VBLUno - Tutorial 2 - Tổng quan về công nghệ BLE và ví dụ minh họa (Phần 2)

Để hai thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua chuẩn BLE, các thiết bị BLE cần tuân thủ một số quy định. Các quy định này được khái quát hóa thành các giao thức và cấu hình.

1. Protocol (Giao thức): Tập các luật quy định việc định dạng gói tin, định tuyến, dồn kênh, mã hóa,… để trao đổi dữ liệu giữa các bên.
2. Profile (Cấu hình): Định nghĩa cách mà giao thức được dùng để đạt các mục tiêu cụ thể. Có hai loại cấu hình là cấu hình chung (generic profiles) và cấu hình cụ thể theo trường hợp sử dụng (use-case profiles)
   • Generic profiles: các profile cơ sở được định nghĩa trong tài liệu Bluetooth Specifications, đặc biệt là hai profiles không thể thiếu giúp các thiết bị BLE kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau, GAP và GATT.
   • Use-case profile: Các profile cho các trường hợp sử dụng cụ thể
     • ​Các profile do Bluetooth Special Interest Group (SIG) định nghĩa
     • Các profile do vendor tự định nghĩa

GAP (Advertising and Connections)

GAP (Generic Access Profile) là nền tảng cho phép các thiết bị BLE giao tiếp với nhau. Nó cung cấp một framework mà bất cứ thiết bị BLE nào cũng phải tuân theo để có thể tìm kiếm các thiết bị BLE (Bluetooth) khác, quảng bá dữ liệu, thiết lập kết nối an ninh, thực hiện nhiều hoạt động nền tảng theo một chuẩn.

Tài liệu BLE Specifications định nghĩa các khái niệm sau khi xét đến sự tương tác giữa các thiết bị:

• Roles: Mỗi thiết bị có thể hoạt động theo một hoặc nhiều vai trò khác nhau tại cùng một thời điểm: broadcaster, observer, central, peripheral.
• Modes: Một mode là một trạng thái mà thiết bị có thể chuyển đến trong một khoảng thời gian để đạt được một mục đích cụ thể hoặc nhiều điều đặc biệt, để cho phép một peer thực hiện một thủ tục cụ thể.
• Procedures: Là các thủ tục (thường thì Link Layer điều khiển sự trao đổi gói tin) để cho phép một thiết bị đạt được một mục đích chắc chắn. Một thủ tục thường được liên kết với một mode, nên mode và procedure thường được xem xét cùng nhau.

Hình 2: Modes, Roles và Procedures

Hình 3: Procedures và các modes yêu cầu

• Security: GAP xây dựng dựa trên Security Manager và Security Manager Protocol (định nghĩa các modes và procedures an ninh để xác định cách mà các thiết bị đặt mức an ninh khi trao đổi dữ liệu). Ngoài ra GAP định nghĩa thêm các tính năng an ninh cao hơn mà không gắn với modes và procedures cụ thể nào, tăng cường mức bảo vệ dữ liệu được yêu cầu bởi mỗi ứng dụng.

Xét một cách bản chất thì GAP là lớp điều khiển cao nhất của BLE (Topmost control layer) và là cấu hình bắt buộc cho tất cả thiết bị BLE.

GATT (Services and Characteristics)

GATT thiết lập chi tiết cách trao đổi tất cả profile và dữ liệu người dùng qua kết nối BLE. Ngược lại với GAP (định nghĩa sự tương tác mức thấp với các thiết bị), GATT chỉ trình bày các thủ tục truyền và định dạng dữ liệu thực tế

GATT sử dụng ATT và giao thức truyền của nó để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị. Dữ liệu này được tổ chức phân cấp thành các phần gọi là services, nó nhóm các phần khái niệm liên quan của dữ liệu người dùng gọi là characteristic. Nói một cách ngắn gọn thì dữ liệu truyền qua BLE là dữ liệu có cấu trúc, mà cụ thể là được tổ chức phân cấp thành services và characteristics.

Roles

• GATT Client: tương ứng với ATT client, gửi yêu cầu đến server và nhận kết quả phản hồi. Ban đầu, GATT Client không biết server hỗ trợ những thuộc tính nào vì thế nó cần phải thực hiện service discovery.
• GATT Server: tương ứng ATT server, nhận yêu cầu từ client và gửi những nội dung tương ứng.

Chú ý rằng các vai trò của GATT không phụ thuộc vào vai trò của GAP. Có nghĩa là cả GAP Central và GAP Peripheral có thể hoạt động như GATT Client hoặc GATT Server hoặc thậm chí là cả hai tại cùng một thời điểm.

UUIDs

Là một số định danh thiết bị, dài 128 bit (16 byte) duy nhất trên thế giới. Vì độ dài quá lớn, chiếm phần lớn trong gói dữ liệu, BLE Specification định nghĩa thêm 2 định dạng UUID: 16bit và 32 bit. Các định dạng ngắn này có thể chỉ được sử dụng với UUID được định nghĩa trong BT Specification.

Attributes

• Là thực thể dữ liệu nhỏ nhất được định nghĩa bởi GATT (và ATT).
• Cả GATT và ATT chỉ làm việc với attributes nên để tương tác giữa client và server tất cả dữ liệu phải được tổ chức theo định dạng này.
• Mỗi attribute chứa thông tin về chính nó là dữ liệu người dùng và được mô tả như sau:
  • Handle: số 16 bit duy nhất trên mỗi server để địa chỉ hóa attribute
  • Type:là kiểu UUID, 16bit – 32bit – 128 bit
  • Permission: xác định các ATT opertation có thể thực thi trên attribute cụ thể
  • Value: chứa phần dữ liệu thực tế trong attribute, giới hạn 512 byte

Services và Characteristics

Dữ liệu trao đổi thông qua kết nối BLE là dữ liệu có cấu trúc, được tổ chức phân cấp thành các services, bản thân services lại bao gồm các characteristics.

Hình 4: Cấu trúc của một profile

Hình dưới thể hiện cấu trúc của Heart Rate Service (HRS)

Hình 5: Thành phần chính của Heart Rate Service

Ta thấy, HRS bao gồm 2 characteristics giúp cung cấp thông tin về nhịp tim và vị trí gắn cảm biến trên cơ thể. Chi tiết có thể xem tại đường dẫn sau:

https://www.bluetooth.com/specifications/gatt/viewer?attributeXmlFile=org.bluetooth.service.heart_rate.xml

Ví dụ sau minh họa một thiết bị BLE có chức năng đo nhịp tim và truyền về BLE Central (Smartphones, tablets, PC). Vì không có cảm biến hỗ trợ tính năng này nên trong ví dụ này mình chỉ tạo giả tín hiệu theo mô tả sau:

• Giá trị nhịp tim thay đổi tuyến tính từ 100 đến 175 với độ tăng là 1
• Vị trí cảm biến trên cơ thể: Finger (mã = 0x03)

Thực hiện

Mở ví dụ HRM:

File => Examples => BLE_Examples => BLE_HRM

Hình 6: Chương trình ví dụ thiết bị HRM

• Tiến hành biên dịch và upload xuống bo mạch VBLUno, chuyển switch bootloader-application sang vị trí để chạy application. Nếu thành công bạn đã có một thiết bị BLE minh họa tính năng theo dõi nhịp tim.
• Để kết nối đến thiết bị này, bạn cần một BLE Central (Smart phone, tablet, PC). Ở đây mình dùng phần mềm nRF Toolbox của Nordic và phần mềm BLE Tool để minh họa.

Trên điện thoại Android hoặc iPhone, chạy phần mềm nRF Toolbox, chọn mục HRM, nhấn Connect để tìm kiếm thiết bị HRM và yêu cầu kết nối.

Hình 7: Tìm thấy thiết bị HRM với tên Nordic_HRM

Hình 8: Chương trình kết nối với thiết bị HRM, nhịp tim: 123, vị trí: Finger

Hình 9: Minh họa trên phần mềm BLE Tool cũng tương tự

Mã nguồn của chương trình ví dụ khá đơn giản, bạn có thể tự đọc và tìm hiểu. Nếu có thắc mắc bạn có thể liên hệ với nhóm tác giả.