Thiết kế và thử nghiệm hệ thống truyền tin nhắn qua Bluetooth

máy tính cho phép nhận và quản lý tin nhắn nhận được. Hệ thống cho phép truyền nhận tin nhắn cả trong trường hợp mạng di động hoạt động, không hoạt động hoặc sóng rất kém. Từ khoá: Bluetooth, ghép nối máy tính, tin nhắn, truyền nhận dữ liệu. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Mặc dù gần đây thuật ngữ Bluetooth được nhắc đến nhiều, nhưng hiểu sâu về công nghệ Bluetooth chưa phải là một trào lưu phổ biến. Vì vậy chúng tôi muốn dùng những lời mở đầu để giới thiệu đôi nét về Bluetooth. Thuật ngữ Bluetooth bắt nguồn từ tên thời xa xưa của một nhà vua Đan Mạch - Harald I Bluetooth (Danish Harald Blatand, 910-985). Harald Bluetooth đã hợp nhất Đan Mạch và Norway, còn công nghệ Bluetooth là biểu tượng của sự thống nhất giữa công nghệ máy tính và công nghệ truyền thông đa phương tiện [2]. Ngày nay, Bluetooth dùng để chỉ một công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trên khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến trên băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dải tần 2,40 - 2,48 GHz. Đây là dải băng tần không cần đăng ký được dành riêng dùng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học và y tế. Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cáp giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành thấp. Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trên khoảng cách ngắn. Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cáp giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành thấp. Khi được kích hoạt, thiết bị Bluetooth có thể tự động dò tìm và định vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và kết nối với chúng. Về mặt thời gian, năm 1994 là năm mà lần đầu tiên hãng Ericsson đưa ra một đề án nhằm hợp nhất liên lạc giữa các loại thiết bị điện tử khác nhau mà không cần phải dùng đến các sợi cáp nối cồng kềnh, phức tạp. Đây thực chất là một mạng vô tuyến không dây cự ly ngắn chỉ dùng một vi mạch có kích thước cỡ 9mm có thể chuyển các tín hiệu sóng vô tuyến điều khiển thay thế cho các sợi cáp điều khiển phức tạp. Năm 1998: năm công ty lớn trên thế giới bao gồm Eric-sson, Nokia, IBM, Intel và Toshiba đã liên kết, hợp tác thiết kế và cùng tiến hành phát triển một chuẩn công nghệ kết nối không dây mới mang tên Bluetooth nhằm kết nối các thiết bị vi điện tử lại với nhau thông qua sóng vô tuyến. Đến ngày 20/05/1998: nhóm nghiên cứu Special Interest Group, viết tắt là SIG, chính thức được thành lập với mục đích phát triển công nghệ Bluetooth trên thị trường viễn thông. Bất kỳ công ty nào có kế hoạch sử dụng công nghệ Bluetooth đều có thể tham gia vào. Tháng 7/1999: các chuyên gia trong SIG đã đưa ra thuyết minh kỹ thuật phiên bản Bluetooth 1.0. Năm 2000: SIG đã bổ sung thêm 4 thành viên mới là 3Com, Lucent Techonologies, Microsoft và Motorola. Công nghệ Bluetooth đã được cấp dấu chứng nhận kỹ thuật ngay trong lần ra mắt đầu tiên Các cột mốc sự kiện cứ kết tiếp nhau cho đến những năm gần đây, Bluetooth được coi là thị trường năng động và sôi nổi trong lĩnh vực truyền thông. Trên mạng internet [5] có thể dễ dang tìm thấy vô số, cả hình ảnh cũng như mô tả tóm tắt tính năng kỹ thuật, các sản phẩm ứng dụng công nghệ Bluetooth Về mặt nghiên cứu, qua các tài liệu tham khảo, chẳng hạn như [2] và [3] chúng tôi thấy gần như tất cả các vấn đề lý thuyết đều đã được các công ty, các nhà nghiên cứu đặt chân đến và nhiều vấn đề đã trở nên khép kín. Vì vậy chúng tôi chọn cách tiếp cận với các ứng dụng. Vấn đề được trình bày trong bài báo này là một số kết quả bước đầu trong việc tìm kiếm giải pháp cho việc truyền và nhận dữ liệu dưới dạng tin nhắn bằng Văn Thương Nguyễn, Diên Tập Ngô Trường Đại Học Duy Tân, Khoa Điện Tử Viễn Thông, K7/25 Đường Quang Trung, Đà Nẵng, Việt Nam, Email: ndtap06@vnn.vn Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 477 Bluetooth. Trong thông báo ban đầu, nội dung nghiên cứu cũng cần được giới hạn để có thể tập trung vào phần nhận; lý do là phần truyền cần có phần tạo ra các ký tự truyền nhờ bàn phím. Phần truyền không khó về giải pháp điện tử nhưng phức tạp về mặt cơ khí và đóng gói sản phẩm nên chúng tôi đã chọn luôn một điện thoại di động để có sẵn bàn phím và khả năng xuất ra tín hiệu dưới dạng Bluetooth. Cuối cùng hệ thống truyền nhận tin nhắn được thiết kế bao gồm: một điện thoại di động loại F19 (của FPT), một khối thu nhận tín hiệu Bluetooth ghép nối máy tính và một phần mềm để hiển thị và quản lý tin nhắn nhận được chạy trên máy tính. II. THỰC NGHIỆM Để xây dựng hệ thống thì nhiệm vụ đầu tiên cần giải quyết là thiết kế môđun truyền nhận Bluetooth ghép nối máy tính với các khối chức năng sau đây: - Khối nguồn nuôi với lối ra có điện áp một chiều +3V và +5V ổn định. - Khối nạp pin khi hệ thống cần hoạt động trong điều kiện cần di chuyển dễ dàng. - Khối truyền nhận tín hiệu Bluetooth. - Khối giao tiếp với máy tính PC qua cổng RS-232. - Khối chuyển đổi RS-232/USB để nối với các máy tính đời mới. Trong các khối trên, phức tạp nhất sẽ là khối truyền nhận tín hiệu Bluetooth. Để tiết kiệm thời gian và tăng độ ổn định của hệ thống chúng tôi đã sử dụng một mô đun được thiết kế sẵn với các thông số kỹ thuật như sau: - Khối có độ nhạy -80dBm. - Công suất truyền tải RF lên đến 4 dBm. - 1.8V cho chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng và 1,8 đến 3.6V cho I /O. - PIO điều khiển được. - Giao diện UART với tốc độ truyền có thể lập trình. - Tích hợp ăng-ten ngay trên môđun. Tính năng phần mềm: - Mặc định tốc độ Baud: 38400 bps, số bit dữ liệu: 8, số bit stop là 1, không có tính chẵn lẻ, kiểm soát dữ liệu: có. - Hỗ trợ tốc độ truyền: 9600; 19200; 38400; 57600; 115200; 230400; 460800. - Cho một xung dương vào PIO0, thiết bị sẽ bị ngắt kết nối. - Trạng thái cổng PIO1: thấp - ngắt kết nối, cao - kết nối; - Các chân PIO10 và PIO11 có thể kết nối với LED màu đỏ và màu xanh riêng. Khi hai thành viên Master và Slave được ghép nối, các LED màu đỏ và màu xanh nhấp nháy 1 lần trong khoảng thời gian 2s, trong khi ở trạng thái ngắt kết nối chỉ có LED màu xanh nhấp nháy 2 lần / s. - Tự động kết nối với các thiết bị mới khi bật nguồn. Chính nhờ sự phong phú của các tính năng cả trên phần cứng cũng như phần mềm mà môđun ghép nối máy tính đã trở nên nhỏ gọn và hấp đẫn trong hoạt động. Sơ đồ nguyên lý của môđun này được mô tả trên hình 1. Phía trên bên trái của sơ đồ là vi mạch MAX232 với 16 chân. Phần bên phải là môđun Bluetooth đã được thiết kế sẵn với 34 chân. Phần giữa là cổng DB9 dùng để ghép nối bản mạch với máy tính. Phía dưới gồm hai phần chính là mạch sạc pin nuôi cho môđun và vi mạch chuyển đổi mức điện áp +5V thành +3,3V cung cấp cho môđun Bluetooth hoạt động. Phần bên phải là cổng USB loại mini dùng cho mạch cấp điện áp +5V từ máy tính PC. Nguyên lý hoạt động của bản mạch: Môđun Bluetooth có nhiệm vụ là nhận (hoặc phát) tín hiệu Bluetooth. Tín hiệu nhận được sẽ được giải mã, giải điều chế và đưa tín đến chân UART-TxD của môđun. Điện áp +3,3V ổn định, cung cấp cho môđun Bluetooth hoạt động được lấy từ IC AAP2967-33VR. Hình 1: Sơ đồ mạch của khối ghép nối với máy tính. MAX232 có nhiệm vụ là đảo tín hiệu từ chân UART-TxD của môđun và làm tương thích mức điện áp với máy tính. Tín hiệu dữ liệu sau khi đảo sẽ được truyền đến cổng COM trong máy tính thông qua DB9 để hiển thị dữ liệu lên màn hình nhờ phần mềm được chúng tôi viết ra bằng ngôn ngữ C# và sẽ được trình bày sau đây. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 478 Trong bản mạch được thiết kế (hình 2), ta có thể dùng một chuyển mạch để chọn chế độ hoạt động cho môđun bằng cách: giữ cho chân PIO4 luôn ở mức thấp (0V) và sử dụng chân PIO5 để thiết lập chế độ hoạt động cho môđun. Nếu PIO5 được giữ ở mức cao thì môđun hoạt động ở chế độ Master, còn chân PIO5 ở mức thấp thì môđun hoạt động ở chế độ Slave. 12 0 0 0 0 1 234 5 678 5 6 4321 1 2 2 12 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 3 1 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 2 1 21 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 34333231302928272625242322 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Hình 2: Mạch in được thiết kế bằng Altium 10. Khi ta cấp nguồn cho bản mạch, nếu chỉ có LED đỏ sáng có nghĩa là môđun chưa được cấp nguồn. Ta phải chuyển công tắc để IC AAP2967-33VR hoạt động và cấp điện áp 3,3V cho môđun đồng thời chọn chế độ hoạt động cho môđun. Môđun hoạt động thì LED xanh sẽ nhấp nháy. Nếu ở chế độ Master thì LED xanh nhấp nháy 500ms, nếu ở chế độ Slave thì 800ms. Toàn bộ các linh kiện trên sơ đồ, với số lượng không nhiều, được hàn trên một mạch in như trên hình 2. Viết phần mềm thu nhận và quản lý tin nhắn. Để đưa bản mạch vào hoạt động còn cần đến một phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C# và nạp trên máy tính PC. Lưu đồ của phần mềm được mô tả trên hình 3. Tên của các khối và các mũi tên đã chỉ cho ta hoạt động của phần mềm. Cấu trúc của chương trình gồm các ComboBox, Button và TextBox: - COM, BaudRate, Data Bit, Parity, Stop Bit là các ComboBox. - Kết nối, Ngắt, Clear và Send là các Button. - Còn lại 2 ô trống chính là các TextBox. Đầu tiên ta khai báo 1 Object SerialPort mới bằng lệnh: SerialPort P = new SerialPort(); Bước tiếp là ta tạo dữ liệu cho các comboBox: - ComboBox COM: tạo môt mảng string để chứa tất cả các cổng đang có trên máy ”string[ ] ports = SerialPort.GetPortNames( );” rồi ta thêm toàn bộ các COM đã tìm được vào ComboBox ”cbCom.Items.AddRange(ports); ” Hình 3: Lưu đồ của phần mềm nạp trên máy tính. - ComboBox BaudRate: ta cũng tạo một mảng để chứa tất cả các giá trị tốc độ Baud: string[ ] BaudRate = { "1200", "2400", "4800", "9600", "19200", "38400", "57600", "115200" }; Tương tự ta cũng tạo dữ liệu cho các ComboBox khác : - ComboBox DataBit: 6; 7; 8. - ComboBox Parity: None, Odd, Even. - ComboBox Stopbit: 1; 1.5; 2. Tiếp theo các hàm được xây dựng cùng với thủ tục cho việc truyền nhận dữ liệu qua COM; cụ thể: - Nhấn nút “Kết nối” và kiểm tra xem COM đã mở chưa. - Nếu cổng COM mở thì cho phép truyền nhận dữ liệu. Nếu chưa mở cổng COM thì thông báo “Không kết nối được” và ta phải chọn các thông số lại chính xác để kết nối đúng cổng COM đang mở và các thông số khác. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 479 Hình 4: Màn hình khởi động để chọn các thông số phù hợp. Tất cả các dữ liệu nhận được từ môđun đều hiển thị vào ô trống lớn ở trên chương trình. Ô trống nhỏ để ta nhập dữ liệu muốn truyền đi. Sau khi nhập xong ta nhấn nút “Send” thì dữ liệu sẽ được truyền đến môđun. Hình 5 hiện rõ hai dòng tin nhắn được gửi đi từ điện thoại F19 Hình 5: Môđun nhận dữ liệu từ điện thoại F19 và được hiển thị lên màn hình. Việc truyền nhận dữ liệu đã xong thì ta nhấn nút “Ngắt” để đóng cổng COM và dừng kết nối. III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ Hệ thống truyền nhận Bluetooth sau khi thiết kế, lắp ráp được mô tả trên hình 5. Do máy tính PC được sử dụng để đánh giá hoạt động của hệ thống không có cổng nối tiếp RS-232 nên một mạch chuyển đổi RS-232/USB (không có trong hình 1) được bổ sung thêm. Việc đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống được tiến hành qua những bước khảo sát sau: - Mức độ mắc lỗi, được hiểu là sai hoặc mất ký tự truyền. - Khoảng cách truyền/ nhận lớn nhất, tính bằng mét. - Khả năng mở rộng khoảng cách truyền. Về tiêu chí thứ nhất, chúng tôi không gặp một trường hợp mắc lỗi nào đối với các thông báo nhận được. Các lần thử nghiệm đều cho thấy các thông báo hoặc là nhận được đầy đủ các ký tự đã truyền khi khoảng cách truyền cho phép hoặc là không nhận được gì khi khoảng cách quá xa với. Khoảng cách mà từ đó dịch đi xa hơn sẽ không nhận được tin nhắn được gọi là khoảng cách truyền lớn nhất. Hình 5: Toàn bộ hệ thống được ghép nối với máy tính PC để thử nghiệm và đánh giá. Về khoảng cách truyền lớn nhất: kết quả khảo sát cho thấy khoảng cách này không giống nhau trong những lần thử nghiệm, với giá trị nằm trong khoảng 8-15 mét. Những yếu tố đã ảnh hưởng đến khoảng cách truyền là: độ ẩm không khí, vật cản trên đường truyền, trong đó phải quan tâm cụ thể đến kích thước và vật liệu làm ra vật cản. Trong trường hợp bộ nhận bị che khuất (một phần hoặc hoàn toàn) thì khoảng cách rất ngắn, thậm chí không nhận được tin nhắn. Để khảo sát kỹ hơn về khoảng cách truyền cực đại, các tài liệu tham khảo đã chỉ cho chúng tôi một khả năng tăng được khoảng cách truyền có hiệu quả là sử dụng bộ lặp (repeater). Trong các bộ lặp, khoảng cách truyền được nâng lên nhờ sử dụng các môđun công suất, thí dụ môđun ASD-559 (thông báo cá nhân) cho phép tăng khoảng cách truyền đến 2000m (xem hình 6). Các thông số kỹ thuật của môđun ASD-559: - Bluetooth 2.0 + EDR. - Tiêu chuẩn kết nối USB. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 480 - Có thể làm việc với Windows, Linux, và Mac OS X. - Khoảng cách phủ sóng đến 2000m. - Nhờ ăngten có khả năng mở rộng phạm vi lên đến 10 km. - Không cần nguồn ngoài khi dùng khoảng cách ngắn. - Vỏ nhôm để giảm nhiễu và tăng độ nhạy. - Mở rộng phạm vi của các thiết bị bluetooth xung quanh. - Tối ưu hóa cho hệ thống bluetooth, nhanh chóng và ổn định. Hình 6: Bộ lặp cho phép truyền dữ liệu Bluetooth đi xa 2000m. Rõ ràng với giải pháp bộ lặp, khoảng cách truyền nhận dữ liệu có thể tăng lên nhiều lần, kéo theo việc mở rộng phạm vi ứng dụng của việc truyền nhận dữ liệu nói chung và tin nhắn nói riêng bằng cách sử dụng công nghệ Bluetooth. VI. KẾT LUẬN Bài báo là kết quả của quá trình tìm hiểu sâu về công nghệ Bluetooth, một công nghệ không dây đã và đang phát triển rất mạnh và được ứng dụng rộng rãi hiện nay, nắm được cách thức hoạt động, các đặc điểm kỹ thuật và khả năng của công nghệ Bluetooth. Thêm vào đó là một số kiến thức về các kỹ thuật mạng không dây khác. Tất cả đã cho phép nhóm tác giả hinh thành một ứng dụng truyền nhận tin nhắn qua Bluetooth. Hệ thống truyền nhận dữ liệu bằng Bluetooth được thiết kế trong khuôn khổ bài báo cho phép truyền nhận tin nhắn trên khoảng cách 8-15 mét; một khoảng cách xa hơn, đến 2000m có thể đạt được khi sử dụng một bộ lặp (repeater) thích hợp. Một phím chuyển đổi chức năng của khối truyền nhận Bluetooth có thể cho phép truyền nhận tin nhắn theo cả hai hướng. Những kết quả ban đầu tuy còn ở mức khiêm tốn nhưng đã có thể gợi mở một số khả năng ứng dụng thực tế cho hệ thống. Các ứng dụng đang được hoàn thiện để trở nên hấp dẫn hơn bằng việc các dữ liêu được truyền là âm thanh, hình ảnh cùng với sự mã hoá để bảo mật được thông tin cần truyền. LỜI CÁM ƠN Nhóm tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn tới các Thày Cô ở Khoa Điện Tử Viễn Thông của Trường Đại học Duy Tân đã có những ý kiến đóng góp quý báu giúp cho nội dung bài báo được hoàn thiện. V. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập: Vi điều khiển với lập trình C, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2005. [2] Đặng Minh Thắng, Chu Nguyên Tú: Xây dựng hệ thống điều khiển máy tính từ xa sử dụng công nghệ Bluetooth, Luận văn cử nhân tin học, 2004, Đại học Khoa học Tự nhiên TP.Hồ Chí Minh.. [3] Charlie White, Bluetooth: Past, Present and Future, CEN talks with Mike Foley, Executive Director, Bluetooth SIG, 2005. [4] Jaap C. Haartsen (Bluetooth SIG), Bluetooth Voice and Data Performance in 802.11 DSSS WLAN Environment. [5] Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 481