Nghiên cứu chuẩn IEEE 802.15.1 và ứng dụng xây dựng giao diện kết nối giữa các thiết bị hỗ trợ thu thập thông tin sức khỏe cá nhân

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BOUALAPHANH Vilaivanh

NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG

XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ

THU THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN - 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BOUALAPHANH Vilaivanh

NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG

XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ

THU THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hải Minh

THÁI NGUYÊN - 2021

i

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: BOUALAPHANH Vilaivanh

Lớp cao học: CHKTVT K18 Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền

thông- Đại học Thái Nguyên.

Chuyên ngành: KTVT K18

Em xin cam đoan luận văn: “NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG

DỤNG XÂY DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ THU

THẬP THÔNG TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN” đây là công trình nguyên cứu của em

trong thời gian qua. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn trung thực, số liệu tham

khảo trích dẫn theo đúng quy định và đúng quy định.

Học viên thực hiện

BOUALAPHANH Vilaivanh

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập ở Việt Nam và thực hiện luận văn thạc sỹ em đã nhận

được rất nhiều sự khích lệ, động viên, giúp đỡ từ cha mẹ, người thân trong gia đình,

và bạn bè xung quanh. Em xin chân thành cảm ơn sự động viên và sự giúp đỡ hết sức

quý báu đó.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong trường Đại học Công

nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy đã truyền đạt vốn

kiến thức quý báu cho chúng em.

Em xin cảm ơn chân thành tới thầy giáo, TS. Nguyễn Hải Minh, người đã trực

tiếp hướng dẫn em luận văn thạc sỹ này.

Với đề tài "NGHIÊN CỨU CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ ỨNG DỤNG XÂY

DỰNG GIAO DIỆN KẾT NỐI GIỮA CÁC THIẾT BỊ HỖ TRỢ THU THẬP THÔNG

TIN SỨC KHỎE CÁ NHÂN” các nhân em cần phải tự tìm hiểu, tự nghiên cứu thêm

nhiều kiến thức mới. Nhưng do thời gian có hạn, vốn ngôn ngữ còn hạn chế, kỹ năng

làm việc với các ngôn ngữ lập trình hiện đại của em còn nhiều khó khăn. Do đó, luận

văn thạc sỹ nhưng có thể luận văn thạc sỹ vẫn còn có những thiếu sót.

Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cô và các bạn để luận

văn thạc sỹ hoàn thiện hơn.

Học viên thực hiện

BOUALAPHANH Vilaivanh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM đOAN..............................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii

MỤC LỤC..................................................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................ vii

DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................x

KÝ HIỆU CHỨ VIẾT TẮT ............................................................................................x

NỘI DUNG VIẾT TẮT...................................................................................................x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...........................................................................................1

1.1. Giới thiệu tổng quan về Bluetooth .......................................................................1

1.1.1. Khái niệm Bluetooth........................................................................................................ 1

1.1.2. Lịch sử, hình thành và phát triển của Bluetooth............................................................ 1

1.1.3. Các đặc điểm của Bluetooth............................................................................................ 2

1.2. Chuẩn IEEE 802.15.1: WPAN / Bluetooth..........................................................2

1.3. Chuẩn IEEE 802.15.3: High Rate WPAN ...........................................................5

1.4. IEEE 802.15.3b-2006...........................................................................................5

1.5. IEEE 802.15.3c-2009 ...........................................................................................6

1.6. Ứng dụng của Bluetooth ......................................................................................6

1.7. Vấn đề về an toàn và bảo mật trong Bluetooth ....................................................7

1.7.1. An toàn bảo mật trong Bluetooth: .................................................................................. 7

1.7.2. Phần mô tả về an toàn bảo mật:...................................................................................... 9

1.7.3. Nhìn sơ về bảo mật Bluetooth: .....................................................................................10

Kết luận chương 1:....................................................................................................12

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT KẾT NỐI BLUETOOTH...................13

2.1. Giới thiệu chung.................................................................................................13

2.2. Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth................................................13

2.2.1. Master Unit .....................................................................................................................13

2.2.2. Slaver Unit ......................................................................................................................13

2.2.3. Piconet.............................................................................................................................14

iv

2.2.4. Scatternet.........................................................................................................................15

2.2.5. Kết nối theo kiểu ad hoc ................................................................................................17

2.2.6. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth............................................................17

2.2.7. Trạng thái của thiết bị Bluetooth...................................................................................18

2.2.8. Các chế độ kết nối..........................................................................................................18

2.3. Bluetooth Radio .................................................................................................19

2.3.1. Ad Hoc Radio Connectivity..........................................................................................19

2.3.2. Kiến trúc của hệ thống Bluetooth Radio......................................................................20

2.4. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần trong công nghệ Bluetooth.......................................22

2.4.1. Khái niệm trải phổ trong công nghệ không dây..........................................................22

2.4.2. Kĩ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth.........................................................23

2.5. Cách thức hoạt động của Bluetooth ...................................................................25

2.5.1. Cơ chế truyền và sửa lỗi ................................................................................................25

2.5.2. Quá trình hình thành Piconet.........................................................................................26

2.5.3. Quá trình hình thành Scatternet.....................................................................................28

2.6. Các tầng giao thức trong Bluetooth ...................................................................29

2.6.1. Bluetooth Radio..............................................................................................................30

2.6.2. BaseBand ........................................................................................................................31

2.6.3. Link Manager Protocol..................................................................................................37

2.6.4. Host Controller Interface...............................................................................................37

2.6.5. Logical link control and adaption protocol (L2CAP).................................................39

2.6.6. RFCOMM Protocol.......................................................................................................41

2.6.7. Service Discovery Protocol...........................................................................................42

2.7. Bluetooth Profiles...............................................................................................44

2.8. Vấn đề sử dụng năng lượng trong Bluetooth .....................................................46

2.8.1. Giới thiệu.........................................................................................................................46

2.8.2. Việc sử dụng và quản lý năng lượng trong công nghệ Bluetooth.............................46

Kết luận chương 2:....................................................................................................51

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ BLUETOOTH ....52

3.1. Giao tiếp bluetooth trên Symbian ......................................................................52

3.1.1. Các ứng dụng Bluetooth trên các thiết bị sử dụng hệ điều hành Symbian:..............52

v

3.1.2. Các công cụ phát triển và ví dụ:....................................................................................52

3.2. Tổng quan về Bluetooth API..............................................................................52

3.2.1. Các nhóm hàm Bluetooth API:.....................................................................................54

3.2.2. Quan hệ giữa các nhóm hàm API: ...............................................................................54

3.3. Một vài kiểu dữ liệu Bluetooth thông dụng .......................................................55

3.4. Bluetooth Sockets...............................................................................................57

3.4.1. Mở và cấu hình Bluetooth Socket :..............................................................................58

3.4.2. Xây dựng Bluetooth Socket Server : Lắng nghe và chấp nhận kết nối từ thiết bị là

Client :........................................................................................................................................59

3.4.3. Xây dựng Bluetooth Socket Client : Tìm kiếm và kết nối tới thiết bị là Server. .....61

3.4.4. Trao đổi dữ liệu thông qua Bluetooth socket : ............................................................65

3.5. Bluetooth Service Discovery Database..............................................................67

3.5.1. Kết nối vào Bluetooth Service Discovery Database :.................................................67

3.5.2. Đăng kí một dịch vụ vào Service Database :...............................................................68

3.5.3. Thiết lập các thuộc tính trong một Service Record:....................................................70

3.6 Bluetooth Service Discovery Agent....................................................................70

3.6.1. Truy vấn các dịch vụ trên thiết bị khác với Bluetooth Service Discovery Agent:...71

3.6.2. Tìm kiếm các thuộc tính dịch vụ:.................................................................................72

3.6.3. Tạo ra đối tượng để quản lý các kết quả truy vấn:......................................................73

3.7 Bluetooth security manager.................................................................................74

3.7.1. Tổng quan .......................................................................................................................74

3.7.2. Kết nối vào Bluetooth Security Manager. ...................................................................74

3.7.3. Thiết lập các chế độ bảo mật :.......................................................................................75

3.8. Bluetooth Device Selection UI...........................................................................76

3.9. Xây dựng ứng dụng Bluetooth trên Symbian OS với Series 60 SDK ...............79

3.9.1. Sự khác nhau về Bluetooth trên thiết bị ảo và thiết bị thật.........................................80

3.9.2. Các yêu cầu về phần cứng và phần mềm cho việc phát triển ứng dụng Bluetooth

với Series 60 SDK :..................................................................................................................81

3.9.3. Cài đặt và cấu hình thiết bị USB Bluetooth.................................................................81

3.10 Xây dựng ứng dụng minh họa...........................................................................82

3.10.1. Phần Server...................................................................................................................87

vi

3.10.2. Phần Client....................................................................................................................90

3.10.3. Thực hiện truyền và nhận dữ liệu :.............................................................................94

3.11 Thiết bị y tế có kết nối bluetooth ......................................................................95

3.11.1 MÁY ĐO HUYẾT ÁP BẮP TAY KẾT NỐI BLUETOOTH BEURER BM77 95

3.11.2 Máy massage xung điện BEURER EM95 BLUETOOTH.....................................96

3.11.3 Cân phân tích cơ thể BEURER BF950 BLUETOOTH...........................................97

Kết luận chương 3 .....................................................................................................98

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................99

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................100

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quá trình thiết lập kênh truyền.......................................................................11

Hình 2.1 Một Piconet trong thực tế. ..............................................................................14

Hình 2.2 Piconet gồm 1 Slave. ......................................................................................15

Hình 2.3 Piconet gồm nhiều Slave. ...............................................................................15

Hình 2.4 Một Scatternet gồm 2 Piconet. .......................................................................16

Hình 2.5 Sự hình thành một Scatternet theo cách 1. .....................................................16

Hình 2.6 Sự hình thành một Scatternet theo cách 2. .....................................................17

Hình 2.7 Kĩ thuật trải phổ nhảy tần số...........................................................................23

Hình 2.8 Các Packet truyền trên các tần số khác nhau..................................................23

Hình 2.9 Các Packet truyền trên khe thời gian..............................................................24

Hình 2.10 Cấu trúc gói tin Bluetooth ............................................................................24

Hình 2.11 Access code ..................................................................................................24

Hình 2.12 Cấu tạo một packet. ......................................................................................25

Hình 2.13 Mô hình piconet............................................................................................26

Hình 2.14 Quá trình truy vấn tạo kết nối.......................................................................27

Hình 2.15 Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế......................................28

Hình 2.16 Minh hoạ một Scatternet. .............................................................................29

Hình 2.17 Bluetooth Protocol Stack..............................................................................29

Hình 2.18 Các tầng nghi thức Bluetooth .......................................................................30

Hình 2.19 Frequency hopping .......................................................................................31

Hình 2.20 Piconet ..........................................................................................................32

Hình 2.21 Scatternet ......................................................................................................33

Hình 2.22 Định dạng gói tin Bluetooth .........................................................................34

Hình 2.23 Host Controller Interface..............................................................................37

Hình 2.24 Host controller transport layer......................................................................38

Hình 2.25 Bluetooth v1.1 profiles.................................................................................46

Hình 2.26 Hold Mode Interaction .................................................................................48

Hình 2.27 Sniff Mode Interaction .................................................................................49

Hình 3.1 Kiến trúc Bluetooth Stack ..............................................................................53

viii

Hình 3.2 Quan hệ giữa các nhóm hàm Bluetooth API..................................................55

Hình 3.3 Bluetooth Data Element Types.......................................................................56

Hình 3.4 Bluetooth Sockets...........................................................................................58

Hình 3.5 Các bước khởi tạo Bluetooth Socket Server ..................................................59

Hình 3.6 Sự khác biệt giữa chồng giao thức Bluetooth trên thiết bị thật và trên máy ảo .....80

Hình 3.7 Cấu hình Bluetooth COM port cho thiết bị giả lập ........................................82

Hình 3.8 Qui trình kết nối và gửi nhận dữ liệu .............................................................84

Hình 3.9 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại.................................................85

Hình 3.10 Mô tả chức năng các lớp của phần ứng dụng trên điện thoại.......................86

Hình 3.11 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại (Server).................................87

Hình 3.12 Quảng bá dịch vụ của Server........................................................................88

Hình 3.13 Nhận dữ liệu từ Client ..................................................................................89

Hình 3.14 Truyền dữ liệu phonebook tới client ............................................................90

Hình 3.15 Sơ đồ lớp của phần ứng dụng trên điện thoại (Client) .................................90

Hình 3.16 Sơ đồ tìm kiếm thiết bị .................................................................................91

Hình 3.17 Sơ đồ UML truy vấn dịch vụ trên thiết bị ....................................................92

Hình 3.18 Giao diện của thiết bị....................................................................................96

Hình 3.19 Giao diện của BEURER EM95 ....................................................................97

Hình 3.20 Giao diện máy phân tích cơ thể BEURER BF950 .......................................98

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Mô tả các hàm quảng bá dịch vụ ...................................................................88

Bảng 3.2 Mô tả các hàm tìm thiết bị .............................................................................91

Bảng 3.3 Mô tả các hàm truy vấn dịch vụ.....................................................................92