Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền nhận dữ liệu vô tuyến theo chuẩn giao tiếp ZIGBEE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU VÔ TUYẾN THEO CHUẨN GIAO TIẾP ZIGBEE LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU VÔ TUYẾN THEO CHUẨN GIAO TIẾP ZIGBEE Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Võ Thanh Tùng Huế - 2014 1 LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến thầy giáo hướng dẫn TS. Võ Thanh Tùng, người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình làm việc. Tôi cũng xin cám ơn các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử - Viễn Thông thuộc Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và Bộ môn Điện tử - Viễn thông thuộc trường Đại học Khoa Học Huế đã tận tình chỉ dạy tôi trong suốt thời gian tôi học cao học tại khoa. Cuối cùng tôi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã quan tâm, động viên để tôi có thể hoàn thành tốt công việc của mình. Huế, ngày 13 tháng 09 năm 2013. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nào khác. Huế, ngày 13 tháng 09 năm 2013. Tác giả Trần Đức Minh 3 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................................. 7 MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 8 Chương 1. Giới thiệu chung về mạng WPAN và chuẩn ZigBee. ....................................... 9 1.1. Giới thiệu về mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) ...............9 1.1.1. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây .......................................................9 1.1.2. Giới thiệu chung về mạng WPAN ..................................................................................10 1.1.3. Phân loại mạng WPAN...................................................................................................11 1.2. Khái quát về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 ........................................11 1.2.1. Giới thiệu ........................................................................................................................11 1.2.2. Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN. ....................................................................12 Chương 2. Chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4. ....................................... 16 2.1. Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 .....................................................................16 2.2. Tầng vật lý ...........................................................................................................................17 2.2.1. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4.................................18 2.2.2. Định dạng khung tin PPDU. ...........................................................................................19 2.3. Tầng điều khiển dữ liệu .......................................................................................................19 2.3.1. Cấu trúc siêu khung. .......................................................................................................20 2.3.2. Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA. ........22 2.3.3. Các mô hình truyền dữ liệu. ...........................................................................................24 2.3.4. Phát thông tin báo hiệu beacon .......................................................................................27 2.3.5. Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS. ........................................................27 2.3.6. Định dạng khung tin MAC. ............................................................................................28 2.4. Tầng mạng ...........................................................................................................................29 2.4.1. Dịch vụ mạng..................................................................................................................29 2.4.2. Dịch vụ bảo mật ..............................................................................................................30 2.5. Tầng ứng dụng.....................................................................................................................31 Chương 3. Module thu phát không dây MRF24J40. ........................................................ 33 3.1. Module thu phát không dây chuẩn ZigBee - MRF24J40 .....................................................33 3.1.1. Giới thiệu chung về module MRF24J40.........................................................................33 3.1.2. Tổ chức bộ nhớ của MRF24J40 .....................................................................................36 3.2. Một số hàm chức năng hoạt động của MRF24J40 ..............................................................38 3.2.1. Tái khởi động..................................................................................................................39 3.2.2. Khởi tạo hoạt động của hệ thống ....................................................................................40 4 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. Ngắt ................................................................................................................................40 Chọn kênh truyền............................................................................................................41 Truyền nhận dữ liệu ........................................................................................................42 Chương 4. Thiết kế hệ thống truyền nhận dữ liệu không dây sử dụng theo chuẩn ZigBee. 44 4.1. Giới thiệu ............................................................................................................................44 4.2. Mô tả phần cứng..................................................................................................................45 4.2.1. Khối điều khiển chính.....................................................................................................45 4.2.2. Khối hiển thị ...................................................................................................................47 4.2.3. Khối chuyển đổi giao tiếp USB – COM .........................................................................47 4.2.4. Khối nguồn .....................................................................................................................48 4.2.5. Khối thu phát không dây ................................................................................................49 4.2.6. Khối các nút nhấn điều khiển .........................................................................................49 4.3. Thiết kế phần mềm...............................................................................................................50 4.3.1. Phần mềm cho máy tính .................................................................................................51 4.3.2. Phần mềm cho board điều khiển .....................................................................................53 4.4. Kết quả ................................................................................................................................56 KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 62 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Diễn giải CID Cluster Identifier CLH Cluster Head CSMA/CA Carrier Sense MultipleAccess-Collision Avoidance ED Energy Detection FCFS First-Come-First-Serve FFD Full – Function Device GTSs Guaranteed Time Slots LAN Local Area Network LQI Line Quality Indentify MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network PAN Personal Area Network PLME Physical Layer Management PPDU PHY Protocol Data Unit RFD Reduced - Function Device WAN Wide Area Network WPAN Wireless Peasonal are Network ZDO ZigBee device objects 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu ...............................................................................................................18 Bảng 2.2. Kênh truyền và tần số ......................................................................................................................18 Bảng 2.3. Định dạng khung PPDU ....................................................................................................................19 Bảng 2.4. Định dạng khung MAC .....................................................................................................................29 Bảng 3.1. Sơ đồ địa chỉ các thanh ghi điều khiển có địa chỉ ngắn ....................................................................39 Bảng 3.2. Sơ đồ địa chỉ các thanh ghi điều khiển có địa chỉ dài. ......................................................................39 Bảng 3.3. Cấu trúc các thanh ghi phục vụ reset ...............................................................................................40 Bảng 3.4. Cấu trúc các thanh ghi phục vụ ngắt ................................................................................................41 Bảng 3.5. Các thanh ghi lựa chọn kênh truyền. ...............................................................................................41 Bảng 3.6. Giá trị tần số và kênh truyền tương ứng. ........................................................................................42 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các giao thức truyền thông không dây. ............................................................................................. 9 Hình 1.2. Cấu trúc liên kết mạng. ....................................................................................................................13 Hình 1.3. Cấu trúc mạng hình sao....................................................................................................................14 Hình 1.4. Cấu trúc mạng mắt lưới. ..................................................................................................................14 Hình 1.5. Cấu trúc mạng hình cây. ...................................................................................................................15 Hình 2.1. Mô hình giao thức mạng ZigBee. .....................................................................................................17 Hình 2.2. Cấu trúc siêu khung. ........................................................................................................................20 Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán tránh xung đột đa truy nhập. .............................................................................23 Hình 2.4. Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon. .......................................................................................25 Hình 2.5. Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. .............................................................................................25 Hình 2.6. Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon. ..................................................................................................26 Hình 2.7. Kết nối trong mạng không hỗ trợ beacon. .......................................................................................26 Hình 2.8. Khung tin mã hóa tầng MAC. ...........................................................................................................30 Hình 2.9. Khung tin mã hóa tầng mạng. ..........................................................................................................31 Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát của MRF24J40 trong một node mạng. ............................................................33 Hình 3.2. Sơ đồ chân của MRF24J40. ..............................................................................................................34 Hình 3.3. Sơ đồ khối mô tả kiến trúc của MRF24J40. ......................................................................................35 Hình 3.4. Hoạt động ghi dữ liệu qua SPI. .........................................................................................................36 Hình 3.5. Hoạt động đọc dữ liệu qua SPI. ........................................................................................................36 Hình 3.6. Không gian bộ nhớ của MRF24J40. ..................................................................................................37 Hình 3.7. Đọc dữ liệu với địa chỉ ngắn.............................................................................................................37 Hình 3.8. Ghi dữ liệu với địa chỉ ngắn. ............................................................................................................38 Hình 3.9. Quá trình đọc dữ liệu ở vùng địa chỉ dài. .........................................................................................38 Hình 3.10. Quá trình ghi dữ liệu ở vùng địa chỉ dài. ........................................................................................38 Hình 3.11. Sơ đồ địa chỉ của các TX FIFO. ........................................................................................................43 Hình 4.1. Sơ đồ khối của hệ thống truyền nhận dữ liệu. .................................................................................44 Hình 4.2. Board phát triển HZDK. ....................................................................................................................45 Hình 4.3. Sơ đồ mạch khối điều khiển chính sử dụng PIC18F4620. .................................................................46 Hình 4.4. Sơ đồ mạch điều khiển màn hình LCD..............................................................................................47 Hình 4.5. Sơ đồ mạch khối chuyển đổi giao tiếp USB-COM. ............................................................................48 Hình 4.6. Sơ đồ mạch khối cấp nguồn nuôi. ....................................................................................................49 Hình 4.7. Sơ đồ mạch của khối thu phát sử dụng MRF24J40. ..........................................................................49 Hình 4.8. Sơ đồ mạch các nút nhấn điều khiển. ..............................................................................................50 Hình 4.9. Giao diện chính của chương trình. ...................................................................................................51 Hình 4.10. Lưu đồ chính của chương trình. .....................................................................................................54 Hình 4.11. Board mạch ở trạng thái khởi động. ..............................................................................................57 Hình 4.12. Board nhận dữ liệu. .......................................................................................................................57 Hình 4.13. Board phát dữ liệu. ........................................................................................................................58 Hình 4.14. Chương trình nhận và vẽ lại dữ liệu đã được gửi. .........................................................................59 Hình 4.15. Đồ thị biểu diễn các giá trị nhận được. ..........................................................................................59 8 MỞ ĐẦU Hiện nay có rất nhiều chuẩn giao tiếp không dây cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như bluetooth, wifi... Tuy nhiên đối với mạng sensor trong những ứng dụng điều khiển - tự động hóa thì các chuẩn wifi hay bluetooth lại không phù hợp. Mặc dù cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, nhưng chúng cũng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều năng lượng, phạm vi kết nối nhỏ, độ trễ lớn, cơ chế bảo mật đơn giản (Bluetooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn. Để giải quyết những khuyết điểm đó, chuẩn giao tiếp ZigBee đã ra đời. ZigBee là một tiêu chuẩn công nghệ truyền thông vô tuyến được tiêu chuẩn hóa cho các ứng dụng như mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), hỗ trợ các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care), cơ chế quản lý năng lượng hiệu quả hơn cho phép ZigBee hỗ trợ xây dựng các mạng không dây tiêu thụ năng lượng một cách thông minh (Smart Energy)… Tiêu chuẩn ZigBee được tạo ra với mục đích cung cấp một giải pháp mạng không giây chi phí thấp, độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, thời gian sử dụng pin dài, có khả năng hỗ trợ truyền tốc độ thấp, nhưng có độ bảo mật và độ tin cậy cao. Hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều nhóm nghiên cứu về chuẩn này, tuy nhiên việc phát triển các ứng dụng dành cho chuẩn giao tiếp này vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu. Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là tìm hiểu, nghiên cứu về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee. Từ đó sẽ thiết kế và xây dựng một hệ thống điện tử sử dụng chuẩn giao tiếp này, cho phép giao tiếp với một số thiết bị khác để thu nhận các dữ liệu đo được (các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, các máy đo đang được thiết kế tại phòng TN chất rắn…). Dữ liệu thu nhận được sẽ được gửi về máy tính chủ hoặc bộ điều khiển trung tâm để lưu trữ và xử lý dữ liệu đo đạc. Các máy tính chủ hoặc bộ điều khiển thông qua mạng không dây cũng có thể gửi ngược lại các dữ liệu điều khiển để điều khiển hoạt động của các thiết bị được kết nối. Với mục tiêu đặt ra, tôi đã lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền nhận dữ liệu vô tuyến theo chuẩn giao tiếp ZigBee" để làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình. 9 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG WPAN VÀ CHUẨN ZIGBEE. 1.1. Giới thiệu về mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) 1.1.1. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây Nhiều phương pháp và chuẩn kết nối không dây đã được phát triển trên toàn thế giới dựa trên sự đa dạng về nhu cầu thương mại. Những công nghệ này có thể được xếp loại thành 4 nhóm (PAN, LAN, MAN, WAN) dựa trên những ứng dụng đặc trưng và phạm vi truyền của chúng. Hình 1.1 mô tả các nhóm giao thức truyền thông này. Hình 1.1. Các giao thức truyền thông không dây.  Personal Area Network (PAN) PAN là một mạng sử dụng cho việc kết nối giữa các thiết bị cá nhân (gồm điện thoại và các thiết bị số cá nhân khác). Phạm vi truyền thông của PAN chỉ là vài mét. PAN có thể kết nối các thiết bị với nhau hoặc với mạng Internet. Mạng PAN không dây (Wireless PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các giao thức Infrared (IrDA), Bluetooth...  Local Area Network (LAN) Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền thông với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được chức năng tương tự như mạng LAN có dây. WLAN cho phép người dùng di chuyển trong một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học...) mà vẫn kết nối được với mạng. Mạng Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có 802.11a/b/g/n. 10  Metropolitan Area Network (MAN) Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc trên chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là WiMAX). Nó được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết bị cố định hoặc di động thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến mạng lõi. WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương đối rẻ trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16 km, tuy nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể. Trong hầu hết mọi trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì chất lượng của dịch vụ.  Wide Area Network (WAN) WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN, LAN hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ điển hình nhất của WAN chính là mạng Internet. WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và máy tính trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng cho các tổ chức đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ liệu di động như GSM, GPRS và 3G. 1.1.2. Giới thiệu chung về mạng WPAN Nhằm phục vụ mục đích truyền dữ liệu không dây giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn với yêu cầu tốc độ truyền không cao và yêu cầu phần cứng tối thiếu thì khái niệm mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) đã ra đời. Mạng WPAN là một mạng không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn (bán kính từ 20-30m). Không giống như mạng WLAN (mạng không dây cục bộ), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn mang lại hiệu suất cao trong liên lạc, nhất là trong một băng tần giới hạn. Trong thời gian giữa những năm 80, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao. Trong khi chuẩn IEEE 802.11 đề cập đến những các vấn đề như là tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng 11 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn. Ưu điểm chính của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Từ đó, nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho mạng WPAN. 1.1.3. Phân loại mạng WPAN Chuẩn IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ (QoS: quality of service).  WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.  WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1/Bluetooth) được ứng dụng trong các máy điện thoại di động, máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại.  WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các thiết bị công nghiệp hoặc các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Chính tốc độ truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng. Trong chuẩn này thì công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình. 1.2. Khái quát về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 1.2.1. Giới thiệu ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường Zig-zag của ong mật (honey Bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước. 12 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. 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 không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network). 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 truyền dữ liệu của chuẩn này là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu). 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 (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu). ZigBee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) 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. 1.2.2. 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... a) 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 (full-function device), 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 13 (reduced-function device). 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 lựợng 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. b) 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 (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) 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 1.2 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây. Hình 1.2. Cấu trúc liên kết mạng.  Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star) 14 Hình 1.3. 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 (Hình 1.3). 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 (PAN identifier), 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.  Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) Hình 1.4. Cấu trúc mạng mắt lưới. Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là kết hợp của hai kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng (Hình 1.4). Ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này 15 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…).  Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) 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 bộ điều phối và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các bộ điều phối khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Hình 1.5. Cấu trúc mạng hình cây. Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator). Bộ điều phối mạng 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 CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0 (cluster identifier), 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,...(Hình 1.5). 16 CHƯƠNG 2. CHUẨN GIAO TIẾP KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4. 2.1. Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ mới phát triển trong khoảng vài năm trở lại đây. Công nghệ này 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. Tương tự như các giao thức truyền thông khác, ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng (Hình 2.1), trong đó tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị... Dựa vào mô hình như ở Hình 2.1, 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. 17 Hình 2.1. Mô hình giao thức mạng ZigBee. 2.2. Tầng vật lý 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 (physical layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) 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. 18 Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau được mô tả như trong Bảng 2.2. Bảng 2.2. Kênh truyền và tần số 2.2.1. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4 a) Chỉ số ED (energy detection) Chỉ số ED được đo bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử dụng như là một bước trong thuật toán chọn kênh. ED là kết quả của sự ước lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh trong IEEE 802.15.4. Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền trong kênh này. Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8 symbol. Kết quả phát hiện năng lượng sẽ được thông báo bằng 8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới 0xff. Giá trị nhỏ nhất của ED (bằng 0) khi mà công suất nhận được ít hơn mức +10dB so với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là 40dB và sai số là ±6dB.