THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ TỪ XA QUA TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG NHÀ TỪ XA QUA TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Giáo viên hướng dẫn

: TS. Vũ Vân Hà

Nhóm sinh viên thực hiện: Lê Thiện Đức
Cao Văn Hoàng
Nguyễn Thị Minh Giang

Hà nội, 6/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN
-------------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---------------------

NHIỆM VỤ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: ............................................................Số hiệu sinhviên: .........
Khóa: ......................
Khoa/Viện:.......................................Ngành:....................................
1. Đầu đề thiết kế:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Các số liệu ban đầu:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................


5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
...............................................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án:
...................................................................................................
Ngày ....... tháng ....... năm ..….
Trưởng bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

( Ký, ghi rõ họ, tên)

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2010
Người duyệt

Sinh viên

( Ký, ghi rõ họ, tên)

( Ký, ghi rõ họ, tên)


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................................. iii
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 2
Chương 1 ..................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN ............................................................................................................. 3
1.1. Giới thiệu đề tài ............................................................................................... 3
1.1.1. Ý tưởng đề tài ............................................................................................ 3
1.1.2. Tóm tắt đề tài ............................................................................................ 3
1.1.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 4
1.1.4. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 4
1.1.5. Tiêu chí thiết kế cho đề tài ........................................................................ 4
1.1.6. Sơ đồ tổng quan của hệ thống ................................................................... 5
Chương 2 ................................................................................................................... 22
CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 4.0 ............................................................................ 22
2.1. Công Nghệ Bluetooth .................................................................................... 22
2.1.1. Khái niệm ................................................................................................ 22
2.1.2. Đặc điểm của Bluetooth .......................................................................... 22
2.1.3. Lịch sử phát triển Bluetooth .................................................................... 23
2.2. Kiến trúc giao thức Bluetooth 4.0 .................................................................. 24
2.2.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 24
2.2.2. Cấu trúc cơ bản của giao thức ................................................................. 24
2.2.3. Lớp Vật lý (Physical Layer) .................................................................... 25
2.2.4. Lớp liên kết (Link Layer) ........................................................................ 25
2.2.5. Lớp HCI (host control interface)............................................................. 25
2.2.6. Lớp L2CAP (link logical control and adaption protocol) ....................... 25
2.2.7. Lớp ATT ( Attribute Protocol) ................................................................ 26
2.2.8. Lớp SM (Security Manager) ................................................................... 26
2.2.9. Lớp GATT (Generic Attribute Profile) ................................................... 26
2.2.10. Lớp GAP ( Generic Access Profile)...................................................... 28

Hình 2.4. Sơ đồ các trang thái của GAP ........................................................... 29
Chương 3 ................................................................................................................... 22
Thiết Kế Mạch Điều Khiển ....................................................................................... 22
3.1.Thiết kế phần cứng.......................................................................................... 22


3.1.1. Sơ đồ khối ............................................................................................... 22
3.1.2. CC2541 System on chip .......................................................................... 23
3.1.3. Khối điều khiển và truyền thông ............................................................. 24
3.1.4. Khối mạch lái cho Relay ......................................................................... 25
3.1.5. Khối nguồn 3,3V ..................................................................................... 27
3.1.6. Nguồn 220V-5VDC ................................................................................ 27
3.1.7. Khối cảm biến nhiệt độ, còi báo, led báo và nút bấm ............................. 28
3.2. Thiết kế phần mềm ........................................................................................ 31
3.2.1.Thiết lập service cho lớp GATT server ................................................... 31
3.2.2.Thiết lập các thông số hoạt động cho lớp GAP ....................................... 32
3.2.3.Viết các hàm để cấu hình và sử dụng các ngoại vi .................................. 32
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 34
THIẾT KẾ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN ANDROID ................................... 34
4.1. Tổng quan về hệ điều hành android ............................................................... 34
4.1.1 Kiến trúc của Android ............................................................................. 34
4.1.2. Các ứng dụng (Applications) .................................................................. 35
4.1.3. Khung ứng dụng (Application farmework) ............................................ 36
4.1.4. Thư viện và các giao diện lập trình ( Libraries ) ..................................... 36
4.1.5 Chu kỳ ứng dụng android ......................................................................... 37
4.2. Thiết kế ứng dụng trên thiết bị di động ......................................................... 41
4.2.1. Tiêu chí thiết kế ....................................................................................... 41
4.2.2. Chương trình thiết kế .............................................................................. 41
4.2.3. Thiết kế giao diện ứng dụng ................................................................... 42
4.2.4. Hệ thống của ứng dụng ........................................................................... 42

4.3. Cách thức hoạt động của ứng dụng “ điều khiển thiết bị BLE” .................... 43
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 46
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 47


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ tổng quan của hệ thống .....................................................................5
Hình 2.1. Cấu trúc của giao thức Bluetooth Low Energy .........................................24
Hình 2.2. Vai trò của từng GATT ứng với central và peripheral .............................. 27
Hình 2.3. Sự phân cấp dữ liệu trong một GATT Server ...........................................27
Hình 3.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển ......................................................................22
Hình 3.2. Sơ đồ chân CC2541...................................................................................23
Hình 3.3. Khối điều khiển và truyền thông ............................................................... 24
Hình 3.4. Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển relay với khối chấp hành ............25
Hình 3.5. Sơ đồ mạch của một kênh bên trong IC ULC2003a .................................26
Hình 3.6. Ảnh minh họa relay ...................................................................................26
Hình 3.7. Khối nguồn 3,3V ....................................................................................... 27
Hình 3.8. Hình ảnh minh họa LM1117 .....................................................................27
Hình 3.9. Module nguồn 220V-5VDC......................................................................28
Hình 3.10. Khối cảm biến, báo hiệu, mạch nạp ........................................................ 28
Hình 3.11. Sơ nguyên lý của bo mạch ......................................................................29
Hình 3.12. Hình ảnh mạch thật .................................................................................30
Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán cho mạch điều khiển ..................................................33
Hình 4.1. Cấu trúc hệ thống Android ........................................................................35
Hình 4.2: Activity Stack ............................................................................................ 38
Hình 4.3. Vòng đời Activity...................................................................................... 39

ii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Phân phối các đầu vào ra cho module CC2541 .........................................25
Bảng 3.2. Bảng liệt kê các service và characteristic bên trong profile của GATT
server .........................................................................................................31

iii


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
AES

Advanced Encryption Standard

Tiểu chuẩn mã hóa tiên tiến

ATT

Attribute Protocol

Giao thức phần tử dữ liệu

BLE

Bluetooth Low Energy

Bluetooth năng lượng thấp

DMA

Direct memory access

Bộ nhớ truy cập trực tiếp

GAP

Generic Access Profile

GATT

Generic Attribute Profile

HCI

Host-Controller Interface

Lớp giao diện Host-Control

L2CAP

Link Logical Control and

Lớp điều khiển liên kết logic và giao

Adaption Protocol

thức thích ứng

LL

Link Layer

Lớp liên kết

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

SDK

Software Development Kit

Bộ phát triển phần mềm

SM

Security Manager

Lớp quản trị an ninh

SoC

System on Chip

Tất cả hệ thống trên một con chip

UART

Universal asynchronous receiver/ Truyền thông có dây không đồ bộ
transmitter

iii


Chương 1. Tổng quan

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, cuộc sống của
chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Khái niệm nhà thông
minh ra đời để áp ứng những nhu cầu cuộc sống của con người. Một ngôi nhà thông
minh là giải pháp điều khiển tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền thông
thành một hệ thống hoàn chỉnh và hợp nhất.
Nhận thức được tầm ứng dụng thực tiễn của ngôi nhà thông minh, và sự quan
trong của truyền thông trong hệ thống nhà thông minh là cơ sở để chúng em chọn đề
tài đồ án tốt nghiệp là “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình
từ xa qua truyền thông không dây”. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng

em đã tìm hiểu về vi điều khiển, các chế độ truyền thông, cảm biến đo, cơ cấu chấp
hành, cách kết nối Bluetooth, điều khiển qua điện thoại thông minh.
Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo của thầy Vũ Vân Hà cùng với sự cố gắng nỗ lực
của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn cho
phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cùng lượng kiến thức rất lớn nên chúng em
không thể tránh những thiếu xót. Vì vậy trong đề tài này chúng em tập trung giải
quyết các vấn đề chính sau:
 Thiết kế phần cứng điều khiển thiết bị thông qua module CC2541.
 Điều khiển bật/tắt và hiện thị trạng thái thiết bị trên ứng dụng của điện
thoại.

Em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện
Lê Thiện Đức
Cao Văn Hoàng
Nguyễn Thị Minh Giang

2


Chương 1. Tổng quan

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu đề tài
1.1.1. Ý tưởng đề tài
Hiện nay, điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà qua truyền thông không dây
đã trở nên rất phổ biến trong sinh hoạt gia đình hàng ngày. Cụ thể như: Tivi,
Antena, Máy điều hòa, đầu DVD, quạt, …. Nhưng đó chỉ là điều khiển riêng lẻ.
Trong tương lai con người hướng đến việc điều khiển tất cả các thiết bị chỉ dùng

một bộ điều khiển để phục vụ cho cuộc sống tiện lợi hơn.
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 truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wifi, Bluetooth, NFC,…
Trong đó, Bluetooth là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn
được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật. Trên thị trường Việt
Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số những
sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao. Việc nghiên
cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn,
giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm được sản xuất trong nước
nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh. Do đó,
chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị
điện trong nhà từ xa qua truyền thông không dây”. Đề tài ứng dụng công nghệ
Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản
phẩm hiện có là điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụng những
thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giá thành
sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều
thông tin hơn.
1.1.2. Tóm tắt đề tài
Hiện nay điện thoại thông minh ngày càng phổ biến, hệ điều hành Android
được xây dựng và phát triển liên tục với các chia sẻ về mã nguồn mở, việc sử dụng
3


Chương 1. Tổng quan

SmartPhone để điều khiển, giám sát là một xu hướng. Chúng em quyết định thực
hiện tìm hiểu và nghiên cứu về hệ điều hành Android, cách thức giao tiếp, điều
khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bị điện qua Bluetooth. Từ đó chúng em xây

dựng phần mềm điều khiển chạy trên điện thoại hệ điều hành Android. Đồng thời
chúng em cũng thiết kế một phần cứng là bộ điều khiển có thể điều khiển 4 thiết bị
điện 220V khác nhau. Các module này có thể kết hợp với nhau để mở rộng đối
tượng điều khiển và được xây dựng trên nền tảng vi điều khiển 8051. Kết quả của
đề tài mang lại là một hệ thống điều khiển hoàn hiện gồm phần mềm và phần cứng
có thể sử dụng trong hộ gia đình, văn phòng.
1.1.3. Phương pháp nghiên cứu
Do điều kiện về môi trường nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên phương pháp
nghiên cứu chú yếu là:
 Tham khảo tài liệu: các đề tài liên quan, giáo trình các môn học, tìm kiếm
thông tin trên Internet;
 Sử dụng kit được hỗ trợ và viết phần mềm theo các yêu cầu đặt ra (dựa vào
nhu cầu sử dụng các thiết bị).
1.1.4. Đối tượng nghiên cứu
Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài, cùng với những hiểu biết sẵn có và tìm
kiếm thông tin liên quan, chúng em xác các định đối tượng cần nghiên cứu là:
 Công nghệ Blutooth: khái niệm, các đặc điểm, liên kết vật lý của Bluetooth,
các chế độ kết nối, cách thức hoạt động. Nghiên cứu Module Bluetooth 4.0 MH-10,
các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động;
 Viết ứng dụng trên hệ điều hành Android: cấu trúc, chu kỳ sống các ứng dụng
chạy trên hệ điều hành Adroid, phần mềm hỗ trợ lập trình Android Studio, ngôn
ngữ lập trình Java, viết phần mềm ứng dụng;
 IC CC2541: đặc điểm, các tính năng và cấu trúc xử lí bên trong.
1.1.5. Tiêu chí thiết kế cho đề tài
 Thiết kế nhỏ gọn, thẩm mỹ.

4


Chương 1. Tổng quan

 Điều khiển ngõ ra bằng nút nhấn trên bộ điều khiển hoặc bằng ứng dụng trên
điện thoại.
 Ngõ ra nối với các thiết bị cần điều khiển có điện áp 220 VAC, công suất tối
đa…
 Có cầu chì bảo vệ thiết bị khi xảy ra sự cố.
 Lưu lịch sử điều khiển thiết bị khi không kết nối với điện thoại và cập nhật khi
kết nối với điện thoại.
 An toàn cho người sử dụng.
1.1.6. Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Hoạt động của hệ thống được thể hiện như hình 1.1.

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Mô tả hoạt động của hệ thống:
 Phần phát tín hiệu điều khiển: Sau khi đã kết nối thành công, khi người
dùng on/off các cổng, thể hiện trên giao diện điều khiển của phần mềm. Tín
hiệu điều khiển tương ứng với từng cổng sẽ được chuyển đến phần Bluetooth
của điện thoại và phần Bluetooth này sẽ bức xạ tín hiệu ra ngoài.
 Phần thu tín hiệu điều khiển: Bên thu sau khi đã kết nối thành công đến
bên phát sẽ nhận được dữ liệu điều khiển, sau đó phân tích dữ liệu điều khiển
và thực hiện điều khiển ON/OFF các cổng tương ứng với dữ liệu sau khi phân
5


Chương 1. Tổng quan

tích được đồng thời lưu lại trạng thái của 4 cổng. Phòng trường hợp mất điện,
bộ điều khiển vẫn có thể nhớ trạng thái của từng cổng và ON/OFF chúng khi
có điện như lúc trước khi mất điện.

6


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

Chương 2
CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 4.0
2.1. Công Nghệ Bluetooth
2.1.1. Khái niệm
Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một
thiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các
thiết bị khác với một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc
phát và nhận sóng. Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai
loại thiết bị khác nhau.
Ví dụ: Bạn có thể hoạt động trên máy tính với một bàn phím không dây, sử
dụng bộ tai nghe không dây để nói chuyện trên điện thoại di động của bạn hoặc bổ
sung thêm một cuộc hẹn vào lịch biểu PDA của một người bạn từ PDA của bạn.
2.1.2. Đặc điểm của Bluetooth
 Ưu điểm:
- Tiêu thụ năng lượng thấp, ứng dụng được nhiều loại thiết bị.
- Giá thành rẻ và đang ngày một giảm.
- Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến
100m.
- Tốc độ truyền dữ liệu tối đa có thể đạt 1-3 Mbps.
- Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng
này với một ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập
về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.Được dùng trong giao tiếp dữ
liệu tiếng nói.
- An toàn và bảo mật cao.
- Tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần

mềm hỗ trợ.
 Nhược điểm:

22


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

- Khoảng các kết nối còn ngắn so với các công nghệ kết nối không dây
khác.
- Chỉ kết nối được 2 thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng.
2.1.3. Lịch sử phát triển Bluetooth


Bluetooth 1.0 (7/1999): Phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc

độ kết nối ban đầu là 1Mbps. Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ
này chưa bao giờ đạt quá mức 700Kbps.


Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ

Bluetooth trên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất
mới.


Bluetooth 1.2 (11/2003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng kể. Chuẩn này

hoạt động dựa trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nối thoại.


Bluetooth 2.0+ERD (2004): Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một

nửa năng lượng tiêu thụ so với trước đây. Tốc độ của chuẩn Bluetooth lên đến
2.1Mbps với chế độ cải thiện kết nối truyền tải–ERD (Enhanced data rate).


Bluetooth 2.1+ERD (2004): Đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth

2.0 có hiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.


Bluetooth 3.0+HS (2008): Có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps –

bằng sóng Bluetooth – High Speed, tương đương chuẩn Wifi thế hệ đầu tiên,
phạm vi hiệu quả nhất chỉ trong vòng 10m.


Bluetooth 4.0 (30/06/2010): Chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay,được

gọi nhiều bằng tên Bluetooth Low Enery (BLE) hay Bluetooth Smart. Bluetooth
4.0 là phiên bản tối ưu hóa của chuẩn Bluetooth trước đó, cho phép truyền tải
tốc độ cao và tiêu tốn năng lượng thấp hơn. Phiên bản này là sự phối hợp các
đặc tính tiến tiến của chuẩn Wi-Fi thông thường với những yếu tố cốt lõi của
công nghệ Bluetooth.

23


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

2.2. Kiến trúc giao thức Bluetooth 4.0
2.2.1. Giới thiệu chung
Bluetooth 4.0 được tạo ra nhằm mục đích truyền những gói dữ liệu vô cùng
nhỏ, trong khi đó năng lượng tiêu thụ lại thấp hơn các thiết bị bluetooth khác trong
cùng một thời gian truyền.
2.2.2. Cấu trúc cơ bản của giao thức

Hình 2.1. Cấu trúc của giao thức Bluetooth Low Energy
BLE protocol stack được chia làm 2 phần chính: controller và host.


Host:

Bao gồm các lớp sau:
- Generic Access Profile (GAP).
- Generic Attribute Profile (GATT).
- Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP).
- Attribute Protocol (ATT).
- Security Manager (SM).
- Host Controller Interface (HCI), bên phần Host.


Controller
24


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

Bao gồm các lớp sau:

- Host Controller Interface (HCI), bên phần Controller.
- Link Layer (LL: lớp liên kết).
- Physical Layer (PHY: lớp vật lý).
2.2.3. Lớp Vật lý (Physical Layer)
Lớp vật lý là lớp phần cứng bao gồm mạch truyền thông analog, có khả năng
điều chế và tách tín hiệu analog và chuyển đổi chúng về tín hiệu vật lý.
Tần số radio sử dụng là 2.4 GHz và được chia làm 40 kênh từ 2.4000 GHz to
2.4835GHz. Trong đó 3 kênh 37, 38 và 39 dùng để advertising cho các kênh từ đó
kết nối và gửi dữ liệu đến thiết bị khác.
2.2.4. Lớp liên kết (Link Layer)
Lớp liên kết quản lý các trạng thái của thiết bị, thiết bị cơ thể bắt đầu với 1
trong 5 trạng thái sau: Stanbdy, advertising, scanning, initating, hoặc connected.
Lớp liên kết thường được thực thi như một sự phối hợp của phần cứng và phần
mềm.
2.2.5. Lớp HCI (host control interface)
Lớp HCI tạo ra một giao diện để cho Host và Controller có thể truyền thông
được với nhau. Lớp HCI có thể hoạt động thông qua software API hoặc các giao
diện phần cứng như UART, SPI, USB.
2.2.6. Lớp L2CAP (link logical control and adaption protocol)
Lớp L2CAP cung cấp các gói dữ liệu phục vụ cho các lớp trên. Ngoài ra, nó
còn có thể phá vỡ hoặc tổng hợp các gói dữ liệu lớn từ các lớp trên rồi tách chúng
thành các khúc dữ liệu sau đó lắp khớp chúng vào các gói dữ liệu BLE trên mặt
truyền dữ liệu ( có 2 mặt truyền và nhận dữ liệu). Trên mặt nhận dữ liệu, L2CAP
nhận rất nhiều gói dữ liệu lớn vừa được phá vỡ rồi tổng hợp lại chúng vào một gói
dữ liệu, gói dữ liệu lớn này sẽ được gửi ngược lại đến bộ phận thích hợp của các lớp
trên trong Host.

25

Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

2.2.7. Lớp ATT ( Attribute Protocol)
Lớp ATT là một phương thức truyền thông mới được gọi là Attribute Protocol.
Nhiệm vụ chính của nó là thực hiện việc trao đổi thông tin giữa Client với Server,
Do lớp GATT điều khiển và chỉ làm việc với các Attribute. Để trao đổi giữ liệu, ta
phải có 2 thiết bị, một thiết có vai trò là client thiết bị còn lại làm Server.
2.2.8. Lớp SM (Security Manager)
Security Manager vừa là một giao thức vừa là một thuật toán bảo mật được
thiết kế để đảm bảo an toàn cho BLE protocol stack cùng với khả năng tạo và thay
đổi các mã bảo mật, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau một cách an toàn
hơn trên một liên kết được mã hóa.
2.2.9. Lớp GATT (Generic Attribute Profile)
GATT được thiết kế để thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị BLE
sau khi được kết nối. GATT sử dụng giao thức ATT như một giao thức vận chuyển
để trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị. Như vậy, GATT được xây dựng trên nền ATT
nhưng ở mức cao hơn. ATT chỉ hoạt động với attribute và cung cấp một loạt các
giao thức chính xác để client có thể truy cập tới các attribute trên Server. Nhưng
GATT còn hơn thế, nó thiết lập và phân cấp dư liệu rất chặt chẽ, cho phép truy cập
và truy hồi thông tin giữa client và server.
Vai trò của GATT:
 Ứng với Server: GATT đóng vai trò là GATT server, nó chứa cơ sở dữ liệu
(các characteristic ) chúng có thể được đọc và ghi bởi GATT client. Thông thường
sau khi kết nối peripheral sẽ trở thành GATT server.

26


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

Hình 2.2. Vai trò của từng GATT ứng với central và peripheral
 Ứng với Client: GATT đóng vai trò là GATT client, nó không phải là cơ sở
dữa liệu, nó có thể đọc và ghi dữ liệu từ GATT Server.
 GATT Server và Sự phân cấp dữ liệu của các Attribute bên trong
GATT Server chứa nhiều profile bên trong cơ sở dữ liệu của nó, mỗi profile
lại được chia thành nhiều service khác nhau, các service được chia thành nhiều
characteristic.
Dữ liệu được phân bố thành nhiều khúc theo thứ bậc từ như sau:

Hình 2.3. Sự phân cấp dữ liệu trong một GATT Server
27


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

Dữ liệu bên trong GATT Server thực chất là một tập hợp các attribute. Vì thế
để phân cấp được dữ liệu như trên GATT dùng Attribute type để định danh các loại
attribute đặc biệt, Các mã UUID này do hiệp hội Bluetooth SIG quy định.
GATT dùng các attribute đặc biệt này để quy định điểm đầu của mỗi service
hay characteristic. Attribute đánh giấu điểm đầu của một service được gọi là
Primary Service Declaration, Attribute này luôn có kiểu (Attribute Type) là UUID =
0x2800. Tương tự mỗi characteristic đều có một Attribute đặc biệt để xác định điểm
đầu, Attribute có tên là Characteristic declaration và luôn có kiểu (Attribute Type)
là UUID = 0x2803. Khi nào có một Primary Service Declaration hoặc Characteristic
declaration tiếp theo có nghĩa là có một Service/Characteristic mới và Service/
Characteristic trước đó đã kết thúc.
Một Characteristic sẽ có ít nhất hai characteristic là characteristic declaration
attribute và characteristic value attribute, ngoài ra trong một vài trường hợp khác
characteristic value có thể đi kèm các Characteristic Descriptors…
Mỗi Characteristic đều có một Attribute chính chứa dữ liệu của người sử dụng

gọi là characteristic value attribute, nó cho phép truy cập tới giá trị hiện tại được lưu
trữ trong cơ sở dữ liệu của characteristic tương ứng.Vì Vậy, khi ta đọc/ ghi một giá
trị từ/lên một Characteristic có nghĩa là ta đang đọc và ghi lên Characteristic Value
của characteristic đó.
- Characteristic declaration attribute:
Đây là attribute mở đầu của mọi Characteristic, nó có thông tin về handle
chứa characteristic value, mã UUID của characteristic và thông tin về những gì ta
có thể làm đối với characteristic đó nhưng chỉ cho phép đọc. Mọi Characteristic
declaration attribute đều sử dụng một mã UUID chung là 0x2803, đây là mã UUID
duy nhất dành riêng để chỉ rõ điểm đầu của một characteristic.
- Characteristic value attribute:
Đây là attribute chứa dữ liệu người dùng, client có thể đọc hoặc ghi vào nó để
thay đổi thông tin. Mã UUID của nó được lấy trong Characteristic declaration
attribute value (trong một số trường hợp không cần mã UUID này).
2.2.10. Lớp GAP ( Generic Access Profile)
28


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

GAP là lớp được thiết kế nhằm mụac đích tạo ra một giao thức cho phép thiết
bị BLE có thể tương tác với nhau trong các quá trình tìm kiếm, kết nối, tạo liên kết,
ngắt kết nối, khởi tạo tính năng bảo mật và cấu hình thiết bị.
2.2.10.1. Các loại thiết bị
Bluetooth 4.0 có 4 loại thiết bị, mỗi thiết bị lại có phương thức hoạt động khác
nhau. Sự khác nhau đó thể hiện ở vai trò hoạt động của lớp GAP và GATT trong
từng thiết bị. Cụ thể lớp GAP sẽ hoạt động ở 4 vai trò sau:
 Broadcaster: ở vai trò này GAP chỉ thực hiện quá trình quảng cáo
(advertisement) và không thể kết nối.
 Observe: ở vai trò này GAP chỉ thực hiện quét các sự quảng cáo và không thể

khởi tạo kết nối.
 Peripheral: ở vai trò này GAP thực hiện phát các bảng tin quảng cáo và có khả
năng kết nối với một thiết bị central ( thiết bị central sẽ được trình bày ngay bên
dưới).
 Central: ở vai trò này GAP thực hiện quét các sự quảng cáo từ các advertiser
và có thể thực hiện khởi tạo kết nối với các peripheral.
Như vậy để phân biệt các loại thiết bị, ta dựa vào vai trò của lớp GAP trong
thiết bị đó. Do đó vấn đề chọn vai trò của thiết bị trong một dự án rất quan trong.
2.2.10.2. Sự thay đổi trạng thái của GAP

Hình 2.4. Sơ đồ các trang thái của GAP
29


Chương 2. Công nghệ Bluetooth 4.0

 Standby: là trạng thái ban đầu chuẩn bị được thiết lập lại.
 Advertiser: Thiết bị đóng vai trò là thiết bị quảng cáo ( advertiser) cùng những
dữ liệu đặc biệt ( tên thiết bị, địa chỉ của thiết bị….) cho các thiết bị khác biết rằng
nó có khả năng kết nối.
 Scanner: Thiết bị thực hiện việc quét và nhận dữa liệu sung danh từ các
advertiser, khi tìm thấy thiết bị muốc kết nối Sacnner sẽ gửi yêu cầu tới advertiser.
Advertiser phản hồi yêu cầu từ các scanner.
 Initiator: Khi khởi tạo, thiết bị khởi tạo cần xác định địa chỉ của thiết bị nó
muốn truyền dữ liệu để kết nối. Nếu một advertiser nhận được dữ liệu khớp với địa
chỉ của thiết bị cần trao đổi, thiết bị khởi tạo sẽ gửi yêu cầu đến thiết bị đó cùng với
các thông số kết nối rồi thiết lập một liên kết với thiết bị advertiser.
 Slave/Master: Khi một kết nối được hình thành, thiết bị advertiser sẽ trở thành
Slave và Scanner sẽ trở thành Master.

30


Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển

Chương 3
Thiết Kế Mạch Điều Khiển
3.1.Thiết kế phần cứng
3.1.1. Sơ đồ khối
Với mục đích thiết kế mạch điều khiển bât tắt relay, nhận tín hiệu điều khiển
từ điện thoại qua Bluetooth 4.0. Sơ đồ khối của mạch điều khiển được biểu diễn trên
hình 3.1.

Hình 3.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch được được đưa ra gồm 7 phần chính:
 Khối nguồn đầu vào 220VAC đầu ra 5VDC, công suất ra 2W, sử dụng
module có sẵn. Module nguồn này được chọn vì có công suất đầu ra phù hợp,
khối này có chức năng làm nguồn nuôi cho toàn bộ mạch.
 Khối nguồn sử dụng IC ổn áp AMS11117 3.3V sản xuất bởi hãng
Advanced Monolithic Systems dùng để chuyển đổi áp vài trong khoảng 4.8V
– 15.3V thành điện áp ra 3.3V, dòng ra tối đa 1A, khối này có chức năng ổn
định nguồn nuôi cho Module CC2541, giúp cho IC hoạt động ổn định và chính
xác, bên cạnh đó nó có kích thước nhỏ gọn giúp tối ưu kích thước mạch.
 Khối cổng mở rộng giao tiếp I2C được dùng để giao tiếp với module mở
rộng số cổng điều khiển.
22


Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển

 Khối xử lý – Module CC2541 là phần trung tâm của thiết kế. Khối này
vừa có nhiệm vụ/chức năng giống với 1 vi điều khiển 8051, vừa thực hiện việc
truyền /nhận dữa liệu qua Bluetooth với bộ điều chế và bộ tạo dao động tích
hợp ngay bên trong con chip CC2541 trên module.
 Khối điều khiển relay sử dụng IC ULN2003a sản xuất bởi hãng Texas
Instrument, được dùng để làm mạch lái cho relay.
 Khối chấp hành là bốn relay với điện áp kích cuộn hút là 5VDC, sử dụng
để đóng cắt các thiết bị điện chạy trên điện lưới 1 pha 220VAC.
 Khối nút nhấn được sử dụng để đặt các chế độ cho bộ điều khiển.
3.1.2. CC2541 System on chip
CC2541 là một hệ SoC ( system on chip) gồm một vi điều khiển 8051 và bộ
thu phát RF chạy trên tần số 2.4Ghz, được TI thiết kế dành cho các ứng dụng yêu
cầu kết nối không dây sử dụng giao thức BLE. Hãng hỗ trợ bộ thư viện BLE stack
được viết bằng ngôn ngữ C giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn.


Sơ đồ chân CC2541

Hình 3.2. Sơ đồ chân CC2541

23


Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển



Một số đặc điểm chính của CC2541:
- Vi điều khiển họ 8051 hiệu suất cao, năng lượng tiêu thụ thấp, với bộ

nhớ Flash 256Kb, 8Kb RAM.
- RF
Bộ thu phát RF trong CC2541 tương thích với chuẩn vật lý 802.15.1
dành cho Bluetooth low engnery.
- Ngoại vi:
+ 5 Kênh DMA, một timer 16-Bit và hai timer 8-Bit.
+ Hỗ trợ các module truyền thông UART, I2C và SPI.
+ Tích hợp bộ mã hóa theo tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến AES.
+ ADC 12-Bit với 8 kênh.
+ 23 chân I/O (21 chân chịu dòng tối đa 4mA và 2 chân chịu được
dòng 20mA).
+ Watchdog Timer.
3.1.3. Khối điều khiển và truyền thông

Hình 3.3. Khối điều khiển và truyền thông

24