NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo mô HÌNH ROBOT điều KHIỂN từ XA BẰNG GIỌNG nói

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH
ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Lê Văn Chương
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp

Phan Hữu Lâm
1151083798

:

52K - ĐTVT

Nghệ An, 2016
1


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Lê Văn Chương đã tận tình
hướng dẫn và định hướng cho em trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành đề tài
này một cách tốt nhất.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông
đã nhiệt tình, tận tụy dạy dỗ, cung cấp cho em những kiến thức nền vững chắc trong

suốt 5 năm học qua.
Thời gian thực hiện đồ án có hạn nên mặc dù em đã cố gắng để hoàn thành đồ
án một cách tốt nhất nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các
thầy cô trong khoa tận tình chỉ bảo và góp ý kiến để đồ án này được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe và thành công nhiều hơn
nữa trong sự nghiệp giáo dục cao quý.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA...................................9
1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA.......................................9
CHƯƠNG 2.............................................................................................................29
HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ DỊCH VỤ GOOGLE VOICE............................29
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT............................................................45
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI...........................................................45

3


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đồ án nghiên cứu về hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, các kiến thức
cơ bản về board mạch Arduino để thiết kế, chế tạo mô hình Robot. Nghiên cứu về
hệ điều hành android để từ đó thiết kế phần mềm điều khiển bằng giọng nói trên
smartphone ứng dụng vào điều khiển mô hình Robot từ xa bằng giọng nói thông
qua kết nối Bluetooth.

ABSTRACT

The thesis research about the Bluetooth remote control system, the basics
knowledge of Arduino circuit for designing and manufacturing the Robot model.
Researching about the android operating system in order to design remote control
software by voice on smartphone applying to Robot model remote controll by voice
via Bluetooth.

4


MỞ ĐẦU
Ngày nay, các hệ thống Robot đóng một vai trò quan trọng trong việc phát
triển và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ. Robot đã được ứng dụng rộng
rãi trong quân sự, công nghiệp và nông nghiệp để thay thế con người làm việc trong
những môi trường độc hại, nguy hiểm.
Bên cạnh đó, hiện nay các công nghệ nhận dạng giọng nói đang phát triển
mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi như Google voice, Via voice,… thì việc điều khiển
từ xa bằng giọng nói sẽ được ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Xuất phát từ những
nhận định trên nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình
Robot điều khiển từ xa bằng giọng nói” làm đồ án tốt nghiệp.
Nội dung đồ án được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển từ xa
Chương 2: Hệ điều hành Android và dịch vụ Google voice
Chương 3: Thiết kế, chế tạo mô hình Robot điều khiển từ xa bằng giọng nói
Mặc dù có nhiều cố gắng, tuy nhiên do thời gian và điều kiện thực hiện còn
nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng
như phần thể hiện rất mong thầy, cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm để đồ án
hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ an, ngày 23 tháng 05 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Phan Hữu Lâm

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ

6


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng
Bảng 1.1
Bảng 2.1
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Hình 3.4

Tên bảng
Các phiên bản Bluetooth
Các phiên bản của hệ điều hành Android
Một vài thông số của board mạch Arduino Uno R3
Thông số kỹ thuật của ATMEGA328
Giá trị các motor tương ứng với các chức năng
Đặc điểm kỹ thuật của module Bluetooth HC05

Trang
16
31

47
48
49
51

7


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
ERD
IOT
PIN
MAC
AMA
PMA
ACL
SCO
FHSS
TS
FEC
BEC
LMP
NLP
I/O
DC
RX
TX
PWM

Từ đầy đủ
Enhanced data rate
Internet of things
Persional identification Number

Nghĩa
Tốc độ dữ liệu nâng cao

Số nhận dạng cá nhân
Kiểm soát truy cập phương tiện
Media Access Control
truyền thông
Active Member Address
Thành viên địa chỉ
Packed Member Address
Đóng gói thành viên địa chỉ
Asynchronous connectionless
Kết nối không đồng bộ
Synchronous connection-oriented Kết nối đồng bộ có hướng
Frequency Hopping Spectrum
Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số
Timeslot
Khe thời gian
Forward Error Correction
Sửa lỗi chuyển tiếp
Backward Error Control
Kiểm soát lỗi ngược
Link Manament Protocol
Giao thức quản lý liên kết
Natural Language Processing

Xử lý ngôn ngữ tựnhiên
Input/Output
Vào/Ra
Direct Current
Một chiều
Receiver
Thu
Transmitter
Phát
Pulse width modulation
Điều chế độ rộng xung

8


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị
từ một khoảng cách xa. Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều
khiển bằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, hệ thống điều
khiển từ xa bằng cáp quang, dây dẫn.
Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:
- Thiết bị phát: Biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi, ở trong thiết
kế này em sử dụng thiết bị phát thiết bị phát là điện thoại Android.
- Đường truyền: Đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu. Trong
thiết kế em sử dụng Bluetooth.
- Thiết bị thu: Nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến
đồi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành. Trong

thiết kế của em thì thiết bị thu là module Bluetooth HC05.

Hình 1.1. Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa
Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:
- Phát tín hiệu điều khiển
- Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết.
- Tổ hợp xung thành mã.
- Tổ hợp xung thành mã.
- Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã
nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị đồng thời kiểm tra sự
chính xác của mã mới nhận.
1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa
Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta phải
9


nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và
nhanh chóng theo những yêu cầu sau:
1.1.1.1. Kết cấu tin tức
Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ nhiều
đến đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: Về lượng và về
chất. Về lượng là cách biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành loại xung gì
cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp gì cho phù hợp, và
những xung đó cần áp dụng những phương pháp nào để hợp thành tin tức, để có
dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền nhanh nhất.
1.1.1.2. Về kết cấu hệ thống
Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các
yêu cầu sau:
- Tốc độ làm việc nhanh
- Kết cấu phải đơn giản

- Thiết bị phải an toàn, tin cậy
Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển
cực đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép.
1.1.2. Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa
Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đã
được rời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi
thành số (thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát. Ở thiết bị
thu, các tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi
trên: giải mã, liên tục hóa,…
1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
1.2.1. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại
Hầu hết các thiết bị trong gia đình đều sử dụng loại điều khiển từ xa bằng
hồng ngoại như tivi, điều hòa, quạt,…
- Tia hồng ngoại: Là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, tia
hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. Tia hồng ngoại có thể truyền đi
được nhiều kênh tín hiệu. Nó ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin
có thể đạt được tới 3Mbit/s.
10


Hình 1.2. Tv sử dụng điều khiển bằng hồng ngoại
Nguồn phát hồng ngoại: Các nguồn sáng nhân tạo như Diode, laser, đèn huỳnh
quang, photodiode. Linh kiện thu sóng hồng ngoại: Quang điện trở, phototransistor,
photodiode.

Hình 1.3. Module thu phát hồng ngoại
- Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng hồng
ngoại của quang phổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu
đến thiết bị cần điều khiển. Nó đóng vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát ra các
xung ánh sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể. Khi ta ấn một nút phía

bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần điều khiển
sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó.
11


- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia
hồng ngoại:
- Ưu điểm:
+ Không dây dẫn
+ Led phát và thu nhỏ gọn, dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao
+ Áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ
+ Điều khiển được nhiều thiết bị
+ Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và thi công dễ
- Nhược điểm:
+ Tầm xa bị hạn chế
+ Dòng điện cao tức thời
+ Nhiều hồng ngoại do các nguồn nhiệt xung quanh ta phát ra, nên có ảnh
hưởng và hạn chế tầm phát. Do đó chỉ dùng trong phòng, kho và nơi ít bị ảnh hưởng
của nhiệt độ môi trường
+ Hạn chế khi bị vật cản nên không thể truyền được xa
1.2.2. Điều khiển từ xa bằng Bluetooth
Công nghệ Bluetooth đã được ứng dụng vào điều khiển các thiết bị và đang
phổ biến rộng rãi. Hầu hết các thiết bị thông minh đều tích hợp công nghệ Bluetooth
vào để có thể trao đổi dữ liệu, điều khiển từ xa,…

Hình 1.4. Chụp ảnh từ xa trên điện thoại bằng điều khiển qua bluetooth
12


Hình 1.5. Điều khiển Robot bằng điện thoại qua Bluetooth

Một số ưu điểm và nhược điểm của điều khiển từ xa bằng bluetooth:
- Ưu điểm
+ Tiêu thụ năng lượng thấp.
+ Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị cầm tay và điện thoại di động
+ Giá thành ngày một giảm.
+ Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa 2 thiết bị kết nối có thể lên đến 100m
+ Sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 1Mbps mà các
thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau.
+ Tính tương thích cao và được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần
mềm hỗ trợ.
- Nhược điểm
+ Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác.
+ Chỉ kết nối được 2 thiết bị với nhau, không kết nối được thành mạng.
1.2.3. Điều khiển từ xa bằng wifi
Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có
những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống
điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh. Hiện nay, có khá
nhiều công nghệ không truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wifi, Bluetooth,
NFC,…Trong đó, Wifi là một trong những công nghệ được phát triển rất nhanh
chóng và mạnh mẽ trong các hệ thống thông minh.
13


Vì vậy việc điều khiển từ xa bằng wifi sẽ được phát triển nhanh chóng và
được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Hình 1.6. Các thiết bị trong gia đình điều khiển qua wifi
Một số ưu điểm của điều khiển từ xa bằng wifi:
- Ưu điểm
+ Điều khiển khoảng cách xa

+ Có thể điều khiển được nhiều thiết bị một lúc
+ Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị cầm tay và điện thoại di động
+ Giá thành rẻ
+ Tính tương thích cao và được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần
mềm hỗ trợ.
1.2.4. Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến

Hình 1.7. Bộ điều khiển sóng RF một thiết bị
14


- Hệ thống điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến bao gồm máy phát và máy
thu. Máy phát có nhiệm vụ phát ra lệnh điều khiển truyền ra môi trường dưới dạng
sóng điện từ mang theo tin tức điều khiển. Máy thu thu tín hiệu từ môi trường, xử lý
và đưa ra lệnh điều khiển đến mạch chấp hành. Đặc điểm của hệ thống này là phải
dùng Anten để bức xạ tín hiệu đối với máy phát và thu tín hiệu đối với máy thu.
- Nguyên lý hoạt động:
Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển
bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng
vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị
được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó. So với loại điều khiển IR, lợi thế lớn
nhất của nó chính là phạm vi truyền tải rộng, có thể sử dụng cách thiết bị cần điều
khiển đến hơn 30 mét đồng thời có thể điều khiển xuyên tường, kính.
- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến:
- Ưu điểm:
+ Truyền tín hiệu với khoảng cách xa
+ Không bị ảnh hưởng bởi vật cản
+Tầm phát rộng nhiều hướng khác nhau nên có thể điều khiển nhiều thiết bị
cùng một lúc.
- Nhược điểm:

+ Hệ thống phức tạp khi có thêm anten
+ Hay bị ảnh hưởng nhiễu gây méo hoặc sai tín hiệu
+ Mã hóa phức tạp hơn
1.3. ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG BLUETOOTH
1.3.1. Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth
1.3.1.1. Sự ra đời Bluetooth
Bluetooth hiện tại là công nghệ giao tiếp không dây phổ biến nhất trên các
thiết bị di động và có lẽ bạn cũng đã ít nhất một lần truyền nhận dữ liệu hay nghe
nhạc qua Bluetooth. Gần một nghìn năm sau cái chết của vua Harald Bluetooth, vị
vua người Thụy Điển đã thống nhất được các vùng đất tại bán đảo Scandinavia để
quy về một mối dưới triều đại Viking vào thế kỷ thứ 10, năm 1994 hãng công nghệ
Thụy Điển, Ericsson, đã nảy ra cái tên Bluetooth cho công nghệ không dây mà họ
15


đang phát triển với mong muốn rằng công nghệ này có thể thực hiện được sứ mệnh
“chuẩn hóa” và thống nhất các kết nối không dây giữa những nhà sản xuất thiết bị
cầm tay. Logo Bluetooth là sự kết hợp của 2 ký tự Rune cổ: (Hagall) và (Bjarkan)
tương đương với 2 ký tự H và B trong chữ Latin là viết tắt của Harald Bluetooth.
Sau đó, Bluetooth được liên minh Bluetooth SIG với các thành viên chính là những
hãng sản xuất phần cứng lớn nhất thời bấy giờ như Nokia, Ericsson, Intel, IBM,
Toshiba… và công bố phiên bản đầu tiên vào năm 1998.
1.3.1.2. Các phiên bản Bluetooth
Bảng 1.1. Các phiên bản Bluetooth
Phiên bản

Bluetooth 1.0

Chi tiết
Là phiên bản đầu tiên của chuẩn kết nối Bluetooth được

đưa vào sử dụng với tốc độ truyền tải dữ liệu là 1Mbs, tuy
nhiên thực tế tốc độ của phiên bản này chỉ đạt được mức
720kbs.
Là phiên bản nâng cấp sau Bluetooth 1.0 được nâng cấp
tốc độ truyền tải lên 2.1 Mbs cùng với chế độ truyền tải

Bluetooth
2.0+ERD

mới ERD (enhanced data rate). Phiên bản 2.1 được nâng
cấp về tốc độ truyền tải nhưng lại hạn chế trên thiết bị sử
dụng do ERD chỉ là chế độ tùy chọn, một số nhà sản xuất
đã không đưa chế độ này vào sản phẩm của mình để giảm
chi phí sản xuất.
Được nâng cấp từ Bluetooth 2.0 vào năm 2007 với thay
đổi quan trọng như hiệu năng cao hơn, giảm điện năng tiêu

Bluetooth

thụ. Phiên bản này được sử dụng trên các thiết bị như điện

2.1+ERD

thoại di động, laptop, tai nghe ….. Tuy nhiên, Bluetooth
2.1 vẫn chưa cho người dùng truyền tải các tập tin có dung
lượng lớn.
Năm 2009 buetooth 3.0 ra đời với thay đổi lớn về tốc độ

Bluetooth

truyền tải, đạt 24Mbps ở phiên bản này các thiết bị có thể

3.0+HS

tương tác dễ dàng với nhau hơn, có thể tự dò tìm các thiết

Bluetooth 4.0

bị ở gần.
Là sự kết hợp của các đời Bluetooth trước đó với nhau.
Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ
dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng tiêu thụ
16


Phiên bản

Bluetooth 4.1

Chi tiết
thấp. Đây là chuẩn Bluetooth được sử dụng trên hầu hết
các thiết bị hiện nay.
Là phiên bản mới nhất ra đời đầu năm 2014 với nhiều cải
tiến vượt bậc so với Bluetooth 4.0.
Bluetooth v4.2 được phát hành vào 02 tháng 12, năm
2014. Nó giới thiệu một số tính năng quan trọng cho IOT
(internet of things). Một số tính năng, chẳng hạn như dữ

Bluetooth 4.2

liệu chiều dài mở rộng, yêu cầu cập nhật phần cứng.Tuy
nhiên, một số phần cứng Bluetooth cũ có thể nhận được
một số tính năng Bluetooth v4.2, chẳng hạn như cập nhật
bảo mật thông qua firmware.

1.3.2. Các vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth
1.3.2.1. Bảo mật
Khi sử dụng công nghệ Bluetooth, chắc hẳn mọi người ai cũng quan tâm đến
vấn đề bảo mật của nó. Tùy thuộc vào cách nó được cấu hình mà công nghệ
Bluetooth có thể khá an toàn, tuy nhiên nhiều thiết bị Bluetooth có số lượng ngắn
các chữ số sử dụng trong mã PIN có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị này. Nếu ai
đó có thể phát hiện ra thiết bị Bluetooth của bạn, thì người này hoàn toàn có khả
năng gửi các tin nhắn không yêu cầu và lạm dụng dịch vụ Bluetooth hoặc xâm nhập
hay sửa đổi dữ liệu của bạn. Các virut hoặc các mã nguy hiểm khác cũng có thể lợi
dụng công nghệ này để làm hại thiết bị. Nếu đã bị xâm nhập, dữ liệu của bạn có thể
sẽ bị sửa đổi, làm tổn hại hay bị đánh cắp hoặc mất.
1.3.2.2. Phương pháp bảo vệ
Vô hiệu hóa Bluetooth khi không sử dụng chúng. Trừ khi bạn kích hoạt việc
truyền tải thông tin từ thiết bị này đến một thiết bị khác, nếu không bạn nên vô hiệu
hóa công nghệ này để tránh những người không hợp lệ có thể xâm nhập.
Sử dụng Bluetooth trong chế độ ẩn, khi kích hoạt Bluetooth hãy đặt nó trong
trạng thái “ không thể phát hiện “. Chế độ ẩn nhằm ngăn chặn các thiết bị khác nhận
ra thiết bị của bạn. Điều này không ngăn cản bạn kết nối đến các thiết bị Bluetooth
khác. Thậm chí cả hai cũng có thể nhận ra nhau để kết nối nếu chúng cùng trong
chế độ ẩn.
17


Các thiết bị như điện thoại di động và tai nghe không dây cần phải đặt trong
chế độ “ không phát hiện “ kết nối ban đầu thì chúng luôn nhận ra thiết bị kia mà

không cần tìm kiếm lại kết nối nữa cho lần tiếp theo.
Cẩn thận với những nơi sử dụng Bluetooth. Cần phải quan tâm đến môi trường
khi ghép đôi thiết bị của bạn hoặc hoạt động trong chế độ có thể phát hiện.
Đánh giá các thiết lập bảo mật hầu hết các thiết bị đều có nhiều đặc tính giúp
trang bị cần thiết cho bản thân, vô hiệu hóa bất kỳ tính năng hoặc các kết nối không
cần thiết có thể. Kiểm tra các thiết lập, thiết lập bảo mật đặc biệt và lựa chọn các tùy
chọn cần thiết đối với bạn mà không gây ra mức rủi ro cao.
Khai thác triệt để các tùy chọn bảo mật. Tìm hiểu kỹ các tùy chọn bảo mật mà
thiết bị Bluetooth của bạn có thể cung cấp, từ đó khai thác triệt để những tính năng
tác dụng của chúng như sự mã hóa và thẩm định.
1.3.3. Các khái niệm trong công nghệ Bluetooth
1.3.3.1. Master Unit
Là thiết bị duy nhất trong 1 Piconet, Master thiết lập đồng hồ đếm xung và
kiểu bước nhảy (hopping) để đồng bộ tất cả các thiết bị trong cùng piconet mà nó
đang quản lý, thường là thiết bị đầu tiên chuyển đổi dữ liệu. Master cũng quyết định
số kênh truyền thông. Mỗi Piconet có một kiểu hopping duy nhất.
1.3.3.2. Slaver Unit
Là tất cả các thiết bị còn lại trong piconet, một thiết bị không là Master thì
phải là Slave. Tối đa 7 Slave dạng Active và 255 Slave dạng Parked (Inactive) trong
1 Piconet. Có 3 dạng Slave trong một Piconet:
- Active: Slave hoạt động, có khả năng trao đổi thông tin với Master và các
Slave Active khác trong Piconet. Các thiết bị ở trạng thái này được phân biệt thông
qua 1 địa chỉ MAC (Media Access Control) hay AMA (Active Member Address ) đó là con số gồm 3 bit. Nên trong 1 Piconet có tối đa 8 thiết bị ở trang thái này (1
cho Master và 7 cho Slave).
- Standby: Standby là một dạng inactive, thiết bị trong trạng thái này không
trao đổi dữ liệu, sóng radio không có tác động lên, công suất giảm đến tối thiểu để
tiết kiệm năng lượng, thiết bị không có khả năng dò được bất cứ mã truy cập nào.
Có thể coi là những thiết bị trong nằm ngoài vùng kiểm soát của Master.
18

- Parked: Là một dạng inactive, chỉ 1 thiết bị trong 1 Piconet thường xuyên
được đồng bộ với Piconet, nhưng không có 1 địa chỉ MAC. Chúng như ở trạng thái
"ngủ" và sẽ được Master gọi dậy bằng tín hiệu "beacon" (tín hiệu báo hiệu). Các
thiết bị ở trạng thái Packed được đánh địa chỉ thông qua địa chỉ PMA (Packed
Member Address). Đây là con số 8 bits để phân biệt các packed Slave với nhau và
có tối đa 255 thiết bị ở trạng thái này trong 1 Piconet.
1.3.3.3. Piconet
Picotnet 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 huỷ 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 phải 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.
Minh hoạ một Piconet gồm nhiều Slave:

Hình 1.8. Kiến trúc piconet trong Bluetooth
1.3.3.4. Scatternet
Là 2 hay nhiều Piconet độc lập và không đồng bộ, các Piconet này kết hợp lại
truyền thông với nhau.
19


Một thiết bị có thể vừa là Master của Piconet này, vừa là Slave của Piconet
khác. Vai trò của 1 thiết bị trong Piconet là không cố định, có nghĩa là nó có thể
thay đổi từ Master thành Slave và ngược lại, từ Slave thành Master. Ví dụ nếu

Master không đủ khả năng cung cấp tài nguyên phục vụ cho Piconet của mình thì
nó sẽ chuyển quyền cho 1 Slave khác giàu tài nguyên hơn, mạnh hơn, bởi vì trong 1
piconet thì Clock và kiểu Hopping đã được đồng bộ nhau sẵn.
Ví dụ một Scatternet:

Hình 1.9. Một Scatternet gồm 2 Piconet
1.3.4. Định nghĩa các liên kết vật lý trong bluetooth
- Asynchronous connectionless (ACL): Được thiết lập cho việc truyền dữ liệu,
những gói dữ liệu cơ bản (primarily packet data). Là một kết nối point to multipoint
giữa Master và tất cả các Slave tham gia trong piconet. Chỉ tồn tại duy nhất một kết
nối ACL. Chúng hỗ trợ những kết nối chuyển mạch gói (packet-switched
connection) đối xứng và không đối xứng. Những gói tin đa khe dùng ACL link và
có thể đạt tới khả năng truyền tối đa 723 kbps ở một hướng và 57.6 kbps ở hướng
khác. Master điều khiển độ rộng băng tầng của ACL link và sẽ quyết định xem
trong một piconet một slave có thể dùng băng tầng rộng bao nhiêu. Những gói tin
broadcast truyền bằng ACL link, từ master đến tất cả các slave. Hầu hết các gói tin
ACL đều có thể truyền lại.
- Synchronous connectionoriented (SCO): Hỗ trợ kết nối đối xứng, chuyển
mạch (circuit-switched), point to point giữa một Master và một Slave trong 1
piconet. Kết nối SCO chủ yếu dùng để truyền dữ liệu tiếng nói. Hai khe thời gian
20


liên tiếp đã được chỉ định trước sẽ được dành riêng cho SCO link. Dữ liệu truyền
theo SCO link có tốc độ 64kbps. Master có thể hỗ trợ tối đa 3 kết nối SCO đồng
thời. SCO packet không chứa CRC (Cyclic Redundancy Check) và không bao giờ
truyền lại. Liên kết SCO được thiết lập chỉ sau khi 1 liên kết ACL đầu tiên được
thiết lập.
1.3.5. 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
đã inquiry từ trước.
- Page scanning device (page scan mode): Thiết bị nhận yêu cầu kết nối từ
paging device và trả lời.
1.3.6. Các trạng thái 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
21


kiệm năng lượng.
1.3.7. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số trong công nghệ bluetooth
1.3.7.1. Khái niệm

Bluetooth sử dụng kỹ thuật vô tuyến được gọi là trải phổ nhảy tần số
(Frequency Hopping Spectrum-FHSS), chia nhỏ dữ liệu được gửi đi và truyền từng
khúc dữ liệu lên 79 tần số. Trong dạng cơ bản của nó, sự điều chế là sự đánh tín
hiệu dịch tần số Gausse (GFSK). Nó đạt được tốc độ truy cập là 1Mbs, tốc độ truy
cập tối đa của nó có thể lên đến 3Mbs. Bluetooth hoạt động ở dải tần 2.4GHz.
Truyền trải phổ là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều tần số cùng 1 lúc (DSSS
-Direct Sequence Spead Spectrum) hoặc luân phiên FHSS 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.

Hình 1.10. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số
1.3.7.2. Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth
Dải 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. Hầu hết các nước dùng 79 bước nhảy, mỗi bước
nhảy cách nhau 1MHz, bắt đầu ở 2.402GHz và kết thúc ở 2.480GHz. Ở một vài
nước, chẳng hạn như Pháp, Nhật phạm vi của dải băng tần này được giảm còn 23
bước nhảy.
22


Hình 1.11. Các packet truyền trên các tần số khác nhau

Hình 1.12. Các packet truyền trên khe thời gian
Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian. Chiều dài 1 khe thời gian thông
thường là 625µs. Một packet thường nằm trong khe đơn, nhưng cũng có thể mở
rộng ra 3 hay 5 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 220µs. 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
23


trường có nhiều tín hiệu truyền, các packet dài chiếm nhiều timeslot dễ bị nhiều hơn
do đó dễ bị mất hơn.
Mỗi packet chứa 3 phần: Access Code, Header, Payload.

Hình 1.13. Cấu trúc gói tin Bluetooth
Kích thước của access code và header là cố định
- Access Code: Gồm 72bits, dùng trong việc đồng bộ dữ liệu, định danh, báo
hiệu.
- Header:

Hình 1.14. Cấu tạo một packet
Trong header có 54 bits: 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, 1 bits điều khiển luồng, 1
bits ARQ: Cho biết packet là Broadcast không có ACK. 1 bits 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 mã hóa với 1/3 FEC ( Forward Error
Correction ) để có được 54 bits.
PayLoad: Phần chứa dữ liệu truyền đi, có thể thay đổi từ 0 tới 2744 bit/packet.
Payload có thể là dữ liệu data hoặc voice.
1.3.8. Cách thức hoạt động của Bluetooth
1.3.8.1. Cơ chế truyền và sửa lỗi

24

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 truyền thông và
truyền thông thông minh. Cứ mỗi lần gửi hay nhận một packet xong, Bluetooth lại
nhảy sang một tần số mới, như thế sẽ tránh được nhiễu từ các tín hiệu khác. So sánh
với các hệ thống khác làm việc trong cùng băng tần, sóng radio của Bluetooth nhảy
tần nhanh và dùng packet ngắn hơn. Vì nhảy nhanh và packet ngắn sẽ làm giảm va
chạm với sóng từ lò vi sóng và các phương tiện gây nhiễu khác trong khí quyển. Có
3 phương pháp được sử dụng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền
đi:
- Forwad Error Corrrection: Thêm 1 số bit kiểm tra vào phần Header hay
Payload của packet.
- Automatic Repeat Request: Dữ liệu sẽ được truyền lại cho tới khi bên nhận
gửi thông báo là đã nhận đúng.
- Cyclic Redundancy Check: Mã CRC thêm vào các packet để kiểm chứng
liệu Payload có đúng không.
Bluetooth dùng kỹ thuật sửa lỗi tiến FEC (Forward Error Correction) để sửa
sai do nhiễu tự nhiên khi truyền khoảng cách xa. FEC cho phép phát hiện lỗi, biết
sửa sai và truyền đi tiếp (khác với kỹ thuật BEC: Backward Error Control chỉ phát
hiện, không biết sửa, yêu cầu truyền lại). Giao thức băng tần cơ sở (Baseband) của
Bluetooth là sự kết hợp giữa chuyển mạch và chuyển đổi packet. Các khe thời gian
có thể được dành riêng cho các packet phục vụ đồng bộ. Thực hiện bước nhảy tần
cho mỗi packet được truyền đi. Một packet trên danh nghĩa sẽ chiếm 1 timeslot,
nhưng nó có thể mở rộng chiếm đến 3 hay 5 timeslot. Bluetooth hỗ trợ 1 kênh dữ
liệu bất đồng bộ, hay 3 kênh tín hiệu thoại đồng bộ nhau cùng một lúc, hay 1 kênh
hỗ trợ cùng lúc dữ liệu bất đồng bộ và tín hiệu đồng bộ.
1.3.8.2. Quá trình hình thành Piconet
Một Piconet được tạo bằng 4 cách:
- Có Master rồi, Master thực hiện Paging để kết nối với 1 Slave.
- Một Unit (Master hay Slave) lắng nghe tín hiệu (code) mà thiết bị của nó

truy cập được.
25