TÌM HIỂU, NGHIÊN cứu và xây DỰNG GATEWAY CHO MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây sử DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY TECHNOLOGY 4 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN




LƯ VĂN THÀNH
TÌM HIỂU, NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG GATEWAY
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CÔNG
NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY TECHNOLOGY 4.1
LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số: 60.48.02.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN MINH SƠN

TP. HỒ CHÍ MINH – 2017


Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến chương trình đào tạo thạc sĩ của
trường Đại học Công nghệ Thông Tin, ngành Công Nghệ Thông tin cùng các các quý
thầy cô đã giúp tôi trang bị trí thức và tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình
học tập và thực hiện đề tài luận văn này.
Đặc biệt với lòng kính trọng và biến ơn, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy
TS. Nguyễn Minh Sơn đã hướng dẫn và khuyến khích trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến các bạn trong lớp cao học công nghệ thông tin khóa 9 đợt
2 và đặc biệt là bạn Phạm Quốc Cường đã chia sẻ thông tin và cung cấp nhiều tư liệu

phục vụ hoàn thành nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã luôn động viên, hỗ
trợ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn cao học.

3


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện. Các trích dẫn và số liệu sử
dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao trong phạm vi hiểu
biết của tôi. Luận văn này không nhất thiết phản ánh quan điểm của Trường Đại học
Công Nghệ Thông Tin thành phố Hồ Chí Minh hay chương trình đào tạo thạc sĩ Công
Nghệ Thông Tin.
TP. HCM, ngày 25 tháng 11 năm 2017
Tác giả

Lư Văn Thành

4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................ 9
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ............................... 15

1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng ................. 15
1.2. Tình hình nghiên cứu ......................................................................... 18

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................... 18
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................ 25
1.3. Tổng quan về đề tài ........................................................................... 25
1.3.1. Hướng giải quyết các vấn đề hạn chế của đề tài .......................... 25
1.3.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài......................... 26
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ........................................................ 28

2.1. Cơ sở lý thuyết về BLE ..................................................................... 28
2.1.1. Sơ lược kiến trúc hệ thống và các giao thức ................................ 28
2.1.2. Kênh truyền, hoạt động và trạng thái của một thiết bị BLE ......... 30
2.1.3. Trạng thái hoạt động của BLE .................................................... 32
2.1.4. Mô hình mạng của giao thức Bluetooth Low Energy .................. 32
2.1.5. Cấu trúc gói tin sử dụng hệ thống LE .......................................... 33
2.1.6. Các thành phần phần mềm của BLE ........................................... 34
2.2. Cơ sở lý thuyết giao thức MQTT ....................................................... 36
2.3. Giới thiệu mô hình mạng Fishbone network ...................................... 38
2.3.1. Kiến trúc ..................................................................................... 38
2.3.2. Định dạng gói tin ........................................................................ 39
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾT VÀ XÂY DỰNG GATEWAY ................................ 40

3.1. Tổng quan hệ thống ........................................................................... 40
3.1. Thiết kết phần cứng và các lớp phần mềm ......................................... 41
3.1.1. Thiết kế phần cứng Gateway....................................................... 41
3.1.2. Thiết kế phần mềm ..................................................................... 42
3.2. Thiết kết giao thức điều khiển và các tính năng ................................. 44
5


3.2.1. Các giao thức điều khiển............................................................. 44
3.2.2 Các tính năng của Gateway.......................................................... 50

CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................... 57

4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm......................................................... 57
4.2. Chương trình demo tương tác Gateway ............................................. 58
4.2.1. Giao diện chương trình ............................................................... 58
4.2.2. Mô tả hoạt động của chương trình .............................................. 60
4.3. Một số kết quả thí nghiệm ................................................................. 61
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 69

5.1. Những phát hiện mới ......................................................................... 69
5.2. Kết luận và hướng đi ......................................................................... 70
Danh mục công bố khoa học của tác giả ............................................................. 71
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 72
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 74

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu

Ý nghĩa

1

BN

Bone node

2

EN

End node

3

FB

Fishbone network

4

ID

Identify

5

IOT

Internet of things

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Bảng so sánh năng lượng tiêu thụ ............................................................ 12
Bảng 1. 1. Kết quả ghi nhận năng lượng tiêu thụ lưu lượng truyền tải ................... 23

Bảng 4. 1. Bảng so sánh phạm vi các Bone node an toàn ...................................... 65
Bảng 4. 2. Mức năng lượng tiêu thụ ở Endnode khi đọc giá trị cảm biến ............... 66
Bảng 4. 3. Mức năng lượng tiêu thụ của Bone Node khi chuyển gói tin ................ 66

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. Sự tăng trưởng thiết bị kết nối vào Internet.............................................. 11

Hình 1. 1. Mô hình mạng cảm biến ....................................................................... 15
Hình 1. 2. Các mô hình mạng phổ biến ................................................................. 16
Hình 1. 3. Mô hình mạng cảm biến sử dụng Gateway kết nối với 5 node cảm biến
.............................................................................................................................. 18
Hình 1. 4. Mô hình mạng cảm biến giả định.......................................................... 19
Hình 1. 5. Mô hình ví dụ dạng cấu trúc lưới .......................................................... 20
Hình 1. 6. Số lượng gói tin được truyền nhận cho mỗi giao thức ........................... 20
Hình 1. 7. Mô hình đề xuất dạng cây cho giao thức BLE ...................................... 21
Hình 1. 8. Mô hình kết nối và quá trình giao tiếp giữa M2M device và M2M
Gateway ................................................................................................................ 22
Hình 1. 9. Kiến trúc của Gateway được đề xuất .................................................... 24
Hình 1. 10. Mô hình thực nghiệm của bài báo, tại chấm đỏ là vị trí node Sink và
Gateway ................................................................................................................ 24

Hình 2. 1. Kiến trúc cấu tạo của Bluetooth 4.0 ...................................................... 29
Hình 2. 2. Mô hình giao thức các tầng giao thức của BLE .................................... 29
Hình 2. 3. Số kênh truyền của BLE ....................................................................... 30
Hình 2. 4. Quá trình truyền nhận trên các kênh tầng số ......................................... 31
Hình 2. 5. Năm trạng thái của một thiết bị BLE .................................................... 32
Hình 2. 6. Mô hình mạng của BLE ....................................................................... 33

Hình 2. 7. Cấu trúc gói tin của LE ......................................................................... 33
Hình 2. 8. Bluetooth profile .................................................................................. 34
Hình 2. 9. Cấu trúc của Profiles ............................................................................ 35
Hình 2. 10. Ví dụ mô hình truyền dữ liệu của MQTT............................................ 37
Hình 2. 11. Mô hình mạng Fish Network .............................................................. 38

Hình 3. 1. Hệ thống mạng cảm biến sử dụng Gateway .......................................... 40
Hình 3. 2. Sơ đồ kiến trúc phần cứng của Gateway ............................................... 41
Hình 3. 3. Các thành phần của Raspberry pi 3 ....................................................... 41
Hình 3. 4. Mô hình phần mềm của Gateway ......................................................... 42
Hình 3. 5. Cấu trúc phần mềm chương trình chính của Gateway ........................... 43
Hình 3. 6. Sơ đồ hoạt động của chương trình chính ............................................... 44
Hình 3. 7. Sơ đồ cơ chế notify............................................................................... 45
Hình 3. 8. Ví dụ tái cấu trúc giữa Node A và C khi Node B hết pin....................... 51
Hình 3. 9. Sơ đồ thuật toán tái cấu trúc ................................................................. 52
Hình 3. 10. Ví dụ tái định hình kết nối giữa node A và B, giữa node B và C ......... 52
9


Hình 3. 11. Sơ đồ thuật toán tái định hình ............................................................. 53
Hình 3. 12. Mô hình sử dụng Gateway phụ ........................................................... 54
Hình 3. 13. So sánh số lượng gói tin của mỗi Bone node khi không có Gateway phụ
và có Gateway phụ đối với mô hình mạng có 100 Bone node ................................ 55
Hình 3. 14. Sơ đồ thuật toán kết nối Gateway phụ................................................. 56

Hình 4. 1. Mô hình tiến hành thực nghiệm ............................................................ 57
Hình 4. 2. Giao diện chương trình demo tương tác Gateway ................................. 59
Hình 4. 3. Sơ đồ hoạt động của chương trình ........................................................ 61
Hình 4. 4. Kết quả trả về của chức năng tìm kiếm node mới ................................. 62
Hình 4. 5. Kết quả sau khi kết nối thành công đến node BN1 ................................ 62

Hình 4. 6. Chương trình sau khi thực kiện kết nối theo mô hình thực nghiệm ....... 62
Hình 4. 7. Giá trị cảm biến nhận từ Gateway......................................................... 63
Hình 4. 8. Gateway nhận thông báo mất kết nối tới node BN3 .............................. 63
Hình 4. 9. Gateway gửi gói tin tìm node mới đến node BN2 có ID là 0300 ........... 64
Hình 4. 10. Gateway gửi gói tin kết nối đến node BN4 ......................................... 64
Hình 4. 11. Kết nối thành công đến node BN4 ...................................................... 64
Hình 4. 12. Gateway hoàn thành tái cấu trúc ......................................................... 64
Hình 4. 13. Phát hiện node BN3 hoạt động trở lại ................................................. 65
Hình 4. 14. Hủy kết nối tạm tới node BN4 ............................................................ 65
Hình 4. 15. Kết nối tới node BN3.......................................................................... 66
Hình 4. 16. Mô hình mạng đã được phục hồi sau quá trình tái định hình ............... 66

10


MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thời đại mà khoa học công nghệ đang phát triển một
cách nhanh chóng. Các thiết bị di động, thiết bị điện tử thông minh ngày càng ra đời
và phát triển theo xu hướng của cuộc sống hiện đại. Một trong những xu hướng gần
đây đang phát triển mạnh mẽ là Internet of Things(IoT). Bối cảnh của IoT sẽ là tất cả
các thiết bị điện tử từ phổ thông cho đến các thiết bị cao cấp điều có khả năng được
kết nối với nhau và kết nối với Internet tạo thành một bức tranh kết nối tổng thể để
thực hiện một mục đích, chức năng cụ thể xác định. Chẳng hạn như thu thập dữ liệu
tín hiệu điều khiển, trao đổi dữ liệu.
Theo số liệu của Cisco, năm 2010 có 12.5 tỉ thiết bị kết nối vào Internet và dự
kiến năm 2020 tăng lên 50 tỉ thiết bị kết nối vào Internet[7].

Hình 1. Sự tăng trưởng thiết bị kết nối vào Internet
Nguồn: Trích dẫn từ Cisco IBSG[6]

Sự tăng trưởng này hứa hẹn xu thế của IoT, cho phép nhiều thiết bị được kết nối
vào mạng Internet toàn cầu. Với xu thế IoT, các vật dụng và các thiết bị được kết nối
không dây với nhau thông qua mạng Internet. Từ đó đem đến cho chúng ta rất nhiều
ứng dụng hữu ích cho cuộc sống như: thiết bị cá nhân theo dõi sức khỏe, đèn thông
minh và một trong những ứng dụng quan trọng là hệ thống mạng cảm biến quản lý
và giám sát nhà thông minh, quản lý và giám sát nông nghiệp sạch.
11


Hiện nay, các giao thức hỗ trợ kết nối vào Internet như WIFI, 3G/4G đều cầu có
một nguồn lớn, tiêu hao nhiều năng lượng. Điều này là không phù hợp cho mạng lưới
cảm biến không dây là các thiết bị nhỏ chỉ sử dụng một nguồn năng lượng rất hạn
chế. Vì vậy các ứng dụng trong một mạng cảm biến sử dụng các thiết bị nhỏ với
nguồn pin giới hạn thì rất cần những công nghệ kết nối không dây thay thế khác chẳng
hạn như Zigbee, Bluetooth Low Energy. Dưới đây là bảng so sánh năng lượng tiêu
thu giữa các công nghệ thường được sử dụng trong mạng cảm biến không dây.
Bảng 1. Bảng so sánh năng lượng tiêu thụ

Công nghệ

Dòng tiêu

Phạm vi Băng thông

thụ tối đa
Wifi

~100mA

100m

54Mb/s

Bluetooth

30mA

10m

1Mb/s

Zigbee

30mA

50m

250kb/s

Bluetooth low energy

15mA

10m

1 Mb/s

Chú thích: Nguồn số liệu được trích dẫn từ [10].

Theo như bảng so sánh trên, ta có thể nhận thấy trong số các công nghệ truyền

thông không dây tiêu tốn năng lượng thấp, công nghệ truyền thông không dây
Bluetooth Low Energy là tiêu tốn năng lượng rất thấp. Công nghệ này đang nổi lên
trong thời gian gần đây với rất nhiều cải tiến, hỗ trợ mạnh mẽ trong việc tối ưu năng
lượng. Đồng thời, chúng cũng được tích hợp sẵn trong các điện thoại, máy tính bảng,
máy vi tính chứng tỏ tiềm năng ứng dụng rất to lớn của Bluetooth Low Energy.
Việc tận dụng kết nối không dây tiêu tốn năng lượng thấp BLE để xây dựng các
thiết bị thông minh giám sát đối tượng. Ví như về một ngữ cảnh ứng dụng mạng
cảm biến không dây trong giám sát ở trang trại trồng nấm. Việc giám sát nhiệt độ,
độ ẩm, ánh sáng sẽ ảnh hướng rất lớn đến năng suất của nấm. Vì vậy, các thông số
này sẽ được các cảm biến thu thập dữ liệu cảm biến được và truyền về người dùng
thông qua một mạng lưới cảm biến được kết nối với nhau và kết nối về trung tâm có
khả năng gửi dữ liệu lên Internet là rất thuận tiện trong giám sát cho người sử dụng.
Thông qua đường truyền Internet, người dùng có thể theo dõi và giám sát cũng như
điều khiển mạng lưới từ xa mà không cần phải tương tác trực tiếp. Với sự phát triển
12


không ngừng của công nghệ, tôi tin chắc rằng, trong tương lai các hệ thống này sẽ
ngày càng thông minh hơn, có nhiều tính năng hơn và đều được kết nối vào mạng
Internet. Từ đó các thiết bị trong mạng sẽ tự trao đổi thông tin với nhau, tự động
vận hành, cũng như tự động điều khiển, tương tác lẫn nhau tất cả sẽ tạo thành một
hệ sinh thái thông minh.
Mô hình mạng cảm biến sử dụng BLE sẽ giải quyết được vấn đề tiêu thụ năng
lượng cho một node cảm biến, tuy nhiên hiện tại BLE không hỗ trợ cho kết nối trực
tiếp vào Internet nên việc xây dựng một hệ thống mạng lưới cảm biến không dây sử
dụng công nghệ BLE tiêu thụ năng lượng thấp cần kết hợp với một Gateway làm
trung tập quản lý và trung gian kết nối giữa mạng cảm biến với Internet là rất cần
thiết và cấp bách trong thời đại phát triển Internet hiện nay.
Chính vì những lý do trên, trong bài luận văn nay tôi xin trình bày về việc xây
dựng một Gateway sử dụng cho một mạng cảm biến không dây phù hợp sử dụng công

nghệ Bluetooth Low Energy. Cụ thể trong bài luận văn này tôi xin sử dụng mô hình
mạng cảm biến không dây dạng cấu trúc xương cá (Fishbone) được đề xuất bởi tác
giả Pham Quốc Cường và Lư Văn Thành với bài báo “Xây Dựng Mô Hình Mạng
Cảm Biến Không Dây Dựa Trên Công Nghệ Bluetooth 4.0” đã được đăng ký và chấp
nhận với Hội Nghị Khoa Học Trẻ UIT được tổ chức tại Trường Đại học Công Nghệ
Thông Tin.
Việc xây dựng một Gateway tương tác với một mạng cảm biến không dây theo
mô hình dạng xương cá giúp tăng sự linh động và tính uyển chuyển cho cả hệ thống
và đảm bảo tính tức thời cho các dữ liệu cảm biến cần được truyền đi qua Internet.
Ngoài ra, đối với đề tài còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của xu thế IoT và tính
năng của hệ thống mang lại có thể được đem đi áp dụng vào các môi trường khác
nhau như việc quản lý nông trại, canh tác, nuôi trồng, nhà thông minh nhằm giảm chi
phí, nhân công, sức lực mà còn đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đây là lý do tôi thực
hiện đề tài “TÌM HIỂU, NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG GATEWAY CHO
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH
LOW ENERGY TECHNOLOGY 4.1”

13


Để dễ dàng nắm bắt nội dung của đề tài, tôi xin trình bày tóm lược những nội
dung chính được trình bày trong luận văn như sau:
Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Chương 2. Tổng quan lý thuyết
Chương 3. Thiết kết và xây dựng Gateway
Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá
Chương 5. Kết luận và hướng phát triển

14

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Trong vài năm gần đây, thế giới chuyển mình cùng với thời đại IoT bằng việc các
công nghệ truyền thông không dây được tối ưu năng lượng và đặc biệt tối ưu năng
lượng cho các thiết nhỏ phù hợp cho mục đích xây dựng các mạng lưới cảm biến.
Ngày càng có các bài báo liên quan đến việc sử dụng công nghệ BLE trong việc xây
dựng mạng cảm biến trên thế giới nói chung và nói riêng ở Việt Nam còn hạn chế các
bài báo trong việc sử dụng BLE trong việc xây dựng mạng cảm biến và đặc biệt xây
dựng một Gateway cho mạng cảm biến sử dụng BLE. Phần dưới tôi xin trình bày các
nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước liên quan đến luận văn của tôi.

1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng
Mạng cảm biến không dây là một mạng kết nối các cảm biến lại với nhau có khả
năng tương tác với người dùng hoặc hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu. Một mạng cảm
biến gồm có các thành phần: node cảm biến, node thực thi, node Gateway và hệ
thống/người dùng cuối [16].

Hình 1. 1. Mô hình mạng cảm biến
Nguồn: Trích dẫn từ [16]

Node cảm biến làm một thành phần quan trọng của mạng cảm biến, cấu tạo phần
cứng của chúng gồm 4 phần: nguồn cung cấp, cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát sóng.
Nguồn cung cấp phải cung cấp năng lượng đủ cho node hoạt động bình thường. Khi
bộ cảm biến thu nhận thông tin cảm biến chẳng hạn như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm sẽ
15


gửi về cho bộ xử lý. Bộ xử lý sẽ xử lý thông tin và gửi thông tin đi thông qua bộ thu
phát sóng. Các node cảm biến gửi các thông tin đo đạt được đến các các node khác
trong mạng cảm biến thông qua giao thức kết nối có thể là Zigbee, Bluetooth Low

Energy và chúng được kết nối thành mô hình mạng kết nối. Các dữ liệu được truyền
về trung tâm quản lý có thể là người dùng hoặc một hệ thông giám sát. Tại vị trí trung
tâm người dùng hay hệ thống giám sát sẽ phân tích dữ liệu thu nhận được đồng thời
giám sát hoạt động của các cảm biến bằng các gửi các lệnh thực thi xuống mạng cảm
biến. Hiên nay có các mô hình mạng phổ biến được sử dụng trong mạng cảm biến
không dây như Star network, Tree network, Chain network.

a. Star network

b. Tree network

c. Chain network

Hình 1. 2. Các mô hình mạng phổ biến
Nguồn: Trích dẫn từ [16]

Node Gateway trong mô hình mạng cảm biến là một thành phần có chức trung
tâm thu nhận dữ liệu cảm biến từ các cảm biến, xử lý chúng và truyển tải về người
dùng thông qua internet. Một node Gateway được cấu thành từ các thành phần: nguồn
cung cấp ổn định, bộ xử lý, bộ nhớ lưu trữ, bộ thu phát sóng. Giao thức kết nối của
Gateway phải phù hợp với giao thức kết nối của node cảm biến để có thể giao tiếp và
hình thành kênh truyền giữa Gateway và các node cảm biến. Đồng thời node Gateway
phải có khả năng giao tiếp với người dùng thông qua đường truyền internet tạo điều
kiện cho người dùng có khả năng giám sát và điều khiển từ xa. Một Để thuận tiện
trong việc quản lý và giám sát mạng cảm biến, một Gateway cần trang bị khả năng
tự xử lý với các chức năng cấu hình các kết nối của node cảm biến thành một mô hình
mạng định sẵn, xử lý các sự cố về mạng khi xảy ra mất kết nối, quy định cách thu
thập dữ liệu trong mạng, hướng dẫn đường truyền cho các gói tin truyền đi trong

16

mạng cảm biến, tạo đường truyền tương tác giữa người dùng và các node trong mạng
cảm biến.
Hiện nay các ứng dụng của mạng cảm biến rất đa dạng trong rất nhiều lĩnh vực
như nhà thông minh, nông trại thông minh, y học, môi trường, quân sự và các ứng
dụng nhằm mục đích thu thập dữ liệu, theo dõi và dám sát.[13]
- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến không dây có thể là một phần của hệ
thống chỉ huy quân sự, điều khiển, truyền thông, giám sát và hệ thống nhắm
mục tiêu (C4ISRT)
- Ứng dụng môi trường: Một số ứng dụng của mạng cảm biến bao gồm theo dõi
chuyển động của chim, động vật và côn trùng; giám sát các điều kiện môi
trường ảnh hưởng đến cây trồng và vật nuôi; thủy lợi; theo dõi trái đất quy mô
lớn và thăm dò hành tinh; phát hiện hợp lý hóa học / sinh học; nông nghiệp
chính xác; sinh học và giám sát môi trường biển, khí quyển; phát hiện cháy
rừng và nghiên cứu địa vật lý học về khí tượng học; phát hiện lũ; nghiên cứu
ô nhiễm môi trường.
- Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe: hỗ trợ người tàn tật, giám sát bệnh nhân;
chẩn đoán; quản lý thuốc trong bệnh viện; giám sát dữ liệu sinh lý con người
và theo dõi và giám sát các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
- Nhà thông minh: quản lý xây dựng các hệ thông tự động trong nhà, hình thành
hệ thống tự tương tác giữa các thiết bị trong nhà tạo thành hệ sinh thái nhà
thông minh.
Theo như các nghiên cứu hiện tại của tôi về mạng cảm biến và các công nghệ sử
dụng trong mạng cảm biến thì mạng cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth Low
Energy là hứa hẹn nhất vì năng lượng tiêu thụ của nó là thấp nhất so với các công
nghệ tương ứng như Zigbee.(Bảng 1.1). Bên cạnh điểm nổi trội về năng lượng tiêu
tốn nhưng công nghệ Bluetooth Low Energy còn nhiều khuyết điểm như phạm vi kết
nối gần, số lượng thiết bị kết nối trong mô hình mạng bị hạn chế, kết nối peer – peer
[7] là rào cản để phát triển mạng cảm biến. Tuy nhiên đã có nhiều nghiên cứu đã khắc

phục được nhược điểm này của Bluetooth Low Energy. Phần sau tôi xin trình bày các
nghiên cứu liên quan về mạng cảm biến và đặc biệt là xây dựng node Gateway.
17


1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Qua quá trình nghiên cứu và khảo sát, tôi đã thu thập được những nghiên cứu và
công bố về những mô hình cảm biến sử dụng công nghệ BLE điển hình như:
- Bài báo “Development Of Wireless Sensor Network Using Bluetooth Low
Energy For Construction Noise Monitoring” của tác giả Josie Hughes, Jize
Yan và Kenichi Soga[8]. Bài báo đã hoàn thành việc xây dựng một mô hình
mạng Piconnet với một thiết bị trung tâm là Gateway(Central) kết nối 8 node
cảm biến tiếng ồn (PerIDheral). Đây là một mô hình cơ bản được giao thức
BLE hỗ trợ. Với mô hình này thì số lượng cảm biến bị giới hạn, không có khả
năng mở rộng mạng khi cần thiết, không đáp ứng được yêu cầu trong trường
hợp số lượng cảm biến lớn để có thể thu thập dữ liệu trong một khu vực lớn
hơn. Gateway trong mô hình mạng này sẽ được tổ chức một cách đơn giản
không cần các giải thuật định tuyến, đánh địa chỉ hay tái cấu trúc mô hình
mạng.

Hình 1. 3. Mô hình mạng cảm biến sử dụng Gateway kết nối với 5 node cảm biến
Nguồn: Mô hình được trích dẫn từ [10]

- Bài báo “Wireless Sensor Networks: Architecture, Protocols” của Swati
Sharma, Dr. Pradeep Mittal [13]. Nêu rõ tới những vấn đề trong việc xây dựng
một mạng cảm biến và ứng dụng của mạng cảm biến là rất lớn như lĩnh vực
18

quân sự, lĩnh vực môi trường, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh. Bài báo
cũng nêu rõ những vấn đề cần phải giải quyết trong một mạng cảm biến không
dây: năng lượng tiêu tốn, mô hình trao đổi dữ liệu, khả năng mở rộng mạng và
các giải thuật định tuyến cho Gateway sử dụng cho mạng cảm biến. Tuy nhiên
bài báo chỉ dừng lại ở mức độ đề xuất ý tưởng chưa hiện thực nghiên cứu trên
thực tế, và chưa đề xuất đến vấn đề xử lý khi mạng gặp sự cố mất kết nối hoặc
giải pháp tối ưu năng lượng cho mạng biến trong quá trình truyền nhận dữ liệu.

Hình 1. 4. Mô hình mạng cảm biến giả định
Nguồn: Trích dẫn từ [13]

- Bài báo “BLEmesh: A Wireless Mesh Network Protocol for Bluetooth Low
Energy Devices” của Hyun-soo Kim, JungYub Lee, Ju Wook Jang[7]. Chỉ rõ
sự giới hạn của BLE: giới hạn phạm vi giao tiếp, giao tiếp một – một gây khó
cho việc mở rộng mô hình mạng. Sử dụng mô hình mạng lưới bằng cách sử
dụng gói tin quảng cáo none-connectable. Vấn đề khó khăn trong mô hình
mạng lưới mà một Gateway phải giải quyết là định tuyến và trong bài báo đã
đề cập đến 3 giải thuật để routing: Flood routing được sử dụng trong mô hình
mạng “CSR mesh” – giao thức đóng của công ty Cambridge Silicon Radio
(CSR), Conventional routing và giải thuật đề xuất của bài báo là BLEmesh
nhằm cải thiện số lượng truyền tải gói tin so với 2 giải thuật trước. Bài báo
cũng chỉ tập trung ở đề xuất ý tưởng để tối ưu giải thuật routing trong mạng
cảm biến dạng lưới mà chưa đề cập đến việc xây dựng một Gateway hoàn
chỉnh cho mạng cảm biến.
19


Hình 1. 5. Mô hình ví dụ dạng cấu trúc lưới
Nguồn: Trích dẫn từ [7]

Hình 1. 6. Số lượng gói tin được truyền nhận cho mỗi giao thức
Nguồn: Trích dẫn từ [7]

- Bài báo “Tree Network Based On Bluetooth 4.0 For Wireless Sensor Network
Applications” của Bishnu Kumar Maharjan, Ulf Witkowski, và Reza
Zandian[2]. Đề xuất xây dựng mô hình mạng cảm biến dạng cấu trúc cây. Bài
báo đã xây dựng được mô hình mạng cảm biến dạng cây với root node được
xem như là một Gateway. Bài báo đã không trình bày các chức năng khác của
một node Gateway như cung cấp ngõ ra Internet, quản lý giám sát mạng cảm
biến và khả năng tái cấu trúc mô hình mạng khi có trường hợp mất kết nối,
hay tối ưu năng lượng cho mạng cảm biến khi sử dụng Gateway.
20


Hình 1. 7. Mô hình đề xuất dạng cây cho giao thức BLE
Nguồn: Trích dẫn từ [2]

- Bài báo “Service Environment for Smart Wireless Devices: An M2M Gateway
Selection Scheme” của V. G. Tharinda Nishantha Nidanagama, Daisuke Arai,
Tomohiko Ogishi đề xuất xây dựng M2M Gateway[15] với ý tưởng xây dựng
một hệ thống các thiết bị M2M được kết nối với một M2M Gateway, từ đó dữ
liệu đi vào Internet thông qua Gateway này. Đây là một giải pháp thông minh
và đã hoàn thiện cầu nối giữa một thiết bị M2M và ngõ ra Internet được cung
cấp bởi M2M Gateway. Điều đang chú ý là các thiết bị M2M được trang bị
một tính năng tự lựa chọn Gateway tối ưu và phù hợp với M2M để đảm bảm
tính ổn định và kết nối, ngoài ra các M2M này cũng có thể sử dụng điện thoại
thông minh như một Gateway. Điểm hạn chế của bài báo là phải cần nhiều
M2M Gateway để có thể phủ khắp các thiết bị M2M nếu như số lượng các
thiết bị ngày càng nhiều lên. Ngoài ra bài báo là chưa đề cập đến vấn đề xử lý,
quản lý của một Gateway với một mạng cảm biến BLE với số lượng node kết

nối lớn.

21


Hình 1. 8. Mô hình kết nối và quá trình giao tiếp giữa M2M device và M2M Gateway
Nguồn: Trích dẫn từ [15]

- Bài báo “Gateway Design for Data Gathering Sensor Networks” của Raluca
Musaloiu-E, Razvan Musaloiu-E, Andreas Terzis đề xuất việc xây dựng một
Gateway trong việc thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến không dây sử dụng
công nghệ WIFI và 3G[11]. Bài báo đã thể hiện được những nhiệm vụ cơ bản
của một Gateway cần sử lý trong mô hình mạng cảm biến là truyền tải dữ liệu
đo đạc được về người dùng, truyền lệnh từ người dùng đến mạng cảm biến,
22


thông báo đến người dùng khi có lỗi xảy ra trong mạng. Bên cạnh đó bài báo
còn tiến hành thực nghiệm và tiến hành đo đạc nhằm mục đích tối ưu năng
lượng tiêu thụ.Việc thực hiện với các công nghệ Wifi và 3G của bài báo là lỗi
thời không còn phù hợp trong thời đại hiện nay với sự xuất hiện của các công
nghệ tiêu tốn năng lượng thấp.
Bảng 1. 1. Kết quả ghi nhận năng lượng tiêu thụ lưu lượng truyền tải

Chú thích: Nguồn trích dẫn từ [11]

- Bài báo “The Design and Implementation of A General WSN Gateway for
Data Collection” của Newlyn Erratt và Yao Liang đề xuất việc xây dựng một
nên tản phần mềm cho Gateway dùng trong mạng cảm biến không dây được
xây dựng trên nền công nghệ 802.15.4 – công nghệ truyền thông không dây

tốc độ thấp[16]. Bài báo đã hiện thực được việc nền tảng của Gateway để thu
thập dữ liệu từ các cảm biến. Nền tản này có thể sử dụng cho đa số các mạng
cảm biến vì Gateway sẽ không liên lạc trực tiếp với mạng cảm biến mà thông
qua một node “Sink” chịu trách nhiệm tương tác với mạng cảm biến sử dụng
công nghệ không dây bất kỳ, cụ thể bài báo sử dụng công nghệ 802.15.4. Đây
là một ưu điểm của đề tài vì có thể sử nền tản phần mềm này của Gateway cho
tất các mô hình tuy nhiên phải xây dựng node “Sink” khi mạng cảm biến sử
dụng công nghệ truyền thông khác. Tuy nhiên bài báo cũng chỉ mới thực hiện
được việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến mà chưa có giải pháp xử lý đầy đủ

23


cho Gateway như xử lý sự cố mạng, nhận lệnh từ người dùng gửi đến mạng
cảm biến, thông báo đến người dùng khi có sự cố trong mạng.

Hình 1. 9. Kiến trúc của Gateway được đề xuất
Nguồn: Trích dẫn từ [16]

Hình 1. 10. Mô hình thực nghiệm của bài báo, tại chấm đỏ là vị trí node Sink và Gateway
Nguồn: Trích dẫn từ [16]

24


1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay lĩnh vực nghiên cứu về ứng dụng công nghệ Bluetooth Low Energy còn
chưa phát triển ở nước ta, đa phần tập trung vào các thiết bị đeo y tế, chăm sóc sức
khỏe được nhập về từ nước ngoài. Bên cạnh đó cũng có một số nghiên cứu về công
nghệ Bluetooth nhưng với những phiên bản cũ 2.x hay 3.x. Các nghiên cứu tập trung

vào kết nối một một thay vì kết nối theo một mô hình mạng. So với các công nghệ
trước đây của Bluetooth gây tiêu hao năng lượng lớn thì Bluetooth Low Energry 4.0
ra đời năm 2013 là một cải tiến rất lớn về tối ưu năng lượng, tối ưu được kết nối thông
minh và truyền dữ liệu. Đối với đề tài thì đây là một cơ hội lớn nhưng cũng đầy thách
thức vì còn rất nhiều công nghệ mới cần phải nghiên cứu, tìm hiểu sâu để có thể nắm
vững và ứng dụng vào bài toán thực tế tại Việt Nam.

1.3. Tổng quan về đề tài
1.3.1. Hướng giải quyết các vấn đề hạn chế của đề tài
Nhìn chung tình hình nghiên cứu về BLE trên thế giới và trong nước đa phần tập
trung về xây dựng mạng cảm biến, đề xuất về kiến trúc của một mạng cảm biến, giải
thuật định tuyến cho mạng[13][7][10] mà chưa đề cập hay hiện thực một Gateway có
đầy đủ tính năng để xử lý, quản lý mạng cảm biến đó và quản lý đầu vào Internet cho
mạng cảm biến. Bên cạnh đó cũng có những đề tài nghiên cứu chuyên sâu vào việc
xây dựng những Gateway cung cấp ngõ vào Internet cho các đối tượng cảm biến hay
đối tượng cần tương tác với người dùng thông qua Internet[15]. Tuy nhiên những
nghiên cứu này chưa thực sự phù hợp với một Gateway được xây dựng để có thể quản
một số lượng lớn các thiết bị và cũng chưa có giải pháp cho một mạng cảm biến có
khả năng mở rộng mạng hay tính linh động trong mạng.
Hiện nay với những phát hiện và nghiên cứu trong bài báo “Xây Dựng Mô Hình
Mạng Cảm Biến Không Dây Dựa Trên Công Nghệ Bluetooth 4.0”[1] mà tôi sẽ đề
cập trong Chương 2, đã hình thành một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng
công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 tận dụng ưu điểm tiêu tốn năng lượng thấp và
đồng thời cung cấp khả năng dễ dàng mở rộng mô hình mạng theo mô hình đề xuất
là Fishbone nhằm tăng số lượng kết nối và phạm vi hoạt động của mạng cảm biến.

25


Từ những hạn chế và những cải tiến mới, trong đề tài này tôi xin đề xuất nghiên

cứu về xây dựng một Gateway hoàn thiện đáp ứng khả năng quản lý, định tuyến, xử
lý sự cố mạng và tương tác với mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ BLE
được tổ chức theo mô hình Fishbone. Đồng thời đề cập việc xây dựng ngõ vào Internet
nhằm cung cấp khả năng tương tác giữa người dùng và mạng cảm biến thông qua
Internet.
1.3.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài
Việc xây dựng một Gateway sẽ giải quyết được những vấn đề sau:
- Giải quyết vấn đề điều hành, giao tiếp với một mạng lưới cảm biến không dây
sử công nghệ BLE theo mô hình mạng dạng lưới hay mô hình “Fishbone
network”
 Phương pháp: Nghiên cứu nắm vững giao thức của BLE, trực tiếp tham
gia nghiên cứu hình thành mô hình mạng Fishbone, nghiên cứu những
bài báo, công trình nghiên cứu đã có trước để học hỏi những ưu điểm
và khắc phục hạn chế. Nghiên cứu bộ thư viện mã nguồn mở của
BLUEZ để hiện thực phần giao tiếp giữa Gateway và mạng Fishbone
- Xây dựng các giải thuật quản lý, định tuyến và đặc biệt là khả năng tái cấu
trúc, tái định định hình cho mạng cảm biến nhằm đảm bảo tính linh động của
mạng, tính ổn định, xử lý các sự cố trong mạng cho hệ thống mạng Fishbone.
 Phương pháp: Nghiên cứu phần cứng đáp ứng cho một Gateway của
mạng cảm biến sử dụng công nghệ BLE, nghiên cứu các nền tảng mã
nguồn mở để hiện thực phần mềm cho Gateway. Hiện thực các giao
thức cơ bản như kết nối đọc dữ liệu của Fishbone theo định dạng gói
tin của Fishbone. Từ đó nghiên cứu và thiết kết lớp phần mềm quản lý
của Gateway từ những giao thức cơ bản đã nghiên cứu trước, vận hành
giả định cách trường hợp có thể xảy ra trong mạng cảm biến từ đó xây
dựng giải thuật để xử lý các trường hợp.
- Giải quyết vấn đề cung cấp đường truyền Internet thường trực cho mạng lưới
cảm biến, để tiếp nhận kịp thời các tín hiệu cảm biến gửi ra ngoài Internet và
nhận các lệnh từ Internet xử lý và gửi về cho từng cảm biến.
26