ITLC Hanoi - Bluetooth Low Energy for IoT

Bluetooth Low Energy for IoT Kiến trúc và ứng dụng

Châu Nguyễn Nhật ThanhSenior Technical Manager, VNG Corp.

ITLC HANOI MONTHLY PUBLIC MEETUP

Nội dung

1.Giới thiệu2.Kiến trúc của 1 hệ thống IoT 3.Bluetooth Low Energy (BLE) 4.Tại sao VNG BLE kit ?5.VNG BLE kit trong các ứng

dụng IoT6.Một số kinh nghiệm khi phát

triển các sản phẩm IoT7.Demo các ứng dụng dựa

trên VNG BLE kit8.Hỏi và đáp

Giới thiệu

● Về bản thân:–

–

–

–

Tốt nghiệp kỹ sư ĐH Bách Khoa TPHCM khoa CNTT 97-2002Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Khoa học máy tính tại ĐH Duisburg, ĐứcTham gia VNG năm 2010: kiến trúc hệ thống cho ZingMe, CSM, IoTLab ...Hiện tại đang nghiên cứu ứng dụng các giải pháp Cloud vào hoạt động của VNG

Giới thiệu

● Về VNG IoT Lab

Giới thiệu

Kiến trúc của 1 hệ thống IoT

● IoT là gì ?–

–

–

–

Internet của vạn vật ?!?!?!Thiết bị, đồ vật được định danh, kết nối internetCó thể kiểm soát thông qua các thiết bị thông minh như smart phone, tablet …Xu hướng sẽ bùng nổ trong thời gian tới



● 1 hệ thống IoT bao gồm:– Thiết bị IoT ( IoT devices ):

●

●

Là những thiết bị được trang bị kết nối trực tiếp đến mạng internet hoặc thông qua các thiết bị cổng kết nối trung gian để có thể trao đổi dữ liệu lẫn nhau. Ví dụ: sensor có thể truyền dữ liệu về trung tâm, máy lạnh có thể nhận lệnh điều khiển từ trung tâmThiết bị có khả năng kết nối trực tiếp là các thiết bị có trang bị sẵn các module có thể kết nối trực tiếp đến internet mà ko cần thông qua các thiết bị trung gian


– Thiết bị cổng kết nối trung gian (IoT gateway):● Thông thường có 2 kết nối:

–

–

Kết nối trực tiếp đến internetKết nối đến các thiết bị thông qua các chuẩn không dây thông dụng như zigbee, bluetooth, wifi, rf

● Nhận data từ mạng truyền thống (IPv4), chuyển tiếp thành data mà các sensor có thể hiểu được và ngược lại theo một protocol qui định giữa gateway và thiết bị


● Hệ thống máy chủ cloud–

–

–

–

–

Chứng thực yêu cầu (authentication)Thu thập lưu trữ dữ liệu thông qua các protocol truyền nhận, apiPhân tích và theo dõi dữ liệuTruyền tải thông điệp (message, command)…..



VNG IoT vision

Bluetooth Low Energy (BLE)●

●

●

●

●

●

●

●

●

2014: Introduce Bluetooth 4.2, add features for IP connectivity 2013: Bluetooth 4.1, set the stage for IoT2010: Bluetooth Core Spec V4.0 (BR/EDR/LE) with Low Energy technology. 1Mb/s

2009: SIG adopts Core Spec V3.0+HS. Data rate 54Mb/s 2004: SIG adopts Core Spec V2.0+HS. Data rate 1-3Mb/s2002: The IEEE standardized Bluetooth as IEEE 802.15.1, but no longer maintains

1999: Spec V1.0 (BR) was released. Data rate 1Mb/s 1998: Bluetooth is managed by SIG1994: Invented by Ericsson as a RS-232 cable replacement

Bluetooth Low Energy (BLE)

● Bluetooth :–

–

–

–

–

–

Chuẩn kết nối không dây Sóng vô hướng

Hoạt động trên tần số 2.4GHz Tốc độ truyền lên đến 1MbpsKhoảng cách lên đến 100m Chia thành 2 loại chính:

●

●

Bluetooth thường (classic) Bluetooth low energy (smart / BLE )



● Bluetooth thường (classic)–

–

–

Các ứng dụng streaming audio, videoCông suất tiêu thụ lớn 1W với dòng peak < 30mACác profile phổ biến:

●

●

Human Interface Device Profile (HID): keyboard, mouse …Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) : headset

Bluetooth Low Energy (BLE)● Bluetooth Low Energy

(Smart)–

–

–

Các ứng dụng truyền nhận data nhỏ: dữ liệu sensor …Công suất tiêu thụ 0.01W đến 0.5W với dòng peak < 15mAHỗ trợ nhiều profile như Heart Rate, Blood Pressure Measurement ...

BLE và vai trò trong hệ thốngIoT


BLE và vai trò trong hệ thốngIoT


● Tại sao BLE phù hợp IoT:–

–

–

–

Kết nối không dâyTiêu thụ năng lượng cực thấpHỗ trợ khá nhiều profile/service chuẩn → tiết kiệm thời gian lập trình appV4.2 hỗ trơj IPv6 thông qua IPSP profile giúp các thiết bị có định danh IP trực tiếp, kết nối thông qua gateway

Tại sao VNG BLE kit ?


● VNG BLE Dev Kit–

–

–

Là công cụ giúp lập trình viên dễ dàng tiếp cận công nghệ BLE trong việc phát triển các sản phẩm IoTBoard mạch được thiết kế theo dạng tròn, near production gần giống các thiết bị đeo tay→có thể dùng làm prototype cho các thiết bị đeo tayLà công cụ phát triển firmware cho các module BLE do VNG sản xuất, dùng để tích hợp tính năng smart vào các thiết bị gia dụng thông thường


● Đặc tính kỹ thuật–

–

Chipset Nordic nRF51822 sử dụng nhân ARM® Cortex™-M0 Tích hợp cảm biến:

●

●

●

●

●

●

ProximityAmbient Pressure Temperature Gyroscope Accelerometer

–

–

–

Bộ nhớ 256kB Flash, 16kB RAMGiao tiếp I2C, UART, SWD, 11x GPIOs Buzzer(loa nhỏ): max 78dB


● Bộ công cụ phát triển (SDK)–

–

–

–

–

Hỗ trợ mbed Hỗ trợ arduinoTích hợp VNG cloudCó SDK cho mobile app (android, iOS)Một số code mẫu các ứng dụng thực tế


● Sử dụng giao tiếp CMSIS-DAP thông qua 1 board trung gian giúp cho việc flash rom trở nên đơn giản


● Hỗ trợ flash rom trực tiếp từ Arduio IDE


● Sau khi phát triển xong prototype có thề dùng VNG BLE module để tích hợp vào sản phẩm sản xuất đại trà

VNG BLE trong các ứng dụngIoT

VNG BLE trong các ứng dụngIoT

Một số kinh nghiệm● Vấn đề quản lý điện năng:

–

–

–

–

Bản thân BLE tiêu tốn không nhiều nhưng các thiết bị đi kèm tiêu tốn khá nhiều năng lượngChiến lược đầu tiên là cố gắng dùng phần mềm để đóng ngắt GPIO nối các thiết bị đi kèm trước khi đi vào trạng thái ngủ, tuy nhiên không áp dụng được cho 1 số loại sensor nguồn riêng chân điều khiển riêngPhải có cơ chế power management đóng cắt FET chẳng hạnDùng thạch anh làm timer chỉ thức theo 1 chu kỳ định trước

Một số kinh nghiệm● Vấn đề thiết kế mạch

–

–

–

–

–

Chọn linh kiện: Chất lượng tốt, giá hợp lý, công suất thấp (tìm kiếm thông tin hoặc làm việc trực tiếp với các hãng sản xuất linh kiện hoặc nhà phân phối để có lựa chọn tốt nhất)Thiết kế power: Tính toán power cung cấp cho mạch tối ưuThiết kế mạch lọc và phối hợp trở kháng cho anten để công suất thu phát tối đaThêm tụ lọc, cuộn dây, ferrit bead để chống nhiễu, hạn chế EMI trong hạn mức cho phépThêm các linh kiện để bảo vệ board như cầu chì, chống ESD (tĩnh điện), chống sét …

Một số kinh nghiệm

● Thiết kế layout–

–

–

Phân chia các lớp Power, GND riêng để chống nhiễuSắp xếp linh kiện và đường mạch in hợp lý để độ trễ tín hiệu (timing) trong mức cho phép, phối hợp trở kháng, chống nhiễu tốt.Tối ưu thiết kế layout để board nhỏ gọn, giảm chi phí


● Lựa chọn đối tác làm PCB và Assembly:–

–

–

Khảo sát nhiều đối tác trong nước và ngoài nước để chọn đối tác tốt nhấtLàm việc với nhà máy để có những điều chỉnh phù hợp trong qui trình sản xuất và testĐăng ký hợp chuẩn, hợp quy, test EMI, EMC

● Phân phối sản phẩm ra thị trường:–

–

Đại lý cấp 1,2Bảo hành sản phẩm



Tài liệu tham khảo●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

●

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Bluetooth_profiles#Advanced_Audio_Distribution_Profile_.28A2DP.29https://serialio.com/news/what-ble-bluetooth-smart http://electronicdesign.com/communications/design-bluetooth-sports-fitness-market

http://electronicdesign.com/site- files/electronicdesign.com/files/uploads/2013/07/1003_DSblu2th_Fig3.gif

https://support.apple.com/en-vn/HT204387 http://www.embedded-expertise.com/bluetooth-classic-or-smart/https://developer.bluetooth.org/gatt/characteristics/Pages/CharacteristicsHome.aspx https://learn.adafruit.com/introduction-to-bluetooth-low-energy/gatthttp://www.edn.com/design/analog/4405960/4/Three-flavors-of-Bluetooth--Which- one-to-choose-http://blog.bluetooth.com/ten-important-differences-between-bluetooth-bredr-and- bluetooth-smart/https://www.safaribooksonline.com/library/view/getting-started- with/9781491900550/ch01.html

http://electronicdesign.com/communications/design-bluetooth-sports-fitness-market

http://electronicdesign.com/site-

http://www.embedded-expertise.com/bluetooth-classic-or-smart/

http://www.edn.com/design/analog/4405960/4/Three-flavors-of-Bluetooth--Which-

http://blog.bluetooth.com/ten-important-differences-between-bluetooth-bredr-and-

http://www.safaribooksonline.com/library/view/getting-started-

https://facebook.com/itlchanoi - Chau Nguyen Nhat Thanh