Tìm hiểu công nghệ zigbee ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp thông minh

Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cùng tần số, hay là vấn đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ ZIGBEE

Sinh viên thực hiện: Dương Ngọc Ninh Trương Ngọc Lĩnh Hoàng Bá Lợi hướng dẫn: Võ Thanh Tú

Huế, tháng 5 năm 2021

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3

PHẦN NỘI DUNG 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE 4

1.Khái niệm: 4

2 Cấu trúc của Zigbee: 5

3 Mô hình mạng Zigbee: 7

4 Đặc điểm của Zigbee: 10

5 Ưu điểm và nhược điểm của Zigbee: 11

6 Các ứng dụng của zigbee: 13

CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 16

1 Mô hình hệ thống: 16

2 Truyền dữ liệu: 19

PHẦN KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong mạng viễn thông ngày nay, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm- nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình hoạt động bằng cách mà chỉ có ICT mới có thể làm được Mạng viễn thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh chúng

ta, và đang mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hư vọng và không một chút bí ẩn Tuy vậy, trong một dải băng tần eo hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm năng đó Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sửdụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần

số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cùng tần số, hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị… Một trong những công nghệ mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghệ ZigBee

Sau đây nhóm tụi em sẽ trình bày rõ hơn về công nghệ này Mong nhận được lời nhận xét từ thầy cô để nhóm em hoàn thiện bài tốt hơn

Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control).

Hiện tại công nghệ cho ra đời rất nhiều loại sóng như Wifi, Bluetooth, hồng ngoại… Tuy nhiên các sóng như Bluetooth hay hồng ngoại không thể sử dụng để truyền tín hiệu trong nhà được bởi vì hạn chế về độ phủ cũng như khả năng truyền tải Sóng Zigbee được phát triển để truyền tín hiệu trong hệ thống nhà thông minh ổn định hơn và tiết kiệm điện năng hơn các loại sóng trên

Phiên bản Chi tiếtZigbee

RF4CE Là dạng tần sóng vô tuyến cho các thiết bị điện tử

có ứng dụng âm thanh nghe nhìn, ra đời năm 2009Zigbee

PRO 2015 Phiên bản này ra đời năm 2015

Zigbee 3.0 Là Zigbee PRO 2017 được cập nhật mới hơn từ

Zigbee PRO 2015

2 Cấu trúc của Zigbee:

Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượngthiết bị và các đối tượng ứng dụng

- Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết và gói tín hiệu vào không gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môi trường nhiễu

- Tầng MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết songmang CSMA để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định và xác định hình dạng mạng, giúp hệ thống mạnh

và vững chắc

- Tầng mạng - NWK là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới

- Tầng hỗ trợ ứng dụng - APS là tầng kết nối với tầng mạng và

là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng

- Tầng đối tượng thiết bị - ZDO có trách nhiệm quản lý các thiết

3 Mô hình mạng Zigbee:

Các nút mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc:

- Cấu trúc hình sao (star)

- Cấu trúc hình lưới (mech)

- Cấu trúc bó cụm hình cây

Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng dụng một cách rộng rã.

a Cấu trúc liên kết mạng hình sao (star):

- Gồm 1 nút trung tâm, tất cả các nút khác đều kết nối với nút trung tâm này, mạng hình sao bị hạn chế khoảng cách và sự mở rộng

Thiết bị FFD là thiết bị đầy đủ tính năng

Thiết bị RFD là thiết bị tính năng thu gọn

- Khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng PAN (thiết bị điều phối mạng) Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận

dạng cá nhân riêng của mình để nó có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó FFD và RFD đều có thể kết nối tới PAN

b Cấu trúc liên kết mạng hình lưới (mesh):

Gồm 1 nút trung tâm , các nút trong mạng đều có thể kết nối với nhau Khi một đường truyền bị lỗi , sẽ tự động tìm ra một đườngtruyền khác, tăng tính tin cây và kết nối trong mạng

- Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng hàng ngang, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị đó Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảmbiến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê

c Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree):

Gồm một nút trung tâm , các nút khác được liên kết với nhau theo mô hình giống một cái rễ cây, mạng này có khả năng mở rộng cao, tăng khoảng cách và quy mô của hệ thống

4 Đặc điểm của Zigbee:

- Tín hiệu công nghệ Zigbee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ các nút liên kết tiếp theo trong cùng hệ thống

- Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104bytes Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit Loại địa chỉ 64bit chỉ xác định được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết.

- ZigBee sẽ hoạt động ở một trong ba dải tầng sóng là:

+ Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu và Nhật: Trong giải này chỉ có 1 kênh (kênh số 0) và tốc độ truyền khá thấp chỉ khoảng 20kb/s

+ Dải 915MHz ở khu vực Bắc Mỹ: Có 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 và tốc độ khoảng 40kb/s

+ Dải 2.4GHz sẽ ở các nước còn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu

từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao tới 250kb/s

5 Ưu điểm và nhược điểm của Zigbee:

a Ưu điểm:

Khi sử dụng Zigbee, bạn sẽ có một nút điều phối chính để điều khiển các nút được kết nối khác Nếu một nút không hoạt động (vì một số lý do nào đó) và không thể kết nối với nút thứ hai trênmạng lưới, thì lúc này nút điều phối chính sẽ tự động kết nối vớinút thứ hai cũng như các nút khác trong phạm vi Ngoài ra nó cũng có một số ưu điểm như là:

- 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 kết nối Internet từ bất kỳ đâu trên thế giới Giúp điều khiển nhà thông minh dễ dàng hơn

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

- 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

- ZigBee có thể hoạt động ổn định trong khu vực có mật độ tín

hiệu dày đặc và có nhiều tín hiệu gây nhiễu nhờ khả năng đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng lượng tiếp nhận và đánh giá kênh rõ ràng.

b Nhược điểm:

- Không thể phủ rộng hết toàn bộ nhà có diện tích quá rộng, chúng ta sẽ cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng

- Không xuyên tường mạnh được, nếu nhà nhiều phòng thì sẽ bị giảm tín hiệu

- Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm chung của tất cả các loại sóng khác

6 Các ứng dụng của zigbee:

- Nhà thông minh: Công nghệ ZigBee chứng tỏ là công nghệ đáng tin cậy nhất trong việc hiện thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome) Các ứng dụng khác nhau như kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ năng lượng, quản lý nước, kiểm soát ánh sáng ,

vv đã được thực hiện dễ dàng hơn thông qua tự động hóa bằng

công nghệ ZigBee.

Tự động hóa : Các thiết bị RFID (Radio Frequency

Identification) dựa trên ZigBee giúp cung cấp quản lý truy cập đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp Các ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình, quản

lý năng lượng, theo dõi 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 đo thông số cơ thể thu thập thông tin sức khỏe Thông tin này được truyền trên mạng ZigBee đến mạng Giao thức Internet (IP) và sau đó đến nhân viên chăm sóc sức khỏe (bác sĩ hoặc y tá), người sau đó sẽ kê đơn thuốc phù hợp dựa trên thông tin nhận được.

- Quản lý, giám sát năng lượng: Các hoạt động của Zigbee tronglưới điện thông minh này bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa , định

vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v.v

CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

1 Mô hình hệ thống:

Hệ thống sử dụng mô hình mạng Zigbee hình sao (Start Network): Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED) Khi ZC được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để

hoạt động độc lập Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với cácFFD và RFD khác ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.

Sơ đồ khối tổng quan giữa các gate và noteway.

2 Truyền dữ liệu:

Các nút cảm biến sẽ thực hiện truyền nhận dữ liệu đến thiết bị chủ Gateway thông qua giao thức Zigbee Khi nút cảm biến nhận được dữ liệu từ Gateway gửi đến (là địa chỉ của Node), lập tức sẽ gửi khung truyền gồm 12 ký tự (bao gồm các thông số cảm biến) đến Gateway

Khung truyền là chuỗi 12 ký tự gồm: 5 ký tự là địa chỉ của Nút cảm biến, 2 ký tự nhiệt độ, 2 ký tự độ ẩm không khí, 2 ký tự độ

ẩm đất và 1 ký tự “#” để kết thúc khung

Từ thiết bị chủ Gateway sẽ truyền dữ liệu từ các nút cảm biến lên Server thông qua Internet giao thức TCP/IP Gateway sẽ gửi

dữ liệu là địa chỉ của từng Node trong 1 khoảng thời gian nhất định lần lượt từ Node 1 đến Node 3 Khi nhận được dữ liệu các Node gửi về, sẽ thực hiện kiểm tra xem đó là dữ liệu từ Node nào gửi về Sau đó sẽ thực hiện tách chuỗi nhận được từ Node, rồi gửi các thông số cảm biến của Node đó lên Server

Khi thiết bị trung tâm Gateway nhận được từ Node sensor một chuỗi qua mạng Zigbee thông qua giao tiếp UART, vi điều khiển

sẽ xử lý tách chuỗi để lấy tên địa chỉ Node gửi dữ liệu đến, các giá trị cảm biến của Node đo đạc được Sau đó, sẽ gửi dữ liệu đãtách lưu trên Web Server

Thành phần của thiết bị trung tâm bao gồm: module nguồn, vi điều khiển có khả năng kết nối WiFi, màn hình hiển thị LCD và

bộ truyền tín hiệu không dây (Zigbee) Trạm giám sát là thiết bị thu thập dữ liệu về thông số môi trường được gửi về từ các nút cảm biến Thiết bị này sẽ phân tích các gói tin mà các nút cảm biến gửi đến, lấy các thông số về môi trường mà các nút cảm biến đo được, hiển thị chúng lên màn hình LCD và gửi chúng lên cơ sở dữ liệu qua Wifi

PHẦN KẾT LUẬN

Hệ thống ZigBee được tối ưu hóa để chắc chắn rằng sự tiêu thụ năng lượng rất thấp Chỉ có các nút có điều khiển cảm biến trungtâm có sử dụng nguồn điện còn lại các nút khác hầu như không cần năng lương (có thể vận hành ở chế độ sleep mode) Điều nàygiúp cho pin dùng trong các thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee

có tuổi thọ rất cao tính đến hàng năm mà không cần thay thế Mặc dù ngày càng có nhiều sự lựa chon cho mạng không dây, nhưng ZigBee vẫn là sự lựa chọn của các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu bởi tính ứng dụng trong điều khiển từ xa, cảm biến và các hệ thống thi hành (Rờ le, van đóng mở…), bởi tính ổn định cao, bảo mật, khả năng mở rộng, giá thành rẻ, tiêu thụ điện năngthấp, hệ thống mở cho nhiều nhà sản xuất, và ngày càng được cải tiến tốt hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Alliance" zigbeealliance.org Retrieved May 12, 2021.

2. https://vi.giosmart.vn/cong-nghe-zigbee

3. http://www.zigbee.org/About/AboutTechnology/ZigBee Technology.aspx

4. http://www.wisegeek.org/what-is-zigbee.htm

5 Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Wireless Automation Systems: Optimizing Reliability, Security and Coexistence, 2008

6 Implementing ZigBee™ in Existing Industrial Automation Networks, Sensors Expo 2005