Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEEIEEE802.15.4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY
ZIGBEE/IEEE802.15.4

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠI
NGUYỄN HỮU THUẬN
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2008 - 2012

Tháng 06 năm 2012


 

 

NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY

ZIGBEE/IEEE802.15.4
 

Tác giả
NGUYỄN QUỐC ĐẠI - NGUYỄN HỮU THUẬN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng nhu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn
KS. NGUYỄN TRUNG TRỰC - TS. NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 06 năm 2012

 

i


 

 

LỜI CẢM ƠN
Thông qua khóa luận tốt nghiệp này tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Tất cả quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu làm nền tảng sau này. Đặc biệt quý thầy
cô trong Bộ môn Cơ Điện Tử - khoa Cơ Khí Công Nghệ đã dạy bảo, trang bị cho
chúng tôi những kiến thức chuyên ngành cơ bản làm hành trang bước vào thực tế.
- Giáo viên hướng dẫn: Thầy TS.Nguyễn Văn Hùng-KS.Nguyễn Trung Trực đã
tận tình giúp đỡ từ khi bắt đầu đến khi hoàn thành khóa luận.
- Tập thể lớp DH08CD đã cùng tôi chia sẻ những kiến thức học hỏi được trong
thời gian qua.
- Tất cả bạn bè người thân đã động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn
trong quá trình thực hiện.
Vì thời gian không nhiều cũng như do kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý chân thành từ phía
thầy cô cùng bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn.


Nguyễn Hữu Thuận
Nguyễn Quốc Đại

 

ii


 

 

TÓM TẮT
Khóa luận “NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY
ZIGBEE/IEEE802.15.4”
Được thực hiện tại trường đại học trường đại học Nông Lâm TP.HCM
Thời gian từ 03/2012 đến 06/2012
Nội dung thực hiện: nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZigBee/IEEE802.15.4
 Tổng quan về mạng WPAN.
 Chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4
 Mô hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4

 Các tầng cấp của mô hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4
 Nghiên cứu việc truyền nhận dữ liệu thô bằng chuẩn không dây
ZigBee/IEEE802.15.4
 Tìm hiểu về bộ thu phát không dây MRF24J40MB và vi điều khiển
Pic18f26k20
Kết quả thực hiện: Tìm hiểu chuẩn kết nối không dây ZigBee.IEEE802.15.4,
dùng mô hình kết nối máy tính với giao diện điều khiển để thực hiện việc truyền
nhận dữ liệu.

 

iii


 

 

MỤC LỤC
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................... xi
Chương 1 .....................................................................................................................1
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................1
1.2. Mục đích. .........................................................................................................1
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..........................................................................2
Chương 2 .....................................................................................................................3
TỔNG QUAN .............................................................................................................3
2.1. Tổng quan về mạng WPAN ..............................................................................3
2.1.1. Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)........................3
2.1.2. Sự phát triển của mạng WPAN .....................................................................3
2.1.3. Phân loại chuẩn WPAN .................................................................................4
2.2. Khái quát về ZigBee/IEEE802.15.4. ................................................................5
2.2.1. Khái quát chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE .........................................5
2.2.2. Đặc điểm chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE..........................................5
2.2.3. So sánh ZigBee và các chuẩn WPAN khác ...................................................6
2.3. Cấu trúc mạng ZIGBEE....................................................................................7
2.3.1. Mô hình giao thức của Zigbee .......................................................................7
2.3.2. Tầng vật lý ZigBee/IEEE802.15.4.................................................................7
2.3.3. Các thông số kỹ thuật trong tầng PHY của ZigBee/IEEE802.15.4. ..............9
2.3.4. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC ...............................10
2.3.5. Tầng mạng của ZigBee/IEEE 802.15.4 .......................................................17
2.3.6. Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 .................................................19

 

iv


 

 

2.4. Kiến trúc mạng ZIGBEE ................................................................................19
2.4.1. Thành phần của mạng ZigBee/IEEE802.15.4 LR-WPAN. .........................19
2.4.2. Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star) ........................................................20
2.4.3. Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) ............................................21
2.4.4. Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) ......................................................22
2.5. Giới thiệu PIC18F26K20 ................................................................................22
2.6. Giới thiệu module mrf24j40mb của microchip ..............................................23
2.6.1. Nhân chính của module, chip MRF24J40 ...................................................23
2.6.2. Các tính năng: ..............................................................................................23
2.6.3. Hoạt động:....................................................................................................24
2.6.4. Các tính năng RF / Analog: .........................................................................24
2.6.5. Cấu trúc bộ nhớ MRF24J40 .......................................................................24
2.6.6. SPI trên MRF ...............................................................................................27
2.6.7. Cơ chế hoạt động của MRF24J40................................................................28
2.6.8. Truyền/nhận data thô với MRF24J40 .........................................................28
2.6.9. Module MRF24J40MB ................................................................................29
Chương 3 ...................................................................................................................31
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIÊN CỨU ....................................................31
3.1. Nội dung nghiên cứu.......................................................................................31
3.2. Phương pháp nghiên cứu. ...............................................................................31
Chương 4 ...................................................................................................................32
KẾT QUẢ THẢO LUẬN .........................................................................................32
4.1. Lựa chọn khảo sát hệ thống thu thập ẩm độ đất – giám sát - điều khiển không
dây 1ha. ..................................................................................................................32
4.1.1. Mô tả hệ thống .............................................................................................32
4.1.2 Sơ đồ bố trí hệ thống.....................................................................................33
4.1.2.2 Trạm chính .................................................................................................35
4.2. Thiết kế mạch điều khiển ................................................................................39
4.2.1. Sơ đồ khối ....................................................................................................39

 

v


 

 

4.2.2. Ghép nối .......................................................................................................43
4.2.3. Giải thuật......................................................................................................44
4.2.4. Giao diện ......................................................................................................48
4.2.5. Nhận xét và kết luận ....................................................................................57
Chương 5 ...................................................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................................58
5.1. Kết luận. ..........................................................................................................58
5.2. Đề nghị:...........................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59

 

vi


 

 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 

WPAN

Wireless personal area network

WLAN

Wireless local area network

USB

Universal Serial Bus

UWB

Ultra-wideband

PDA

Personal digital assistant

QoS

Quality of service

PDA

Personal Digital Assistant

LR-WPAN

Low-rate wireless personal area network

MAC

Medium access control

PHY

Physical layer

GTS

Guaranteed time slot

LQI

Link quality indication

ED

Energy detection

CCA

Clear channel assessment

FFD

Full-function device

RFD

Reduced-function device

PAN ID

Personal area network identifier

CID

Cluster identifier

CLH

Cluster head

O-QPSK

Offset quadrature phase-shift keying

SHR

Synchronization header

PHR

PHY header

PSDU

PHY service data unit

MPDU

MAC protocol data unit

CFP

Contention-free period

CAP

Contention access period

CSMA-CA

Carrier sense multiple access with collision avoidance

BI

Beacon interval

vii


 

 

 

BO

Beacon order

IFS

Interframe space or spacing

ACK

Acknowledgment

MHR

MAC header

MFR

MAC footer

CBC-MAC

Cipher block chaining message authentication code

viii


 

 

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Những thiết bi thường được sử dụng trong WPAN ....................................3
Hình 2.2: Mô hình giao thức của ZigBee....................................................................7
Hình 2.3: Kênh trên các giải băng tần ZigBee ...........................................................8
Hình 2.4: Định dạng khung PPDU............................................................................10
Hình 2.5: Cấu trúc siêu khung...................................................................................11
Hình 2.6: Lưu đồ giải thuật cơ chế CSMA/CA ........................................................12
Hình 2.7: Truyền dữ liệu đến thiết bị điều phối không hỗ trợ beacon .....................14
Hình 2.8: Truyền dữ liệu đến thiết bị điều phối có hỗ trợ beacon ...........................14
Hình 2.9: Truyền dữ liệu đến thiết bị thành viên có hỗ trợ beacon ..........................15
Hình 2.10: Truyền dữ liệu đến thiết bị thành viên không hỗ trợ beacon ..................16
Hình 2.11: Sơ đồ khung lệnh MAC ..........................................................................16
Hình 2.12: Cấu trúc mạng hình sao...........................................................................20
Hình 2.13: Cấu trúc mạng hình cây ..........................................................................21
Hình 2.14: Cấu trúc mạng mesh................................................................................22
Hình 2.15 : Sơ đồ chân Pic18f26k20 ........................................................................22
Hình 2.16: Sơ đồ chân chip MRF24J40 ....................................................................24
Hình 2.17: Sơ đồ kêt nối MRF và PIC .....................................................................25
Hình 2.18: Short address read ..................................................................................27
Hình 2.19: Short address write ..................................................................................27
Hình 2.20: Long address read ...................................................................................27
Hình 2.21: Long address write ..................................................................................28
Hình 2.22: Sơ đồ khôi mạch PIC18 ..........................................................................28
Hình 2.23: MRF24J40MB ........................................................................................29
Hình 2.24: Sơ đồ chân module MRF24J40MB ........................................................29
Hình 4.1: Vị trí các trạm ...........................................................................................32
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí hệ thống .................................................................................34
Hình 4.3: Mô hình mạng 7 lớp và các lớp được sử dụng trong hệ thống .................35
Hình 4.4: Bố trí đường ống .......................................................................................37

 

ix


 

 

Hình 4.5: Hệ thống cung cấp nước từ bể chứa tới cây ............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 4.6: Khối MCU................................................................................................39
Hình 4.7: Khối ngoại vi và khối nguồn ..................................................................... 42
Hình 4.8: Sơ đồ kết nối RF ...................................................................................... 43
Hình 4.9: Sơ đồ kết nối UART và khối nạp ............................................................ 43
Hình 4.10: Sơ đồ tổng thể hệ thống gói tin trong mạng............................................44
Hình 4.11: Sơ đồ khối node End Device...................................................................45
Hình 4.12: Sơ đồ khối node Router ..........................................................................46
Hình 4.14: Lưu đồ nhận dữ liệu không dây qua MRF24j40 sử dụng ngắt ...............48
Hình 4.15: Sơ đồ truyền nhân dữ liệu trên máy tính .................................................48
Hình 4.16: Giao diện khởi động ................................................................................49
Hình 4.17: Chọn giao diện điều khiển ......................................................................49
Hình 4.18: Cài đặt thông số.......................................................................................50
Hình 4.19: Khởi động Cordinater .............................................................................51
Hình 4.20: kết nối với RFD.......................................................................................52
Hình 4.21: RFD gia nhập mạng thành công..............................................................53
Hình 4.22: Kiểm tra RFD ..........................................................................................54
Hình 4.23: Yêu cầu dữ liệu từ RFD ..........................................................................55
Hình 4.24: Gởi dữ liệu đến RFD ...............................................................................56
Hình 4.25: Nhận dữ liệu từ Cordinater .....................................................................57

 

x


 

 

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh đặc điểm các chuẩn .......................................................................6
Bảng 2.2: Băng tần và tốc độ dữ liệu ..........................................................................8
Bảng 2.3: Kênh truyền và tần số .................................................................................8
Bảng 2.4: Cấu trúc bộ nhớ chip MRF24J40 .............................................................25
Bảng 2.5: Short address control register map for MRF24J40 ..................................26
Bảng 2.6: Long address control register map for MRF24J4 .....................................26
Bảng 2.7: Mô tả các chân chức năng của MRF24J40MB .......................................30
Bảng 4.1: Bảng báo giá thiết bị vật tư....................... Error! Bookmark not defined.

 

xi


 

 

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ
cao giữa các thiết bị với nhau như BlueTooth hay Wifi. Nhưng đối với những mạng
quảng lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị
trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không thể đáp ứng được.
Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều
điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi
kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản, yêu cầu về các thiết bị phần
cứng cao, chi phí lớn.
Vi thế công nghệ zigbee/IEEE 802.15.4 được coi là hướng giải quyết hiệu quả
cho vấn đề liên lạc trong giải băng tần eo hẹp và liệu pháp sử dụng chung kênh tần
số giữa các thiết bị, công nghệ Zigbee/IEEE802.15.4 hoạt động ở băng tần
868MHz, 916MHz và 2.4GHz, được áp dụng cho những hệ thống điều khiển và
cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động lâu dài. Công nghệ này
tỏ ra ưu việt hơn ở mức độ tiêu hao năng lượng thấp, độ trễ truyền tin nhỏ, dễ dàng
mở rộng, giá thành thấp, ít lỗi và thời gian sử dụng pin dài (1 cặp pin AA có thể hoạt
động trong vòng 2 năm).

1.2. Mục đích.
Tìm hiểu công nghệ Zigbee/IEEE802.15.4 cấu trúc và phương thức hoạt động
Zigbee/IEEE802.15.4
Giới thiệu module truyền nhận MRF24J40MB của Microchip, sẽ dùng trong các
ứng dụng trong đồ án.

 

1


 

 

Sử dụng stack ZigBee của Microchip, xây dựng ứng dụng truyền nhận dữ liệu
trong mạng zigbee thông qua UART (dựa trên demo của microchip).
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Về mặt khoa học, khóa luận vận dụng những kiến thức và kỹ thuật trong lĩnh
vực cơ khí, công nghệ thông tin, điện tử, điều khiển tự động nhằm giải quyết công
việc một cách có hiệu quả.
Về mặt thực tiễn đề tài mang lại kiến thức nền cho sự hiểu biết về một chuẩn kết
nối tương đối mới mẽ, chuẩn này có thể là tương lai cho mạng không dây trong linh
vực điều khiển tự động ứng dụng vào mạng điều khiển dành cho nhà thông minh
(SmartHome), quá trình tự động hóa ( Home Automation, Building Automation),
trong các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế
(Health Care), quản lý năng lượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy).

 

2


 

 

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về mạng WPAN
2.1.1. Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network).
WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Bao gồm các công nghệ vô tuyến có
vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa.
Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy
in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ,... với điện thoại di động, máy
tính.
Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi nhiều về cơ sở hạ
tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền nhỏ gọn mà
vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băng tần hẹp.
Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee,
UWB, Wireless USB, EnOcean...

Hình 2.1: Những thiết bi thường được sử dụng trong WPAN
2.1.2. Sự phát triển của mạng WPAN
Tổ chức WPAN ban đầu được thành lập chủ yếu hướng đến việc chuẩn hóa
lớp PHY và lớp MAC trong việc tạo ra chuẩn IEEE 802.15.1, vốn dựa trên công

 

3


 

 

nghệ Bluetooth năm 1999. Năm sau đó, tổ chức này phân nhánh thành hai tổ chức
con, đâu tiên là IEEE 802.15.3 dành cho mạng WPAN tốc độ cao vốn dùng trong
ứng dụng truyền thông đa phương tiện, và sau đó vào tháng 12 năm 2000 là IEEE
802.15.4, tổ chức chuyên về LR-WPAN (low-rate WPAN hay mạng cá nhân “thấp”
) ra đời, cung cấp loại hình kết nối không dây đơn giản giá thấp, tốc độ thấp giữa
các thiết bị. Công nghệ này báo trước một tương lai đầy sáng sủa cho WSN
(Wireless Sensors Network).
Trong suốt thế kỷ 20 mạng điện thoại có dây được sử dụng rộng rãi và là một
nhu cầu tất yếu cho cuộc sống. Tuy nhiên khi xã hội ngày càng phát triển nhu cầu
sử dụng mạng điện thoại tăng cao, do đó chi phí phát sinh của mạng điện thoại có
dây cũng tăng và tiêu tốn nhiều năng lượng. vì vậy việc ra đời của mạng điện thoại
không dây phần nào đã giải quyết vấn đề đó và là phương pháp duy nhất để giải
quyết vấn đề nhiều người sử dụng độc lập trên một dãy tần vô tuyến hạn chế.
WPAN tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng
không gian nhỏ hơn (bán kính 30m). Tính năng của chuẩn WPAN là suy hao năng
lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng và vận hành trong vùng không gian nhỏ. Chính vì
thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó
là giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Nhóm IEEE 802.15 ra
đời để phục vụ cho chuẩn WPAN.
2.1.3. Phân loại chuẩn WPAN
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 lựơng 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 mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp
cho thông tin thoại.

 

4


 

 

WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm
công nghiệp dùng có thời hạn, 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.
2.2. Khái quát về ZigBee/IEEE802.15.4.
2.2.1. Khái quát chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE
ZigBee là một đặc tả cho một bộ các giao thức truyền thông cấp cao sử dụng
tín hiệu radio kỹ thuật số với mức năng lượng nhỏ, được xây dựng dựa trên chuẩn
IEEE 802.15.4-2003 (nay là IEEE 802.15.4-2006) về (LR-WPANs), chẳng hạn như
thiết bị bật/tắt đèn, thiết bị điện, điện tử trong gia đình, thông qua sóng radio tầm
ngắn. Các công nghệ đảm bảo các đặc điểm kỹ thuật ZigBee hướng tới mục tiêu sử
dụng đơn giản và ít tốn kém hơn WPANs khác, như Bluetooth.
2.2.2. Đặc điểm chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE
- Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps.
- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng.
- Thời gian sử dụng pin rất dài.
- Cài đặt, bảo trì dễ dàng.
- Độ tin cậy cao.
- Chi phí đầu tư thấp.
- Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz(toàn cầu), 40 kbps ở dải tần 915
MHz (Mỹ ,Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu). Các thiết bị không
dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và
2.4GHz.
- 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
- 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.

 

5


 

 

2.2.3. So sánh ZigBee và các chuẩn WPAN khác
Chuẩn

802.15.4/ZigBee

802.15.1/Bluetooth 802.11/Wi-Fi

Tầm hoạt động (mét)

1 – 100

1 – 10

1 – 100

Thời gian sống nuôi

100 – 1000

1–7

0.5 – 5.0

7

32

bằng pin (ngày)
Số lượng các nút trong > 64000
mạng
Ứng dụng

Giám sát và điều khiển Web, Email, Video Thay thế dây nối
(Monitoring &

trong giao tiếp máy

Control)

tính – thiết bị ngoại
vi

Kích thước stack (KB) 4 – 32

250

1000

Tốc độ truyền (Kb/s)

720

11000

20 – 250

Bảng 2.1: So sánh đặc điểm các chuẩn
• Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ
truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiểm 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
ácqui 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 Master-Salve 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

 

6


 

 

(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 nút slave trong một mạng chủ tớ cơ bản.
• Nút 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.
2.3. Cấu trúc mạng ZIGBEE
2.3.1. Mô hình giao thức của Zigbee

Hình 2.2: Mô hình giao thức của ZigBee
2.3.2. Tầng vật lý ZigBee/IEEE802.15.4.
Tầng vật lý PHY(Physical) là lớp thấp nhất trong mô hình giao thức, đảm
nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Nó xác định
các giao diện về mặt điện học và cơ học giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền
thông cụ thể như sau:
- Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao,...)
- Chuẩn truyền dẫn (RS-485, IEC 1158-2, truyền cáp quang,...).

 

7


 

 

- Phương pháp mã hóa bit (NRZ, Manchester, FSK,...).
- Chế độ truyền tải.
- Tốc độ truyền dữ liệu.
- Giao diện cơ học ( phích cắm, giắc cắm,...).
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của
Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.

Bảng 2.2: Băng tần và tốc độ dữ liệu
Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng
dưới đây:

Bảng 2.3: Kênh truyền và tần số

Hình 2.3: Kênh trên các giải băng tần ZigBee

 

8


 

 

Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee/IEEE802.15.4 ở 2405MHz có thể đạt tới 250
kb/s. Tại băng tần 868 MHz có thể đạt tới 20kb/s, và có thể đạt tới 40 kb/s ở băng
tần 915MHz.
2.3.3. Các thông số kỹ thuật trong tầng PHY của ZigBee/IEEE802.15.4.
2.3.3.1. Chỉ số ED
Chỉ số ED (energy detection) 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.
2.3.3.2. Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)
Chỉ số chất lượng đường truyền LQI (Link Quality Indicator) 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 hiệu hỏng do nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio), Giá trị kết quả LQI được giao
cho tầng mạng và tầng ứng dụng xử lý.
2.3.3.3. Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)
CCA(Clear Channel Assessment) 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.
 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.

 

9


 

 

 CCA 3 : “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt 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.
2.3.3.4. Định dang khung tin PPDU.
Mỗi khung tin PPDU (PHY protocol data unit) 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

Hình 2.4: Định dạng khung PPDU
2.3.4. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC
- Tầng kiểm soát truy cập môi trường truyền thông MAC (Media Access Control)
cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC có giao diện với điểm
truy cập dịch vụ thực thể quản lý tầng MAC (MLMESAP). Dịch vụ dữ liệu MAC
có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông
qua dịch vụ dữ liệu PHY.
- Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định
dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe
thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung ACK.
2.3.4.1. Cấu trúc siêu khung (SuperFrame Structure)
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

 

10


 

 

beacon. Mốc này có nhiệm vụ đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và
chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu khung.

Hình 2.5: Cấu trúc siêu khung
2.3.4.2. Cơ chế CSMA/CA
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance). Phương pháp
tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng. Thực chất đây là phương pháp
truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4. Các thiết bị trong
mạng (các nốt mạng) sẽ liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền. Đa
truy cập (multiple access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài
nguyên của một mạng (ở đây là mạng không dây). Tất cả các thiết bị đều có quyền
truy cập như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả khi thiết bị tìm cách nhận biết
mạng đang sử dụng hay không, vẫn có khả năng là có hai trạm tìm cách truy cập
mạng đồng thời. Trên các mạng lớn, thời gian truyền từ đầu cáp này đến đầu kia là
đủ để một trạm có thể truy cập đến cáp đó ngay cả khi có một trạm khác vừa truy
cập đến. Nó tránh xung đột bằng cách mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền
trước rồi mới truyền thật sự.

 

11


 

 

Hình 2.6: Lưu đồ giải thuật cơ chế CSMA/CA
Bước 1 - Khởi tạo NB, CW và BE. Số backoffs và cửa sổ tranh chấp được khởi
tạo (NB = 0 và CW = 2). Số mũ backoff cũng khởi tạo BE = 2 hoặc BE = min
(2,macMinBE) tùy thuộc vào giá trị của thuộc tính mở rộng thời gian dùng pin
MAC. macMinBE là một hằng số quy định trong tiêu chuẩn, mà là theo mặc định
bằng 3. Sau khi khởi tạo các, thuật toán xác định được ranh giới của thời gian
backoff kế tiếp.
Bước 2 – Chờ một thời gian trễ ngẫu nhiên cho việc tránh va chạm. các thuật
toán bắt đầu đếm ngược một số ngẫu nhiên thống nhất là [0, 2BE-1]. Để vô hiệu
hóa các thủ tục tránh va chạm tại phiên đầu tiên, BE phải được thiết lập là 0, và do
đó sự chậm trễ chờ đợi là vô giá trị và thuật toán đi trực tiếp sang Bước 3.

 

12


 

 

Bước 3 – Đánh giá kênh truyền CCA(Clear Channel Assessment). Sau khi hết
thời gian chờ hệ thống thực hiện việc đánh giá xem kênh truyền bận hay rỗi. Nếu
kênh bận thuật toán đi đến bước 4, nếu rỗi thuật toán đi đến bước 5.
Bước 4 - Kênh bận. Nếu kênh truyền được đánh giá là bận, CW là khởi tạo lại 2,
NB và BE được tăng lên. BE không được vượt quá aMaxBE (mặc định là 5). Tăng
dần BE làm tăng xác suất cho việc chậm trễ backoff lớn hơn. Nếu số lượng tối đa
của backoffs (NB = macMaxCSMABackoffs = 5) là đạt được, thuật toán các báo
cáo một sự thất bại cho các lớp cao hơn, nếu không, nó sẽ trở lại (Bước 2) và các
hoạt động backoff được khởi động lại.
Bước 5 - Kênh rỗi: Nếu kênh truyền được đánh giá là rỗi, CW bị giảm đi. Các
CCA được lặp lại nếu CW `0 (Bước 3). Điều này đảm bảo thực hiện hai hoạt động
CCA để tránh khả năng xung đột của khung nhận. Nếu kênh là một lần nữa cảm
nhận như là nhàn rỗi (CW = 0), thông báo truy nhập thanh công. Còn trong CSMACA không hỗ trợ phát Beacon tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi
2.3.4.3 Các mô hình truyền dữ liệu.
Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hình
truyền dữ liệu: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, từ
thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, và giữa các thiết bị
cùng loại. Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu
mạng đó có hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không.
Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu trong một mạng không hỗ trợ việc phát
beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng
cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian. Thiết bị điều phối Coordinator trả
lời bằng khung Ack như hình

 

13


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×