Với sự phát triển và các ưu điểm về mặt kĩ thuật, các công nghệ truyền dẫn không dây ngày càng được ứng dụng nhiều trong khoa học và đời sống. Các công nghệ không dây đơn giản, linh hoạt và gọn nhẹ. Một vài cái tên có thể kể đến như: Wi Fi, LoRa, Zigbee, NFC, Bluetooth…. Trong đó công nghệ Bluetooth đã phát triển từ lâu và trở thành một chuẩn truyền thông không dây được trang bị sẵn trên các thiết bị điện tử. Với việc có cường độ tín hiệu ổn định, khả năng kết nối nhanh và tương thích với nhiều các thiết thiết bị từ các hang khác nhau, Bluetooth là một kẻ thách thức lớn với các công nghệ vô tuyến khác. Bắt đầu từ phiên bản Bluetooth 4.0, các nhà phát triển đã đưa ra hai hướng chính trong việc định hướng công nghệ này. Bên cạnh việc tiếp tục sử dụng nền tảng Bluetooth cơ bản( đã quen thuộc từ trước tới nay) và tập trung ưu tiên tăng tốc độ truyền tải thì họ cũng công bố công nghệ Bluetooth Low Energy( BLE) như là bản có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể. Trong đó, BLE là một bước tiến lớn về công nghệ khi có cơ chế hoạt động khác biệt với Bluetooth cơ bản nên đạt hiệu suất năng lượng tiêu thụ rất thấp. Trong nội dung đồ án “Nghiên cứu về công nghệ BLE và ứng dụng” này, nhóm chúng em xin được trình bày các nội dung liên quan đến kiến trúc, cách thức làm việc và phương thức trao đổi dữ liệu cũng như các ứng dụng của công nghệ BLE
TỔNG QUAN VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CÔNG
Giới thiệu các công nghệ truyền dẫn không dây
Trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin, cáp và dây dẫn vẫn là những thành phần chủ chốt, tuy nhiên, công nghệ không dây đã phát triển mạnh mẽ và hiện diện khắp nơi Mọi dịch vụ và ứng dụng liên quan đến truyền tải dữ liệu đều có giải pháp không dây, hứa hẹn mang đến một tương lai công nghệ hoàn hảo Một trong những mạng không dây phổ biến hiện nay là Wi-Fi.
Trước khi Wi-Fi xuất hiện, việc kết nối không dây giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau là điều không thể Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền dẫn không dây, vào năm 1997, các nhà phát triển đã thương lượng và cho ra đời chuẩn kết nối IEEE 802.11, trở thành nền tảng cho tất cả các thế hệ Wi-Fi sau này.
Wi-Fi (Wireless Fidelity) là công nghệ truyền dẫn không dây sử dụng sóng vô tuyến, chủ yếu hoạt động ở dải tần 2,4GHz – 5GHz Qua nhiều thế hệ phát triển từ chuẩn 802.11b đến 802.11ac, Wi-Fi đã cải thiện đáng kể về tốc độ tối đa Đây là công nghệ Internet không dây phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các gia đình, cơ quan và tổ chức.
Fi còn được dùng để kết nối các thiết bị gia dụng trong gia đình như TV, máy in, đầu DVD với máy tính.
Một số thiết bị có khả năng sử dụng Wi-Fi bao gồm máy tính, thiết bị ngoại vi, máy nghe nhạc MP3, hệ thống chơi game, smartphone, TV và nhiều thiết bị gia dụng khác.
Hình 1: Một số thiết bị sử dụng công nghệ Wifi b) Zigbee
Zigbee là một chuẩn truyền thông không dây dựa trên tiêu chuẩn mạng lưới cá nhân (PAN) 802.15.4 của IEEE, đã có mặt hơn một thập kỷ Công nghệ này được coi là giải pháp thay thế cho Wi-Fi và Bluetooth trong các ứng dụng sử dụng thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp, không yêu cầu băng thông lớn, như hệ thống cảm biến trong nhà thông minh.
Hình 2: Hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ Zigbee
Zigbee là công nghệ truyền thông không dây hoạt động bằng cách quét các kênh tín hiệu và kết nối các thiết bị trên cùng một kênh Phạm vi hoạt động của Zigbee dao động từ 75 đến 100m, sử dụng dải tần từ 2.4 GHz đến 2.4835 GHz với tốc độ tối đa 250kb/s Mặc dù có tốc độ hạn chế, Zigbee vẫn được ưa chuộng nhờ vào tính năng bảo mật, chi phí thấp và độ ổn định cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như nhà thông minh, tự động hóa và chăm sóc sức khỏe.
Công nghệ truyền thông không dây LoRa (Long Range) là giải pháp hiệu quả cho việc triển khai IoT (Internet of Things) nhờ vào khả năng truyền dẫn xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp LoRa cho phép kết nối các thiết bị trong hệ thống IoT trong phạm vi hàng km, đồng thời mang lại khả năng mở rộng mạng dễ dàng Công nghệ này có thể ứng dụng trong việc theo dõi hàng tồn kho, đo lường từ xa và báo cáo dữ liệu.
Sự phát triển của Bluetooth
Vào năm 1994, Tiến sĩ Jaap Haartsen đã phát triển công nghệ Bluetooth nhằm thay thế kết nối qua cáp RS 232 Bluetooth sử dụng sóng vô tuyến ở băng tần UHF từ 2.4 GHz đến 2.485 GHz, cho phép truyền thông hiệu quả giữa các thiết bị điện tử trong khoảng cách ngắn với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Vào năm 1999, Bluetooth 1.0, phiên bản thương mại đầu tiên của công nghệ Bluetooth, đã được ra mắt, đánh dấu sự khởi đầu cho việc hỗ trợ các thiết bị ngoại vi như vi xử lý, chuột, card máy tính, đặc biệt là sự bùng nổ của điện thoại di động vào đầu thế kỷ 21.
Bluetooth đã trải qua hơn 20 năm phát triển, trong thời gian này đã ra mắt 5 phiên bản với sự cải thiện đáng kể về tốc độ và phạm vi truyền dẫn.
Bảng 1: Các thế hệ của công nghệ Bluetooth
Tốc độ tối đa 0.7Mbps
1Mbps gốc và 3 Mbps với EDR
3 Mbps với EDR và 24Mbps( chuẩ n 802.11)
3 Mbps với EDR và 1Mbps( tiế t kiệm năng lượng)
3 Mbps với EDR và 2 Mbps( tiết kiệm năng lượng) Khoảng cách tối đa
Bluetooth được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực:
- Điều khiển và truyền thông không dây giữa các thiết bị di động: máy tính, điện thoại, tai nghe.
- Thực hiện kết nối với các thiết bị ngoại vi: bàn phím, chuột, máy in.
- Thay thế giao tiếp có dây truyền thống, giao tiếp bằng tia hồng ngoại.
Những yếu tố dẫn đến sự ra đời của công nghệ BLE
Mặc dù có nhiều ưu điểm song Bluetooth vẫn còn tồn tại một số hạn chế chính như sau:
- Phạm vi hoạt động gần, số lượng các kết nối nhỏ.
- Thông lượng thông tin thấp giới hạn về tin tức truyền dẫn.
- Vấn đề bảo mật thông tin khi đây là một công nghệ mở.
- Nhiễu sóng điện từ do sử dụng chung dải tần với công nghệ Wifi.
- Sự tiêu thụ năng lượng khả năng duy trì hoạt động trong thời gian dài.
Từ phiên bản Bluetooth 4.0, nhóm Lợi ích đặc biệt Bluetooth (SIG) đã phát hành các phiên bản hỗ trợ cả chuẩn Bluetooth cổ điển (Classic) và Bluetooth Low Energy (BLE) Phiên bản Classic tập trung vào việc cải thiện tốc độ truyền dẫn, trong khi phiên bản BLE đang trở thành xu thế chính với mục tiêu tiết kiệm năng lượng để duy trì hoạt động lâu dài.
Bluetooth Low Energy (BLE), còn được gọi là Bluetooth Smart, được giới thiệu trong đặc điểm kỹ thuật của Bluetooth 4.0 BLE được xem như phiên bản tối ưu hơn của Bluetooth cổ điển, nhưng thực tế là một dòng công nghệ độc lập với mục tiêu thiết kế khác biệt.
Sự phát triển của BLE là rất nhanh chóng và có nhiều tiềm năng do:
Sự tăng trưởng nhanh chóng của BLE có thể dễ dàng lý giải bởi sự phát triển mạnh mẽ của điện thoại thông minh, máy tính bảng và công nghệ di động Việc các công ty lớn như Apple và Samsung áp dụng BLE sớm và tích cực đã tạo điều kiện cho việc triển khai công nghệ này trở nên phổ biến hơn.
Trong bối cảnh thị trường di động và máy tính bảng ngày càng cạnh tranh, chi phí và lợi nhuận đang giảm, nhu cầu kết nối với thế giới bên ngoài trên các thiết bị này có tiềm năng phát triển mạnh mẽ Điều này mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp thiết bị ngoại vi.
Hầu hết các thiết bị di động hiện nay đều được trang bị phần cứng hỗ trợ BLE, mang lại khả năng kết nối nhanh chóng, dễ dàng và riêng tư Với ưu điểm tiết kiệm năng lượng, các thiết bị này có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu hai chiều, khác với phiên bản Classic chỉ nhận tin một chiều Điều này rất hữu ích cho các ứng dụng theo dõi sức khỏe, quản lý lịch trình cá nhân và giám sát cộng đồng.
Môi trường mở và thân thiện của ứng dụng BLE giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và nhanh chóng làm quen với các tính năng của nó.
BLE có một ngăn xếp giao thức nhẹ và cấu trúc dữ liệu rõ ràng, giúp cho việc phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng, ngay cả với những người không có nhiều kiến thức về công nghệ.
ĐẶC TRƯNG CÔNG NGHỆ BLE
Công nghệ BLE (Bluetooth Low Energy) đang phát triển cùng với Bluetooth cơ bản, với ngày càng nhiều thiết bị Bluetooth cổ điển tham gia vào mạng BLE Kể từ phiên bản 4.0, SIG đã đưa ra các hướng dẫn rõ ràng về các đặc tính kỹ thuật của BLE Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết các đặc trưng của công nghệ BLE.
1.4.Các cấu hình của BLE
Tiêu chuẩn không dây đã phát triển với Đặc điểm kỹ thuật Bluetooth kể từ phiên bản 1.0.
Tiêu chuẩn không dây công suất thấp đã được giới thiệu trong phiên bản 4.0 của thông số kỹ thuật, bao gồm hai loại thiết bị tương ứng với các cấu hình này.
Thiết bị chế độ đơn (BLE, Bluetooth Smart) có khả năng giao tiếp với các thiết bị chế độ đơn và chế độ kép, nhưng không tương thích với các thiết bị chỉ hỗ trợ BR/EDR.
A dual-mode Bluetooth device, compatible with BR/EDR and BLE, can communicate seamlessly with any Bluetooth-enabled device.
Dưới đây là hình ảnh về các cấu hình và khả năng kết nối của công nghệ Bluetooth.
Hình 4: Các cấu hình và khả năng tương thích của công nghệ BLE
Thiết bị Bluetooth Low Energy có khả năng giao tiếp với môi trường xung quanh thông qua hai phương thức chính: phát sóng và kết nối Mỗi phương thức này đều có những lợi ích và hạn chế riêng, đồng thời tuân thủ các nguyên tắc đã được xác định trước đó.
1.1.1 Cấu trúc kiểu Broadcast và Observer( Phát sóng không kết nối) Đây là cấu trúc đơn giản và dễ gặp nhất trong việc truyền dữ liệu trong công nghệ BLE Sử dụng tính năng phát sóng không kết nối, đài phát có thể gửi dữ liệu tới bất kì đài thu hay thiết bị nào đang trong phạm vi phủ sóng mà có khả năng thu nhận và xử lý thông tin.
Hình 5: Cấu trúc kiểu đài phát không kết nối
Trong cấu trúc này, việc phát sóng sẽ có hai nhiệm vụ:
Broacaster (Đài phát – Thiết bị phát): Phát đi các gói tin dạng quảng cáo cho bất kì thiết bị nào có thể thu nhận theo định kì.
Observer (Đài thu – thiết bị thu): Tiến hành quét liên tục các tần số đặt trước để có thể nhận được các gói tin.
Việc phát sóng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu từ một thiết bị đến nhiều máy ngang hàng cùng lúc Một gói tin trong chế độ quảng bá có dung lượng 31 byte, chứa thông tin chung và ít tính đặc biệt Cấu trúc phát sóng có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng.
- Nguyên lý đơn giản, thiết lập dễ dàng, truyền tin nhanh chóng
- Số lượng thiết bị tiếp cận được thông tin cao
- Thích hợp cho việc phát quảng bá các gói tin dung lượng nhỏ, thông tin dạng mở.
Một hạn chế lớn của việc phát sóng so với kết nối thông thường là thiếu quy định về bảo mật và quyền riêng tư, khiến bất kỳ thiết bị thu nào cũng có thể tiếp nhận dữ liệu được phát sóng Do đó, phương thức này có thể không phù hợp cho những dữ liệu yêu cầu mức độ bảo mật cao.
1.1.2 Cấu trúc kiểu Connection ( Kết nối)
Khi truyền tải dữ liệu lớn hơn 31 byte, việc tổ chức và sắp xếp thông tin theo đặc tính là cần thiết Để đảm bảo tương tác hai chiều, chúng ta cần sử dụng cấu trúc kết nối, cho phép trao đổi dữ liệu thường xuyên và định kỳ giữa hai thiết bị.
Trong cấu trúc kết nối, ta thấy hai thiết bị có vai trò riêng biệt:
Máy chủ trung tâm (master) liên tục quét các tần số đã được định sẵn Khi phát hiện thiết bị yêu cầu kết nối, nó sẽ thiết lập kết nối và bắt đầu trao đổi dữ liệu theo chu kỳ Trong suốt quá trình trao đổi, máy chủ sẽ kiểm soát thời gian.
Peripheral (slave) là thiết bị sẽ gửi gói tin quảng cáo để yêu cầu kết nối khi cần trao đổi dữ liệu Sau khi máy chủ đồng ý và thiết lập kết nối, hai bên tiến hành trao đổi dữ liệu, trong đó máy thợ chịu sự kiểm soát thời gian từ máy chủ.
Trong mô hình này, khái niệm Master – Slave chỉ mang tính chất tạm thời, vì việc trao đổi dữ liệu diễn ra theo cả hai chiều Do đó, vai trò của các thành phần trong hệ thống có thể thay đổi linh hoạt trong mỗi chu kỳ.
Hình 6: Mô hình kiểu kết nối Ưu, nhược điểm của cấu trúc Connection:
Lợi thế nổi bật của kết nối so với truyền phát là khả năng tổ chức dữ liệu một cách hiệu quả, cho phép kiểm soát chi tiết hơn đối với từng trường hoặc thuộc tính thông qua việc áp dụng các lớp giao thức bổ sung và cụ thể.
Dữ liệu được tổ chức theo một cấu trúc rõ ràng, giúp dễ dàng quản lý và truy cập Các dịch vụ có đặc trưng yêu cầu quyền truy cập hoặc tính năng riêng biệt thường được bảo mật cao hơn.
- Do không cần phát sóng liên tục và chỉ tiêu tốn năng lượng khi cả hai thiết bị đều kết nối nên giảm nhỏ công suất tiêu tốn.
1.6.Giao thức và cấu hình
1.1.1.Định nghĩa giao thức và cấu hình
Kể từ khi ra đời, Bluetooth đã thiết lập một sự phân biệt rõ ràng giữa giao thức và cấu hình, điều này giúp người dùng hiểu rõ hơn về các khái niệm khác nhau liên quan đến công nghệ này.
CẤU TRÚC PHÂN TẦNG CỦA CÔNG NGHỆ BLE
TẦNG CONTROLLER
Trong chương 2, chúng ta sẽ đi sâu vào cấu trúc và chức năng của từng lớp trong mô hình ngăn xếp giao thức đã được giới thiệu ở chương 1 Nhóm đề tài sẽ phân tích các tầng theo thứ tự từ dưới lên, bắt đầu từ phần kết nối ăng ten cho đến tầng ứng dụng.
2.1.Lớp vật lý (Physical Layer) Đây là lớp nằm dưới cùng trong mô hình được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu Lớp vật lý (PHY) có chứa các mạch truyền thông tương tự, có khả năng điều chế và giải điều chế tín hiệu tương tự và chuyển chúng thành các ký hiệu kỹ thuật số
Kỹ thuật điều chế số Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) cho phép điều chế tín hiệu với tốc độ cố định 1Mb/s, mang lại thông lượng cao nhất cho công nghệ này Băng tần hoạt động ở tần số 2,4 GHz ISM (Công nghiệp, Khoa học và Y tế) được chia thành 40 kênh trong khoảng từ 2,4000 GHz đến 2,4835 GHz Trong số đó, 37 kênh được sử dụng để trao đổi dữ liệu, trong khi 3 kênh cuối (37, 38, 39) được dành riêng cho việc phát sóng và thiết lập kết nối.
Hình 8: Cấu trúc kênh của lớp vật lý 2.2.Lớp liên kết (Link Layer)
Lớp Liên kết là giao diện trực tiếp với PHY, kết hợp giữa phần cứng và phần mềm tùy chỉnh Đây là lớp duy nhất trong ngăn xếp giao thức có thời gian thực cứng, chịu trách nhiệm tuân thủ các yêu cầu thời gian theo đặc tả Để đảm bảo tính độc lập, lớp này thường được tách biệt khỏi các lớp cao hơn thông qua một giao diện tiêu chuẩn, giúp che giấu sự phức tạp và yêu cầu thời gian thực cho các lớp khác trong ngăn xếp.
Phần cứng sẽ có các chức năng sau:
- Preamble, Access Address, and air protocol framing (Mở đầu, Địa chỉ truy cập và khung giao thức không khí)
- CRC generation and verification (Tạo và xác minh CRC)
- Data whitening (Làm trắng dữ liệu)
- Random number generation (Tạo số ngẫu nhiên)
- AES encryption (Mã hóa AES)
Trong thiết kế phần cứng PCB, các nhà phát triển có thể lựa chọn sử dụng một IC (SoC) duy nhất hoặc nhiều bộ xử lý, tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích truyền thông, nhằm nâng cao khả năng xử lý cho sản phẩm.
Có 3 cấu trúc phần cứng hay được sử dụng:
Trong các dự án nhỏ và đơn giản, cấu hình SoC thường được ưu tiên để tiết kiệm chi phí Ngược lại, điện thoại thông minh và máy tính bảng thường lựa chọn cấu hình Dual IC thay vì HCI, vì chúng đã được trang bị CPU mạnh mẽ để xử lý ngăn xếp giao thức.
Cách bố trí các linh kiện trên phân vùng PCB thường sẽ tuân theo cấu trúc:
Hình 10: Một dạng thiết kế PCB đơn nhân tích hợp (SoC) cho thiết bị BLE
Phần mềm Lớp liên kết chịu trách nhiệm quản lý các kết nối, bao gồm việc xác định trạng thái kết nối và số lượng kết nối đến một thiết bị chính, cũng như hỗ trợ quá trình thiết lập kết nối hiệu quả.
Lớp Liên kết xác định các vai trò:
Quảng cáo và quét (Advertising and Scanning)
Kết nối và ngắt kết nối (Connection and Disconnection)
Để nhận diện thiết bị, BLE cung cấp địa chỉ vật lý gọi là Bluetooth Device Address, tương tự như địa chỉ MAC Địa chỉ này dài 48 bit (6 byte) và duy nhất cho mỗi thiết bị, thường được biểu diễn dưới dạng thập lục phân, ví dụ: 08:00:27:0E:25:B8 Quá trình này bao gồm việc quảng cáo và quét để xác định và kết nối các thiết bị.
Quảng cáo được phát đi từ thiết bị trung tâm (Central) tới tất cả các thiết bị ngoại vi (Peripheral) nhằm mục đích tìm kiếm những thiết bị có nhu cầu thông tin.
- Quét: quá trình thực hiện tại phía thiết bị (Peripheral) nhằm phản hồi lại các yêu cầu của thiết bị trung tâm (Central).
Mỗi gói tin quảng cáo BLE có dung lượng 31 byte, bao gồm thông tin cơ bản như địa chỉ thiết bị Thiết bị chính gửi các gói tin này với tốc độ cố định, được xác định bởi thời gian quảng cáo, thường dao động từ 20ms đến 10,24s.
Thời gian quét phụ thuộc vào cài đặt, với khoảng thời gian ngắn hơn giúp tăng tốc độ quét và giảm tiêu tốn năng lượng, nhưng lại làm chậm thời gian phát hiện thiết bị thu Có hai chế độ quét cơ bản để lựa chọn.
Quét thụ động (Passive scanning): Thiết bị nhận chỉ quét và nhận được các gói tin quảng cáo và không cần phản hồi lại với thiết bị phát.
Quét chủ động là quá trình mà sau khi nhận được gói tin quảng cáo, thiết bị sẽ gửi Yêu cầu quét Thiết bị phát nhận được yêu cầu này sẽ phản hồi bằng gói Phản hồi quét, cung cấp dữ liệu cần thiết.
Hình 11 dưới đây cho thấy sự khác biệt giữa hai chế độ quét:
Hình 11: Hai chế độ quét của thiết bị nhận tin b Kết nối và ngắt kết nối
- Kết nối: kết nối thiết bị nhận với thiết bị chính để bắt đầu quá trình trao đổi dữ liệu.
- Ngắt kết nối: khi gặp một vấn đề gì đó hoặc khi hoàn tất quá trình trao đổi dữ liệu.
Trong quá trình kết nối, kĩ thuật nhảy tần được áp dụng để đảm bảo các thiết bị có thể giao tiếp hiệu quả Khi có yêu cầu kết nối, thiết bị chính sẽ gửi gói tin chứa bước nhảy tần số Các thiết bị chỉ có thể kết nối nếu chúng nhận diện nhau trên cùng một kênh tần số, do quảng cáo tối đa ba kênh tần số Sau khi kết nối, thiết bị chính với tần số nhảy nhanh hơn sẽ dẫn dắt cả hai thiết bị hoạt động trên một kênh chung Giá trị kênh tiếp theo được xác định theo công thức cụ thể.
Kênh tiếp theo = (kênh hiện tại + bước nhảy) mod 37
Hình 12: Quá trình kết nối với thiết bị ngoại vi
Khi hai thiết bị chuyển sang kênh chung, quá trình kết nối sẽ diễn ra thông qua việc trao đổi và nhận dữ liệu vào những thời điểm đã được định sẵn, được gọi là sự kiện kết nối.
Hình 13: Sự kiện kết nối
Gói sự kiện kết nối bao gồm các tham số chính như khoảng thời gian kết nối, độ trễ kết nối và thời gian chờ kết nối, được quản lý bởi thiết bị chính và tuân thủ ở cả hai thiết bị Để tối ưu hóa công suất phát và tập trung vào các thiết bị quan trọng, BLE quy định một số tiêu chuẩn nhất định.
TẦNG MÁY CHỦ HOST
Tầng máy chủ là trung tâm của mô hình phân tầng, nơi tập trung nhiều lớp và chứa các giao thức xử lý dữ liệu như thiết lập thuộc tính, định tuyến gói tin, xử lý lỗi không tương thích kiểu dữ liệu và đảm bảo tính bảo mật cho gói tin và thiết bị Tầng này cũng ghi nhận các yêu cầu đọc/ghi dữ liệu giữa các thiết bị trong quá trình trao đổi thông tin Hoạt động của tầng máy chủ liên quan trực tiếp đến hai khái niệm quan trọng.
- Máy chủ(Server): Nơi khởi tạo yêu cầu thông tin, trực tiếp quản lý toàn bộ quá trình tìm kiếm, ghép nối hay kiểm soát sai lỗi.
- Máy khách(Client): Là thiết bị có yêu cầu cần trao đổi thông tin: đọc/ghi dữ liệu từ /đến máy chủ.
Nhiều máy khách có khả năng kết nối đồng thời với một máy chủ và đều chịu sự quản lý từ máy chủ Một thiết bị có thể đóng vai trò là máy khách, máy chủ hoặc cả hai, không phân biệt đó là thiết bị chính hay thiết bị phụ.
2.4.Lớp giao thức đáp ứng và điều khiển liên kết logic( Logical Link Control and Adaptation Protocol hay còn viết tắt là L2CAP)
Lớp L2CAP có hai nhiệm vụ chính:
- Hoạt động như một bộ ghép kênh từ nhiều giao thức các lớp trên rồi đóng gói chúng thành định dạng gói BLE tiêu chuẩn và ngược lại.
Lớp L2CAP trong BLE thực hiện việc phân mảnh và tái tổ hợp dữ liệu, chia các gói lớn thành các phần nhỏ hơn phù hợp với kích thước tối đa 27 byte của gói BLE Tại bên nhận, các gói đã phân mảnh sẽ được gom lại thành một gói chung để gửi lên các lớp trên L2CAP cũng định tuyến hai giao thức chính: Giao thức thuộc tính (ATT) cho việc trao đổi dữ liệu và Giao thức quản lý bảo mật (SMP) để tạo và phân phối khóa bảo mật giữa các thiết bị Kể từ phiên bản 4.1, L2CAP có khả năng tạo các kênh riêng do người dùng xác định để truyền dữ liệu với băng thông cao mà không cần độ phức tạp từ ATT Trong gói tin 27 byte, 4 byte được dành cho tiêu đề, do đó, dữ liệu thực tế chỉ chiếm một phần nhỏ.
2.5.Giao thức thuộc tính( Attribute Protocol – ATT)
Giao thức Thuộc tính (ATT) là một giao thức không trạng thái giữa máy khách và máy chủ, hoạt động dựa trên các thuộc tính do thiết bị cung cấp Giao thức này yêu cầu trình tự nghiêm ngặt, trong đó chỉ khi một yêu cầu của máy khách được đáp ứng và phản hồi, thì các yêu cầu từ máy khách khác mới được xem xét.
Trong hoạt động của ATT, có một khái niệm cần hiểu rõ:
UUID (Universally Unique Identifier): Số nhận dạng duy nhất toàn cầu (UUID) là số 128 bit (16 byte) là duy nhất trên toàn cầu Do chiếm 16 byte trong tổng số
Lớp Liên kết trong BLE sử dụng 27 byte và bổ sung thêm định dạng UUID 32 bit, theo mẫu 0000XXXX-0000-1000-8000-00805f9b34fb Ví dụ, UUID 32-bit 00002a56-0000-1000-8000-00805f9b34fb có thể được biểu diễn dưới dạng 0x2a56 Một số UUID được quy định cho các mục đích sử dụng cụ thể.
Ví dụ: UUID 0x2a35 16 bit (hoặc UUID 32 bit 00002a35-0000-1000-8000- 00805f9b34fb) được ngụ ý là chỉ số huyết áp.
Cách thức hoạt động của ATT
Tập hợp các hoạt động có thể có trên ATT thuộc các loại sau:
Xử lý lỗi là quá trình mà máy chủ sử dụng để phản hồi các yêu cầu khi gặp sự cố Khi có lỗi xảy ra, máy chủ sẽ gửi phản hồi lỗi thay vì phản hồi hoạt động tương ứng, nhằm thông báo cho người dùng về vấn đề ngăn cản yêu cầu được thực thi.
Cấu hình máy chủ là quá trình thiết lập giao thức ATT, đảm bảo sự thống nhất giữa máy khách và máy chủ về kích thước gói tin tối đa (Max Transmission Units - MTU).
Find Information (Tìm kiếm thông tin): Được máy khách sử dụng để lấy thông tin về cách bố trí các thuộc tính của máy chủ, chúng bao gồm:
1 Find Information Request/Response(Yêu cầu / Phản hồi thông tin tìm kiếm): Nhận danh sách tất cả các thuộc tính trong một phạm vi xử lý cụ thể.
2 Find by Type Value (Tìm theo kiểu giá trị): Nhận phạm vi xử lý giữa một thuộc tính được xác định bởi UUID và giá trị của nó và dấu phân cách nhóm tiếp theo.
Read Operations (Đọc dữ liệu): Được máy khách sử dụng để lấy giá trị của một hoặc nhiều thuộc tính, chúng bao gồm:
1 Read by Type Request/Response (Đọc theo theo loại yêu cầu/phản hồi):
Nhận giá trị của một hoặc nhiều thuộc tính bằng UUID.
2 Read Request/Response (Đọc yêu cầu / phản hồi): Nhận giá trị của các thuộc tính bằng hanhdle
3 Read Blob Request/Response (Đọc yêu cầu / Phản hồi Blob): Lấy một phần giá trị của thuộc tính dài bằng handle.
4 Read Multiple Request/Response (Đọc nhiều yêu cầu / phản hồi): Nhận giá trị của một hoặc nhiều thuộc tính bằng cách sử dụng nhiều handle.
5 Read by Group Type Request/Response (Đọc theo loại nhóm yêu cầu / phản hồi ): Tương tự như đọc theo loại, nhưng UUID phải thuộc loại nhóm.
Write Operations (Ghi dữ liệu): Được máy khách sử dụng để đặt giá trị của một hoặc nhiều thuộc tính, chúng bao gồm:
1 Write Request/Response (Ghi yêu cầu / phản hồi ): Ghi vào giá trị của một thuộc tính và mong đợi phản hồi từ máy chủ.
2 Write Command (Ghi lệnh): Ghi vào giá trị của một thuộc tính mà không có bất kỳ phản hồi hoặc xác nhận nào Thao tác này không tuân theo trình tự yêu cầu / phản hồi và có thể được gửi bất kỳ lúc nào.
3 Signed Write Command (Lệnh viết đã ký): Tương tự như Write Command, nhưng sử dụng chữ ký
Queued Writes là phương thức mà máy khách sử dụng để ghi các giá trị thuộc tính có kích thước lớn hơn khả năng chứa của một gói.
1 Prepare Write Request/Response (Chuẩn bị yêu cầu / phản hồi ghi): Xếp hàng một thao tác ghi trong máy chủ cho một xử lý cụ thể, sau đó máy chủ xác nhận việc xếp hàng thành công.
2 Execute Write Request/Response (Thực hiện yêu cầu / phản hồi ghi): Thực thi tất cả các hoạt động ghi trong hàng đợi đang chờ xử lý, sau đó máy chủ sẽ báo cáo thành công hay thất bại cho máy khách.
Máy chủ được khởi tạo (Server Initiated) cho phép máy chủ gửi các giá trị thuộc tính đến máy khách một cách không đồng bộ, đảm bảo tính hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.
1 Handle Value Indication/Confirmation (Xử lý Chỉ báo / Xác nhận Giá trị):
Bản cập nhật máy chủ không đồng bộ liên quan đến giá trị thuộc tính và được xác định bởi tay cầm của nó, yêu cầu một xác nhận từ phía máy khách để hoàn tất quá trình.
2 Handle Value Notification (Xử lý thông báo giá trị): Cập nhật máy chủ không đồng bộ về giá trị của thuộc tính và được xác định bởi tay cầm của nó mà không cần xác nhận Thao tác này không tuân theo trình tự yêu cầu / phản hồi và có thể được gửi bất kỳ lúc nào.
TẦNG ỨNG DỤNG
Tầng ứng dụng, nằm ở vị trí cao nhất trong mô hình cấu trúc phân tầng, là điểm giao tiếp chủ yếu với người sử dụng Tầng này đảm nhận nhiều chức năng quan trọng trong việc cung cấp trải nghiệm người dùng.
Tổng hợp và xử lý dữ liệu từ các tầng, lớp bên dưới.
Đưa ra các xử lý mềm để tương thích với từng trường hợp khai thác dữ liệu khác nhau.
Hỗ trợ giao diện người dùng.
Cấu trúc phân tầng là nền tảng của công nghệ BLE, giúp tối ưu hóa quá trình kết nối, giao tiếp và truyền tin BLE cung cấp các biện pháp bảo mật cho thiết bị và dữ liệu thông qua các thủ tục an ninh Mặc dù có cấu trúc cố định, các nhà phát triển có thể tùy chỉnh và bổ sung theo từng trường hợp sử dụng, tạo điều kiện cho ứng dụng có tính tương thích cao Điều này thể hiện tính mở của công nghệ, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và áp dụng trong các giải pháp truyền thông.
CÁC CẤU HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ BLE
CẤU HÌNH TRUY CẬP CHUNG
Cấu hình truy cập chung (GAP) là nền tảng thiết yếu cho phép các thiết bị Bluetooth Low Energy (BLE) tương tác hiệu quả GAP cung cấp một khuôn khổ tiêu chuẩn mà mọi thiết bị BLE cần tuân thủ để phát hiện lẫn nhau, truyền dữ liệu, thiết lập kết nối an toàn và thực hiện các hoạt động cơ bản khác Điều này rất quan trọng đối với các nhà phát triển, vì họ dựa vào các ngăn xếp giao thức để xây dựng và tối ưu hóa các ứng dụng BLE.
BLE giống như những điểm đầu vào thấp nhất khi cung cấp chức năng API chức năng cho các ứng dụng.
Trong cấu hình GAP, BLE quy định tới các khía cạnh khác nhau khi thực hiện liên kết:
Mỗi thiết bị có thể đảm nhận một hoặc nhiều vai trò đồng thời, với mỗi vai trò đặt ra các yêu cầu hành vi và hạn chế riêng Sự kết hợp nhất định của các vai trò cho phép thiết bị giao tiếp hiệu quả, trong khi GAP xác định chính xác các mối liên hệ giữa các vai trò này Các vai trò luôn được điều chỉnh để phù hợp với từng trường hợp cụ thể của thiết bị.
Chế độ là trạng thái mà thiết bị chuyển sang trong một khoảng thời gian nhất định nhằm đạt được mục tiêu cụ thể hoặc hỗ trợ đối tác thực hiện quy trình nhất định Chế độ này có thể được kích hoạt thông qua hành động của người dùng hoặc tự động khi cần thiết, và các thiết bị thường xuyên chuyển đổi giữa các chế độ để tối ưu hóa hiệu suất.
Thủ tục là chuỗi hành động, thường liên quan đến việc điều khiển lớp liên kết hoặc trao đổi gói, giúp thiết bị đạt được mục tiêu cụ thể Những thủ tục này thường gắn liền với chế độ trên các phương thức ngang hàng khác, vì vậy chúng thường được kết hợp chặt chẽ với nhau.
GAP xây dựng hệ thống bảo mật dựa trên Trình quản lý bảo mật (SM) và Giao thức trình quản lý bảo mật (SMP), xác định các chế độ và thủ tục bảo mật để thực thi trong quá trình trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị Ngoài ra, GAP còn cung cấp các tính năng bảo mật bổ sung không gắn liền với chế độ hay thủ tục cụ thể nào, cho phép sử dụng linh hoạt nhằm nâng cao mức độ bảo vệ dữ liệu theo yêu cầu của từng ứng dụng.
GAP không chỉ giới hạn ở các định nghĩa hiện có mà còn đóng vai trò là trình giữ chỗ cho nhiều định dạng dữ liệu khác nhau, liên quan đến các chế độ và thủ tục được xác định bởi phân tách GAP.
Tất cả các yếu tố liên quan đều ảnh hưởng đến quy trình tạo lập, kết nối và trao đổi dữ liệu trong BLE Các phần tiếp theo sẽ đi sâu vào từng yếu tố này một cách chi tiết.
GAP chỉ định bốn vai trò mà một thiết bị có thể áp dụng để tham gia mạng BLE:
Broadcaster (Đài phát quảng cáo): Như đã được trình bày trong chương
Các đài phát quảng cáo định kỳ phát các gói quảng cáo chứa dữ liệu ra bên ngoài, mà không phát cả hai gói cùng lúc Vai trò của đài phát quảng cáo tương tự như máy phát của Lớp liên kết trong tầng Controller, đảm nhiệm việc phát đi mà không nhận lại dữ liệu.
Vai trò của người quan sát là ghi nhận dữ liệu được nhúng trong các gói quảng cáo từ các đài phát sóng Người quan sát sử dụng chức năng máy quét Lớp Liên kết tầng Controller để thực hiện nhiệm vụ này.
Vai trò trung tâm trong Lớp liên kết là rất quan trọng, vì nó tương ứng với thiết bị chủ (master) có khả năng thiết lập nhiều kết nối với các thiết bị ngoại vi Thiết bị trung tâm không chỉ khởi xướng các kết nối mà còn cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng, đảm bảo sự giao tiếp hiệu quả giữa các thành phần trong hệ thống.
Vai trò của thiết bị ngoại vi trong Lớp liên kết tương ứng với máy thợ (slave), cho phép các trung tâm tìm kiếm và thiết lập kết nối thông qua các gói quảng cáo Giao thức BLE được thiết kế để các thiết bị ngoại vi yêu cầu ít tài nguyên và sức mạnh bộ vi xử lý, mở ra cơ hội cho một thị trường đa dạng với các thiết bị BLE giá rẻ.
Mỗi thiết bị có thể đảm nhận một hoặc nhiều vai trò mà không bị giới hạn bởi các đặc điểm kỹ thuật Mối quan hệ giữa BLE GATT client và server không bị mặc định bởi các vai trò GAP Vai trò GATT như máy khách và máy chủ phụ thuộc vào hướng của các yêu cầu dữ liệu và phản hồi, trong khi các vai trò GAP như thiết bị ngoại vi và trung tâm vẫn không thay đổi.
3.2 Các chế độ và thủ tục
Trong quy trình phát sóng, kết nối, trao đổi và ngắt kết nối, các thủ tục và chế độ của cấu hình GAP luôn được xem xét một cách đồng bộ và chặt chẽ.
Bảng dưới đây trình bày về các chế độ và các thủ tục tương ứng để thực thi các chế độ đó.
Bảng 3: Các chế độ và thủ tục áp dụng
Và ta cũng có bảng chỉ ra các chế độ cần có để thực hiện các thủ tục:
Bảng 4: Các thủ tục và chế độ được yêu cầu
Và ta sẽ lần lượt đi xét từng quá trình trong một chu trình thông tin để thấy rõ sự liên kết giữa các chế độ và thủ tục
3.2.1 Truyền phát và quan sát
Chế độ phát sóng và quan sát trong GAP cho phép các thiết bị gửi dữ liệu một chiều từ đài phát tới nhiều thiết bị đồng đẳng đang lắng nghe Tuy nhiên, đài phát không thể xác nhận liệu dữ liệu đã đến được với người quan sát hay chưa Do đó, sự kết hợp giữa chế độ và thủ tục này chỉ hoạt động theo nguyên tắc phát không cần xác nhận và thu mà không biết liệu dữ liệu đã được nhận bởi một đài phát khác hay chưa.
3.2.2 Khám phá (Discovery) Đây là công việc mà đài phát sẽ đi tìm kiếm và phát hiện ra các đài thu
3.2.2.1 Các chế độ khám phá thiết bị ngoại vi
Các chế độ sau đây cho phép các nhà thiết kế ngoại vi phát triển thiết bị với tính năng linh hoạt, tùy thuộc vào ưu tiên thiết kế như tuổi thọ pin và thời gian kết nối nhanh.
CẤU HÌNH THUỘC TÍNH CHUNG
Cấu hình Thuộc tính Chung (GATT) quy định cách thức trao đổi cấu hình và dữ liệu người dùng qua kết nối BLE, tập trung vào các thủ tục và định dạng truyền dữ liệu Khác với GAP, vốn xác định các tương tác cấp thấp với thiết bị, GATT đảm bảo việc truyền tải thông tin một cách hiệu quả và chính xác.
GATT cung cấp khung tham chiếu cho các cấu hình dựa trên GATT, đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị từ nhiều nhà cung cấp khác nhau Tất cả các thủ tục BLE tiêu chuẩn đều dựa vào GATT và phải tuân thủ các quy tắc của nó để hoạt động chính xác Do đó, GATT đóng vai trò quan trọng trong đặc tả BLE, vì mọi dữ liệu liên quan đến ứng dụng và người dùng đều phải được định dạng, đóng gói và gửi theo quy định của GATT.
GATT sử dụng giao thức ATT để thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị Dữ liệu được tổ chức thành các dịch vụ (Service) và các đặc điểm (Characteristics) liên quan đến người dùng.
Trong nội dung về GATT, ta sẽ đi phân tích theo hai yếu tố chính về tổ chức dữ liệu trong GATT là dịch vụ và đặc điểm
Các thuộc tính là đơn vị dữ liệu cơ bản được xác định bởi GATT, chứa thông tin có thể định địa chỉ và dữ liệu người dùng liên quan Chúng tổ chức cấu trúc và nhóm các thuộc tính khác nhau trên máy chủ Để đảm bảo sự tương tác giữa máy khách và máy chủ, tất cả thông tin cần được sắp xếp theo dạng thuộc tính, vì cả GATT và ATT chỉ hoạt động với các thuộc tính này.
Các thuộc tính trong hệ thống luôn được lưu trữ trên máy chủ và có thể được truy cập cũng như sửa đổi bởi máy khách Thông số kỹ thuật chỉ xác định các thuộc tính về mặt khái niệm mà không yêu cầu việc triển khai ATT và GATT phải tuân theo định dạng hoặc cơ chế lưu trữ cụ thể nào Do các thuộc tính bao gồm cả định nghĩa tĩnh về tính chất bất biến và dữ liệu người dùng (thường là từ cảm biến) có thể thay đổi nhanh chóng theo thời gian, chúng thường được lưu trữ trong sự kết hợp giữa bộ nhớ không thay đổi và RAM.
Mỗi thuộc tính cung cấp thông tin chi tiết về bản thân và sau đó là dữ liệu thực tế được tổ chức trong các trường sẽ được mô tả trong các phần tiếp theo.
Bộ xử lý thuộc tính là mã định danh 16 bit duy nhất cho mỗi thuộc tính trên máy chủ GATT, giúp xử lý các thuộc tính và ngăn chặn thay đổi khi thiết bị ngoại vi kết nối Trên máy chủ có hàng chục thuộc tính khác nhau, và giá trị tăng dần của các handle xác định chuỗi thuộc tính mà máy khách có quyền truy cập.
UUID là loại thuộc tính cơ bản, bao gồm các loại 16 bit (2 byte), 32 bit (4 byte) và 128 bit (16 byte) Mỗi loại UUID giúp xác định dữ liệu khai thác trong thuộc tính và các cơ chế khám phá dựa trên loại của chúng Có hai loại UUID chính.
- UUID đặc trưng cho loại dữ liệu có trong thuộc tính: đo nhịp tim, nhiệt độ
- UUID độc quyền: dành riêng cho nhà cung cấp, ý nghĩa và mục đích sử dụng sẽ do nhà cung cấp quy định.
Sự cho phép sẽ xác định hoạt động ATT có thể thực hiện trên từng thuộc tính cụ thể và các yêu cầu bảo mật đi kèm.
Theo đó, ATT và GATT xác định các quyền sau:
Quyền truy cập xác định khả năng của máy khách trong việc đọc hoặc ghi giá trị thuộc tính Mỗi thuộc tính có thể được phân loại theo các quyền truy cập khác nhau, bao gồm quyền đọc, quyền ghi hoặc cả hai.
- None: Thuộc tính không thể được đọc hoặc ghi bởi một máy khách.
- Readable: Thuộc tính có thể được đọc bởi một máy khách.
- Writable: Thuộc tính có thể được ghi bởi một máy khách.
- Readable and writable: Thuộc tính có thể được đọc và được ghi bởi máy khách.
Mã hóa là quá trình xác định liệu có cần thiết phải thiết lập mã hóa cho các thuộc tính để máy khách có thể truy cập Các quyền mã hóa này được quy định theo định nghĩa của GATT.
Máy khách có thể truy cập vào thuộc tính này mà không cần mã hóa, vì nó được trình bày dưới dạng văn bản thuần túy, đảm bảo tính minh bạch và dễ dàng sử dụng.
Để truy cập thuộc tính này, yêu cầu mã hóa phải được thực hiện trong Chế độ bảo mật 1, mức 2 Kết nối cần phải được mã hóa, tuy nhiên, các khóa mã hóa không yêu cầu phải được xác thực.
- Yêu cầu mã hóa đã xác thực (Chế độ bảo mật 1, mức 3): Kết nối phải được mã hóa bằng khóa xác thực để truy cập thuộc tính này.
Uỷ quyền là quá trình xác định liệu người dùng có cần được cấp quyền truy cập vào thuộc tính này hay không Một thuộc tính chỉ có thể được thiết lập ở hai trạng thái: yêu cầu ủy quyền hoặc không yêu cầu ủy quyền.
- Không cần ủy quyền: Quyền truy cập vào thuộc tính này không yêu cầu ủy quyền.
- Phải cần uỷ quyền: Quyền truy cập vào thuộc tính này yêu cầu ủy quyền.
Giá trị thuộc tính chứa dữ liệu thực tế và có thể bao gồm nhiều loại dữ liệu khác nhau, có thể chuyển đổi giữa các loại dựa trên kiểu thuộc tính Độ dài tối đa của giá trị là 512 byte Tập hợp các thuộc tính trên máy chủ GATT có thể được hình dung như một bảng, trong đó mỗi hàng đại diện cho một thuộc tính duy nhất và mỗi cột thể hiện các phần khác nhau của thuộc tính đó.
Bảng 7 : Các thuộc tính giá trị đặc trưng
Nhìn từ bảng trên ta thấy:
- Thứ tự các handle được sắp xếp theo chiều tăng.
- Các thuộc tính có sự đa dạng trong định dạng bằng UUID.