TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
===== =====
®å ¸n
tèt nghiÖp ®¹i häc
§Ò tµi:
nghiªn cøu vÒ c«ng nghÖ zigbee
vµ øng dông kÕt nèi thiÕt bÞ cña zigbee
Người hướng dẫn
: ThS. d¬ng ®×nh tó
Sinh viên thực hiênê : nguyÔn ®øc long
Lớp
: 49K - §TVT
Mã số sinh viên
: 0851080335
NGHỆ AN - 01/2013
0
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
--------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
Nguyễn Đức Long
Số hiệu sinh viên: 0851080335
Ngành:
Điện tử - Viễn thông
Khoá: 49
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Dương Đình Tú
Cán bộ phản biện:
ThS. Cao Thanh Nghĩa
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)
Sinh viên thực hiện : NGUYỄỄN HOÀNG SƠN
L ớp
: 49K ĐTVT
Giảng viên hướng dẫẫn: THS. NGUYỄỄN THỊ KIM THU
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................vi
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4..........................1
1.1.
Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4......................................................1
1.1.1. Khái niệm về ZIGBEE..................................................................................1
1.1.2. Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE......................................................................1
1.1.3. Ưu
điểm
của
ZIGBEE/IEEE802.15.4
với
Bluetooth/IEEE802.15.1................................................................................2
1.2.
Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN................................................3
1.2.1. Thành phần của mạng LR-WPAN..............................................................3
1.2.2. Kiến trúc liên kết mạng.................................................................................3
1.3.
Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4.........................................6
1.3.1. Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4...........................................................7
1.3.2. Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC...........................9
1.3.3. Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4...................................................14
1.3.4. Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4...........................................16
1.4.
Kết luận chương...........................................................................................17
Chương 2. CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZIGBEE/IEEE 802.15.4.....18
2.1.
Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand
Distance Vector).............................................................................................18
2.2.
Thuật toán hình cây.....................................................................................21
2.2.1. Thuật toán hình cây đơn nhánh.................................................................21
2.2.2. Thuật toán hình cây đa nhánh...................................................................23
2.3.
Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng
mang CSMA-CA..........................................................................................27
2.4.
Kết luận chương...........................................................................................29
Chương 3. BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z.............................................................31
3.1.
Giới thiệu về bộ trình diễn PICDEM Z.....................................................31
1
3.2.
Thành phần của bộ trình diễn PICDEM Z..............................................31
3.2.1. Board mạch chủ PICDEM Z......................................................................32
3.2.2. Card RF PICDEM Z...................................................................................34
3.2.3. Đĩa phần mềm PICDEM Z.........................................................................34
3.3.
Thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn............................................35
3.4.
Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo..................................................36
3.4.1. Thay đổi giá trị ID Node.............................................................................37
3.4.2. Thay đổi cấu hình Association và Binding................................................38
3.5.
Kiểm tra hiệu suất RF.................................................................................41
3.6.
Sửa đổi cấu hình phần cứng.......................................................................42
3.7.
Phát triển ứng dụng.....................................................................................42
3.8.
Tạo tập tin nguồn ứng dụng.......................................................................42
3.8.1. Lập trình ứng dụng.....................................................................................43
3.8.2. Phục hồi Demo Firmware...........................................................................43
3.9.
Kết luận chương...........................................................................................44
Chương 4. PHẦN MỀM PHÂN TÍCH MẠNG KHÔNG DÂY ZENA™
........................................................................................................................45
4.1.
Giới thiệu về phần mềm phân tích mạng không dây ZENATM...............45
4.2.
Công cụ cấu hình Microchip Stack............................................................46
4.2.1. Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee............................................46
4.2.2. Xác định thông tin thu phát sóng...............................................................47
4.2.3. Xác định hiện trạng và thông tin đểm cuối...............................................48
4.2.4. Xác định thông tin bảo mật........................................................................50
4.2.5. Xác định thông tin tầng ZDO và APS.......................................................51
4.2.6. Xác định thông tin tầng NWK và MAC....................................................54
4.2.7. Xác định thông tin PIC MCU.....................................................................56
4.3.
Giám sát mạng.............................................................................................58
4.3.1. Giám sát thời gian thực Real-Time...........................................................58
4.3.2. Phân tích dữ liệu bắt được..........................................................................65
4.3.3. Sử dụng bộ lọc gói........................................................................................65
4.4.
Kết luận chương...........................................................................................66
KẾT LUẬN................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................68
1
LỜI NÓI ĐẦU
Mạng viễn thông ngày nay không ngừng mở rộng và phát triển. Các nhà khoa học
trên thế giới đang nghiên cứu để sử dụng các băng tần cao hơn, tuy nhiên việc này gặp
nhiều khó khăn vì công nghệ điện tử chưa theo kịp. Vì vậy một giải pháp được đưa ra là sử
dụng chung kênh tần số. Một trong những công nghệ mới hiện đang được ứng dụng trong
các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả cao là công nghệ ZigBee.
Công nghệ ZigBee được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc
độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải
tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm nổi bật là độ trễ truyền tin thấp, tiêu
hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao và giá thành thiết bị
thấp. Với ý nghĩa thực tiễn như vậy, em đã lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là
“Nghiên cứu về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của Zigbee”. Nội dung
của đồ án được thể hiện qua 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về chuẩn ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Chương 2: Các thuật toán định tuyến của ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Chương 3: Bộ trình diễn PICDEM Z
Chương 4: Phần mềm phân tích mạng không dây ZENATM
Do khả năng nghiên cứu còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi
các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung đồ án được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn ThS. Dương Đình Tú, Giảng viên Khoa Điện tử Viễn
thông, Trường Đại học Vinh đã hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để
em có thể xây dựng và hoàn thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi
lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các bạn trong Khoa Điện tử Viễn thông,
Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Vinh, tháng 01 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Long
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
i
Hiện nay, công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 đang được coi là hướng giải quyết
hiệu quả cho vấn đề liên lạc trong dải băng tần eo hẹp và liệu pháp sử dụng chung kênh
tần số giữa các thiết bị. Công nghệ ZigBee hoạt động ở băng tần 868/915 MHz ở Châu
Âu và 2.4 GHz ở Mỹ và Nhật, được áp dụng những hệ thống điều khiển có tốc độ truyền
tin thấp và chu kỳ hoạt động lâu dài. Công nghệ này tỏ ra ưu việt hơn chuẩn Wifi
802.11, Bluetooth ở mức độ tiêu hao năng lượng thấp, độ trễ truyền tin nhỏ, dễ dàng mở
rộng, giá thành thấp, ít lỗi, khả năng tương thích cao. Trong khuôn khổ của đồ án này,
em đã nghiên cứu về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của bộ trình diễn
PICDEM Z, được thiết kết cho phép những người phát triển đánh giá với những giải
pháp Microchip cho giao thức Zigbee. Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập trong
đồ án này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ
ZIGBEE/IEEE 802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng của công nghệ này trong cuộc
sống.
ABSTRACT
Currently, ZIGBEE/IEEE 802.15.4 technology is considered as effective solution for
communicative problem in the tight frequency band and the therapy for using the same
frequency channel between decvices. ZigBee technology oparates at frequency band of
868/915 Mhz in europe and 2.4 Ghz in US and Japan, is applied the control systems of low
transmission speed and long operation period. This technology proves more preeminent
than Wifi 802.11 standard, Bluetooth in low energy consumption, small transmission
latency, easy extending, low cost, low errors and high compatibility. In the framework of
this thesis, I have studied the zigbee technology and connecting devices application of
PICDEM Z demonstration, which is designed to allow developers to evaluate the
Microchip solutions for Zigbee protocol. I hope that through the issues mentioned in this
thesis, the readers will get appreciation and deeper understanding about Zigbee/IEEE
802.15.4 technology and roles as well as potential of this technology in life.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
ii
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc liên kết mạng....................................................................................4
Hình 1.2. Cấu trúc mạng hình sao...................................................................................4
Hình 1.3. Cấu trúc mạng mesh........................................................................................5
Hình 1.4. Cấu trúc mạng hình cây..................................................................................5
Hình 1.5. Mô hình giao thức của ZigBee........................................................................6
Hình 1.6. Băng tần hệ thống của ZigBee........................................................................8
Hình 1.7. Cấu trúc siêu khung.......................................................................................10
Hình 1.8. Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon...................................................11
Hình 1.9. Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon..........................................................11
Hình 1.10. Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon...............................................................12
Hình 1.11. Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon...........................................13
Hình 1.12. Khung tin mã hóa tầng MAC.......................................................................15
Hình 1.13. Khung tin mã hóa tầng mạng.......................................................................16
Hình 2.1. Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV.........................................20
Hình 2.2. Quá trình chọn nốt gốc (CH)........................................................................21
Hình 2.3. Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên...............................................22
Hình 2.4. Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc.......................................................22
Hình 2.5. Gán địa chỉ nhóm trực tiếp...........................................................................24
Hình 2.6. Gán địa chỉ nhóm qua nốt trung gian..........................................................24
Hình 2.7. Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc......................................................................25
Hình 2.8. Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc và nốt trung gian.......................................25
Hình 2.9. Mạng cây đa nhánh và các nốt trung gian..................................................26
Hình 2.10. Lưu đồ thuật toán...........................................................................................28
Hình 3.1. Bo mạch chủ PICDEM Z..............................................................................32
Hình 3.2. Hình ảnh thực tế của bo mạch chủ PICDEM Z.........................................35
Hình 4.1. Mạch phân tích mạng không dây ZENA™.................................................45
Hình 4.2. Giao diện chính của phần mềm phân tích mạng ZENA............................46
Hình 4.3. Bảng Zigbee Device........................................................................................46
Hình 4.4. Bảng Transceiver............................................................................................47
Hình 4.5. Bảng ndpoint...................................................................................................48
iii
Hình 4.6. Bảng Security..................................................................................................50
Hình 4.7. Bảng ZDO.......................................................................................................51
Hình 4.8. Bảng APS.........................................................................................................52
Hình 4.9. Bảng NWK/MAC...........................................................................................54
Hình 4.10. Bảng PIC.........................................................................................................56
Hình 4.11. Cửa sổ giám sát mạng giao thức ZigBee™..................................................58
Hình 4.12. Yêu cầu liên kết và trả lời..............................................................................60
Hình 4.13. Thông điệp ứng dụng với APS level cknowledge........................................61
Hình 4.14. Thông điệp ứng dụng với chế độ hiển thị NUMERIC...............................63
Hình 4.15. Thông điệp ứng dựng với chế độ hiển thị CONDENSED.........................64
Hình 4.16. Cấu hình bộ lọc gói.........................................................................................65
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu...............................................................................7
Bảng 1.2. Kênh truyền và tần số......................................................................................7
Bảng 1.3. Định dạng khung PPDU..................................................................................9
Bảng 1.4. Định dạng khung MAC.................................................................................14
Bảng 3.1. Các bước cho ràng buộc cấu hình................................................................40
Bảng 4.1. Bảng lựa chọn cấu hình thiết bị giao thức ZigBee......................................47
Bảng 4.2. Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng ZigBee...................................48
Bảng 4.3. Cấu hình Profile/Endpoint giao thức ZigBee..............................................49
Bảng 4.4. Cấu hình thiết bị giao thức ZigBee...............................................................50
Bảng 4.5. Cấu hình ZDO giao thức ZigBee..................................................................51
Bảng 4.6. Cấu hình bảng APS giao thức ZigBee..........................................................52
Bảng 4.7. Cấu hình NWK giao thức ZigBee.................................................................54
Bảng 4.8. Cấu hình MAC giao thức ZigBee.................................................................55
Bảng 4.9. Cấu hình PIC MCU giao thức ZigBee.........................................................56
Bảng 4.10. Cấu hình lựa chọn giám sát thời gian thực.................................................58
Bảng 4.11. Mã màu của bảng Packet Sniffer.................................................................59
Bảng 4.12. Giao thức ZigBee™ với chọn lựa cấu hình VERBOSENESS........................62
v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
IEEE
WPAN
QoS
FFD
RFD
CID
SHR
Ack
PAN ID
MAC
PHY
GTS
CCA
LQI
ED
PLME
PPDU
PHR
MLMESAP
SAP
MPDU
CAP
CFP
CSMA-CA
MHR
MFR
MIC
FCS
FCFS
CTR
CBC
RREQ
AES
AODV
DD
AFG
RREQ
Institute
of
Electrical
and Viện công nghệ Điện và Điện Tử
Electronic Engineers
Wireless Personal Area Network
Quality of Service
Full Function Device
Reduced Function Device
Cluster Identifier
Synchronization Header
Acknowledgment
PAN identifier
Media Access Control
Physical Layer
Guaranteed Time Slot
Clear Channel Assessment
Link Quality Indication
Energy Detection
Physical Layer Management
PHY Protocol Data Unit
PHY Header
MAC sublayer management entity
Mỹ
Mạng cá nhân không dây
Chất lượng dịch vụ
Chức năng thiết bị đầy đủ
Giảm chức năng thiết bị
Cụm nhận dạng
Đồng bộ hóa tiêu đề
Xác nhận
Chỉ số nhận dạng cá nhân
Điều khiển truy nhập môi trường
Tầng vật lý
Khe thời gian đảm bảo
Đánh giá kênh truyền
Chỉ số chất lượng đường truyền
Năng lượng truyền
Quản lý tầng vật lý
Đơn vị số liệu giao thức PHY
Chứa thông tin độ dài khung
Điểm truy cập dịch vụ của thực thể
service access point
Service Access Point
MAC Protocol Data Unit
Contention Access Period
Contention Free Period
Carrier Sense Multiple Access
quản lý tầng MAC
Điểm truy nhập dịch vụ
Giao thức dữ liệu MAC
Giai đoạn tranh chấp truy cập
Giai đoạn tranh chấp tự do
Phương pháp tránh xung đột đa
Collision Avoidance
MAC Header
MAC Footer
Message Integrity
Frame Check Sequence
First-come-first-serve
Counter
Cipher Block Chaining
Route Reply Packet
Advance Encryption Standard
Ad hoc On Demand Distance Vector
Designated Device
Application Framework
Route Request
truy cập nhờ cảm biến sóng mang
Đầu khung MAC
Cuối khung MAC
Mã hóa tin nguyên vẹn
Chuỗi kiểm tra khung
Đến trước được phục vụ trước
Bộ đếm
Thuật toán mã hóa khối Chaining
Route trả lời packet
Chuẩn mã hóa cao cấp
Thuật toán định tuyến theo yêu cầu
Thiết bị gốc
Khung ứng dụng
Gói tin tìm đường
vi
NWK
APS
SSP
SNR
Network Layer
Application Support Sublayer
Security Service Provider
Signal to Noise Ratio
vii
Tầng mạng
Hỗ trợ ứng dụng lớp con
Nhà cung cấp dịch vụ an ninh
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CHUẨN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4
Công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới hiện nay, công nghệ này ra
đời giải quyết được vấn đề băng tần eo hẹp như hiện nay. Với những ưu điểm vượt trội
đã được chứng minh, vì thế có thể nói ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ của tương
lai. Những vấn đề cần được nắm trong chương này gồm:
- Tổng qua về ZIGBEE/IEEE 802.15.4
- Mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 LR-WPAN
- Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE 802.15.4
1.1. Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4
1.1.1. Khái niệm về ZIGBEE
Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ
truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn ZIGBEE hoạt động trên 3 dãy
tần số là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu
“ Zig-Zag” của loài ong “ Honey-Bee”. Cái tên ZigBee cũng được ghép từ 2 từ này.
1.1.2. Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng,
chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và
tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một
thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên
ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc
truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có
thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như
Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh
network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công
nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi
trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là
250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ, Nhật) và 20kbps ở
dải tần 868MHz (Châu Âu).
1
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn
bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng
thấp của giao thức là tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu. Zigbee còn thiết lập cơ sở cho
những tầng cao hơn trong giao thức về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc
chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo
một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau.
Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY
và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao,
mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho năng
lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng
các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots). Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng
mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng
trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của
đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng
cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác.
1.1.3. Ưu điểm của ZIGBEE/IEEE802.15.4 với BLUETOOH/IEEE802.15.1
- ZigBee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, ZigBee có tốc độ
truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Một nốt mạng trong mạng ZigBee có
khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai ắc qui AA. Phạm vi hoạt
động của ZigBee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không
có khuếch đại).
- ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của ZigBee là
250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của
Bluetooth là 1Mbps.
- ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó
các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này cho phép tối đa
tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới
truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng cho
việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế về không gian và thời gian). Các thiết bị
Bluetooth có thể hỗ trợ mạng scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet không đồng
bộ. Nó chỉ cho phép tối đa là 8 node slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.
2
- Node mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận
các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong
3sec.
1.2. Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN
Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí
nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp dụng
trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng....
1.2.1. Thành phần của mạng LR-WPAN
Một hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản nhất
tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng
trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị
đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD. Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị
FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN.
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN
hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng.
RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu. Một
FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm
việc với một FFD.
1.2.2. Kiến trúc liên kết mạng
Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng
cho công nghệ ZigBee. Các node mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau
theo cấu trúc mạng hình sao cấu trúc mạng hình lưới cấu trúc bó cụm hình cây. Sự đa
dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cách rộng
rãi. Hình 1.1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tô pô sao, tô pô mắt lưới, tô
pô cây.
3
Hình 1.1. Cấu trúc liên kết mạng
1.2.2.1. Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)
Hình 1.2. Cấu trúc mạng hình sao
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị
điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD được
kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối
mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình
được gọi là PAN ID, nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả
FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm
phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất,các nốt trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều
phối mạng PAN.
4
1.2.2.2. Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)
Hình 1.3. Cấu trúc mạng mesh
Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là kết
hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một
thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm
vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường
và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy
rừng….).
1.2.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)
Hình 1.4. Cấu trúc mạng hình cây
5
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là
FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối của
nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp
tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này
có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có
nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN. Bộ điều phối mạng
PAN này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán
cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự
thành lập CLH bằng CID-0, nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá
nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung tin này có thể yêu cầu kết
nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó
sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của
nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào
mạng. Từ đó có thể hình thành được các CLH1,CLH2,...(như hình 1.4).
1.3. Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4
ZIGBEE/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và
tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính vì thế
nên nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4. Đó là tính tin cậy, đơn giản,
tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. Dựa vào mô
hình như hình 1.5, các nhà sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau
mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng với nhau.
Hình 1.5. Mô hình giao thức của ZigBee [5]
6
1.3.1. Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý
PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME. Dịch vụ dữ liệu
PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến
vật lý. Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận
sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu
và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải
tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.
Bảng 1.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu
PHY
Băng tần
Tốc độ chip
(MHz)
(MHz)
(kchips/s)
868
868-868.6
300
915
902-928
2450
2400-2486.5
Điều chế
Tốc độ bit Tốc độ ký tự
(kb/s)
ksymbol/s)
BPSK
20
20
600
BPSK
40
40
2000
O-QPSK
250
62.5
Ký tự
Nhị
phân
Nhị
phân
Hệ 16
Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới
đây
Bảng 1.2. Kênh truyền và tần số
Tần số trung
Số lượng kênh (N)
Kênh
Tần số trung tâm (MHz)
868
1
0
868.3
915
10
1-10
906 + 2(k-1)
2450
16
11-26
2405 + 5(k-11)
tâm (MHz)
7
- Xem thêm -