngay cả khi bạn không ở nhà việc này được tiến hành thông qua Internet

Hệ thống rạp hát trong nhà và các phương tiện giải trí khác

HQy tưởng tượng bạn có thể thay thế tất cả các điều khiển từ xa bằng duy nhất một bộ điều khiển Bạn không cần thiết phải biết 10 bước trong quy trình khởi động một hệ thống rạp hát trong nhà, bạn chỉ cần nhấn một nút và hệ thống nhà thông minh sẽ làm nốt phần còn lại giúp bạn Các hệ thống loa tích hợp bên trong đồ vật trang trí thì đặc biệt thông dụng với các ngôi nhà thông minh, chúng tạo ra những âm thanh đặc biệt chất lượng cao trong toàn ngôi nhà

Hệ thống điện thoại

Hệ thống điện thoại thường được dùng cho các ứng dụng thương mại nhỏ nay hoàn toàn phù hợp để sử dụng cho ngôi nhà của bạn Với điều khiển nhà thông minh và số điện thoại của người gọi, bạn có thể đặt chế độ nhận diện người gọi, với từng người cho phép thì điện thoại mới đổ chuông Phần mềm

điều khiển âm thanh cho phép các máy điện thoại trong nhà của bạn sử dụng như một điều khiển từ xa

Vòi nước của bạn tự động bật khi hạn hán, một vài ứng dụng còn sử dụng

hệ thống tự động phun nước khi có người đi vào khu vực bảo vệ HQy tưởng tượng có người muốn vào khu vực riêng của bạn khi không được phép thế là quần áo ướt sũng

Mạng

Hệ thống nhà thông minh được thiết lập bằng rất nhiều kết nối khác nhau Một điều thật tuyệt vời là rất nhiều hệ thống được tạo thành mà không phải thêm dây dẫn Nếu bạn đang xây mới một ngôi nhà hQy quan tâm đến việc tạo

ra một ngôi nhà hiện đại và tiện nghi HQy quan tâm đến hệ thống mạng âm thanh, hình ảnh, an ninh v.v bạn sẽ thực sự hài lòng với những gì bạn làm khi ngôi nhà được hoàn thiện

1.4 Lợi ích của nhà thông minh

Sự tiện lợi

HQy tưởng tượng bạn có thể điều khiển nhiệt độ của toàn bộ ngôi nhà ngay cả khi đang ở trên giường, khi bạn mở cửa về nhà thì tự động bật tất cả mọi thiết bị đều tự động, bạn có thể tắt bật điều hòa nhiệt độ, quạt thông gió bằng điện thoại di động của bạn khi bạn còn đang ở công sở

An toàn

Với một vài thiết bị bạn có thể làm cho toàn bộ ngôi nhà của bạn bật sáng khi có người lạ xâm nhập trái phép, hệ thống cũng có thể gửi tin nhắn qua điện thoại cho bạn Toàn bộ ngôi nhà của bạn được đặt trong trạng thái an toàn tuyệt đối mà chỉ bạn mới biết…

1.5 Một số loại nhà thông minh hiện có

1.5.1 Giải pháp nhà thông minh Gamma

Được phổ biến tại Châu Âu hơn 20 năm qua EIB (European Installation Bus) được hiểu như một “Hệ thống điều khiển lắp đặt kiểu Châu Âu” Công nghệ EIB cho phép kết nối các thiết bị điện trong tòa nhà thành một hệ thống

điện tích hợp Đặc điểm quan trọng của công nghệ EIB là một đường cáp điều khiển (bus line) sử dụng điện áp an toàn (SEVL) sẽ liên kết tất cả các thiết bị của bạn với nhau thành một hệ thống giao tiếp phân quyền Hệ thống này kết hợp điều khiển và giám sát các thiết bị gia dụng, an ninh tòa nhà

Giải pháp Nhà thông minh Gamma cho phép kiểm soát toàn bộ các thiết

bị sử dụng điện trong ngôi nhà và tự động điều chỉnh hệ thống đèn chiếu sáng,

công tắc, ổ cắm, điều hòa nhiệt độ, rèm cửa, cổng ra vào, hệ thống báo động,

an ninh, báo cháy, thiết bị giải trí nghe nhìn…, tạo cho chúng một khả năng

“giao tiếp”, “hiểu” được nhau, phối hợp hoạt động với nhau để tạo ra sự hiệu quả, thuận tiện nhất cho sinh hoạt gia đình Nguồn điện 220V AC từ công tơ

đi vào mỗi gia đình sẽ qua tủ điện phân phối và điều khiển sau đó chỉ làm 2

đường: nối với bộ phận điều khiển EIB qua đường dây cáp EIB 24V DC và nối với các thiết bị chấp hành (điều khiển đèn, động cơ, các thiết bị khác) qua

đường điện 220V thông thường để “ra lệnh” cho phụ tải hoạt động theo đúng yêu cầu

Công nghệ nhà thông minh bao gồm các thiết bị chấp hành, các bộ cảm biến, các module điều khiển được kết nối với nhau bằng một cáp điều khiển (bus line) thành một hệ thống hợp nhất Hệ thống này không cần máy tính chủ

do các thiết bị tự trao đổi thông tin và điều khiển lẫn nhau nhờ phần mềm

được cài trên EP – ROM tích hợp sẵn trong từng thiết bị Các thiết bị EIB

được liên kết với nhau thông qua một dây cáp đôi duy nhất với điện áp 24V

DC (cáp EIB) và liên lạc với nhau bằng cách gửi tin theo địa chỉ định trước (mỗi thiết bị được thiết lập một địa chỉ) Các thiết bị nhận tín hiệu (công tác, các thiết bị cảm biến ánh áng, nhiệt độ, âm thanh, chuyển động, báo cháy – sensor, công tắc – switch, cổng kết nối với điện thoại, máy tính, màn hình

điều khiển – Touch panel hoặc LCD, điều khiển từ xa – remote control…) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành (switch loader, dimmer…) để đóng mở đèn, quạt, điều hòa nhiệt độ, bình nóng lạnh, rèm cửa và các thiết bị điện khác theo ý muốn, ngoài ra, các thiết bị này còn

có thể tự động hoạt động mang lại hiệu quả tối ưu thông qua các bộ điều khiển (timer, sence…) Khi ấy, người sử dụng có thể giám sát và điều khiển một cách dễ dàng tất cả các thiết bị trong căn hộ bằng nhiều cách: công tắc điều khiển tại chỗ, điều khiển từ xa (remote), điều khiển qua điện thoại hay qua mạng LAN, Internet…

Như vậy một ngôi nhà thông minh “theo chuẩn EIB” chỉ cần sử dụng hệ thống tủ điện, dây cáp EIB cũng như bộ phận điều khiển, chấp hành của một trong các nhà sản xuất là thành viên của KNX, còn các thiết bị điện chấp hành

là đồ gia dụng của bất kì hQng nào, sản xuất ở đâu – chúng có thể là máy điều hòa Trung Quốc, quạt Việt Nam, bình nóng lạnh Italy, lò vi sóng Hàn Quốc hay máy giặt Mỹ…Các hệ thống này đều có tính mở, độ linh hoạt, tương thích cao cho phép nâng cấp, thay thế, gắn thêm nhiều thiết bị khác tùy theo nhu cầu của người sử dụng Chúng ta có thể hình dung cơ chế hoạt động của ngôi nhà thông minh chuẩn EIB như một con người với các giác quan là hệ thống cảm biến, bộ nQo là các thiết bị vi xử lý, còn chân tay là các thiết bị điện chấp hành Các thiết bị điện “thực hiện nhiệm vụ” theo những chương trình đQ được lập sẵn để đáp ứng mỗi yêu cầu sinh hoạt của gia chủ Và như vậy, chúng ta

có thể hiểu rằng gần như tất cả những yêu cầu gì mà con người nghĩ ra thì hệ thống nhà thông minh đều có thể đáp ứng được và các tính năng trên đều có thể hoạt động độc lập hoặc phối kết hợp, tương tác với nhau tùy theo cách lập trình để mang lại hiệu quả, tiện ích cho người dùng Hệ thống nhà thông minh

Hình 1.1 : Nhà thông minh Gamma

EIB cho phép gia tăng tiện ích sử dụng khi kết hợp với các bộ điều khiển từ xa bằng sóng radio (giới hạn khoảng cách 1,5Km, không bị hạn chế bởi vật cản)

và đặc biệt tương tác hai chiều với điện thoại và Internet để điều khiển không giới hạn về khoảng cách Ngoài việc thông báo sự cố như đQ nói ở trên, người

sử dụng có thể dùng bất kì máy điện thoại hay máy tính có kết nối Internet vào gọi hoặc truy cập vào hệ thống nhà thông minh của mình để đóng – mở, bật – tắt các thiết bị, vì trước đó chúng đQ được lập trình gán cho một mQ số

điều khiển tương ứng

Để bảo mật, bạn có thể tự đặt Username và Password truy cập riêng vào

hệ thống điều khiển điện của nhà mình Và còn rất nhiều “kịch bản” mà bạn

có thể nghĩ ra và “hiện thực hóa” chúng sau khi yêu cầu nhà cung cấp lập trình cho các thiết bị trong hệ thống nhà thông minh EIB của mình Tuy nhiên, bản thân các thiết bị EIB thực chất vẫn chỉ là những cỗ máy, muốn chúng trở thành “thông minh”, phục vụ tốt nhất cho con người thì điều quan trọng hơn chính là gia chủ nên biết mình muốn gì và sẽ cần thêm những gì Sau đó bàn bạc, thảo luận với các kiến trúc sư, kỹ sư điện, chuyên gia lập trình hệ thống EIB để đưa ra những giải pháp hợp lý, tối ưu nhất, khai thác triệt để mọi giá trị của thiết bị

Công nghệ lắp đặt điện tiên tiến cho phép bạn tiết kiệm được rất nhiều

điện năng tiêu thụ hàng tháng bằng cách quản lý một cách thông minh hệ thống đèn chiếu sáng, điều hòa nhiệt độ, hay các thiết bị điện khác trong gia

đình Nếu hệ thống được lắp đặt cho các nhà dân dụng, sẽ tiết kiệm chi phí về

điện từ 15% đến 35% Còn với tòa nhà ở các khu công nghiệp, văn phòng… mức chi phí giảm thiểu về điện còn có thể lên tới 45% Các thiết bị vận hành hoàn toàn tự động nên bạn có thể tiết kiệm từ 15% đến 30 % điện năng tiêu thụ hàng tháng Tùy theo nhu cầu sử dụng, bạn hoàn toàn làm chủ hệ thống này và dễ dàng thay đổi, thêm bớt chức năng hoạt động của hệ thống theo ý muốn Thực tế đQ chứng minh rằng đầu tư vào nhà thông minh là một quyết

định đúng đắn Sử dụng hệ thống điện thông minh này không chỉ an toàn với

điện áp 24V DC có tác dụng giảm thiểu nguy hiểm về điện giật Các thiết bị

được sản xuất theo tiêu chuẩn chung Châu Âu, tuổi thọ cao, chi phí duy tu, bảo dưỡng rất thấp Nhà thông minh là hệ thống mở, linh hoạt, nên chi phí bạn phải bỏ ra để sửa đổi hệ thống khi nhu cầu sử dụng của bạn thay đổi là không

đáng kể

Công nghệ Nhà thông minh đQ được hQng SIEMEN AG (Đức) giới thiệu

và cung cấp tới khách hàng ở nhiều quốc gia trên thế giới Lần đầu tiên vào Việt Nam, hQng Simens đQ ủy quyền cho công ty cổ phần GAMMA JSC là đối tác chính thức thực hiện nhiệm vụ giới thiệt, lắp đặt, lập trình, bảo hành và bảo dưỡng hệ thống điện thông minh tới khách hàng ở Việt Nam Toàn bộ công việc Tư vấn, thiết kế chi tiết, thi công lắp đặt, lập trình hệ thống và cung cấp các dịch vụ bảo hành, bảo trì sẽ do công ty GAMMA là đối tác chuyên nghiệp

được ủy quyền của Simens tại Việt Nam thực hiện Chất lượng thiết bị và dịch

vụ theo đúng tiêu chuẩn và được kiểm soát bởi Siemens

1.5.2 Giải pháp nhà thông minh của trung tâm Mica

Các ứng dụng về “đồ vật thông minh”, “nhà thông minh” ngày càng phát triển mạnh, chúng ta thường gọi chúng dưới cái tên môi trường cảm thụ hay không gian cảm thụ, đây là nơi các công nghệ mới nhất (Internet/Ethernet, Wifi, Powerline Carrier, USB, Java, Ajax, PHP, MySql, PocketPC, Bluetooth, v.v.) được sử dụng Chính vì vậy, các cán bộ nghiên cứu của trung tâm MICA

đQ quyết định triển khai dự án SIAM2 trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu lớn của Trung tâm Hình ảnh dưới đây sẽ giới thiệu qua về cấu trúc của thiết bị nghiên cứu

Chúng ta có thể mô tả khái quát hệ thống như sau:

Đối với module thi hành điều khiển: Chúng ta tập trung vào việc điều khiển các thiết bị như các loại đèn (đèn sợi đốt, đèn neons, đèn halogens), các loại máy sưởi, rèm cửa, các thiết bị điện tử như Tivi, camera Nhóm này được

đặt tên là SIAMC

Với module thu thập: Các thiết bị thu nhận sẽ thu thập thông tin của môi trường xung quanh như nhiệt độ, áp suất sau đó thông qua module truyền thông gửi thông tin đến server Nhóm này được đặt tên là SIAMM

Với module truyền thông: Tất cả các dữ liệu truyền từ các module thu nhận tới các module điều khiển đều được truyền dưới dạng không dây Hiện nay, có hai công nghệ truyền tin không dây phổ biến đó là Wifi và Bluetooth Nhóm này được đặt tên là SIAMA

Hình 1.2 : Tổng quan SIAM

Công nghệ Wifi thì có tốc độ nhanh, lưu lượng và dung lượng đường truyền lớn còn Bluetooth thì có tốc độ và lưu lượng thấp hơn Để mô hình có hiệu quả khi hoạt động thì chúng ta sẽ chia ra các khối, các module thích hợp

1.6 Môi trường cảm thụ SIAM

Trong quá trình tìm hiểu, nhóm SIAM 2 đQ phân ra các ứng dụng thông minh cho môi trường SIAM2 như sau:

- Nhận biết được sự có mặt của con người trong phòng: khi một người bước vào phòng, hệ thống đèn có thể tự động bật sáng chẳng hạn

Thiết bị có thể dùng: cảm biến hồng ngoại, relay

Hành động: Bật/tắt đèn

- Hệ thống báo cháy: Khi phát hiện ra khói, hệ thống sẽ báo động và sẽ phun nước từ hệ thống chống cháy trong tòa nhà

Thiết bị cần dùng: cảm biến khói, hệ thống phun nước, relay

Hành động: Dựa vào cảm biến khói để bật/tắt chuông báo động và hệ thống phun nước chữa cháy

- Hệ thống điều hòa nhiệt độ: giữ nhiệt độ trong phòng ở giá trị mong muốn Khi nhiệt độ đo được từ cảm biến cao hơn so với giá trị đặt, hệ thống quạt và điều hòa tự động bật Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được thấp hơn giá trị

- Hệ thống giải trí gia đình: có hệ thống mạng tốc độ cao, có kết nối Internet, giúp người sử dụng có thể cập nhật thông tin, giải trí bất cứ lúc nào

và bất cứ ở đâu trong nhà

- Hệ thống bảo vệ: hệ thống camera giám sát, có khả năng nhận dạng người ra vào ngôi nhà

Tích hợp khả năng điều khiển PDA, hay kiểm soát hoạt động qua Internet

Sau khi nghiên cứu các giải pháp và phân loại môi trường cảm thụ dự án

đQ đưa ra các nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu môi trường cảm thụ

- Tìm hiểu các kỹ thuật và công nghệ truyền tin Bluetooth, Wifi và PLC

- Nghiên cứu các đặc tính của các mô đun điều khiển và thu thập

- Nghiên cứu cách tích hợp các mô đun này vào cấu trúc tổng thể của đề tài SIAM2

1.7 Phân tích nhiệm vụ và lựa chọn giải pháp

- Server: Hệ thống máy chủ tập trung dữ liệu, xử lý dữ liệu và đ−a ra quyết định điều khiển

- Điều khiển (Control): Các thiết bị cần điều khiển là các thiết bị gia dụng nh− đèn, quạt, điều hòa…

Hình 1.3 : Sơ đồ khối chức năng SIAM

- Điều khiển từ xa (Remote Control): Liên kết từ xa tới hệ thống server thông qua Wifi, Bluetooth (Local) hay liên kết từ xa qua Internet Người sử dụng có thể giám sát hoạt động cũng như có thể điều khiển từ xa toàn bộ hệ thống

Nhiệm vụ đặt ra đó là phân tích đặc tính chức năng, kỹ thuật của từng khối, từ đó lựa chọn các giải pháp và công nghệ phù hợp nhất cho việc thiết kế

và triển khai hệ thống Ví dụ như đối với các khối thu thập dữ liệu thì theo mức độ phức tạp của tín hiệu cũng được phân ra thành 3 khối cơ bản: khối thu thập tín hiệu đơn giản, khối thu thập tín hiệu âm thanh (phức tạp hơn), khối thu thập hình ảnh – video.Trong đề tài này, em đo tín hiệu môi trường trong phòng thông minh bằng Bluetooth Nhiệm vụ này bao gồm nghiên cứu về nhà thông minh, lựa chọn môi trường truyền thông Kết hợp với đó là xây dựng phần mềm tạo giao diện phục vụ việc giám sát và quản lý (tại chỗ hay từ xa) dữ liệu nhận được do mô đun gửi về

1.7.2 Lựa chọn giải pháp

- Giải pháp cho thiết kế phần cứng

Sau khi đQ phân tích được nhiệm vụ cần làm đo tín hiệu môi trường trong phòng thông minh và truyền thông bằng Bluetooth ta cần lựa chọn giải pháp phù hợp cho ứng dụng

+ Tốc độ truyền dữ liệu tối đa của Bluetooth (V1.1) là 1 Mbps, phù hợp với việc truyền các dữ liệu đơn giản, độ biến thiên chậm, không đòi hỏi băng thông rộng và tốc độ cao

+ Bluetooth tạo cho mô đun một sự linh hoạt, không gò bó với các đường truyền dữ liệu thông thường Khi triển khai hay thay thế thiết bị cũng đơn giản

và dễ dàng hơn

+ Với việc hỗ trợ PSP profile, việc truyền thông giữa server và thiết bị trở nên đơn giản tương tự như truyền thông qua cổng COM, do đó dễ dàng phát triển ứng dụng cả trên server và mô đun thu nhận

- Giải pháp cho thiết kế phần mềm

Để phát triển một ứng dụng hoàn chỉnh ta cần có thêm phần mềm thu nhận và quản lý dữ liệu trên Server Trong khi thiết kế giao diện phần mềm ta cần đứng trên các góc độ khác nhau để thiết kế chương trình phần mềm cho phù hợp:

- Đứng trên góc độ người thiết kế hệ thống: yêu cầu đặt ra là chương trình thu thập số liệu phải chính xác, dễ dàng phát triển khi hệ thống được mở rộng Có thể sử dụng Visual Basic cho chương trình chính thu nhận trực tiếp dữ liệu, hiển thị cho người dùng, lưu vào cơ sở dữ liệu phục vụ việc quản lý Chương trình này có chức năng như một chương trình driver, cần thao tác và triển khai khi cài đặt ứng dụng Một số đặc điểm của Visual Basic:

+ Đơn giản trong việc lập trình, hỗ trợ khá tốt các mô đun và API giao tiếp với các cổng máy tính, phục vụ cho việc thu thập số liệu

+ Thích hợp với các ứng dụng liên quan đến giao tiếp phần cứng

Chương 2 Tìm hiểu công nghệ bluetooth

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xQ hội, nhu cầu về trao đổi thông tin, giải trí ngày càng cao Những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng tốt tất cả các nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển… Vì thế công nghệ không dây đQ ra đời

và đang phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày Kỹ thuật không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người, từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc, v.v… Với các nhu cầu đa dạng và phức tạp đó, kỹ thuật không dây đQ đưa ra nhiều chuẩn với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau

để có thể phù hợp với từng nhu cầu, mục đích và khả năng của người sử dụng như IrDA, WLAN với chuẩn 802.11, ZigBee, OpenAir, UWWB, Bluetooth,… Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu, khuyết điểm riêng của nó, và Bluetooth

đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây tầm ngắn có nhiều ưu điểm, rất thuận lợi cho những thiết bị di động

2.1 Lịch sử ra đời

Bluetooth là tên nhà vua Đan Mạch – Harald I Bluetooth (Danish Harald Blatand) (910 – 985) Harald Bluetooth đQ hợp nhất Đan Mạch và Norway Ngày nay Bluetooth là biểu tượng của sự thống nhất giữa Computer và Telecom, giữa công nghệ máy tính và công nghệ truyền thông đa phương tiện

Đầu năm 1998, 5 công ty lớn trên thế giới là Ericsson, Nokia, IBM, Intel và Toshiba đQ liên kết, hợp tác thiết kế và triển khai công nghệ kết nối không dây mới mang tên Bluetooth nhằm kết nối các thiết bị điện tử cá nhân, hoặc các thành phần của chúng qua sóng Radio Đến ngày 20/05/1998 nhóm Special Interest Group – SIG chính thức được thành lập với mục đích phát triển công nghệ này trên thị trường viễn thông Bất kỳ công ty nào có kế hoạch sử dụng công nghệ Bluetooth đều có thể tham gia và đến nay SIG đQ có gần 2000 thành viên ,

2.2 Bluetooth là gì

Bluetooth là công nghệ truyền dữ liệu không dây hiện đại, có thể kết nối các thiết bị như điện thoại di `động, máy tính xách tay, máy in, máy ảnh số, và thậm chí cả tủ lạnh, lò viba, máy điều hòa nhiệt độ… Bluetooth là một chip thu phát nhỏ hoạt động bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dải tần 2.40 – 2.48 GHz Đây là dải băng tần không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế

Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính

và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ

Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác

có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng Nó

được định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói

2.3 Các đặc điểm của Bluetooth

2.3.3 Piconet

Piconet là tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua kỹ thuật Bluetooth theo mô hình Ad – Hoc (đây là kiểu mạng được thiết lập cho nhu cầu truyền dữ liệu hiện hành và tức thời, tốc độ nhanh và kết nối sẽ tự động hủy sau khi

truyền xong) Trong 1 Piconet thì chỉ có 1 thiết bị là Master Đây thường là thiết bị đầu tiên tạo kết nối, nó có vai trò quyết định số kênh truyền thông và thực hiện đồng bộ giữa các thành phần trong Piconet, các thiết bị còn lại là Slave Đó là các thiết bị gửi yêu cầu đến Master

Lưu ý rằng, 2 Slave muốn thực hiện liên lạc thông qua Master bởi chúng không bao giờ kết nối trực tiếp được với nhau, Master sẽ đồng bộ các Slave về thời gian và tần số Trong 1 Piconet có tối đa 7 Slave đang hoạt động tại 1 thời

điểm

Một piconet bắt đầu với 2 thiết bị kết nối với nhau, như laptop PC với 1 Mobilephone Giới hạn 8 thiết bị trong 1 Piconet (3bit MAC cho mỗi thiết bị) Tất cả các thiết bị Bluetooth đều ngang hàng và mang chức năng xác định Tuy nhiên khi thành lập 1 Piconet, 1 thiết bị sẽ đóng vai Master để đồng bộ về tần số và thời gian truyền phát, và các thiết bị khác làm Slave

Hình 2.1: Một Piconet trong thực tế

Ví dụ một Scatternet:

Cách 1: Piconet này cử ra 1 Slave làm Slave của Piconet kia (các Piconet

là độc lập với nhau và không đồng bộ) Slave này sẽ chia các time slots (TS), một vài TS ở Piconet này, vài TS ở Piconet kia

Hình 2.2: Một Scatternet gồm 2 Piconet

Cách 2: Một Slave trong Piconet này trở thành 1 Master trong 1 Piconet khác Cũng bằng cách chia các TS như trên cách 1 Cách này cho phép 2 Piconet đồng bộ nhau về clock (xung nhịp) và kiểu hopping (kiểu nhảy tần số) Vì 1 Slave đóng vai trò Master trong 1 Piconet mới, sẽ mang theo clock và hopping của Piconet cũ, đồng bộ cho các Slave trong Piconet mới mà nó làm Master

Khi có nhiều Piconet độc lập, có thể bị nhiễu trên một số kênh, những packet đó sẽ bị mất và được truyền lại Nếu tín hiệu là tiếng nói (tín hiệu thoại), chúng sẽ bị bỏ qua

2.3.5 Kết nối theo kiểu Adhoc

Không có sự phân biệt giữa các radio units; nghĩa là không có sự phân biệt dựa vào vị trí hay khoảng cách Kết nối ad hoc dựa vào sự liên lạc giữa các điểm, không cần thiết bị hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị di động, không cần mạch điều khiển trung tâm cho các unit dựa vào để thiết lập kết nối Trong Bluetooth, nó giống như một số lượng lớn các kết nối ad hoc cùng tồn tại trong một vùng mà không cần bất kỳ một sự sắp xếp nào, các network độc lập cùng tồn tại chồng chéo lên nhau

2.3.6 Trạng thái của thiết bị Bluetooth

Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong 1 piconet:

- Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thiết bị

Bluetooth khác

- Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu

inquiry của thiết bị đang thực hiện inquiring và trả lời

- Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với

thiết bị đQ inquiry từ trước

- Page scanning device (page scan mode): thiết bị nhận yêu cầu kết nối

từ paging device và trả lời

2.3.7 Các chế độ kết nối

Active mode: trong chế độ này, thiết bị Bluetooth tham gia vào hoạt

động của mạng Thiết bị master sẽ điều phối lưu lượng và đồng bộ hóa cho các thiết bị slave

Sniff mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng thái active ở Sniff mode, thiết bị slave lắng nghe tín hiệu từ mạng với tần số giảm hay nói cách khác là giảm công suất Tần số này phụ thuộc vào tham số của ứng dụng Đây là chế độ ít tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng

Hold mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng thái active Master có thể đặt chế độ Hold mode cho slave của mình Các thiết

bị có thể trao đổi dữ liệu ngay lập tức ngay khi thoát khỏi chế độ Hold mode

Đây là chế độ tiết kiệm năng lượng trung bình trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng

Park mode: là chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị vẫn còn trong mạng nhưng không tham gia vào quá trình trao đổi dữ liệu (inactive) Thiết bị

ở chế độ Park mode bỏ địa chỉ MAC, chỉ lắng nghe tín hiệu đồng bộ hóa và thông điệp broadcast của Master Đây là chế độ tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng

2.4 Kiến trúc của hệ thống Bluetooth Radio

2.4.1 Radio Spectrum - dGy sóng vô tuyến

Thứ nhất việc chọn lựa dQy sóng vô tuyến phải được xác định mà không

có người điều hành tác động DQy sóng phải được dùng nơi công cộng mà không cần phải đăng ký Thứ hai, dQy sóng phải sẵn sàng để dùng ở trên toàn thế giới Những ứng dụng Bluetooth đầu tiên đặt mục tiêu là những doanh nghiệp đi du lịch, những người phải kết nối thiết bị di động của họ ở bất cứ nơi nào họ đến May thay có một tần số vô tuyến không phải đăng ký luôn sẵn dùng trên toàn cầu Đó là tần số Industrial, Scientific, Medical (ISM), vào

khoảng 2,45 Ghz và trước đây được dành riêng cho một số nhóm chuyên nghiệp nhưng gần đây thì đQ được mở rộng trên toàn thế giới cho mục đích thương mại ở Mỹ, băng tần này đi từ 2400 đến 2483.5 Mhz, và những điều lệ FEC (Federal Commnications Commission) phần 15 được áp dụng ở Nhật, gần đây băng tần từ 2400 đến 2500 Mhz được phép dùng cho những ứng dụng thương mại và hòa hợp với giải pháp của thế giới Tóm lại, ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số miễn phí sẵn dùng từ 2400Mhz đến 2483,5Hz và những nỗ lực cho sự hòa hợp đang được tiến hành để dQy sóng vô tuyến này thật sự sẵn dùng trên toàn thế giới

Những quy định không giống nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới Tuy nhiên mục tiêu của họ là làm sao để bất kỳ người sử dụng nào cũng có quyền sử dụng tần số vô tuyến đó một cách công bằng Những quy luật nói chung quy định rõ sự phân bố của những tín hiệu được truyền đi và mức năng lượng tối đa được phép truyền Do đó, đối với một hệ thống có thể hoạt động trên toàn cầu thì khái niệm tần số vô tuyến được phép dùng phải là phần giao của các luật lệ

2.4.2 Interference Immunity: Sự chống nhiễu

- Do băng tần miễn phí có thể được sử dụng bởi bất cứ một thiết bị phát nào, do đó việc chống nhiễu là vấn đề rất quan trọng Phạm vi và khả năng nhiễu trong tần số ISM 2,45Ghz là không thể dự đoán trước được, bởi có rất nhiều thiết bị phát sử dụng sóng vô tuyến ở trong băng tần này, đó có thể là thiết bị Bluetooth, thiết bị Wifi,… và thậm chí cả lò vi sóng và một vài thiết bị phát sáng khác cũng phát ra sóng trong băng tần này

- Sự chống nhiễu có được thực hiện nhờ vào việc ngăn chặn hoặc tránh đi Ngăn chặn bằng cách dàn trải những chuỗi hoặc mQ (coding or direct – sequence spreading)

- Sự ngăn chặn có thể được thực hiện bằng cách viết code hoặc chia tần

số thành các dQy liên tục Tuy nhiên, phạm vi các dQy tần động của các tín

hiệu được can thiệp trong một môi trường sóng đặc biệt, liên tục có thể rất rộng Phân chia theo thời gian có thể là một lựa chọn nếu như xảy ra sự gián

đoạn trong các nhịp tần số của sự phân chia theo thời gian Việc phân chia trên tần số có khả năng hơn Trong khi tần số 2,45Ghz có thể cung cấp băng thông khoảng 80MHz và băng thông của hầu hết các hệ thống radio đều bị giới hạn, một số phần quang phổ của sóng radio có thể được sử dụng mà không gặp bất cứ trở ngại nào Việc lọc trên các vùng băng tần sẽ giúp ngăn nhiễu ở những phần khác của dQy sóng radio Bộ lọc ngăn chặn có thể dễ dàng

đạt đến tần số 50 dB hoặc hơn nữa

2.4.3 Multiple Access Scheme - Phối hợp đa truy nhập

- Việc lựa chọn sự phối hợp đa truy cập cho một hệ thống vô tuyến ad hoc được điều khiển bởi những luật lệ của dQy tầng ISM và thiếu sự phối hợp (lack of coordination)

- Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) đQ thu hút những hệ thống

ad hoc do kênh trực giao chỉ trả lời đúng tần số của máy tạo dao động tương ứng trên các băng tần khác nhau Phối hợp với việc phân chia kênh truyền một cách thích ứng và năng động thì việc nhiễu có thể tránh khỏi Đáng tiếc FDMA cơ bản lại không đáp ứng hết nhu cầu lan rộng có trong dQy ISM

- Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đòi hỏi sự đồng bộ về thời gian vô cùng khắc khe ở kênh trực giao.Việc duy trì sự tham chiếu khung thời gian trở nên khá cồng kềnh

- Đa truy cập phân chia theo mQ (CDMA) tỏ ra là đặc tính tốt nhất cho hệ thống vô tuyến ad hoc khi nó quy định sự phân bổ và đề cập đến những hệ thống rời rạc

- Direct sequence (DS) – CDMA không thu hút bằng vì vấn đề gần xa, nó

đòi hỏi kiểm soát năng lượng lẫn nhau hoặc tăng thêm xử lý thừa Thêm vào

đó, như TDMA, kênh trực giao DS – CDMA cũng quy định việc tham chiếu khung thời gian Cuối cùng, đối với những user cao cấp thì những loại chip

khá đắt đQ được dùng đến nhưng không thu hút làm vì băng thông rộng (tránh nhiễu) và sự tiêu thụ hiện tại ngày càng tăng

- Nhảy tần số (FH) – CDMA kết hợp một số những đặc tính để trở thành chọn lựa tốt nhất cho hệ thống vô tuyến ad hoc Trung bình một tín hiệu có thể trải ra trên một dQy tần số lớn, nhưng ngay lúc đó chỉ có một dải băng thông nhỏ được sử dụng, tránh được hầu hết khả năng nhiễu trong ISM Bước nhảy của sóng mang là trực giao, và việc nhiễu trên những bước sóng có thể sẽ không trực giao (dù sao việc phối hợp lẫn nhau giữa các bước sóng không

được cho phép theo luật FCC), nhưng băng thông hẹp và việc nhiễu khi người dùng chung (co – user) chỉ bị xem như là gián đoạn ngắn trong việc truyền tin, một việc có thể được khắc phục bằng giải pháp dùng những nghi thức ở tầng cao hơn

- Bluetooth dựa vào kỹ thuật FH – CDMA – các packet được truyền trên những tần số khác nhau Trong dQy tần ISM 2.45Ghz, định nghĩa một bộ 79 bước nhảy, mỗi bước nhảy cách nhau 1MHz Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian Chiều dài 1 khe thời gian thông thường là 625 às Một số lớn những cách phối hợp đặc biệt được tạo ra ngẫu nhiên nhưng chỉ cách phối hợp

đặc biệt được định nghĩa bởi một unit gọi là master mới kiểm soát kênh nhảy tần số Một đồng hồ của master unit cũng định nghĩa một chu kỳ bước nhảy Tất cả những unit khác gọi là slave, chúng dùng sự đồng nhất của master để chọn bước nhảy giống nhau và cộng thêm khoảng thời gian gián đoạn vào

đồng hồ tương ứng của chúng để đồng bộ hóa việc nhảy tần số Trong lĩnh vực thời gian, các kênh được chia thành những slot Một slot tương ứng với một khoảng thời tối thiểu là 625 às Để thực hiện đơn giản, truyền tin song công

được thực hiện bằng cách áp dụng time – division duplex (TDD) Điều này có nghĩa là một unit sẽ lần lượt phát và nhận Chia cắt việc phát và nhận thực sự ngăn chặn được nhiễu xuyên âm giữa quá trình phát và nhận trong máy thu phát vô tuyến Từ khi việc phát và nhận đặt ở những time slot khác nhau thì chúng cũng được đặt ở những bước nhảy khác nhau

2.5 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong công nghệ Bluetooth

2.5.1 Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây

- Trong truyền thông bằng sóng radio cổ điển, người ta chỉ dùng một tần

số để truyền dữ liệu, nhưng khả năng mất dữ liệu là rất lớn do tần số này có thể bị nhiễu, mặt khác tốc độ truyền sẽ không cao

- Truyền thông trải phổ là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều tần số cùng 1 lúc (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) hoặc luân phiên (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) để tăng khả năng chống nhiễu, bảo mật và tốc độ truyền dữ liệu

- Trải phổ nhảy tần số là kỹ thuật phân chia giải băng tần thành một tập hợp các kênh hẹp và thực hiện việc truyền tín hiệu trên các kênh đó bằng việc nhảy tuần tự qua các kênh theo một thứ tự nào đó

2.5.2 Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth

- Việc truyền dữ liệu trong Bluetooth được thực hiện bằng sử dụng kỹ thuật nhảy tần số, có nghĩa là các packet được truyền trên những tần số khác nhau

Hình 2.3: Kĩ thuật trải phổ nhảy tần số

Packet 1

Packet 2

Packet 3

H×nh 2.4: C¸c Packet truyÒn trªn c¸c tÇn sè kh¸c nhau

H×nh 2.5: C¸c Packet truyÒn trªn khe thêi gian

Giải băng tần ISM 2.4Ghz được chia thành 79 kênh, với tốc độ nhảy là

1600 lần trong một giây, điều đó có thể tránh được nhiễu tốt và chiều dài của các packet ngắn lại, tăng tốc độ truyền thông

- Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian Chiều dài 1 khe thời gian thông thường là 625às Một packet thường nằm trong 1 khe đơn, nhưng cũng

có thể mở rộng ra 3 hay 5 khe Với các packet đa khe, yêu cầu tần số phải không đổi cho đến khi toàn bộ packet gửi xong

- Sử dụng packet đa khe, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhờ phần header của mỗi packet chỉ đòi hỏi 1 lần 220às (thời gian chuyển đổi sau mỗi packet)

Có thể hiểu ngắn gọn là thời gian truyền 3 packets đơn khe sẽ lớn hơn thời gian truyền 1 packet 3 – khe Bù lại, trong môi trường có nhiều tín hiệu truyền, các packet dài chiếm nhiều timeslot dễ bị nhiễu hơn, do đó dễ bị mất hơn

- Mỗi p acket chứa 3 phần: Access Code (MQ truy cập), Header, Payload

- Kích thước của Access Code và Header là cố định

Access code: Gồm 72 bits, dùng trong việc đồng bộ dữ liệu, định danh, báo hiệu

Trong Header có 54 bits, trong đó:

- 3 bits được dùng trong việc định địa chỉ, do đó có tối đa 7 Active slave

- 4 bits tiếp theo cho biết loại packet (một số không dùng đến)

- 1 bit điều khiển luồng

- 1 bit ARQ: cho biết packet là Broadcast không có ACK

- 1 bit Sequencing: lọc bỏ những packet trùng do truyền lại

- 8 bits HEC: kiểm tra tính toàn vẹn của Header

Tổng cộng có 18 bits, các bit đó được mQ hóa với 1/3 FEC (Forward Error Correction) để có được 54 bit

Payload: phần chứa dữ liệu truyền đi, có thể thay đổi từ 0 đến 2744 bit/packet Payload có thể là dữ liệu Voice hoặc data

2.6 Cách thức hoạt động của Bluetooth

2.6.1 Cơ chế truyền và sửa lỗi

Kỹ thuật Bluetooth thực sự là rất phức tạp Nó dùng kỹ thuật nhảy tần số trong các timeslot (TS), được thiết kế để làm việc trong môi trường nhiễu tần

số radio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết

Access code Header Data