Nghiên cứu thiết hế thống thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ truyền không dây LORA

NGUYỄN NGỌC TRUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA

NGUYỄN NGỌC TRUNG

2016 - 2018

HÀ NỘI – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA
NGUYỄN NGỌC TRUNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 8520203
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HOÀNG DŨNG

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình
khác. Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài
của mình.

Ngày tháng năm
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Trung


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tình và nghiêm khắc
của TS. Nguyễn Hoàng Dũng. Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận
tình hƣớng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng
nhƣ truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô Trƣờng Đại Học Mở Hà Nội
đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa
qua.
Xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, những ngƣời luôn dành cho tôi
những tình cảm nồng ấm và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống. Luận văn
cũng là món quà tinh thần mà tôi trân trọng gửi tặng đến các thành viên trong gia
đình.
Cuối cùng xin gửi đến những ngƣời thân yêu, các bạn, các anh chị, các đồng
nghiệp đã góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng nhƣ về kinh nghiệm, kiến thức một lời
biết ơn sâu sắc.

Ngày tháng năm
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Trung


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 3
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY .............. 5
1.1. Khái niệm về công nghệ truyền không dây ......................................................... 5
1.2. Đặc điểm của công nghệ truyền không dây ......................................................... 5
1.3. Các công nghệ không dây hiện tại ...................................................................... 5
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn ............................................. 22
1.5. Kết luận chƣơng ............................................................................................... 25
CHƢƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP THÔNG TIN SỬ DỤNG CÔNG
NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA…………………………….....................…..26
2.1. Công nghệ không dây LORA ........................................................................... 26
2.2. Vi điều khiển STM32 ....................................................................................... 28
2.3. Camera OV7670............................................................................................... 33
2.4. Màn hình LCD 2.4” ILI9325 ............................................................................ 53
2.5. Thiết kế khối điều khiển ................................................................................... 67
2.6. Thiết kế khối hiển thị LCD ILI 9325 ................................................................ 68
2.7. Thiết kế khối camera ........................................................................................ 73
2.8. Thiết kế khối truyền dữ liệu .............................................................................. 76
2.9. Thiết kế tổng thể sản phẩm ............................................................................... 77
2.10. Kết luận chƣơng. ............................................................................................ 78
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 79
3.1. Thiết kế layout trên phần mềm Altium Designer 18 .......................................... 79

3.2. Làm mạch in .................................................................................................... 82
3.3. Hàn mạch và chạy thử kiểm tra mạch ............................................................... 85
3.4. Tình huống ứng dụng thực tế ............................................................................ 88
3.5. Kết luận chƣơng ............................................................................................... 88
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 89


TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 90
PHỤ LỤC................................................................................................................... 91


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AC

Alternating Current

Điện áp xoay chiều

ADC

Analog to Digital Converter

Mạch chuyển đổi tƣơng tự ra số

ARM

Advanced RISC Machine

Cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit

BLE

Bluetooth Low Energy

Bluetooth năng lƣợng thấp

CCK

Complimentary Code Keying

Mã khóa bổ sung

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm dƣ chu trình

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

DAC

Digital-to-Analog Converter

Mạch chuyển đổi số ra tƣơng tự

DECT

Digital Enhanced Cordless
Telecommunications

Kỹ thuật số không dây tăng cƣờng viễn
thông

DMA

Direct memory access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DSL

Digital subscriber line

Dòng thuê bao kỹ thuật số

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Phổ lan truyền dãy trực tiếp

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị cuối xử lý dữ liệu

EDR

Enhanced Data Rate

Tốc độ dữ liệu nâng cao

FHSS

Frequence Hopping Spread
Spectrum

Phổ lan truyền nhảy tần

FPU

Float Point Unit

Xử lý dấu phẩy động

FSM

Finite state machine

Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt

GAP

Generic Access Profile

Cấu hình truy cập chung

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HMI

Human Machine Interface

Giao tiếp ngƣời với máy

HS

High Speed

Tốc độ cao

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ sƣ điện và điện tử
Engineers

IPv6

Internet Protocol version 6

Giao thức Internet phiên bản 6

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu giao thoa

ISM

Institute for Supply Management

Chỉ số của viện quản lý cung ứng Hoa Kỳ


Index
ISP

Internet service provider

Nhà cung cấp dịch vụ internet

JTAG

Joint Test Action Group

Tiêu chuẩn cho thiết bị trên chip trong tự
động hóa thiết kế điện tử

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

LED

Light Emitting Diode

Điot phát quang

MAC

Medium Access Control

Kiểm soát truy cập phƣơng tiện truyền
thông

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

Hệ vi điện cơ

MMC

Multi Media Card

Thẻ nhớ có bộ nhớ flash

OFDM

Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PHY

Physical Layers

Lớp vật lý

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khóa pha

PWM

Pulse-width modulation

Điều chế độ rộng xung

QVGA

Quarter Video Graphics Array

Độ phân giải hiển thị màn hình là
320x240

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

RGB

Red Green Blue

Mô hình màu đỏ, xanh lục, xanh lam

RTC

Real-Time control

Hệ thống kiểm soát thời gian thực

RTOS

Real Time Operating System

Hệ điều hành thời gian thực

SCCB

Serial Camera Control Bus

Bus điều khiển camera tuần tự

SD

Secure Digital

Thẻ nhớ lƣu trữ dữ liệu

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện ngoại vi nối tiếp

TI

Texas Instruments

Tập đoàn lớn của Hoa Kỳ

TFT

Thin Film Transistor

Bóng bán dẫn dạng phim mỏng

USB

Universal Serial Bus

Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

VGA

Video Graphics Array

Chuẩn hiển thị máy tính

VSYN

Vertical Synchronization

Đồng bộ số khung hình trên giây

WEB

World Wide Web

Mạng lƣới toàn cầu

WLAN

Wireless local area network

Mạng cục bộ không dây


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Công nghệ Bluetooth. ................................................................................... 6
Hình 1.2. Cấu hình phần cứng chính của BLE. ........................................................... 11
Hình 1.3. Broadcasting và Observing. ........................................................................ 12
Hình 1.4. Công nghệ Wifi........................................................................................... 13
Hình 1.5. Công nghệ ZigBee. ..................................................................................... 18
Hình 2.1. Kiến trúc của STM32 nhánh Performace và Access. ................................... 29
Hình 2.2. Kit STM32F407VG Discovery. .................................................................. 32
Hình 2.3. Module OV7670 FIFO. ............................................................................... 34
Hình 2.4. Mặt sau module camera OV7670. ............................................................... 34
Hình 2.5. Ảnh 5x5 pixel. ............................................................................................ 36
Hình 2.6. Mô hình màu RGB. ..................................................................................... 37
Hình 2.7. Phân giải của một hình ảnh thành các thành phần Y, Cb và Cr. ................... 37
Hình 2.8. Đồng bộ dòng. ............................................................................................ 40
Hình 2.9 Mô tả tín hiệu một frame ảnh VGA (640x480). ............................................ 41
Hình 2.10 Sơ đồ khối chức năng SCCB tổng quát sử dụng 3 dây ................................ 41
Hình 2.11. Sơ đồ khối chức năng SCCB tổng quát sử dụng 2 dây. .............................. 42
Hình 2.12. Quá trình truyền dữ liệu của SCCB 3 dây.................................................. 43
Hình 2.13. Tín hiệu báo hiệu Start. ............................................................................. 43
Hình 2.14. Tín hiệu báo hiệu Stop. ............................................................................. 44
Hình 2.15. Tín hiệu báo hiệu Start/Stop của I2C. ........................................................ 44

Hình 2.16. Pha truyền dữ liệu trong SCCB. ................................................................ 45
Hình 2.17. Chu kỳ ghi dữ liệu 3 pha trong SCCB. ...................................................... 45
Hình 2.18. Chu kỳ đọc dữ liệu 2 pha trong SCCB....................................................... 46
Hình 2.19. Ghi dữ liệu vào thanh ghi OV7670. ........................................................... 47
Hình 2.20. Sơ đồ thuật toán đọc dữ liệu vào thanh ghi OV 7670................................. 47
Hình 2.21. Ví dụ về cửa sổ 320x240. .......................................................................... 51
Hình 2.22. Mạch điều khiển tỷ lệ hình ảnh. ................................................................ 53
Hình 2.23. Màn hình TFT ILI9325 2.4 Inch................................................................ 54
Hình 2.24. Mặt sau màn hình ILI9325. ....................................................................... 54
Hình 2.25. Giao diện bus dữ liệu 16 bit. ..................................................................... 57
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý kết nối KIT STM32F407VGT......................................... 67
Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý kết nối chân KIT STM32H743ZI. ................................... 68
Hình 2.28. Giao tiếp 16 bit với ILI9325. ..................................................................... 69
Hình 2.29. Tín hiệu Reset. .......................................................................................... 69
Hình 2.30. Chu kỳ ghi dữ liệu với ILI9325. ................................................................ 69
Hình 2.31. Quá trình ghi dữ liệu với ILI9325.............................................................. 70
1


Hình 2.32. Giản đồ thời gian tín hiệu của ILI9325. ..................................................... 71
Hình 2.33. Tham số thời gian tín hiệu của ILI9325. .................................................... 72
Hình 2.34. Sơ đồ kết nối chi tiết module OV7670 ...................................................... 73
Hình 2.35. Lƣu đồ thuật toán ghi dữ liệu thanh ghi camera OV7670 .......................... 74
Hình 2.36. Lƣu đồ thuật toán đọc dữ liệu thanh ghi camera OV7670 .......................... 75
Hình 2.37. Giản đồ thời gian tín hiệu RGB565 ........................................................... 75
Hình 2.38. Lƣu đồ cấu hình chế độ hoạt động của Camera OV7670 ........................... 76
Hình 2.39. Kết nối USART với KIT STM32 .............................................................. 77
Hình 2.40. Sơ đồ khối tổng thể sản phẩm. .................................................................. 77
Hình 3.1. Giao diện Altium 18.................................................................................... 80
Hình 3.2. Mẫu 3D Altium 18 ...................................................................................... 80

Hình 3.3. Mạch hiển thị LCD ..................................................................................... 81
Hình 3.4. Mạch in kết nối Camera .............................................................................. 81
Hình 3.5. Hình ảnh 3D của hệ thống ........................................................................... 82
Hình 3.6. Giấy nhiệt vàng khi mới in mạch in lên ....................................................... 83
Hình 3.7. Phíp đồng chuẩn bị để làm mạch ................................................................. 83
Hình 3.8. Dùng bàn là ủi nhiệt .................................................................................... 84
Hình 3.9. Dung dịch FeCl3 để lắc mạch in ................................................................. 84
Hình 3.10. Mạch cắm module OV7670 ...................................................................... 85
Hình 3.11. Mạch cắm LCD ......................................................................................... 86
Hình 3.12. Hình ảnh bắt đƣợc từ camera..................................................................... 87
Hình 3.13. Sản phẩm sau khi hoàn thiện ..................................................................... 87

2


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các phiên bản của ZigBee .......................................................................... 18
Bảng 2.1. So sánh công nghệ không dây LORA với công nghệ khác .......................... 26
Bảng 2.2. Sơ đồ chân .................................................................................................. 35
Bảng 2.3. Dữ liệu ảnh đƣợc lƣu trữ thành từ (4 byte) .................................................. 38
Bảng 2.4. Thứ tự dữ liệu đến dạng YCbCr422 ............................................................ 38
Bảng 2.5. Các điểm ảnh YCbCr422 ............................................................................ 39
Bảng 2.6. Các thanh ghi cài đặt tần số dao động nội Camera ...................................... 48
Bảng 2.7. Thiết lập định dạng ảnh cho Camera OV7670 ............................................ 49
Bảng 2.8. Thứ tự tín hiệu YUV................................................................................... 50
Bảng 2.9. Thiết lập độ phân giải QVGA, CIF, QCIF .................................................. 50
Bảng 2.10. Các thanh ghi thiết lập cửa sổ ................................................................... 51
Bảng 2.11. Thanh ghi điều khiển tín hiệu đồng bộ của Camera................................... 52
Bảng 2.12. Sơ đồ chân ................................................................................................ 55

3


MỞ ĐẦU
Trải qua quá trình phát triển của con ngƣời, từ xa xƣa điện tử đã đƣợc đƣa
vào sử dụng trong đời sống và sản xuất nhƣng lúc đó chỉ là những sản phẩm điện tử
đơn giản nhƣ: bóng đèn, quạt điện... cho đến ngày nay với những sản phẩm điện tử
phức tạp hơn: điện thoại, máy tính, tivi, máy giặt, cho đến những dây chuyền máy
móc trong nhà máy, xí nghiệp... Hầu nhƣ bất kỳ ở đâu, bất kỳ ai thì việc sử dụng
những thiết bị điện tử không còn quá xa lạ, nó có mặt ở khắp mọi nơi tất cả tạo nên
những giá trị vật chất nhằm phục vụ đời sống cho con ngƣời, giảm gánh nặng cho
ngƣời lao động trong sản xuất . Và từ đó điện tử trở thành một phần không thể thiếu
đối với xã hội con ngƣời, nhất là ở thế giới công nghiệp hiện đại hóa nhƣ bây giờ.
Hiểu rõ đƣợc tầm quan trọng đó cùng với việc áp dụng những kiến thức đã
học cũng nhƣ tích luỹ thêm kinh nghiệm trong thiết kế mạch, đồng thời tìm hiểu họ
vi điều khiển, em đã chọn làm luận văn với đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống
thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ truyền không dây LORA”. Việc làm luận
văn đã giúp cho tôi có cơ hội áp dụng những kiến thức đã học trong nhà trƣờng
đồng thời trau dồi thêm kiến thức thực tiễn.
Tuy nhiên, do còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế, tài liệu tham khảo, nên
luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô trong hội
đồng góp ý xây dựng để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy!

4


CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ
TRUYỀN KHÔNG DÂY
Chƣơng đầu tiên này sẽ trình bày những nội dung cơ bản về các công nghệ

truyền không dây: các khái niệm, đặc điểm, nguyên tắc hoạt động và những ứng
dụng của công nghệ truyền không dây trong đời sống.
1.1. Khái niệm về công nghệ truyền không dây
Công nghệ truyền không dây là công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị kết
nối với nhau bằng cách sử dụng 1 giao thức khác nhau mà không cần những kết nối
bằng dây mạng hay đƣờng dây điện thoại.
1.2. Đặc điểm của công nghệ truyền không dây
Công nghệ truyền không dây thƣờng sử dụng sóng radio hay sóng cực ngắn
để duy trì các kênh truyền thông, các thiết bị truyền thông với nhau. Tín hiệu không
dây đƣợc lan truyền trong không khí và đƣợc nhận và đƣợc hiểu bằng ăng ten thích
hợp.
Khi một ăng ten đƣợc gắn vào mạch điện của máy tính hoặc thiết bị không
dây, ăng ten sẽ chuyển đổi dữ liệu số thành tín hiệu không dây và trải rộng trên
phạm vi tần số của nó. Ở đầu còn lại nhận đƣợc tín hiệu này và chuyển đổi chúng
trở lại dữ liệu kỹ thuật số.
1.3. Các công nghệ không dây hiện tại
1.3.1. Bluetooth
1.3.1.1. Khái niệm về Bluetooth
Bluetooth là sự trao đổi dữ liệu không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử.
Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết
bị di động với nhau và với thiết bị cố định mà không cần sợi cáp nào để truyền tải.
Bluetooth sử dụng sóng Radio tần số 2.4GHz. Tuy sử dụng cùng tần số với
công nghệ Wifi nhƣng chúng không hề xung đột với nhau vì Bluetooth sử dụng tần
5


số có bƣớc sóng ngắn hơn. Bluetooth là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các
hãng sản xuất muốn có đặt tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu
cầu của chuẩn của Bluetooth cho sản phẩm của mình. Những chỉ tiêu kỹ thuật này
bảo đảm cho các thiết bị có thể nhận ra và tƣơng tác với nhau khi sử dụng công

nghệ Bluetooth.

Hình 1.1: Công nghệ Bluetooth.
1.3.1.2. Các chuẩn kết nối Bluetooth
+ Bluetooth 1.0: Tốc độ xấp xỉ 1Mbps nhƣng gặp nhiều vấn đề về tính tƣơng
thích.
+ Bluetooth 1.1: Phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhƣng không thay đổi tốc độ.
+ Bluetooth 1.2: Thời gian dò tìm và kết nối nhanh hơn giữa các thiết bị, tốc
độ truyền tải nhanh hơn so với chuẩn 1.1.
+ Bluetooth 2.0 +EDR: Đƣợc công bố vào tháng 7/2007 chuẩn mới này này
ổn định hơn và cho tốc độ chia sẻ nhanh hơn, đồng thời tiết kiệm năng lƣợng khi sử
dụng.
+ Bluetooth 2.1 +EDR: Bên cạnh những ƣu điểm của bản 2.0, Bluetooth 2.1
còn có thêm cơ chế kết nối phạm vi nhỏ.
+ Bluetooth 3.0 + HS (High Speed): Đƣợc giới thiệu vào 21/4/2009, chuẩn
kết nối này có tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps. Những thiết bị hỗ trợ Bluetooth 3.0

6


nhƣng không có +HS sẽ không đạt đƣợc tốc độ trên. Tuy tốc độ cao nhƣng
Bluetooth vẫn chỉ hỗ trợ nhu cầu chia sẻ nhanh file có dung lƣợng thấp hay kết nối
với loa, tai nghe…
+ Bluetooth 4.0: Ra mắt tháng 6/2010, phiên bản 4.0 là sự kết hợp của
“classis Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0 ), tức là vừa truyền tải nhanh lại còn tiết
kiệm năng lƣợng hơn.
+ Bluetooth 4.1: Năm 2014, Bluetooth nâng cấp lên bản 4.1 cải thiện tình
trạng chồng chéo dữ liệu của Bluetooth với mạng 4G, tối đa hóa hiệu năng nhờ tự
điều chỉnh băng thông, đồng thời tiết kiệm năng lƣợng hơn nhờ tối ƣu thời gian chờ
kết nối lại.

+ Bluetooth 4.2: Là một bản nâng cấp nữa trong năm 2014, cải thiện tốc độ
truyền tải lên đến 2.5 lần so với v4.1, tiết kiệm năng lƣợng hơn, hạn chế lỗi kết nối
cũng nhƣ bảo mật tốt. Đồng thời tính năng quan trọng nhất là hỗ trợ chia sẻ kết nôi
mạng internet theo giao thức IPv6 [2, tr.529].
1.3.1.3. Ứng dụng của Bluetooth
Hầu hết mọi ngƣời đã quen thuộc với tai nghe Bluetooth, nhƣng thực tế là nó
có thể làm đƣợc nhiều hơn vậy. Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin
giữa các thiết bị nhƣ điện thoại di động, điện thoại cố định, máy tính bảng, máy tính
xách tay, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và thiết bị chơi game cầm
tay. Tất cả đã cho thấy kết nối này Bluetooth đang dần trở thành phần quan trọng
trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Để ghép hai thiết bị Bluetooth với nhau, bạn
phải “pair” (kết đôi) chúng với nhau. Ví dụ, bạn có thể ghép chuột Bluetooth và
máy tính, tai nghe với điện thoại hay điện thoại với laptop.
Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:
+ Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe
không dây.

7


+ Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi
hỏi ít băng thông.
+ Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn
nhƣ chuột, bàn phím và máy in.
+ Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo,
thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao
thông.
+ Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại.
+ Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng
Bluetooth khác.

+ Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử.
+ Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay
modem.
1.3.1.4. Ƣu và nhƣợc điểm của công nghệ Bluetooth
Ƣu điểm:
+ Thay thế hoàn toàn dây nối.
+ Hoàn toàn không nguy hại đến sức khoẻ con ngƣời.
+ Bảo mật an toàn với công nghệ mã hóa trong. Một khi kết nối đƣợc thiết
lập thì khó có một thiết bị nào có thể nghe trộm hoặc lấy cắp dữ liệu.
+ Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vòng 20m mà không cần trực
diện (hiện nay có loại Bluetooth kết nối lên đến 100m).
+ Kết nối điện thoại và tai nghe Bluetooth khiến cho việc nghe máy khi lái
xe hoặc bận việc dễ dàng.
+ Giá thành rẻ.
+ Tốn ít năng lƣợng, chờ tốn 0.3mAh.

8


+ Không gây nhiễu các thiết bị không dây khác.
+ Tính tƣơng thích cao nên đƣợc nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm
hỗ trợ.
Nhƣợc điểm:
+ Tốc độ thấp, khoảng 720kbps tối đa.
+ Bắt sóng kém khi có vật cản.
+ Thời gian thiết lập lâu.
1.3.1.5. Các giải pháp an toàn bảo mật trong Bluetooth
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị ngƣời sử dụng cần lƣu ý một số điều sau:
+ Chỉ mở Bluetooth khi cần thiết.
+ Giữ thiết bị ở chế độ „hidden‟.

+ Kiểm tra định kỳ danh sách các thiết bị đã paired.
+ Nên mã hóa khi thiết lập Bluetooth với máy tính.
+ Sử dụng các phần mềm diệt virus, quét virus định kỳ.
1.3.2. Bluetooth Low Energy (BLE)
Trƣớc hết cần nói rằng BLE không phải là tất cả, nó không thay thế hoàn
toàn các chuẩn truyền thông không dây khác nhƣ Wifi, Zigbee, hay thậm chí là
Bluetooth Classic (2.0). Nó đƣợc thiết kế với mục đích chuyên biệt hơn, với miền
ứng dụng cụ thể hơn.
BLE (Bluetooth 4.0 trở đi) đƣợc thiết kế cho các ứng dụng:
- Siêu tiết kiệm năng lƣợng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài tháng hoặc
vài năm chỉ với một viên pin đồng xu (coin-cell battery).
- Khoảng cách ngắn, hoạt động ổn định trong phạm vi 10m.

9


- Dữ liệu truyền tải không lớn, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển không
liên tục, cảm biến.
- Các ứng dụng điển hình sử dụng BLE nhƣ thiết bị theo dõi sức khỏe,
beacons, nhà thông minh, an ninh, giải trí, cảm biến tiệm cận, ô tô. Trung tâm của
một hệ thống ứng dụng BLE thƣờng là Smart phones, tablets và PCs.
1.3.2.1. Điều gì làm BLE trở nên khác biệt
- Sự phát triển mạnh của các thiết bị thông minh dẫn đến nhu cầu kết nối các
thiết bị với bên ngoài tăng mạnh. Trong khi BLE đƣợc tích hợp trong hầu hết các
điện thoại thông minh.
- Giá thành thấp.
- BLE cho phép các thiết bị có thể “nói chuyện” với các nền tảng di động
hiện đại.
- Một số thiết bị chỉ cần truyền nhận một lƣợng nhỏ dữ liệu cho mỗi chu kỳ
kết nối và chúng cũng cần tiết kiệm năng lƣợng, ví dụ nhƣ thiết bị theo dõi nhịp tim,

thiết bị quản lý trẻ em, v..v.
- BLE có mô hình dữ liệu tƣơng đối dễ hiểu, không cần chi phí giấy phép với
một Protocol stack không quá phức tạp [7, tr.263].
1.3.2.2. Các khối chính của thiết bị Bluetooth
Mỗi thiết bị Bluetooth gồm 3 khối chính sau:
- Application: Ứng dụng ngƣời dùng giao tiếp với Bluetooth protocol stack.
- Host: Các lớp trên của Bluetooth protocol stack.
- Controller: Các lớp dƣới của Bluetooth protocol stack, bao gồm chức năng
truyền nhận radio.
(Bluetooth Protocol Stack: Bộ giao thức dạng stack cho phép các thiết bị
Bluetooth thiết lập, kết nối, truyền nhận dữ liệu với nhau). Ba khối chính của một

10


thiết bị Bluetooth đƣợc tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, dƣới đây
là 3 kiểu cấu hình phần cứng chính:

Hình 1.2. Cấu hình phần cứng chính của BLE.
1.3.2.3. Các giới hạn chính của BLE
- Thông lƣợng dữ liệu nhỏ:
Tần số điều chế của sóng BLE trong không gian là 1Mbps. Đây là giới hạn
trên của thông lƣợng theo lý thuyết. Tuy nhiên trong thực tế tham số này nhỏ hơn
do ảnh hƣởng của nhiều yếu tố.
- Khoảng cách gần.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến khoảng cách truyền thông nhƣ môi trƣờng hoạt
động, thiết kế anten, vật cản, hƣớng thiết bị, v..v. BLE tập trung vào các ứng dụng
truyền thông trong phạm vi gần.
Với BLE ta có:
- Khoảng cách lý thuyết: 100m (điều kiện tốt).

- Khoảng cách khả thi: 30m.
- Khoảng cách thƣờng đƣợc sử dụng: 2-5m.

11


1.3.2.4. Mô hình mạng truyền thông cho BLE
Một thiết bị BLE có thể giao tiếp với bên ngoài thông qua 2 cơ chế:
Broadcasting hoặc Connection. Mỗi cơ chế có thế mạnh và giới hạn riêng, cả hai
đƣợc thiết lập bởi GAP (Generic Access Profile).

Hình 1.3. Broadcasting và Observing.
Thiết bị Broadcaster: Gửi các gói tin quảng bá phi kết nối đến bất kỳ thiết bị
nào có thể nhận.
Thiết bị Observer: Quét liên tục theo tần số đặt trƣớc để nhận các gói tin
quảng bá phi kết nối.
Đây là kiểu truyền thông cho phép một thiết bị có thể truyền dữ liệu đến
nhiều thiết bị khác nhau cùng lúc (một chiều). Đây là cơ chế nhanh chóng và dễ sử
dụng, là lựa chọn tốt nếu muốn truyền lƣợng nhỏ dữ liệu đến nhiều thiết bị cùng lúc.
Hạn chế là dữ liệu không đƣợc bảo đảm an ninh, vì thế không phù hợp để truyền
các dữ liệu nhạy cả.
1.3.3. Wifi
1.3.3.1. Định nghĩa wifi
Wifi là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín
hiệu. Loại sóng vô tuyến này tƣơng tự nhƣ sóng điện thoại, truyền hình và radio. Và

12


trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay nhƣ máy tính, laptop, điện thoại, máy tính

bảng... đều có thể kết nối Wifi [1, tr.731].
Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện
nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng
cách 100 feet (gần 31 mét, các bạn cứ thử tƣởng tƣợng mỗi 1 tầng nhà lấy trung
bình là 4 mét thì theo lý thuyết sóng wifi phát ở tầng 1 vẫn sẽ bắt đƣợc nếu bạn
đang ở tầng 7 - đó là theo lý thuyết). Còn trong thực tế thì trong mỗi ngôi nhà
thƣờng có rất nhiều vật cản sóng, nên bạn chỉ cần đứng trên tầng 4 hoặc 5 là tín hiệu
đã yếu lắm rồi.

Hình 1.4. Công nghệ Wifi.

1.3.3.2. Nguyên tắc hoạt động của Wifi
Để có đƣợc sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi - chính là các
thiết bị nhƣ modem, router. Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (đƣợc cung cấp bởi các
đơn vị ISP nhƣ FPT, Viettel, VNPT, CMC... hiện nay). Thiết bị modem, router sẽ
lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến, và gửi
đến các thiết bị sử dụng nhƣ điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop... Đây là
quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là adapter) - chính là card wifi trên
laptop, điện thoại... và chuyển hóa thành tín hiệu Internet. Và quá trình này hoàn
toàn có thể thực hiện ngƣợc lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vô tuyến từ
adapter và giải mã chúng, gửi qua Internet [6, tr.352].
13


1.3.3.3. Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến
Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần
số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động,
radio... do vậy tín hiệu Wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhƣng lại bị hạn chế ở phạm
vi truyền - khoảng cách. Còn các loại sóng khác tuy tần số thấp nhƣng lại có thể
truyền đi ở khoảng cách rất xa.

Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 là chuẩn đầu tiên của hệ thống
mạng không dây. Chuẩn này chứa tất cả công nghệ truyền hiện hành bao gồm
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), Frequence Hopping Spread Spectrum
(FHSS) và tia hồng ngoại. 802.11 là một trong hai chuẩn miêu tả những thao tác của
sóng truyền (FHSS) trong hệ thống mạng không dây. Nếu ngƣời quản trị mạng
không dây sử dụng hệ thống sóng truyền này, phải chọn đúng phần cứng thích hợp
cho các chuẩn 802.11. Trong thƣ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers), chuẩn này bao gồm chuẩn nhỏ hơn là a/b/g/n. (các bạn thƣờng thấy trên
modem, router có các ký hiệu này).
- 802.11b: Hầu hết mạng WLAN ngày nay tƣơng thích với chuẩn 802.11b
của IEEE, các sản phẩm bắt đầu đƣợc xuất xƣởng vào cuối năm 1999 và khoảng 40
triệu thiết bị 802.11b đang đƣợc sử dụng trên toàn cầu. Có tốc độ tín hiệu tối đa
11Mbps, với thông lƣợng trung bình khoảng từ 4 đến 6 Mbps. Tốc độ này vẫn
nhanh hơn một kết nối băng rộng DSL hoặc cáp và đủ cho âm thanh liên tục
(streaming audio), 802.11b lại không đủ nhanh để truyền những hình ảnh có độ nét
cao. Lợi thế chính của 802.11b là chí phí phần cứng thấp. Do hoạt động ở tần số
2.4GHz Phổ này bị chia sẻ bởi các thiết bị không đƣợc cấp phép, chẳng hạn nhƣ các
thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây và sóng viba là nguồn gốc gây nhiễu (và
làm giảm hiểu suất hoạt động) ở mạng dùng chuẩn 802.11b. Các mạng dùng chuẩn
802.11b cũng có thể gây nhiễu cho nhau, 14 kênh của chuẩn 802.11b đƣợc chia
thành từng phần và chỉ có thể dùng 3 kênh cùng một phạm vi để tránh chồng chéo.
Các kênh thƣờng đƣợc sử dụng để tránh chồng chéo là 1, 6 và 11.

14


- 802.11b+: PBCC (Packet Binary Convolutional Code) do Texas
Instruments (TI) phát triển có thể cung cấp tốc độ 22 và 33 Mbps. TI sản xuất
chipset dựa trên chuẩn 802.11b và hỗ trợ PBCC 22 Mbps. Những thiết bị tích hợp
chipset này đƣợc gọi là thiết bị 802.11b+. Những thiết bị này hoàn toàn tƣơng thích

với 802.11b, khi hai thiết bị 802.11b+ giao tiếp với nhau có thể tự động dùng tốc độ
22 Mbps. Điểm nổi bật khác của TI khi giao tiếp giữa các thiết bị 802.11b+ là hoạt
động ở chế độ 4x, có nghĩa là dùng các gói tin có kích thƣớc lớn hơn - 4000 byte để giảm tải và tăng thông lƣợng lên đến ba lần.
- 802.11a: Vào cuối năm 2001, các sản phẩm dựa trên một chuẩn thứ hai,
802.11a, bắt đầu đƣợc xuất xƣởng ,hoạt động ở tần số 5GHz Thông lƣợng lý thuyết
tối đa của nó là 54 Mbit/s, với tốc độ tối đa thực tế từ 21 đến 22 Mbit/s. Mặc dù tốc
độ tối đa này vẫn cao hơn đáng kể so với thông lƣợng của chuẩn 802.11b, phạm vi
phát huy hiệu lực trong nhà từ 25 đến 75 feet của nó lại ngắn hơn phạm vi của các
sản phẩm theo chuẩn 802.11b. Nhƣng chuẩn 802.11a hoạt động tốt trong những khu
vực đông đúc:
Với một số lƣợng các kênh không gối lên nhau tăng lên trong dải 5
GHz,Trong môi trƣờng văn phòng thông thƣờng, tầm hoạt động của 802.11a có thể
lên đến tối đa 46m ở tốc độ thấp nhất, và khoảng 23m ở tốc độ cao nhất.
Không giống dãy tần số 2.4GHz, dãy tần số 5GHz gần nhƣ không bị nhiễu.
Với ƣu thế về kích thƣớc của dãy tần số, các kênh của 802.11a không bị chồng
chéo. Một số nƣớc định nghĩa 4 kênh, 8 kênh hoặc nhiều hơn. Một lợi ích khác mà
chuẩn 802.11a mang lại là băng thông cao hơn của nó giúp cho việc truyền nhiều
luồng hình ảnh và truyền những tập tin lớn trở nên lý tƣởng.
- 802.11g: là chuẩn nối mạng không dây đƣợc IEEE phê duyệt tháng 6 năm
2003. có tốc độ của 802.11a và tầm hoạt động của 802.11b và tƣơng thích ngƣợc
với 802.11b.
Tốc độ tối đa lý thuyết của các sản phẩm theo chuẩn 802.11a, 54 Mbit/s, với
một thông lƣợng thực tế từ 15 đến 20 Mbit/s. Giống 802.11b, 802.11g có 14 kênh
15


và chỉ có thể dùng 3 kênh cùng một phạm vi để tránh chồng chéo.Tốc độ cao hơn
của chuẩn 802.11g cũng giúp cho việc truyền hình ảnh và âm thanh, lƣới Web trở
nên lý tƣởng. 802.11g thiết kế để tƣơng thích ngƣợc với 802.11b và chúng chia sẻ
cùng phổ 2,4GHz. Việc này làm cho các sản phẩm của 2 chuẩn 802.11b và 802.11g

có thể hoạt động tƣơng thích với nhau. 802.11g đạt tốc độ này bằng cách dùng
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), cùng cơ chế với 802.11a,
và phải sử dụng thiết bị cùng chẩn 802.11g. Để có thể kết nối với các thiết bị
802.11b phải dùng cơ chế điều biến CCK (Complimentary Code Keying). 802.11g
cũng tƣơng thích với các thiết bị 802.11b+ hoạt động ở tốc độ 22 và 33Mbps sử
dụng PBCC (Packet Binary Convolutional Code) của Texas Instrumnets.
- 802.11g+: Giống 802.11b+, 802.11g+ do Texas Instruments (TI) phát triển
dựa trên 802.11g của IEEE với các tính năng khác đƣợc thêm vào. Các thiết bị
802.11g+ tƣơng thích với các thiết bị 802.11b và 802.11g. Khi kết nối với thiết bị
802.11b+, các ƣu điểm của TI sẽ đƣợc phát huy. Khi kết nối các thiết bị 802.11g+
với nhau, có thể đạt tốc độ tín hiệu lên đến 100Mbps.
- 802.11n: Task Group N của IEEE 802.11 đƣợc thành lập vào tháng 7 năm
2003 để chuẩn hóa cho Physical Layers (PHY) và Medium Access Control (MAC)
của 802.11, cho phép các chế độ hoạt động có thể đạt đƣợc thông lƣợng ít nhất là
100Mbps.
Đây là dự án đầu tiên của 802.11 hƣớng tới thông lƣợng thay vì tốc độ tín
hiệu. Môt mục đích khác là đạt đƣợc thông lƣợng cao ở tầm hoạt động rộng, tƣơng
thích với các thiết bị 802.11a và 802.11g. Ban đầu dự kiến, công việc chuẩn hóa sẽ
hoàn thành vào cuối năm 2005.Sau đó hoãn lại và dự kiến sẽ đƣợc công nhận chính
thức vào cuối năm 2006 nhƣng cho tới thời điểm này vẫn chƣa có một chuẩn chính
thức.
- 802.11n sử dụng hệ thống đa ăng ten và cƣờng độ phổ lớn, đều là những
vấn đề hóc búa đối với hội kỹ sƣ điện tử (IEEE). Sau nhiều trở ngại với đề xuất về
một tiêu chuẩn mạng không dây tốc độ cao, cuối cùng hiệp hội Wi-fi cũng đã đƣa ra

16


đƣợc phiên bản Draft 2.0 của 802.11n, đồng thời coi đây là tiêu chuẩn sàn để các
nhà sản xuất có thể xây dựng các thiết bị hoạt động tốt với nhau.

1.3.3.4. Ƣu và nhƣợc điểm của Wifi
Ƣu điểm
- Khả năng di động, cho phép kết nối bất kỳ đâu trong vùng phủ sóng.
- Dễ lắp đặt và triển khai.
- Tốc độ cao, tính linh động và nâng cấp dễ.
- Giá thiết bị rẻ và nhiều trên thị trƣờng.
Nhƣợc điểm
- Khả năng nhiễu sóng do thời tiết, hay các vật chắn.
- Vùng phủ sóng chỉ hạn chế tầm vài chục đến vài trăm mét.
- Bảo mật còn nhiều lỗ hổng.
1.3.4. ZigBee
1.3.4.1. Khái niệm về ZigBee
Công nghệ ZigBee đƣợc xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu chuẩn 802.15.4 này
sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng
vật lý và tầng MAC (medium Access Control). Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng
sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà
các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhƣng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối
với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống.

17