Ứng dụng công nghệ zigbee cho hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà

60 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE .... Tiêu biểu như một số hãng: hãng Lutron Electronis của Mỹ, đã đưa ra thị trường nhiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trong chương trình học cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa Được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình của các Thầy/Cô và đặc biệt là sự chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ của Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quốc Cường Đến nay, tôi đã hoàn thành chương trình học, luận văn đúng hạn và đã đạt được những kết quả đã đề ra

Tôi xin cam đoan, toàn bộ những nội dung nghiên cứu trong luận văn mà tôi

đã thực hiện là trung thực và không sao chép của ai

Hà nội, ngày tháng năm 2016

Người cam đoan

Cuối cùng, cho em được gửi lời cảm ơn đến toàn thể gia đình, đồng nghiệp

và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em hoàn thành luận văn

và chương trình học

Học viên

Lê Mạnh Hữu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 4

1.1 Tổng quan về chiếu sáng trong nhà 4

1.1.1 Giới thiệu chung.[1] 4

1.1.2 Lợi ích của hệ thống điều khiển chiếu sáng 4

1.2 Tổng quan về các hệ thống điều khiển không dây 5

1.2.1 Tổng quan chung 5

1.2.2 Giới thiệu công nghệ Z Wave 11

1.2.3 Giới thiệu công nghệ Zigbee 13

1.3 Tổng quan về các hệ thống điều khiển có dây 14

1.3.1 Tổng quan chung 14

1.3.2 Giới thiệu công nghệ EIB.[3] 16

1.3.3 Giới thiệu công nghệ DALI 21

1.4 Đánh giá các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà.[5] 24

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE VÀ ZIGBEE LIGHT LINK 27

2.1 Công nghệ Zigbee.[2] 27

2.1.1 Sơ lược chung về công nghệ ZigBee 27

2.1.2 Cấu trúc của giao thức ZigBee 29

2.1.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee 31

2.1.4 Cấu trúc mạng Zigbee 31

2.1.5 PAN ID 33

2.1.6 Định địa chỉ 34

2.1.7 Truyền dẫn dữ liệu 35

2.1.8 Quá trình hoạt động của những thiết bị trong mạng Zigbee 37

2.2 Chuẩn Zigbee Light Link (ZLL) 41

2.2.1 Sơ lược chung về ZLL.[4] 41

2.2.2 Những bước phát triển hệ thống ZLL 47

2.2.3 Khởi tạo mạng, gia nhập và rời mạng.[8] 47

2.2.4 Đọc và ghi thuộc tính 53

2.2.5 Mã hóa ứng dụng ZLL.[4] 58

2.2.6 Mô tả những thiết bị trong chuẩn ZLL [4], [8] 60

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 69

3.1 Mô hình hệ thống.[5] 69

3.1.1 Yêu cầu của mô hình hệ thống 69

3.1.2 Giới thiệu mô hình hệ thống 69

3.2 Phân tích thiết kế mô hình hệ thống.[7] 70

3.3 Thiết kế mô hình hệ thống.[10], [11] 71

3.3.1 Thiết kế phần cứng 71

3.3.2 Thiết kế phần mềm 88

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 91

4.1 Kiểm nghiệm mô hình hệ thống 91

4.1.1 Thử nghiệm khoảng cách truyền và độ tin cậy của mô hình hệ thống 91

4.1.2 Thử nghiệm khả năng định tuyến của mạng 94

4.1.3 Thử nghiệm hoạt động của mô hình hệ thống với cảm biến 95

4.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm mô hình hệ thống 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

LR-WPAN Low Rate - Wireless Personal Area Network

MAC Media Access Control layer

PHY Physical layer

RF Radio frequency

WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

ZDO ZigBee Device Object

APS Application Support Sublayer

PAN Personal Area Network

API Application Programming Interface

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

OUI Organizationally Unique Identifier

OSI Open Systems Interconnection

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance RSSI Received Signal Strength Indicator

AODV Ad- hoc On – demand Distance Vector

BLE Bluetooth Low Energy

ZLL Zigbee Light Link

EIB Ẻuopean Installation Bus

ZCL Zigbee Cluster Library

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu của chuẩn Zigbee 28

Bảng 2.2 Các kênh truyền và tần số của Zigbee 28

Bảng 2.3 Bảng so sánh chuẩn Zigbee với chuẩn Bluetooth 29

Bảng 2.4 Những nhóm đƣợc sử dụng bởi ZLL 61

Bảng 2.5 Thiết bị chiếu sáng ZLL 61

Bảng 2.6 Nhóm thiết bị bật/tắt trong ZLL 62

Bảng 2.7 Nhóm thiết bị On/off Plug in unit 62

Bảng 2.8 Nhóm thiết bị điều chỉnh độ sáng 63

Bảng 2.9 Nhóm thiết bị Dimmable Pluh-in unit 63

Bảng 2.10 Nhóm thiết bị đèn màu 64

Bảng 2.11 Nhóm thiết bị Extended Colour Light 64

Bảng 2.12 Nhóm thiết bị Colour Temperature Light 65

Bảng 2.13 Nhóm thiết bị điều khiển 65

Bảng 2.14 Nhóm thiết bị điều khiển màu 66

Bảng 2.15 Nhóm thiết bị điều khiển màu theo quang cảnh 66

Bảng 2.16 Nhóm thiết bị điều khiển màu đơn sắc 67

Bảng 2.17 Nhóm thiết bị điều khiển màu đơn sắc theo quang cảnh 67

Bảng 2.18 Nhóm thiết bị điều khiển cầu nối 68

Bảng 2.19 Nhóm thiết bị cảm biến bật/tắt 68

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kiến trúc mạng đơn bước 8

Hình 1.2 Kiến trúc mạng đa bước 8

Hình 1.3 Kiến trúc mạng hỗn hợp 9

Hình 1.4 Hệ thống Z Wave 12

Hình 1.5 Phương thức hoạt động cơ bản của EIB 16

Hình 1.6 Cấu trúc mạng cây của EIB 18

Hình 1.7 Cấu trúc mạng line của EIB 19

Hình 1.8 Cấu trúc mạng vùng của EIB 19

Hình 1.9 Cấu trúc mạng nhiều vùng của EIB 20

Hình 1.10 Quá trình truyền tin của EIB 21

Hình 1.11 Cấu trúc bức điện của EIB 21

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của hệ thống theo công nghệ DALI 22

Hình 1.13 Điện áp định mức của DALI 23

Hình 2.1 Băng tần của chuẩn Zigbee 27

Hình 2.2 Cấu trúc giao thức 30

Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình sao 32

Hình 2.4 Cấu trúc mạng hình lưới 32

Hình 2.5 Cấu trúc mạng hình cây 33

Hình 2.6 Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá 36

Hình 2.7 Sơ đồ truyền unicast 37

Hình 2.8 Hệ thống ZLL 44

Hình 2.9 Ngăn xếp phần mềm ZLL 45

Hình 2.10 Quá trình khởi tạo mạng mới 49

Hình 2.11 Quá trình Router tham gia mạng 51

Hình 2.12 Quá trình End Device tham gia mạng 52

Hình 2.13 Quá trình một thiết bị rời khỏi mạng 53

Hình 2.14 Quá trình yêu cầu và trả lại đáp ứng về việc đọc thuộc tính 55

Hình 2.15 Quá trình yêu cầu và trả lại đáp ứng ghi thuộc tính 58

Hình 2.16 Đọc giá trị thuộc tính từ Structure Device 58

Hình 2.17 Ghi giá trị thuộc tính đến Struture Device 59

Hình 3.1 Minh họa mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng 70

Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng thể của nút trong mô hình hệ thống 72

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý nút End Device 73

Hình 3.4 Hình ảnh phần cứng nút End Device 74

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý nút Router 74

Hình 3.6 Hình ảnh phần cứng nút Router 75

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý nút Coodinator 75

Hình 3.8 Hình ảnh phần cứng nút Coordinator 76

Hình 3.9 Module Xbee series 2 77

Hình 3.10 Truyền thông RF của Xbee 78

Hình 3.11 Khung truyền UART 79

Hình 3.12 Cấu trúc khung truyền API chế độ 1 79

Hình 3.13 Khung API ở chế độ 2 80

Hình 3.14 Cấu trúc cụ thể khung API 81

Hình 3.15 API truyền 64 bit địa chỉ 81

Hình 3.16 API truyền 16 bit địa chỉ 82

Hình 3.17 Khung trạng thái truyền 82

Hình 3.18 Khung nhận 64 bit địa chỉ 82

Hình 3.19 Khung nhận 16 bit địa chỉ 83

Hình 3.20 Arduino Nano 83

Hình 3.21 Cảm biến chuyển động PIR 86

Hình 3.22 Cự lý hoạt động của cảm biến chuyển động PIR 87

Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán nút End Device 88

Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán nút Router 89

Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán nút Coordinator 90

Hình 4.1 Mô hình thử nghiệm truyền tín hiệu từ Coordinator đến End Device 91

Hình 4.2 Mô hình thử nghiệm khả năng định tuyến của mạng 95

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Chiếu sáng trong nhà hiểu một cách truyền thống là để đảm bảo cuộc sống, làm việc và sinh hoạt của con người Nhưng trong giai đoạn hiện nay và trong tương lai, việc chiếu sáng không còn chỉ đơn giản như vậy nữa, mà bài toán của chiếu sáng còn giải quyết về vấn đề năng lượng, sự tiện nghi và thông minh của hệ thống chiếu sáng Để giải quyết vấn đề đó, nhiều hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà đã được nghiên cứu và phát triển Nắm bắt được xu hướng đó, trên thế giới nhiều hãng công nghệ đã nghiên cứu và đưa ra những hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh Trước đó những hệ thống chiếu sáng có dây thông minh được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, trong những năm trở lại đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ làm cho công nghệ truyền thông không dây cũng

đã được phát triển Vì vậy, những hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây đang được tập trung phát triển Trên thế giới đã có nhiều hãng công nghệ phát triển hệ thống chiếu sáng không dây và tích hợp vào trong những ngôi nhà thông minh Tiêu biểu như một số hãng: hãng Lutron Electronis của Mỹ, đã đưa ra thị trường nhiều thiết bị và hệ thống điều khiển chiếu sáng ứng dụng công nghệ Zigbee Các hãng khác như: Philips, Osram… cũng đã đưa ra thị trường hệ thống điều khiển chiếu sáng ứng dụng công nghệ không dây

Ở Việt Nam, công nghệ truyền thông không dây đã được nghiên cứu và sử dụng trong hệ thống chiếu sáng của nhà thông minh Một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như: Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Bách Khoa Tp.HCM đang tích cực nghiên cứu về công nghệ truyền thông không dây, cũng như nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống chiếu sáng nhà thông minh

Chính vì vậy, tập trung nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền thông không dây trong hệ thống điều khiển chiếu sáng là một xu hướng

Mục đích của đề tài

Tập trung nghiên cứu công nghệ truyền thông không dây Zigbee, chuẩn Zigbee Light Link trong điều khiển chiếu sáng Từ cơ sở đó, phân tích, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà ứng dụng công nghệ Zigbee Dựa vào kết quả hoạt động của mô hình đó, đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Zigbee trong hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà

Bố cục của luận văn

Những nội dung chính của luận văn được trình bày trong 4 chương:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

Giới thiệu tông quan về chiếu sáng trong nhà, hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà và những lợi ích của nó

Giới thiệu tổng quát và phân tích về những công nghệ truyền thông có dây, không dây ứng dụng trong hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà Có những so sánh tương đối về những chuẩn đó và kết luận về hướng phát triển

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE VÀ ZIGBEE LIGHT LINK

Nghiên cứu, phân tích về những đặc điểm và tính năng kỹ thuật của công nghệ Zigbee và Zigbee Light Link

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE

Phân tích những đặc điểm, yêu cầu của mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà ứng dụng công nghệ Zigbee Từ đó làm cơ sở để phân tích thiết kế, chọn ra phương án thiết kế phù hợp Cuối cùng tiến hành chế tạo mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà ứng dụng công nghệ Zigbee

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Đưa ra một số kịch bản thử nghiệm hoạt động của mô hình hệ thống Trên cơ

sở kết quả nhận được, kiểm nghiệm, đánh giá sự hoạt động của mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng ứng dụng công nghệ Zigbee

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Tìm hiểu, tổng hợp những tài liệu kỹ thuật liên quan đến nội dung của đề tài Tập trung nghiên cứu, phân tích, đánh giá

để giải quyết những vấn đề mà đề tài đặt ra

- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống Từ kết quả thực nghiệm, kết hợp với kết quả của phương pháp nghiên cứu lý luận đưa ra những đánh giá tổng quan về nội dung của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 1.1 Tổng quan về chiếu sáng trong nhà

1.1.1 Giới thiệu chung.[1]

Chiếu sáng trong nhà (Indoor Lighting) được hiểu là chiếu sáng nhà ở, các công trình dân dụng (gồm cả siêu thị, bệnh viên, trường học khách sạn, văn phòng…) Chiếu sáng các nhà công nghiệp: nhà sản xuất, nhà kho Chiếu sáng phần trong nhà của nhà ga sân bay… Theo chức năng, chiếu sáng trong nhà được chia ra các loại: chiếu sáng làm việc, chiếu sáng sự cố, chiếu sáng phân tán người, chiếu sáng bảo vệ, chiếu sáng mỹ thuật Trong đó chiếu sáng làm việc còn được chia ra các loại: chiếu sáng chung, chiếu sáng tại chỗ Chiếu sáng chung có thể là chiếu sáng chung đều hoặc chiếu sáng chung khu vực Chiếu sáng trong nhà được thực hiện với các bộ đèn với rất nhiều loại Đèn lắp trong các bộ đèn gồm các loại thông dụng theo công nghệ hiện nay: đèn sợi đốt và halogen, đèn huỳnh quang thông dụng

và huỳnh quang compact và đèn LED

Với dân số nước ta hiện nay hơn 90 triệu người, cùng với sự phát triển của

cơ sở hạ tầng xã hội, bên cạnh đó kinh tế xã hội ngày càng phát triển nhanh, nhu cầu của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng Do đó, hệ thống chiếu sáng trong nhà không chỉ đơn thuần là chiếu sáng mà nó còn kèm theo những tính năng về tiết kiệm năng lượng, sự thông minh, tiện nghi thoải mái cho con người Để

có thêm những tính năng đó thì các hệ thống chiếu sáng truyền thống chưa đáp ứng được Vì vậy, trong các hệ thống chiếu sáng hiện nay, hệ thống điều khiển chiếu sáng đóng vai trò quan trong và cần được tập trung nghiên cứu phát triển hơn nữa

1.1.2 Lợi ích của hệ thống điều khiển chiếu sáng

Tiết kiệm năng lượng: đây có lẽ là lợi ích chính yếu và căn bản nhất Trong

một tòa nhà, triển khai hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho việc thắp sáng lên đến 30%, giúp giảm năng lượng của toàn bộ tòa nhà

Sự tiện nghi: điều khiển chiếu sáng là một hệ thống công nghệ cao, một hệ

thống điều khiển tự động, do đó nó đem lại sự tiện nghi nhiều hơn cho con người Việc chiếu sáng được tự động, được giám sát, được lập trình sao cho đem đến sự thoải mái cho con người

Cung cấp thông tin: từ các bộ điều khiển kỹ thuật số, thông tin về trạng

thái, thông số vận hành, quá trình hoạt động, điện năng tiêu thụ v.v liên tục được hiển thị, lưu giữ và truyền tải về các khu vực quản lý trung tâm của tòa nhà Các thông tin từ đó được phân tích, giám sát và cải tiến hiệu quả của việc chiếu sáng

Gia tăng hiệu năng làm việc: đây cũng là một lợi ích thú vị của hệ thống

điều khiển chiếu sáng Các nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa chiếu sáng sẽ giúp cho con người trong không gian sống làm việc hiệu quả hơn Học sinh có thể gia tăng 26% của việc tiếp thu bài, hay là công nhân gia tăng gần 40% năng suất khi việc chiếu sáng kết hợp với ánh sáng ban ngày được triển khai hợp lý

An ninh, an toàn: với hệ thống điều khiển chiếu sáng, các đèn thoát hiểm

hay các khu vực bãi xe, hành lang, lối đi sẽ được giám sát và vận hành có chương trình, từ đó tăng cường khả năng an ninh cho khu vực người sinh sống

1.2 Tổng quan về các hệ thống điều khiển không dây

1.2.1 Tổng quan chung

Công nghệ không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau,

có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây Hiểu một cách đơn giản công nghệ không dây là công nghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay không cần sử dụng dây dẫn

1.2.1.1 Đặc điểm cấu trúc mạng không dây

Đặc điểm của mạng không dây là bao gồm một số lượng lớn các nút truyền thông, các nút truyền thông có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống:

Chi phí sản xuất: Vì các mạng không dây bao gồm một số lượng lớn các

nút truyền thông nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai nút truyền thông theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng: Vì trong mạng có một số lượng lớn các

nút truyền thông nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Dễ triển khai: Là một ưu điểm quan trọng của mạng không dây Người sử

dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với mạng không dây Bởi để triển khai hệ thống thành công, mạng không dây cần phải

tự cấu hình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn Lúc này, mạng cần

có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này

Cấu hình mạng không dây: Trong mạng không dây, hàng trăm đến hàng

nghìn nút truyền thông được triển khai Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1feet = 30.48 cm) Mật độ các nút lên tới 20 nút/m2 Do số lượng các nút truyền thông rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định

Sự tiêu thụ năng lượng: Các nút truyền thông không dây, có thể coi là một

thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút truyền thông có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

Bảo mật: Các hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng

cách lấy thông tin về nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty Do đó, mạng không dây cần có khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập được Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan trọng Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

1.2.1.2 Các kiểu kiến trúc mạng không dây

Mạng không dây bao gồm các nút truyền thông, kết nối với nhau bằng sóng

vô tuyến Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng nhất định Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong mạng, có thể nhận thấy các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai vai trò:

+ Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn –sources)

+ Thiết bị nhận thông tin (thiết bị đích –sink)

Các nút truyền thông trong mạng không dây có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Sources hoặc thiết bị Sink tùy vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết

bị sink còn có thể là những thiết bị không tham gia trong mạng mà chỉ có chức năng liên kết mạng này với mạng khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về phòng trung tâm

Có hai loại kiến trúc mạng không dây cơ bản: kiến trúc mạng đơn bước single-hop và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop) Một mạng có thể sử dụng một trong hai kiểu cấu trúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai

Kiến trúc đơn bước (Single- hop):

Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết mà trong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút truyền thông, một nút đóng vai trò thiết

bị nguồn, nút còn lại đóng vai trò thiết bị đích Thiết bị đích và thiết bị nguồn luôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau

Hình 1.1 Kiến trúc mạng đơn bước

Kiến trúc mạng đa bước (Multi- hop):

Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút truyền thông, một nút đóng vai trò thiết

bị nguồn, một nút đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một hay nhiều nút khác hoạt động với cai trò như một tram trung gian, chuyển tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác

Kiến trúc mạng hỗn hợp:

Tổ hợp cả hai kiểu kiên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến cho kiến trúc mạng không dây linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp Khi đó ta có kiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source)

vô tuyến, tần số truyền/nhận sóng vô tuyến, tần số truyền nhận, độ tin cậy, độ an toàn và chính xác của dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố nói trên

Ngoài ra, một vấn đề cần lưu ý là tần số sóng mang, giá trị tần sô sóng mang phụ thuộc vào công nghệ không dây được sử dụng trong lớp vật lý Tần số sóng

mang có ảnh hưởng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và khả năng xuyên qua các chướng ngại vật như tường, gỗ …

Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý có ảnh hưởng trực tiếp về năng lượng sử dụng và giá thành của một nút truyền thông trong mạng không dây cũng như độ tin cậy, độ bền vững thông tin của quá trình truyền và nhận

dữ liệu

Lớp MAC

Giao thức truy cập đường truyền – Medium Access Control (MAC) là giao thức nằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vì vậy giao thức MAC có ảnh hưởng rất lớn và rất quan trọng bởi những đặc tính của nó Nhiệm vụ của giao thức MAC là điều chỉnh việc truy cập vào đường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho các nút có thể truy cập đường dùng chung một cách hợp lý và đúng lúc đường truyền rảnh rỗi nhất để thực hiện việc truyền thành công

Trong mô hình tham chiếu OSI, giao thức MAC được biết đến như là một phần nằm ở lớp liên kết dữ liệu – Data link layer (DLL) Tuy nhiên, có sự phân chia công việc một cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL Giao thức MAC xác định cho một nút trong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường truyền chung rảnh rỗi) mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể truy cập đường truyền để thực hiện việc nhận dữ liệu, điều khiển hoặc quản lý các gói dữ liệu tới một nút khác trong mạng hay thậm chí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút trên mạng (broadcast, multicast) Hai nhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi và điều khiển luồng thông tin Điều khiển lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúng đắn của quá trình truyền thông tin, và đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin hay hủy bản tin Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của việc truyền dữ liệu để tránh trường hợp việc nhận dữ liệu ở thiết bị nhận chậm hơn, có thể khiến thông tin bị ghi đè mất

Có rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chúng ta đã biết như CDMA, CSMA, TDMA…, phần này chỉ tập trung vào giao thức truy nhập đường truyền MAC trong mạng không dây Giao thức MAC trong mạng không dây ngoài các nhiệm vụ và đặc tính nói chung, còn có thêm một số yêu cầu dành riêng cho ứng dụng trong mạng không dây Yêu cầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiển truy nhập đường truyền với mục tiêu tiêu thụ ít năng lượng nhất Việc thực hiện yêu cầu này khiến cho giao thức MAC trong mạng không dây trở nên tương đối mới so với các giao thức MAC kinh điển đã biết như CSMA, các giao thức nói trên không bao gồm điều khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm năng lượng Một yêu cầu nữa cho giao thức MAC đó là tính kinh tế và tính bền vững khi kiến trúc mạng thay đổi thường xuyên (sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay bớt đi nút truyền thông trong mạng, do nút chuyển trạng thái hoạt động, bị chết hoặc bị hết pin) Với các yêu cầu riêng biệt dành cho mạng không dây, hầu hết các giao thức MAC trong mạng không dây đều có thêm khả năng giải quyết các vấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe trộm (overhearing), protocol overhead, nghe trong khi ngủ (idle listening)

1.2.2 Giới thiệu công nghệ Z Wave

1.2.2.1 Sơ lược chung

Z-Wave là một giao thức truyền thông không dây sử dụng chủ yếu cho tự động hóa tòa nhà Nó được định hướng cho mảng thị trường điều khiển và tự động hóa tòa nhà và được thiết kế để cung cấp một phương pháp truyền tin đơn giản và đáng tin cậy trong điều khiển không dây để điều khiển chiếu sáng, HVAC, hệ thống

an ninh Giống như các giao thức khác, hệ thống Z-Wave có thể được điều khiển thông qua Internet, với một Z-Wave Gateway hoặc thiết bị điều khiển trung tâm Z-Wave được phát triển bởi Danish startup Zen-Sys và sau đó được mua lại bởi Sigma Designs trong năm 2008 Hiện có hơn 1.500 sản phẩm Z-Wave tương thích trên thị trường với các thương hiệu khác nhau và hơn 35 triệu sản phẩm đã được bán kể từ năm 2005

Hình 1.4 Hệ thống Z Wave

1.2.2.2 Đặc tính kỹ thuật

Z-Wave được thiết kế để cung cấp phương thức truyền tin tin cậy, độ trễ thấp của các gói dữ liệu nhỏ ở tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100kbit/s Băng thông là 40kbit/s (9.6 kbit/s sử dụng chip cũ) và phù hợp cho các ứng dụng điều khiển và cảm biến, không giống như Wi-Fi và hệ thống mạng LAN không dây khác dựa trên IEEE 802.11 được thiết kế chủ yếu cho tốc độ dữ liệu cao Khoảng cách truyền thông giữa hai nút là khoảng 30 mét

Z-Wave hoạt động ở tần số 868,42 MHz ở châu Âu và 908,42 MHz tại Hoa

Kỳ, Canada nhưng hoạt động ở các tần số khác tại các nước khác nhau tùy thuộc vào quy định của từng nước Với tần số này sẽ tránh nhiễu với Wi-Fi, Bluetooth và

hệ thống khác hoạt động trên dải tần số 2,4 GHz Các lớp thấp hơn, MAC và PHY, được mô tả bởi ITU-T G.9959 và hoàn toàn tương thích ngược Các chip thu phát Z-Wave được cung cấp bởi Sigma Designs và Mitsumi công suất đầu ra là 1 mW hoặc 0 dBm

1.2.2.3 Cấu trúc mạng và định tuyến

định tuyến đường truyền Một tin nhắn từ nút A đến nút C có thể được chuyển thành công ngay cả khi hai nút không nằm trong phạm vi truyền nhân, với một nút B thứ

ba có thể giao tiếp với các nút A và C Nếu đường truyền đã được định tuyến mà không đảm bảo, thiết bị khởi tạo tin nhắn sẽ định tuyến đường truyền khác cho đến khi tìm thấy nút C Do đó, một mạng Z-Wave có thể mở rộng xa hơn nhiều so với phạm vi truyền phát của một thiết bị đơn lẻ Tuy nhiên, với với việc làm như vậy sẽ gây ra trễ trong việc truyền nhận tin

Một mạng đơn giản gồm có thiết bị điều khiển và bộ điều khiển chính Thiết

bị có thể được thêm vào mạng bất cứ lúc nào, nó có thể là bộ điều khiển thứ 2, bộ điều khiển cầm tay truyền thống, công tắc điều khiển và ứng dụng máy tính được thiết kế để quản lý và điều khiển một mạng Z-Wave Một mạng Z-Wave có thể gồm tối đa 232 thiết bị

Mỗi mạng Z-Wave được xác định bởi một ID mạng, và mỗi thiết bị được xác định thêm bởi một ID nút ID mạng là việc xác định chung của tất cả các nút thuộc một mạng Z-Wave ID Mạng có chiều dài 4 byte (32 bit) và được gán cho mỗi thiết

bị, bởi bộ điều khiển chính, khi thiết bị được đưa vào mạng Các nút với ID mạng khác nhau không thể giao tiếp với nhau ID nút là địa chỉ của một nút duy nhất trong mạng ID nút có chiều dài 1 byte (8 bit) và phải là duy nhất trong mạng của mình

1.2.3 Giới thiệu công nghệ Zigbee

Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee thực chất là tín hiệu radio Zigbee được hỗ trợ trong các dải tần số sau:

- Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s

- Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s

- Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền

250 kb/s

Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee ở dải tần 2,4 Ghz

- 2,835 Ghz Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị Hơn nữa với Zigbee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s

Những đặc điểm chính của công nghệ 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

1.3 Tổng quan về các hệ thống điều khiển có dây

1.3.1 Tổng quan chung

Các hệ thống điều khiển có dây hiện nay sử dụng Bus trường để thay thế cách nối điểm - điểm cổ điển giữa các thiết bị với nhau và bản chất chính là mạng truyền thông Mạng truyền thông là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền thông nối tiếp được sử dụng để ghép nối các thiết bị với nhau thông qua dây dẫn (Bus) Các hệ thống mạng truyền thông cho phép liên kết nhiều thiết bị như: bộ điều khiển, thiết bị chấp hành, cảm biến…

Các mạng truyền thông ngày nay với việc sử dụng Bus để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển đã đem lại những lợi ích:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị

- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống

- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác thông tin

- Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống

- Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

Chế độ truyền tải: được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển

giữa các đối tác truyền thông Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải như sau:

- Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp

- Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ

- Truyền một chiều hay hai chiều

- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang hay truyền tải dải rộng

Cấu trúc mạng: liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động

giữa các thành phần trong một hệ thống mạng Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ thuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là:

- Thiết bị liên kết

1.3.2 Giới thiệu công nghệ EIB.[3]

EIB (European Installation Bus) được hiểu như một hệ thống điều khiển lắp đặt kiểu châu âu Giải pháp của EIB cho phép kiểm soát toàn bộ các thiết bị trong

hệ thống chiếu sáng Trong hệ thống chiếu sáng, các thiết bị chấp hành, các bộ cảm biến, các module điều khiển được kết nối với nhau bởi một cáp điều khiển thành một hệ thống hợp nhất Hệ thống này không cần máy chủ do các thiết bị tự trao đổi thông tin và điều khiển lẫn nhau nhờ phần mềm được cài đặt trên EP-ROM tích hợp sẵn trong từng thiết bị Các thiết bị EIB được liên kết với nhau thông qua một cáp đôi duy nhất với điện áp 24 VDC (cáp EIB) và liên lạc với nhau bằng cách gửi tin theo địa chỉ định trước (mội thiết bị được thiết lập một địa chỉ) Các thiết bị nhận tín hiệu (công tắc, điều khiển từ xa…) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến các

cơ cấu chấp hành (Switch loader, Dimmer… ) để đóng tắt đèn theo ý muốn

1.3.2.1 Phương thức hoạt động

Phương thức hoạt động cơ bản:

Hình 1.5 Phương thức hoạt động cơ bản của EIB

Lắp đặt 1 hệ thống EIB tối thiểu phải có những thiết bị sau:

- Một bộ cấp nguồn (24V DC)

- Cảm biến (một cảm biến công tắc đơn được giới thiệu ở sơ đồ trên)

- Cơ cấu chấp hành (một cơ cấu chấp hành công tắc đơn)

- Cáp Bus (yêu cầu lõi cáp đôi)

Sau khi lắp đặt, hệ thống EIB không sẵn sàng hoạt động cho đến khi các cảm biến và cơ cấu chấp hành được tải về bằng phần mềm ứng dụng với sự trợ giúp của chương trình ETS Tuy nhiên, kỹ sư dự án phải thực hiện các bước cấu hình sau sử dụng ETS:

 Sự phân bố các địa chỉ vật lý đối với việc nhận dạng của cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành trong một hệ thống EIB

 Lựa chọn và cài đặt (tham số) của phần mềm ứng dụng thích hợp cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành

 Sự phân bố các địa chỉ nhóm (để liên kết các chức năng của các cảm biến và cơ cấu chấp hành) Nó có chức năng như sau:

- Nếu bộ phận cân bằng phía trên của cảm biến công tắc đơn (1.1.1) được bấm, nó sẽ gửi một bức điện EIB trong đó có chứa địa chỉ nhóm (5/2/66) và giá trị ("1") cũng như nhiều dữ liệu khác nhau

- Bức điện này được nhận và được phân tích bởi tất cả các cảm biến và cơ cấu chấp hành đã được kết nối

- Chỉ các thiết bị có cùng địa chỉ nhóm mới có thể:

 Gửi một bức điện báo

 Đọc giá trị và xử lý đúng VD: cơ cấu chấp hành công tắc (1.1.2) sẽ đóng rơ le ngắt điện áp ra

Nếu bộ phận cân bằng phía dưới được bấm, quá trình tương tự sẽ diễn ra trừ khi ta đặt giá trị đến "0" và do vậy rơ le ngắt điện áp ra của cơ cấu chấp hành sẽ được mở

Địa chỉ vật lý:

Một địa chỉ vật lý phải là duy nhất trong phạm vi lắp đặt EIB Địa chỉ vật lý

có cấu hình sử dụng chương trình ETS Nó có chỉnh sửa như sau: vùng [4 bit] - line [4 bit] - thiết bị bus [1 byte] Thiết bị bus đã sẵn sàng nhận điạ chỉ vật lý bằng cách

bấm nút lập trình trên thiết bị bus LED lập trình đƣợc thắp sáng trong suốt quá trình này Sau khi đƣa vào hoạt động, địa chỉ vật lý cũng đƣợc sử dụng cho những mục đích sau:

+ Chẩn đoán, sửa lỗi, mô tả việc lắp đặt bằng cách lập trình lại

+ Đặt địa chỉ các vật thể giao diện EIB sử dụng các công cụ đƣa vào hoạt động hoặc các thiết bị khác

Hình 1.7 Cấu trúc mạng line của EIB

Cấu trúc vùng:

Nếu có hơn 1 line được sử dụng hoặc nếu có một cấu trúc khác được lựa chọn thì có đến 15 lines có thể được kết nối đến một line chính (đường trục chính) thông qua một bộ nối line (LC) Lúc này, ta có vùng tín hiệu Một line chính có thể gắn được tối đa 64 thiết bị bus Tuy nhiên, số thiết bị bus tối đa có thể giảm xuống tuỳ theo số bộ nối line đang sử dụng Mỗi Line (đường), bao gồm cả line chính (đường trục chính), bắt buộc phải có bộ cấp nguồn riêng Bộ lặp tín hiệu có thể không dùng được trong line chính (main line) hoặc line trung tâm (backbone line)

Hình 1.8 Cấu trúc mạng vùng của EIB

Cấu trúc nhiều vùng:

Việc lắp đặt bus có thể phát triển rộng bằng cách xây dựng một line trung tâm (backbone line)-BC Kết nối các hộp nối trung tâm (BC) theo từng vùng đến

backbone line Ngoài ra có thể có thiết bị bus trên backbone line Số thiết bị bus tối

đa trên backbone line có thể giảm bớt cho phù hợp với số hộp nối trung tâm (BC) đang sử dụng Có tối đa là 15 vùng chức năng và hơn 14000 thiết bị bus có thể kết nối đến hệ thống bus Lắp đặt EIB bằng cách phân chia thành các lines (đường) và areas (vùng), mức độ tin cậy sẽ tăng lên nhiều

Hình 1.9 Cấu trúc mạng nhiều vùng của EIB

Địa chỉ vật lý:

Gửi địa chỉ vật lý đến để có thể nhận biết dễ ràng thiết bị bus và mô tả vị trí của chúng trên cấu trúc hình học

F = 1-15 địa chỉ các vùng 1-15

F = 0 Địa chỉ của các thiết bị bus nằm trên backbone line

L = 1-15 địa chỉ các line 1-15 trong các vùng xác định bởi F

L = 0 địa chỉ của các thiết bị bus nằm trên main line

D = 1-255 địa chỉ các thiết bị bus trên đường line xác định bởi L

D = 0 địa chỉ bộ nối

1.3.2.3 Bức điện trong mạng EIB

Giới thiệu chung:

Hình 1.10 Quá trình truyền tin của EIB

Khi 1 sự kiện xảy ra (VD: khi một nút bấm được nhấn), thiết bị bus sẽ gửi một bức điện báo cho bus Sự truyền điện này bắt đầu sau khi bus không xuất hiện ít nhất trong khoảng thời gian t1 Khi quá trình truyền điện báo hoàn thành, thiết bị bus sử dụng thời gian t2 để kiểm tra xem bức điện đã được nhận đúng hay chưa Tất

cả các thiết bị bus “đã được đặt địa chỉ” nhận điện báo cùng một lúc

Cấu trúc bức điện:

Hình 1.11 Cấu trúc bức điện của EIB

Điện báo bao gồm dữ liệu bus riêng và dữ liệu tiện ích cung cấp thông tin về

sự kiện (VD nhấn 1 nút bấm trong EIB) Thông tin được truyền hoàn toàn dưới dạng các ký tự dài 8 bit Dữ liệu kiểm tra cho việc phát hiện lỗi đường truyền cũng được truyền tải trong bức điện báo: điều này đảm bảo một mức độ tin cậy tuyệt đối cuả đường truyền

1.3.3 Giới thiệu công nghệ DALI

1.3.3.1 Sơ lược chung

DALI (Digital Addressable Lighting Interface ) là một giao thức dành riêng cho điều khiển chiếu sáng Cũng như nhiều chuẩn tự động khác, DALI được lập ra,

phát triển và duy trì bởi một nhóm nhiều nhà sản xuất kết hợp với các nhà nghiên cứu Họ ban hành DALI để quy định các cách thức điều khiển đèn một cách tự động (hiện tại chủ yếu là với đèn huỳnh quang dùng ballast chuyên dụng) Các thiết bị DALI có thể tự động nhận diện và giao tiếp với nhau, không phụ thuộc vào nhà sản xuất nào, từ đó có thể thay thế và đổi lẫn dễ dàng.

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của hệ thống theo công nghệ DALI

1.3.3.2 Thiết bị trong mạng DALI

Thiết bị chấp hành: thường chứa cách mạch điện điều khiển công suất để

điều khiển đèn, điều khiển công tắc bật/tắt hay đưa ra tín hiệu tương tự 0-10Vol

Thiết bị điều khiển: một thiết bị điều khiển có thể cung cấp thông tin cho

thiết bị điều khiển khác (như thông tin về cường độ sáng) và có thể gửi lệnh đến thiết bị chấp hành Thiết bị đầu vào để cung cấp thông tin cho thiết bị điều khiển có thể là nút ấn, cảm biến phát hiện chuyển động… Phần ứng dụng bộ điều khiển có thể là một loại hoặc một phần của thiết bị điều khiển và là thành phần quyết định trong hệ thống DALI, ví dụ như nó có thể gửi lênh tới thiết bị chấp hành để thay đổi cường độ sáng của bóng đèn

Dây cung cấp nguồn: trong hệ thống DALI phải có ít nhất một dây dẫn

nguồn Dây dẫn cho phép truyền thông giữa các thiết bị và cung cấp nguồn cho từng thiết bị

1.3.3.3 Đặc tính kỹ thuật cơ bản

Mỗi một thiết bị DALI có một “địa chỉ” (hay một dãy mã số) riêng biệt Một nhánh các thiết bị DALI có thể lên tới tối đa 64 thiết bị, chiều dài tối đa của mỗi nhành là 300 (m) Người ta dùng các gateway để mở rộng và kết nối các nhánh lại với nhau và mở rộng tối đa được 16 nhánh Chúng hoạt động theo nguyên tắc broadcast dữ liệu Khi bộ điều khiển muốn điều khiển một đèn nào đó, nó sẽ gửi bộ

mã tín hiệu số đến tất cả các thiết bị Trong dãy tín hiệu số dó có chứa mã số của ballast đèn cần điều khiển, cùng với lệnh bật/tắt, dim đèn Thiết bị nào được cài đặt đúng mã số mà bộ điều khiển gửi sẽ thông báo và thực thi chỉ lệnh Cách hoạt động đơn giản này giúp quá trình tự động được dễ dàng và hiệu quả

Tốc độ truyền dữ liệu: 1200 (bits/s) và điện áp định mức khi truyền và nhận được thể hiện ở hình vẽ dưới:

Hình 1.13 Điện áp định mức của DALI

1.3.3.4 Địa chỉ

Một lợi thế của DALI là sự linh hoạt trong cách định địa chỉ của các thiết bị

Ở mức đơn giản, tất cả các thiết bị được định địa chỉ một cách đồng thời bằng câu lệnh quảng bá mà không cần cấu hình từng thiết bị riêng lẻ

Với cấu hình đơn giản, mỗi thiết bị DALI sẽ được gắn một trong 64 địa chỉ trong mỗi nhánh Điều đó cho phép điều khiển, cấu hình và truy vấn đến từng thiết

bị trong hệ thống

Thiết bị cũng có thể được định địa chỉ theo nhóm Khi một câu lệnh được gửi tới nhóm, chỉ có các thiết bị trong nhóm đó được định địa chỉ

1.4 Đánh giá các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà.[5]

Từ những tìm hiểu trên có thể thấy, chuẩn truyền thông có dây vẫn đang phổ biến, còn truyền thông không dây cũng đang là xu hướng và cũng đang phát triển mạnh Những hệ thống điều khiển chiếu sáng tòa nhà ứng dụng những chuẩn trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Để kết luận được chuẩn nào có nhiều

ưu điểm hơn thì chúng ta phải đi xét một số trường hợp cụ thể sau:

Nhà xây dựng mới so với cải tạo lại: Những năm trước đây cũng như hiện

tại, khi xây những tòa nhà mới hoặc bổ sung thêm tường mới chưa đóng kín thì sự lựa chọn chắc chắn là hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây Nhưng đi kèm là khối lượng dây dẫn đi kèm và sự nhằng nhịt của hệ thống dây đó Nhưng khi mà tường nhà đã lên và mọi thứ đã xong, bạn muốn cải tạo hệ thống điều khiển chiếu sáng thì công nghệ không dây là sự lựa chọn hợp lý Và khi muốn mở rộng hệ thống khi mọi thứ đã xong thì công nghệ không dây lại cang chiếm ưu thế Từ đó có thể nhận định, lắp đặt hệ thống điều khiển chiếu sáng khi có thể, nếu không thể đi dây thì công nghệ chiếu sáng không dây là hợp lý Tuy nhiên, hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây sẽ phù hợp với những ngôi nhà mới xây dựng, lớn Còn hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây phù hợp với những ngôi nhà tầm trung, nhỏ Trong trường hợp này, để quyết định chọn công nghệ nào thì còn phụ thuộc vào nguồn tài chính

Lợi ích từ vốn bỏ ra: Về tổng chi phí, nói chung là hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây, bởi bản chất điển hình cho các hệ thống lớn, sẽ tốn kém hơn hệ không dây, phạm vi nhỏ hơn Ví dụ, một hệ Lutron HomeWorks điển hình nối dây có giá 15.000$ đến 25.000$ và còn cao hơn, trong khi bộ không dây Lutron RadioRA có giá từ 1.300$ đến 3.000$ hay 4000$ cho một vài phòng mở thêm

Nhưng khi xét đến chi phí trên đầu thiết bị, không dây vẫn đắt hơn một chút

Ví dụ Lutron bán một hệ không dây HomeWorks và các bộ dimmer (điều chỉnh sáng-mờ) giá khoảng 200$, trong khi các dimmer có dây giá chỉ khoảng 150$ đến 160$ Không dây có giá trên đầu thiết bị cao hơn bởi vì nó phải có thêm module giao tiếp sóng radio và có thể còn được tích hợp (built-in) ngay cả trong dimmer, công tắc hoặc bàn phím

Mặc dù vậy, chi phí cho hệ không dây đang giảm xuống gần bằng chi phí cho hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây Chi phí lũy tích cho hệ thống nối dây điển hình sẽ vẫn cao bởi vì nhà mà gắn thiết bị có dây thường có khuynh hướng diện tích lớn và việc đi dây sẽ gây tốn kém hơn Bạn phải gắn dây vào tường trước khi đóng kín, do đó mọi thứ phải được lắp đặt cùng lúc theo tiến độ Với hệ không dây, bạn có thể bắt đầu chút ít, và sau đó bổ sung thêm khi bạn có thể chi trả được

Nó cho phép bạn cơ hội để thu gọn quy mô cho vài thứ, và vẫn có thể bổ sung (add on) về sau Nhưng với vài phòng trong căn nhà, dùng hệ thống không dây cũng vẫn mất chi phí cúng khá cao, khi mà bạn vẫn phải trả nhiều hơn cho dimmer và bàn phím (keypad) Bạn cũng phải cân nhắc đến cả chi phí nhân công lắp đặt dây trong tường nữa đặc biệt với việc cải tạo lại và điều này làm cho việc lắp có dây tưởng như tiết kiệm sẽ trở thành ngược lại

Độ ổn định của hệ thống: Đây chính là điểm có thể gặp phải vấn đề với hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây, dù rằng công nghệ không dây và độ ổn định của nó đã được cải thiện đều đặn những năm gần đây Còn độ ổn định với hệ có dây

là vô cùng chắc chắn Nhưng trong những năm trở lại đây, công nghệ điều khiển chiếu sáng không dây đã được cải tiến đáng kể Ví dụ với RadioRA 2 của Lutron,

hệ này giao tiếp qua đa kênh để tránh sự can thiệp của các sóng RF Bổ sung thêm

các cảm biến và các thiết bị khác vào mạng không dây RF đồng nghĩa với việc tăng lưu lượng thông tin [traffic], thế nên chúng ta phải cải tiến công nghệ và giao thức trong mạng để kiểm soát lưu lượng thông tin Mạng “mesh” như kiểu của ZigBee, trong đó các thiết bị tương thích tự đóng vai trò như bộ tiếp sóng, giúp cải thiện độ

ổn định LiteTouch thì sử dụng hệ thống Hybrid, kết hợp cả có dây và không dây, trong đó các thiết bị không dây dùng chuẩn ZigBee, nhưng lại chỉ giao tiếp điểm-điểm (point-to-point) với bộ xử lý trung tâm RadioRA của Lutron thì ngược lại, họ không yêu cầu bộ xử lý trung tâm Thứ mà đã làm gia tăng độ ổn định trong hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây chính là năng lực xử lý gia tăng và các tiêu chuẩn mở [open standard]

Các tính năng: Nhìn chung, hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây có nhiều

tính năng hơn ở thời điểm hiện tại Nhưng khi có sự đầu tư về chi phí thì hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây lại có nhiều tính năng vượt trội hơn Ngoài những tính năng như của hệ thống có dây, hệ thống điều khiển chiếu sáng có dây còn có thể tương tác dễ dàng với hệ thống rèm che, làm việc với những thiết bị mới, tính năng như bộ điều chỉnh nhiệt độ thông minh, các module quản lý năng lượng và quản lý được nhièu thiết bị hơn…

Tương lại: khi mà khoa học công nghệ ngày cảng phát triển mạnh, công

nghệ không dây ngày càng được cải tiến về độ ổn định và bền vững của hệ thống, trở nên hiệu quả hơn với chi phí ngày càng thấp đi Và trong tương lai, vấn đề năng lượng càng trở lên cấp bách hơn, thì với những tính năng tiên tiến của công nghệ không dây lai càng được thể hiện rõ

Từ những phân tích trên có thể kết luận, hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây đang là xu hướng và phát triển mạnh Và trong chiếu sáng trong nhà, công nghệ không dây được sử dụng rộng rãi chính là Zigbee

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE

VÀ ZIGBEE LIGHT LINK

2.1 Công nghệ Zigbee.[2]

2.1.1 Sơ lược chung về công nghệ ZigBee

Tên gọi ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honey Bee” Tên của công nghệ này được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau Công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn

đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó

Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế Tần số 2.4 GHz hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số 915 MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868 MHz ở châu Âu Tốc độ dữ liệu đạt

250 Kbps ở 2.4 GHz, 40 kbps ở 915 MHz và 20 kbps ở 868 MHz

Hình 2.1 Băng tần của chuẩn Zigbee

Băng tần và tốc độ dữ liệu của chuẩn Zigbee:

Kiểu điều chế

Tốc độ bit (kb/s)

Tốc độ ký

tự (ksymbol/s)

Dạng ký tự

Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu của chuẩn Zigbee

Các kênh truyền và tần số của Zigbee:

Bảng 2.2 Các kênh truyền và tần số của Zigbee

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 MAC/PHY ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của 802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới Chuẩn ZigBee được phê chuẩn 1.0 được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee Alliance Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và giám sát y tế

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 chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin

So sánh chuẩn Zigbee với chuẩn Bluetooth:

Vùng làm việc Hiệu quả ở 10 - 75m Hiệu quả ở < 10m

Bảng 2.3 Bảng so sánh chuẩn Zigbee với chuẩn 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 10-75(m) tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng Về khả năng tiêu thụ điện, các module sử dụng chuẩn ZigBee sẽ có tuổi thọ

từ 6 tháng đến 2 năm nếu sử dụng đôi pin AA ZigBee có khả năng kết nối với hơn

65000 nút

2.1.2 Cấu trúc của giao thức ZigBee

IEEE 802.15.4 và liên đoàn ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một

bộ giao thức stack IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp IEEE 802.15.4 sẽ đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và hình lưới Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp

Hình 2.2 Cấu trúc giao thức

Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp phụ ứng dụng mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) Về mặt kỹ thuật, một lớp khung làm việc ứng dụng cũng tồn tại, nhưng sẽ được nhóm vào lớp APS Lớp ZigBee thì được thể hiện trong bản bên dưới

PHY

Định nghĩa hoạt động lớp vật lý của thiết bị ZigBee bao gồm cả nhận

độ nhạy, từ chối kênh, công suất đau ra, số kênh, điêu chế chip, và thông số tốc độ truyền Hầu hết các ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250 kbps

MAC

Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị hàng xóm (point to point) MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dẫn, quản lý xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA)

Network

Cộng thêm khả năng định tuyến cái này cho phép gói tin dữ liệu RF

đi qua nhiêu thiết bị (nhiêu bước nhảy) để tuyến đường dữ liệu từ nguồn tới đích (peer to peer)

APS Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ khác nhau bao

ZDO Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra dịch vụ và

khả năng quản lý mạng nâng cao

2.1.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee

Mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:

• ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một

thiết bị Coordinator Nó lựa chọn một kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để bắt đầu mạng, có thể cho phép những router và device để tham gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính

• ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi

thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy

nó phải được cấp nguồn chính [1] Một mạng có thể có nhiều router

• ZigBee End Device (ZED): Nó phải tham gia một ZigBee PAN trước khi

nó có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thể cho phép các thiết bị tham gia vào mạng ZED phải luôn luôn truyền và nhận dữ liệu RF qua phụ huynh của nó Không thể định tuyến dữ liệu ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái ngủ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó và có thể cấp nguồn pin

2.1.4 Cấu trúc mạng Zigbee

Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới

Mạng hình sao (Star Network)

Bố trí mạng này được thể hiện như trong hình 2.3 Một Coordinator thì nằm

ở trung tâm của mô hình mạng và kết nối với một vòng tròn những end device Mọi liên lạc trong hệ thống phải đi qua coordinator Những end device thì không được giao tiếp với nhau, ví dụ 2 nốt mạng muốn trao đổi với nhau thì phải thông qua coordinator