MÔN dự án kỹ THUẬT NÂNG CAO đề tài nghiên cứu về công nghệ zigbee

Mặc dù cáp điện vẫn đóng vai trò chúng trong truyền và nhận thông tin nhưngviệc sử dụng các lại thiết bị không dây đang trở nên ngày càng quen thuộc với chúngta.Công nghệ không dây ngày

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày này đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển về công nghiệp hóa hiệnđịa hóa Đi đôi với sự phát triến kinh tế nói chung thì nền khoa học công nghệ cũngđang phát triển rất mạnh mẽ ở đất nước ta cũng như trên thế giới

Môn học dự án kĩ thuật nâng cao là một trong những môn học đặc biệt quantrọng đối với tất cả các sinh viên học ngành Điện Tử của trường Đại học Công nghiệpthành phố Hồ Chí Minh Đây sẽ là tiền đề giúp cho sinh viên tiếp cận với những thànhtựu công nghệ điện tử tiên tiến trên thế giới và ở Việt Nam Bên cạnh đó môn học nàycòn là môn cơ sở cho rất nhiều môn học khác Thông qua việc thực hiện các đồ án sẽgiúp mỗi sinh viên có thể nắm vững kiến thức, hiểu biết sâu hơn về ngành Điện Tử nóichung và ngành Điện tử viễn thông nói riêng Hơn hết, môn học còn giúp sinh viênđánh giá được khả năng của bản thân về môn học đồng thời biết cách vận dụng mônhọc vào thực tế

Là sinh viên ngành Điện tử viễn thông của trường Đại học Công NghiệpTp.HCM, sau một học kỳ vừa qua, dưới sự chỉ bảo tận tình của quý giảng viên bộ mônThiết kế kỹ thuật nâng cao, chúng em đã học hỏi rất nhiều điều bổ ích Theo kế hoạchkết thúc môn, đề tài đồ án của nhóm là: Tìm hiểu công nghệ Zigbee

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày này đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển về công nghiệp hóa hiệnđại hóa Trong thời đại công nghệ số này, sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ lànhững yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Cácthiết bị tự động hóa áp dụng mạng viễn thông dùng tín hiệu truyền tin đã được conngười áp dụng vào cuộc sống hàng ngày nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống dần trởnên phổ biến

Mặc dù cáp điện vẫn đóng vai trò chúng trong truyền và nhận thông tin nhưngviệc sử dụng các lại thiết bị không dây đang trở nên ngày càng quen thuộc với chúngta.Công nghệ không dây ngày nay đang hướng tới các thiết bị gia dụng như kết nối các

bộ phận chức năng trong nhà để điều chỉnh và kiểm soát các hệ thống trong nhà như

ga, điện, nước,mạng internet….Nên việc sử dụng cách truyền nhận không dây với cáchình thức như sử dụng chuẩn wi-fi 802.11 (giá thành cao) và bluetooth (không đápứng được khoảng cách truyền nhận ) không còn đáp ứng được các yêu cầu như người

sử dụng Và chuẩn kết nổi không dây IEEE 802.15.4 ra đời nhằm thiết lập mạng cánhân không dây WPAN phục vụ truyền thông tin trong khoảng cách tương đối ngắn.Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng, giáthành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, ít tiêu hao năng lượng mà vẫn đem lại hiệu quả cao trongliên lạc, khoảng cách truyền tin có thể lên tới 75m

Vì vậy nhóm em đã tìm một trong những công nghệ mới hiện đang được ứngdụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả cao đó là công nghệ ZigBee

LỜI CẢM ƠN

Tri thức là một biển cả mênh mông, mỗi một con người cụ thể muốn nắm bắt trithức để làm hành trang cho cuộc đời, không loại trừ là phải học tập Chúng ta sinh ra

và lớn lên trong sự nuôi dưỡng của cha mẹ và hạnh phúc biết bao khi được thầy cô

“gieo mầm tri thức" để mai này khi trưởng thành là một công dân tốt và có cơ hội cốnghiến cho xã hội

Khi nhận được đề tài tìm hiểu về công nghệ Zigbee nhóm còn gặp nhiều khókhăn và nhiều trở ngại, tuy nhiên với sự giúp đỡ thầy Tôn Thất Phùng hướng dẫn tậntình, chu đáo chỉ bảo và hỗ trợ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.Cuốicùng nhóm đã cố gắng nỗ lực hoàn toàn

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong Khoa Côngnghệ điện tử Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt vàtrang bị cho em những kiến thức nền tảng và hữu ích trong suốt thời gian học tập tạitrường Những gì thầy cô giảng dạy, không chỉ đơn thuần là những bài học trong sách

vở mà còn là những kinh nghiệm mà thầy cô đã tích góp được nó đã giúp em rất nhiềutrong việc hoàn thành đồ án, và đó sẽ là hành trang tốt nhất giúp chúng em hoàn thànhthật tốt trách nhiệm là một người sinh viên mẫu mực của trường

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Bảng tiến độ công việc

5 Tìm kiếm linh kiện phù hợp được sử dụng trong đề tài

7 Tiến hành lắp ráp và thay đổi cho phù hợp

8 Kiểm tra khả năng truyền và nhận của mô hình

9 Tìm cách đo và đánh giá tốc độ đường truyền

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

LỜI CẢM ƠN 3

Bảng tiến độ công việc 4

I Tổng quan về mạng Zigbee 1

1 Khái niệm 1

2 Cấu trúc của mạng Zigbee 1

3 Mô hình mạng Zigbee 2

4 Các dải tần số hoạt động của zigbee 2

5 Thành phần mạng zigbee 3

6 Ưu điểm của Zigbee 4

7 Nhược điểm của Zigbee 4

8 Các ứng dụng phổ biến của Zigbee 4

9 Sơ đồ khối 5

II Phần cứng và phần mền cần sử dụng 6

1 Giới thiệu về Module CC2530 6

a Giới thiệu 6

b Tính năng 6

c Ứng dụng 6

d Thông số kĩ thuật 7

e Các bước cấu hình 7

3 Phần mềm 10

a Giới thiệu về phần mềm 10

b Giao diện phần mềm 10

III Thực hành kiểm tra và so sánh đánh giá 11

1 So sánh lý thuyết 11

2 Điều kiện hoạt động 12

3 Sơ đồ nguyên lý mạch 12

4 Đánh giá kết quả đo được 12

5 Chứng minh thực nhiệm 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

I Tổng quan về mạng Zigbee

1 Khái niệm

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chứcIEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 này sửdụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15 Công nghệ ZigBee vì thếcũng dùng sóng radio và có 2 tầng Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khácnhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn cóthể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống

Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêuthụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sửdụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh hiện nay

2 Cấu trúc của mạng Zigbee

Cũng giống như trong truyền thông công nghiệp, khi thực hiện một giao thứctruyền thông, người ta thường phải dựa trên một mô hình kiến trúc chuẩn Bất kỳ mộtgiao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình củakiến trúc tương ứng Trong truyền thông công nghiệp ta đã biết đến đó là mô hình quichiếu OSI 7 lớp

Cấu trúc mạng Zigbee

ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và tầngMAC (Medium Access Control) được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4 Sau đóZigBee Alliance đã định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng,đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và các đối tượng người dùng(cho phép tùy biến theo từng ứng dụng) Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cảitiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩavai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị…

3 Mô hình mạng Zigbee

Zigbee có ba dạng hình được hỗ trợ là dạng hình sao, dạng hình lưới và dạnghình cây Mỗi dạng đều có ưu nhược điểm riêng của mình và sẽ được sử dụng tùy vàotrường hợp khác nhau

Dạng hình sao Dạng hình cây Dạng hình lưới

Thiết bị điều phối mạng PAN

Thiết bị đầy đủ tính năng FFD – Full Function Device

Thiết bị tính năng thu gọn RFD – Reduce Device

+ Với dạng hình sao (Star network): các nút con sẽ liên kết với nút chủ ở vị trítrung tâm

+ Với dạng hình lưới (Mesh network): Mạng này có độ tin cậy cao, mỗi nút trongmạng lưới đều có khả năng liên kết với các nút khác, cho phép tín hiệu truyềnliên tục trong mạng và bền vững Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sangnút khác

+ Với dạng hình cây (Cluster network): Là một bản mở rộng của hình lưới và cóthể phủ sóng và mở rộng cao hơn

ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng:

+ Dải 2.4GHz cho các nước khác.

Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 250kbps Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền

dữ liệu có thể đạt tới 20kbps

 Như thế các tiêu chuẩn sẽ hoạt động trên khắp toàn cầu , mặc dù ở các dải tầngsóng khác nhau.

5 Thành phần mạng zigbee.

Trong các mạng Zigbee cơ bản sẽ có 3 loại thiết bị là :

+ Zigbee Coordinator (ZC): Đây được gọi là thiết bị gốc có nhiệm vụ quyếtđịnh kết cấu mạng, quy đinh cách đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ Mỗimang chỉ có duy nhất một ZC và nó cũng là thiết bị duy nhất “nói chuyện”được với các mạng khác

+ Zigbee Router (ZR): Thiết bị này sẽ có nhiệm vụ định tuyến trung giantrong việc truyền dữ liệu, nó sẽ tự phát hiện và lập bản đồ các nút xungquanh cũng như là theo dõi và điều khiển các nút hoạt động bình thường + Zigbee End Device (ZED): Gọi là thiết bị điểm cuối và nó sẽ giao tiếp với

ZC và ZR ở gần nó nhất Chúng có nhiệm vụ đọc thông tin từ các thànhphần vật lý, chúng thường ở trạng thái nghỉ và chỉ làm việc khi cần chuyểnhoặc nhận thông điệp nào đó

Quá trình thiết lập trong một mạng Zigbee như sau: Quét mạng (NetworkScan): Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tín hiệu, ví dụ nếu dùng dải tần2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị sẽ chọn kênh phù hợp nhất để giaotiếp trong mạng Ta gọi đó là sự chiếm chỗ: ocupacy

+ Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênhhoặc gia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn

+ Phát hiện thiết bị: Thiết bị sẽ yêu cầu mạng phát hiện ra địa chỉ của mìnhtrên các kênh được kích hoạt

+ Phát hiện dịch vụ: Thiết bị quét các dịch vụ được hỗ trợ trên thiết bị trongphạm vi mạng

+ Liên kết: Thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các lệnh và các tin nhắn điềukhiển

6 Ưu điểm của Zigbee.

Nhờ vào đặc điểm truyền tải tín hiệu xa và ổn định nên Zigbee được sử dụng rấtrộng rãi trong ngành công nghiệp tự động hóa đặc biệt là trong các hệ thống truyềnthông không dây Dưới đây là các ưu điểm khi áp dụng ZigBee:

+ Dễ dàng lắp đặt: Việc lắp đặt các thiết bị dùng ZigBee rất dễ dàng

+ Kết nối internet: Bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị thông qua kếtnối Internet từ bất kỳ đâu trên thế giới Giúp điều khiển và giám sát dễ dànghơn

+ Tiết kiệm năng lượng: ZigBee tiêu tốn rất ít năng lượng cho nên sẽ giúp tiếtkiệm điện tối đa

+ Khả năng mở rộng cực lớn: Các thiết bị cùng hệ thống sẽ có thể kết nối vớinhau tạo nên 1 vùng phủ sóng cực lớn, giúp các thiết bị nhà thông minh kếtnối với nhau dễ dàng

+ Sử dụng mã hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao

+ Dễ dàng mở rộng: Zigbee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một

hệ thống

7 Nhược điểm của Zigbee

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ZigBee cũng có một vài nhược điểm ví dụnhư:

+ Không thể phủ rộng hết toàn bộ khu vực có diện tích quá rộng, chúng ta sẽcần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng

+ Không xuyên tường mạnh được, nếu khu vực truyền thông có nhiều vật cản

+ Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây Tuy nhiên đây cũng là nhược điểmchung của tất cả các loại sóng khác.

8 Các ứng dụng phổ biến của Zigbee.

- Nhà thông minh: Công nghệ ZigBee chứng tỏ là công nghệ đáng tin cậynhất trong việc hiện thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome) Các ứng dụngkhác nhau như kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ năng lượng, quản lýnước, kiểm soát ánh sáng , vv đã được thực hiện dễ dàng hơn thông qua tựđộng hóa bằng công nghệ ZigBee

- Tự động hóa : Các thiết bị RFID dựa trên ZigBee giúp cung cấp quản lý truycập đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp Các ứng dụng khác trong cácngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình, quản lý năng lượng, theodõi nhân sự, v.v

- Chăm sóc sức khỏe: Một ví dụ phổ biến của tự động hóa chăm sóc sức khỏe

là theo dõi sức khỏe từ xa Một người đeo thiết bị ZigBee với cảm biến đothông số cơ thể thu thập thông tin sức khỏe Thông tin này được truyền trênmạng ZigBee đến mạng Giao thức Internet (IP) và sau đó đến nhân viênchăm sóc sức khỏe (bác sĩ hoặc y tá), người sau đó sẽ kê đơn thuốc phù hợpdựa trên thông tin nhận được

- Quản lý, giám sát năng lượng: Các hoạt động của Zigbee trong lưới điệnthông minh này bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa , định vị lỗi, quản lý côngsuất phản kháng, v.v

9 Sơ đồ khối.

 Sơ đồ khối phát

Sơ đồ khối phát

 Sơ đồ khối thu

Sơ đồ khối thu

CC2530F32/64/128/256, với 32/64/128/256 KB bộ nhớ flash tương ứng CC2530 có các chế độ hoạt động khác nhau, làm cho nó rất phù hợp với các hệ thống yêu cầu mức tiêu thụ điện năng cực thấp Thời gian chuyển đổi ngắn giữa các chế độ hoạt động hơn nữa đảm bảo tiêu thụ năng lượng thấp Kết hợp với ngăn xếp giao thức ZigBee đơn vị vàng và hàng đầu trong ngành (Z- Stack ™) từ Texas Thiết bị, CC2530F256 cung cấp giải pháp ZigBee hoàn chỉnh và mạnh mẽ Được kết hợp với ngăn xếp RemoTI trạng thái vàng từ Texas Instruments, CC2530F64 trở lên cung cấp cung cấp một giải pháp điều khiển từ xa ZigBee RF4CE mạnh mẽ và hoàn chỉnh.

b Tính năng.

- Độ nhạy tốt

- Cần ít thành phần kết nối ngoài

- Công suất đầu ra có thể lên đến 4,5dBm

- Với tần số vô tuyến toàn thế giới

c Ứng dụng.

- Hệ thống chiếu sáng

- Kiểm soát và giám sát công nghiệp

- Mạng cảm biến không dây công suất thấp

- Chuẩn truyền sóng zigbee 2.4Ghz

- Tốc độ truyền sóng tối đa 3300bps

- Công suất truyền : 4.5 dbm

- Khoảng cách truyền lý tưởng : < 300m

- Tần số sóng mang 2.4GHZ, khả năng bức xạ và xuyên thấu vật cản rất cao

- Giao thức Serial (UART) TTL 3.3V, tốc độ giao thức (baudrate) tùy chỉnh từ

2440 tối đa 115200

e Các bước cấu hình.

 Bước 1 :Không cấp nguồn, nhấn giữ nút key,sao đó cấp nguồn, ( 4 led trên

module sẽ nhấp nháy báo hiệu truy cập chế độ set cấu hình) Thả nút nhấn

ra, rồi lại nhấn nút tuần tự để chọn mức voudrate phù hợp theo bảng dưới

 Bước 2 : Sau khi chọn Baudrate xong, nhấn tì (nhấn giữ) nút ấn để sang

bước 2 (4 led trên module sẽ nhấp nháy báo hiệu truy cập bước 2) Thả nútnhấn ra, rồi lại nhấn nút tuần tự để chọn kênh (Chanel), lưu ý để 2 moduletruyền được cho nhau thì ở bước này bạn cần cài đặt chọn kênh giống nhau

 Bước 3 : Sau khi chọn Chanel xong, nhấn tì nút ấn để sang bước 3 (4 led

trên module sẽ nhấp nháy báo hiệu truy cập bước 3) Thả nút nhấn ra, rồi lạinhấn nút tuần tự để chọn chế độ truyền dẫn Nó có 2 chế độ truyền dẫn:

+ Point to Point: Dùng để truyền nhận giữa 2 moudle cho nhau (Ta có thể lựa

chọn địa chỉ (tránh trùng với module của người khác) ở 16 địa chỉ khácnhau)

Module thứ nhất chọn cấu hình point A.

Module thứ hai chọn cấu hình point B.

+ Broadcast: Người dùng có thể tạo ra một mạng lưới truyền dẫn giữa các

Node để tạo ra một nhà mạng cho riêng mình, đúng chất IoT chưa bạn laugh.(cái này bạn nên tìm hiểu thêm)

Cấu hình cho trường hợp broadcast

 Bước 4 : Sau khi chọn kiểu truyền nhận xong, nhấn tì nút ấn để sang bước 4 4

led trên module sẽ nhấp nháy báo hiệu cài đặt thành công và được lưu mãi mãi.Lưu ý thiết đặt chỉ được lưu và có hiệu lực khi bạn đến được bước 4 Để thiếtđặt lại hãy rút nguồn và quay về bước 1

2 Chân UART

UART hay bộ thu-phát không đồng bộ đa năng là một trong những hình thứcgiao tiếp kỹ thuật số giữa thiết bị với thiết bị đơn giản và lâu đời nhất Bạn có thể tìmthấy các thiết bị UART trong một phần của mạch tích hợp (IC) hoặc dưới dạng cácthành phần riêng lẻ Các UART giao tiếp giữa hai nút riêng biệt bằng cách sử dụngmột cặp dẫn và một nối đất chung.

Sơ đồ nối dây kiểu UART