Tài liệu Nghiên cứu về công nghệ zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của zigbee

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 hiện : nguyÔn ®øc long Lớp : 49K - §TVT Mã số sinh viên : 0851080335 NGHỆ AN - 01/2013 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) 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 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 ZENAT M ......................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 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 nổ i 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 ZENAT M 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 i TÓM TẮT ĐỒ ÁN 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. ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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 iii Hình 4.5. Bảng ndpoint........................................................................................................... 48 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 Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện và Điện Tử Electronic Engineers Mỹ WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ FFD Full Function Device Chức năng thiết bị đầy đủ RFD Reduced Function Device Giảm chức năng thiết bị CID Cluster Identifier Cụm nhận dạng SHR Synchronization Header Đồng bộ hóa tiêu đề Ack Acknowledgment Xác nhận PAN ID PAN identifier Chỉ số nhận dạng cá nhân MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường PHY Physical Layer Tầng vật lý GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lượng đường truyền ED Energy Detection Năng lượng truyền PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY PHR PHY Header Chứa thông tin độ dài khung MLMESAP MAC sublayer management entity Điểm truy cập dịch vụ của thực thể service access point quản lý tầng MAC SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ MPDU MAC Protocol Data Unit Giao thức dữ liệu MAC CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự do CSMA-CA MHR Carrier Sense Multiple Access Phương pháp tránh xung đột đa Collision Avoidance truy cập nhờ cảm biến sóng mang MAC Header Đầu khung MAC vi MFR MAC Footer Cuối khung MAC MIC Message Integrity Mã hóa tin nguyên vẹn FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FCFS First-come-first-serve Đến trước được phục vụ trước CTR Counter Bộ đếm CBC Cipher Block Chaining Thuật toán mã hóa khối Chaining RREQ Route Reply Packet Route trả lời packet AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp AODV Ad hoc On Demand Distance Vector Thuật toán định tuyến theo yêu cầu DD Designated Device Thiết bị gốc AFG Application Framework Khung ứng dụng RREQ Route Request Gói tin tìm đường NWK Network Layer Tầng mạng APS Application Support Sublayer Hỗ trợ ứng dụng lớp con SSP Security Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ an ninh SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu vii 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, 1 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 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 2 không đồng bộ. Nó chỉ cho phép tối đa là 8 node slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản. - 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 CID0 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 Điều chế (MHz) (MHz) (kchips/s) 868 868-868.6 300 915 902-928 2450 2400-2486.5 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 Hình 1.6. Băng tần hệ thống của Zigbee 1.3.1.1. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 a. Chỉ số ED (energy detection) Chỉ số ED đo đạc được 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 (=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. b. Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) Chỉ số chất lượng đừong truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được. Số đo này có thể bổ sung vào ED thu được, đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR, hoặc một sự kết hợp của những phương pháp này. Giá trị kết quả LQI được giao cho tầng mạng và tâng ứng dụng xử lý. c. Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay bận. Có ba phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này: - CCA 1: “Năng lượng vượt ngưỡng”. CCA sẽ thông báo kênh truyền bận trong khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED. 8 - CCA 2: “Cảm biến sóng mang”. CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE802.15.4. Tín hiệu này có thể thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED. - CCA 3: “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vựơt ngưỡng”. CCA sẽ báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED. 1.3.1.2. Định dạng khung tin PPDU Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin. - SHR (synchronization header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit - PHR (PHY header): chứa thông tin độ dài khung - PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC Bảng 1.3. Định dạng khung PPDU Octets: 4 1 SFD (bắt đầu Đầu khung phân định khung) 1 variable Độ dài khung Phần dành riêng (7bits) (1bit) SHR PHR PSDU PHY playload 1.3.2. Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC 1.3.2.1. Cấu trúc siêu khung LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung. Định dạng của siêu khung được định rõ bởi PAN coordinator. Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc báo hiệu dò đường beacon được gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung. Nếu một PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc phát mốc beacon. Mốc này có nhiệm đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu khung. 9