(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chuẩn IEEE 802.15.1 và ứng dụng xây dựng giao diện kết nối giữa các thiết bị hỗ trợ thu thập thông tin sức khỏe cá nhân

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BOUALAPHANH Vilaivanh

NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG
XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ
THU THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN - 2021


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BOUALAPHANH Vilaivanh

NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG
XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ
THU THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hải Minh

THÁI NGUYÊN - 2021

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên: BOUALAPHANH Vilaivanh
Lớp cao học: CHKTVT K18 Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền
thông- Đại học Thái Nguyên.
Chuyên ngành: KTVT K18
Em xin cam đoan luận văn: “NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG
DỤNG XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ THU
THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN” đây là cơng trình ngun cứu của em
trong thời gian qua. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn trung thực, số liệu tham
khảo trích dẫn theo đúng quy định và đúng quy định.
Học viên thực hiện

BOUALAPHANH Vilaivanh

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập ở Việt Nam và thực hiện luận văn thạc sỹ em đã nhận
được rất nhiều sự khích lệ, động viên, giúp đỡ từ cha mẹ, người thân trong gia đình,
và bạn bè xung quanh. Em xin chân thành cảm ơn sự động viên và sự giúp đỡ hết sức
quý báu đó.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong trường Đại học Công
nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy đã truyền đạt vốn
kiến thức quý báu cho chúng em.
Em xin cảm ơn chân thành tới thầy giáo, TS. Nguyễn Hải Minh, người đã trực
tiếp hướng dẫn em luận văn thạc sỹ này.
Với đề tài "NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG XÂY
DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ THU THẬP THÔNG

TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN” các nhân em cần phải tự tìm hiểu, tự nghiên cứu thêm
nhiều kiến thức mới. Nhưng do thời gian có hạn, vốn ngơn ngữ cịn hạn chế, kỹ năng
làm việc với các ngơn ngữ lập trình hiện đại của em cịn nhiều khó khăn. Do đó, luận
văn thạc sỹ nhưng có thể luận văn thạc sỹ vẫn cịn có những thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cơ và các bạn để luận
văn thạc sỹ hồn thiện hơn.

Học viên thực hiện

BOUALAPHANH Vilaivanh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM đOAN ..............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................x
KÝ HIỆU CHỨ VIẾT TẮT ............................................................................................x
NỘI DUNG VIẾT TẮT...................................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Giới thiệu tổng quan về Bluetooth .......................................................................1
1.1.1. Khái niệm Bluetooth. ....................................................................................................... 1
1.1.2. Lịch sử, hình thành và phát triển của Bluetooth............................................................ 1
1.1.3. Các đặc điểm của Bluetooth............................................................................................ 2
1.2. Chuẩn IEEE 802.15.1: WPAN / Bluetooth ..........................................................2
1.3. Chuẩn IEEE 802.15.3: High Rate WPAN ...........................................................5

1.4. IEEE 802.15.3b-2006 ...........................................................................................5
1.5. IEEE 802.15.3c-2009 ...........................................................................................6
1.6. Ứng dụng của Bluetooth ......................................................................................6
1.7. Vấn đề về an toàn và bảo mật trong Bluetooth ....................................................7
1.7.1. An toàn bảo mật trong Bluetooth: .................................................................................. 7
1.7.2. Phần mơ tả về an tồn bảo mật: ...................................................................................... 9
1.7.3. Nhìn sơ về bảo mật Bluetooth: ..................................................................................... 10
Kết luận chương 1: ....................................................................................................12
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT KẾT NỐI BLUETOOTH ...................13
2.1. Giới thiệu chung .................................................................................................13
2.2. Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth ................................................13
2.2.1. Master Unit ..................................................................................................................... 13
2.2.2. Slaver Unit ...................................................................................................................... 13
2.2.3. Piconet ............................................................................................................................. 14

iii


2.2.4. Scatternet ......................................................................................................................... 15
2.2.5. Kết nối theo kiểu ad hoc ................................................................................................ 17
2.2.6. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth ............................................................ 17
2.2.7. Trạng thái của thiết bị Bluetooth................................................................................... 18
2.2.8. Các chế độ kết nối .......................................................................................................... 18
2.3. Bluetooth Radio .................................................................................................19
2.3.1. Ad Hoc Radio Connectivity.......................................................................................... 19
2.3.2. Kiến trúc của hệ thống Bluetooth Radio ...................................................................... 20
2.4. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần trong công nghệ Bluetooth .......................................22
2.4.1. Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây .......................................................... 22
2.4.2. Kĩ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth ......................................................... 23
2.5. Cách thức hoạt động của Bluetooth ...................................................................25

2.5.1. Cơ chế truyền và sửa lỗi ................................................................................................ 25
2.5.2. Quá trình hình thành Piconet......................................................................................... 26
2.5.3. Quá trình hình thành Scatternet..................................................................................... 28
2.6. Các tầng giao thức trong Bluetooth ...................................................................29
2.6.1. Bluetooth Radio.............................................................................................................. 30
2.6.2. BaseBand ........................................................................................................................ 31
2.6.3. Link Manager Protocol .................................................................................................. 37
2.6.4. Host Controller Interface ............................................................................................... 37
2.6.5. Logical link control and adaption protocol (L2CAP)................................................. 39
2.6.6. RFCOMM Protocol ....................................................................................................... 41
2.6.7. Service Discovery Protocol ........................................................................................... 42
2.7. Bluetooth Profiles...............................................................................................44
2.8. Vấn đề sử dụng năng lượng trong Bluetooth .....................................................46
2.8.1. Giới thiệu......................................................................................................................... 46
2.8.2. Việc sử dụng và quản lý năng lượng trong công nghệ Bluetooth ............................. 46
Kết luận chương 2: ....................................................................................................51
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ BLUETOOTH .... 52
3.1. Giao tiếp bluetooth trên Symbian ......................................................................52
3.1.1. Các ứng dụng Bluetooth trên các thiết bị sử dụng hệ điều hành Symbian:.............. 52

iv


3.1.2. Các cơng cụ phát triển và ví dụ:.................................................................................... 52
3.2. Tổng quan về Bluetooth API..............................................................................52
3.2.1. Các nhóm hàm Bluetooth API:..................................................................................... 54
3.2.2. Quan hệ giữa các nhóm hàm API: ............................................................................... 54
3.3. Một vài kiểu dữ liệu Bluetooth thông dụng .......................................................55
3.4. Bluetooth Sockets ...............................................................................................57
3.4.1. Mở và cấu hình Bluetooth Socket : .............................................................................. 58

3.4.2. Xây dựng Bluetooth Socket Server : Lắng nghe và chấp nhận kết nối từ thiết bị là
Client : ........................................................................................................................................ 59
3.4.3. Xây dựng Bluetooth Socket Client : Tìm kiếm và kết nối tới thiết bị là Server. ..... 61
3.4.4. Trao đổi dữ liệu thông qua Bluetooth socket : ............................................................ 65
3.5. Bluetooth Service Discovery Database ..............................................................67
3.5.1. Kết nối vào Bluetooth Service Discovery Database :................................................. 67
3.5.2. Đăng kí một dịch vụ vào Service Database :............................................................... 68
3.5.3. Thiết lập các thuộc tính trong một Service Record:.................................................... 70
3.6 Bluetooth Service Discovery Agent ....................................................................70
3.6.1. Truy vấn các dịch vụ trên thiết bị khác với Bluetooth Service Discovery Agent:... 71
3.6.2. Tìm kiếm các thuộc tính dịch vụ: ................................................................................. 72
3.6.3. Tạo ra đối tượng để quản lý các kết quả truy vấn: ...................................................... 73
3.7 Bluetooth security manager.................................................................................74
3.7.1. Tổng quan ....................................................................................................................... 74
3.7.2. Kết nối vào Bluetooth Security Manager. ................................................................... 74
3.7.3. Thiết lập các chế độ bảo mật : ....................................................................................... 75
3.8. Bluetooth Device Selection UI...........................................................................76
3.9. Xây dựng ứng dụng Bluetooth trên Symbian OS với Series 60 SDK ...............79
3.9.1. Sự khác nhau về Bluetooth trên thiết bị ảo và thiết bị thật. ........................................ 80
3.9.2. Các yêu cầu về phần cứng và phần mềm cho việc phát triển ứng dụng Bluetooth
với Series 60 SDK : .................................................................................................................. 81
3.9.3. Cài đặt và cấu hình thiết bị USB Bluetooth................................................................. 81
3.10 Xây dựng ứng dụng minh họa ...........................................................................82
3.10.1. Phần Server ................................................................................................................... 87

v


3.10.2. Phần Client.................................................................................................................... 90
3.10.3. Thực hiện truyền và nhận dữ liệu : ............................................................................. 94

3.11 Thiết bị y tế có kết nối bluetooth ......................................................................95
3.11.1 MÁY ĐO HUYẾT ÁP BẮP TAY KẾT NỐI BLUETOOTH BEURER BM77 95
3.11.2 Máy massage xung điện BEURER EM95 BLUETOOTH ..................................... 96
3.11.3 Cân phân tích cơ thể BEURER BF950 BLUETOOTH........................................... 97
Kết luận chương 3 .....................................................................................................98
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................100

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Q trình thiết lập kênh truyền .......................................................................11
Hình 2.1 Một Piconet trong thực tế. ..............................................................................14
Hình 2.2 Piconet gồm 1 Slave. ......................................................................................15
Hình 2.3 Piconet gồm nhiều Slave. ...............................................................................15
Hình 2.4 Một Scatternet gồm 2 Piconet. .......................................................................16
Hình 2.5 Sự hình thành một Scatternet theo cách 1. .....................................................16
Hình 2.6 Sự hình thành một Scatternet theo cách 2. .....................................................17
Hình 2.7 Kĩ thuật trải phổ nhảy tần số...........................................................................23
Hình 2.8 Các Packet truyền trên các tần số khác nhau. .................................................23
Hình 2.9 Các Packet truyền trên khe thời gian. .............................................................24
Hình 2.10 Cấu trúc gói tin Bluetooth ............................................................................24
Hình 2.11 Access code ..................................................................................................24
Hình 2.12 Cấu tạo một packet. ......................................................................................25
Hình 2.13 Mơ hình piconet ............................................................................................26
Hình 2.14 Q trình truy vấn tạo kết nối. ......................................................................27
Hình 2.15 Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế. .....................................28
Hình 2.16 Minh hoạ một Scatternet. .............................................................................29
Hình 2.17 Bluetooth Protocol Stack ..............................................................................29

Hình 2.18 Các tầng nghi thức Bluetooth .......................................................................30
Hình 2.19 Frequency hopping .......................................................................................31
Hình 2.20 Piconet ..........................................................................................................32
Hình 2.21 Scatternet ......................................................................................................33
Hình 2.22 Định dạng gói tin Bluetooth .........................................................................34
Hình 2.23 Host Controller Interface ..............................................................................37
Hình 2.24 Host controller transport layer ......................................................................38
Hình 2.25 Bluetooth v1.1 profiles .................................................................................46
Hình 2.26 Hold Mode Interaction .................................................................................48
Hình 2.27 Sniff Mode Interaction .................................................................................49
Hình 3.1 Kiến trúc Bluetooth Stack ..............................................................................53

vii


Hình 3.2 Quan hệ giữa các nhóm hàm Bluetooth API. .................................................55
Hình 3.3 Bluetooth Data Element Types .......................................................................56
Hình 3.4 Bluetooth Sockets ...........................................................................................58
Hình 3.5 Các bước khởi tạo Bluetooth Socket Server ..................................................59
Hình 3.6 Sự khác biệt giữa chồng giao thức Bluetooth trên thiết bị thật và trên máy ảo .....80
Hình 3.7 Cấu hình Bluetooth COM port cho thiết bị giả lập ........................................82
Hình 3.8 Qui trình kết nối và gửi nhận dữ liệu .............................................................84
Hình 3.9 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại. ................................................85
Hình 3.10 Mơ tả chức năng các lớp của phần ứng dụng trên điện thoại. ......................86
Hình 3.11 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại (Server) .................................87
Hình 3.12 Quảng bá dịch vụ của Server ........................................................................88
Hình 3.13 Nhận dữ liệu từ Client ..................................................................................89
Hình 3.14 Truyền dữ liệu phonebook tới client ............................................................90
Hình 3.15 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại (Client) .................................90
Hình 3.16 Sơ đồ tìm kiếm thiết bị .................................................................................91

Hình 3.17 Sơ đồ UML truy vấn dịch vụ trên thiết bị ....................................................92
Hình 3.18 Giao diện của thiết bị ....................................................................................96
Hình 3.19 Giao diện của BEURER EM95 ....................................................................97
Hình 3.20 Giao diện máy phân tích cơ thể BEURER BF950 .......................................98

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Mô tả các hàm quảng bá dịch vụ ...................................................................88
Bảng 3.2 Mơ tả các hàm tìm thiết bị .............................................................................91
Bảng 3.3 Mô tả các hàm truy vấn dịch vụ .....................................................................92

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU CHỨ VIẾT TẮT

NỘI DUNG VIẾT TẮT

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISM

Industrial, Scientific, Medical

SIG

Special Interest Group

EDR

Enhanced Data Rate

HS

High Speed

LE

low energy

WPAN

Wireless Personal Area Networks

SSID

System Set Identifer

AP

Access Point

WEP

Wired Equivalency Privacy

PDU

Protocol Data Unit

PDA

Personal Digital Assistant

MAC

Media Access Control

AMA

Active Member Address

PMA

Packed Member Address

ACL

Asynchronous connectionless

SCO

Synchronous connection-oriented

CRC

Cyclic Redundancy Check

GSM

Global System for Mobile Communications

DECT

Digital Enhanced Cordless Telecommunications

PHS

Personal Handyphone System

TDD

timedivision duplex

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

FEC

Forward Error Correction

TS

timeslot

CRC

Cyclic Redundancy Check

FEC

Forward Error Correction

x


BEC

Backward Error Control

LMP

Link Manament Protocol

L2CAP
RFCOMM

Logical Link Control and Adaptation Protocol
Radio Frequency Communication

SDP

Service Discovery Protocol

TCP

Telephony Control Protocol

AP

Adopted Protocols

SCO

Synchronous Connection Oriented

ACL Link

Asynchronous Connectionless Link

CAC

Channel Access Code

DAC

Device Access Code

IAC

Inquiry Access Code

LM

Link Manager

PDU

Protocol Data Unit

HCI

Host Controller Interface

TD

Transmit Data

RD

Received Data

RTS

Request to Send

CTS

Clear to Send

DSR

Data Set Ready

DTR

Data Terminal Ready

CD

Data Carrier Detect

RI

Ring Indicator

PDU

protocol data unit

UUID

Universal Unique Indentifier

SDP

Service Discovery Database

BSM

Bluetooth Security Manager

xi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu tổng quan về Bluetooth
1.1.1 Khái niệm Bluetooth.
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp
với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vơ tuyến qua băng tần chung ISM
(Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40- 2.48 GHz. Đây là dãy băng tầng
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.
1.1.2. Lịch sử, hình thành và phát triển của Bluetooth
1.1.2.1. Lịch sử tên Bluetooth:
Tên gọi Bluetooth được đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch - Harald
Bluetooth. Ông vốn nổi tiếng về khả năng giúp mọi người có thể giao tiếp, thương
lượng với nhau. Các nhà nghiên cứu đã dùng tên này để nhấn mạnh việc các thiết bị có
thể trao đổi, kết nối với nhau qua công nghệ Bluetooth.
Ban đầu, Sven Mattison và Jaap Haartsen – hai nhân viên của Ericsson (hiện
nay là Sony Ericsson và Ericsson Mobile Platforms) đã phát triển những tính năng đầu
tiên của Bluetooth vào năm 1994. Sau đó Bluetooth Special Interest Group (SIG) tiếp
tục triển khai công nghệ này từ ngày 20/5/1999.
Dần dần, Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia cùng nhiều công ty khác

đã tham gia phát triển công nghệ không dây tầm gần này nhằm hỗ trợ việc truyền dữ
liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng
cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs). Do đó, Bluetooth cịn
được gọi là IEEE 802.15.1.

1


1.1.3. Các đặc điểm của Bluetooth.
- Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị,
bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động
- Giá thành hạ (Giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống dưới
mức 5$ một đơn vị).
- Khoảng cách giao tiếp cho phép :
• Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngồi trời, và 5m
trong tịa nhà.
• Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngồi trời
và 30m trong tịa nhà.
- Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM.
Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các
thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (light-of-sight requirements)
- Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này
với một ứng dụng khác thơng qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thể độc lập
về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
- Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
- An tồn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa ( build in
authentication and encryption)
- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần
mềm hỗ trợ.

1.2. Chuẩn IEEE 802.15.1: WPAN / Bluetooth
 Bluetooth v1.0 và v1.0B
Phiên bản 1.0 và 1.0B có rất nhiều vấn đề và khiến các nhà sản xuất gặp khó
khăn để làm cho sản phẩm của mình tương thích.
 Bluetooth v1.1
Được phê chuẩn với tên gọi IEEE Standard 802.15.1-2002, các lỗi của phiên
bản 1.0B được sửa chữa, thêm khả năng tiếp nhận các kênh khơng mã hóa và có thể
thơng báo sức mạnh tính hiệu.

2