TỔNG QUAN VỀ CHUẨN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4
Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4
ZigBee là tập hợp các giao thức mạng không dây ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển và giám sát tự động Các thiết bị dựa trên chuẩn ZigBee hoạt động trên ba dãy tần số chính là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz, giúp đảm bảo khả năng kết nối linh hoạt và khả năng truyền dữ liệu ổn định trong nhiều môi trường khác nhau.
Tên gọi ZigBee bắt nguồn từ cách truyền thông tin đặc trưng của ong mật, có dạng “ Zig-Zag”, phản ánh phương thức giao tiếp của loài “Honey-Bee” Đồng thời, tên ZigBee còn được ghép từ hai từ này, thể hiện sự liên kết giữa công nghệ không dây và cách thức truyền dữ liệu của loài ong, góp phần làm nổi bật tính đặc trưng của tiêu chuẩn này trong truyền thông không dây.
1.1.2 Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ,
Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu)
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã hợp tác để xác định rõ các khối giao thức của công nghệ này, với IEEE 802.15.4 tập trung vào tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu thấp Zigbee xây dựng nền tảng cho các tầng cao hơn về bảo mật, dữ liệu và chuẩn phát triển nhằm đảm bảo tính tương thích giữa các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau mà không xảy ra xung đột Hiện nay, IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng PHY và MAC phù hợp với các loại mạng như mạng hình sao, mạng hình cây và mạng mắt lưới, sử dụng các phương pháp định tuyến hiệu quả nhằm bảo toàn năng lượng và giảm thiểu độ trễ bằng cách sử dụng khe thời gian bảo đảm (GTS) Tính năng đặc trưng của tầng mạng Zigbee là giảm thiểu sự cố gây gián đoạn kết nối trong các mạng mesh Nhiệm vụ quan trọng của tầng PHY gồm phát hiện chất lượng đường truyền (LQI), đo năng lượng truyền (ED) và đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng tương thích và sống chung với các mạng không dây khác.
1.1.3 Ưu điểm của ZIGBEE/IEEE802.15.4 v i B UETOOH/IEEE802.15.1
ZigBee giống như Bluetooth nhưng đơn giản hơn và tiết kiệm năng lượng hơn Một nút mạng ZigBee có thể duy trì hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn hai pin AA Phạm vi hoạt động của ZigBee rộng hơn so với Bluetooth, từ 10 đến 75 mét, trong khi Bluetooth chỉ khoảng 10 mét nếu không có thiết bị tăng cường.
ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn Bluetooth, với tốc độ tối đa là 250kbps trên băng tần 2.4GHz, 40kbps trên 915MHz và 20kbps trên 868MHz Trong khi đó, Bluetooth có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, đạt mức 1Mbps, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu cao hơn.
ZigBee sử dụng cấu hình mạng chủ-tớ dạng hình sao tĩnh, trong đó các thiết bị giao tiếp qua các gói tin nhỏ, hỗ trợ tối đa 254 nút mạng Trong khi đó, Bluetooth có cấu trúc phức tạp hơn, hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc - mạng tự tổ chức, hạn chế về không gian và thời gian Các thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng scatternet, gồm nhiều mạng piconet không đồng bộ, nhưng chỉ cho phép tối đa 8 nút slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.
Node mạng sử dụng Zigbee giúp tiết kiệm năng lượng tối ưu, cho phép gửi và nhận gói tin trong vòng chỉ khoảng 15ms, nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, vốn mất đến 3 giây để thực hiện cùng một tác vụ Zigbee là công nghệ mạng không dây lý tưởng cho các thiết bị IoT nhờ khả năng vận hành hiệu quả và tiêu thụ ít năng lượng Với tốc độ truyền dữ liệu nhanh chóng, Zigbee hỗ trợ các hệ thống nhà thông minh và thiết bị tự động hóa hoạt động liên tục mà không lo tiêu hao pin quá nhiều.
Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN
Chuẩn này nổi bật với tính mềm dẻo và tiêu hao ít năng lượng, giúp giảm thiểu chi phí vận hành Phù hợp với các khu vực nhỏ như nhà ở và văn phòng, nó có khả năng truyền dữ liệu trong phạm vi hạn chế nhưng ổn định Tốc độ truyền dữ liệu thấp là đặc điểm chính, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí thấp, đem lại sự tiện lợi trong việc triển khai trong các không gian hạn chế.
1.2.1 Thành phần của mạng R-WPAN
Hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 bao gồm nhiều thành phần chính, trong đó thiết bị FFD là phần cốt lõi tạo nên mạng và đảm nhận vai trò điều phối chính của mạng PAN Ngoài ra, còn có các thiết bị RFD đảm nhận các chức năng hạn chế để hỗ trợ mạng Một mạng ZIGBEE tối thiểu cần có ít nhất một thiết bị FFD, chịu trách nhiệm điều phối toàn bộ hoạt động của mạng PAN.
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái gồm điều phối viên của toàn mạng PAN, điều phối viên của mạng con, hoặc đơn giản chỉ là thành viên trong mạng RFD thích hợp cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu Một FFD có khả năng làm việc với nhiều RFD hoặc nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể kết nối với một FFD để duy trì hiệu quả hoạt động mạng.
1.2.2 Kiến trúc li n kết mạng
Hiện nay, ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã định hình các cấu trúc liên kết mạng phù hợp với công nghệ ZigBee, giúp nâng cao khả năng mở rộng và linh hoạt trong thiết kế hệ thống mạng không dây Các node mạng trong mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo các cấu trúc khác nhau như hình sao, hình lưới hoặc hình cây, mang lại sự đa dạng trong ứng dụng và tối ưu hóa hiệu suất mạng Sự đa dạng về cấu trúc mạng này giúp ZigBee thích nghi với nhiều môi trường và nhu cầu sử dụng khác nhau, từ các hệ thống tự động hóa gia đình đến các mạng công nghiệp Hình 1.1 minh họa rõ nét ba loại cấu trúc mạng ZigBee: topology sao, topology lưới và topology cây, mỗi loại đều phù hợp với các mục đích và yêu cầu riêng biệt.
Hình 1.1 Cấu trúc liên kết mạng
1.2.2.1 Cấu trúc li n kết mạng hình sao ( tar)
Hình 1.2 minh họa cấu trúc mạng hình sao, trong đó một thiết bị điều khiển trung tâm, gọi là bộ điều phối mạng PAN, quản lý các kết nối giữa các thiết bị Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu, nó có thể tạo thành một mạng độc lập và trở thành bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao cần có một mã định danh cá nhân gọi là PAN ID, giúp mạng hoạt động độc lập và duy trì tính riêng biệt Cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN để đảm bảo tính linh hoạt trong mạng Tất cả các thiết bị nằm trong phạm vi phủ sóng của mạng đều phải kết nối với bộ điều phối PAN duy nhất, nhằm duy trì sự liên kết và quản lý mạng hiệu quả.
1.2.2.2 Cấu trúc li n kết mạng mắt l i (mesh)
Hình 1.3 Cấu trúc mạng mesh
Mạng kiểu cấu trúc này có bộ điều phối mạng PAN, là sự kết hợp của hai loại cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng Trong cấu trúc này, một thiết bị A có thể kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của A Các ứng dụng của mạng này rất đa dạng, bao gồm đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, hệ thống cảnh báo và kiểm kê, như cảnh báo cháy rừng.
1.2.2.3 Cấu trúc li n kết mạng hình cây (cluster-tree)
Hình 1.4 Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác, giúp mạng có quy mô phủ sóng rộng và khả năng mở rộng cao Trong cấu hình này, mặc dù có thể có nhiều coordinator, nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN, tạo ra nhóm đầu tiên và tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng, đồng thời gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là CID.
CLH được thành lập bằng cách tự tạo ra từ CID-0, chọn một PAN identifier rỗng để phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nhận khung tin này có khả năng yêu cầu kết nối vào mạng qua CLH Nếu bộ điều phối mạng PAN chấp thuận, thiết bị sẽ được ghi vào danh sách kết nối, trở thành CLH của nhánh cây mới Sau đó, thiết bị này sẽ phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng, hình thành các CLH1, CLH2, theo mô hình phân nhánh như trong hình 1.4.
Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4
ZIGBEE/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng các tầng ứng dụng và tầng mạng dựa trên hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, mang lại các ưu điểm như tính tin cậy cao, thiết kế đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng thích ứng tốt với nhiều môi trường mạng Các nhà sản xuất có thể phát triển các sản phẩm khác nhau dựa trên mô hình chuẩn này mà vẫn đảm bảo tính tương thích và khả năng giao tiếp với nhau.
Hình 1.5 Mô hình giao thức của ZigBee [5]
1.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ chính là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, đều có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU qua kênh sóng vô tuyến vật lý Các tính năng của tầng PHY bao gồm kích hoạt hoặc giảm kích hoạt bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, xác định chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền và thu/phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau phù hợp với các khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản và Mỹ, đảm bảo tính tương thích và đa dạng trong các ứng dụng không dây.
Bảng 1.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu
Tốc độ chip (kchips/s) Điều chế Tốc độ bit
Tốc độ ký tự ksymbol/s) Ký tự
Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây
Bảng 1.2 Kênh truyền và tần số
Tần số trung tâm (MHz) Số lượng kênh (N) Kênh Tần số trung tâm (MHz)
Hình 1.6 Băng tần hệ thống của Zigbee
1.3.1.1 Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 a Chỉ số ED (energy detection)
Chỉ số ED (Energy Detection) được đo bằng bộ thu ED và sử dụng trong thuật toán chọn kênh của tầng mạng trong IEEE 802.15.4, không liên quan đến việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu ED phản ánh công suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông kênh, với kết quả đo diễn ra trong khoảng thời gian bằng khoảng 8 symbol và được biểu thị bằng 8 bit, từ 0x00 đến 0xff Giá trị ED nhỏ nhất bằng 0 khi công suất nhận được thấp hơn +10dB so với lý thuyết, trong khi phạm vi công suất hiển thị tối thiểu là 40dB với sai số ± 6dB.
Chỉ số chất lượng đừong truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được
Số đo này có thể được bổ sung vào hệ thống đánh giá chất lượng kênh điện tử (ED) nhằm nâng cao độ chính xác trong phân tích tín hiệu Ngoài ra, chúng có thể được tích hợp vào việc đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR hoặc kết hợp với các phương pháp khác để cải thiện hiệu quả phân tích mạng Giá trị chỉ số chất lượng liên quan đến kênh truyền (LQI) thường được chuyển giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng để xử lý và tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu Trong đó, chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường chất lượng của kênh truyền, giúp đảm bảo kết nối ổn định và tối ưu hóa hệ thống mạng không dây.
CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay bận
Có ba phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này:
- CCA 1: “Năng lượng vượt ngưỡng” CCA sẽ thông báo kênh truyền bận trong khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED
Cảm biến sóng mang trong CCA 2 chỉ báo kênh truyền bận khi phát hiện tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế phù hợp với tiêu chuẩn IEEE802.15.4 Tín hiệu này có thể có cường độ thấp hoặc cao hơn ngưỡng Energy Detection (ED), giúp thiết bị xác định chính xác khi nào kênh đang sử dụng để tránh xung đột truyền dữ liệu.
Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt ngưỡng (CCA 3) giúp xác định kênh truyền bận trên mạng không dây Cơ chế hoạt động của CCA 3 là khi phát hiện tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 với mức năng lượng vượt ngưỡng ED, nó sẽ báo kênh truyền đang bận Điều này đảm bảo hệ thống tránh gây nhiễu lẫn nhau, tối ưu hóa hiệu suất mạng không dây dựa trên cảm biến sóng mang và mức năng lượng xác định.
1.3.1.2 Định dạng khung tin PPDU
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin
- SHR (synchronization header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit
- PHR (PHY header): chứa thông tin độ dài khung
- PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC
Bảng 1.3 Định dạng khung PPDU
SFD (bắt đầu phân định khung) Độ dài khung (7bits)
1.3.2 Tầng điều khiển dữ li u ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC 1.3.2.1 Cấu trúc si u khung
Trong mạng LR-WPAN, cấu trúc siêu khung được sử dụng theo nhu cầu, do PAN coordinator định dạng và quản lý Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng mạng và chia thành 16 khe như nhau để đảm bảo tổ chức dữ liệu hợp lý Trong đó, khe đầu tiên của mỗi siêu khung sẽ gửi mốc beacon để báo hiệu dò đường, giúp các thiết bị nhận biết thời điểm hoạt động Nếu PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung, nó có thể dừng việc phát mốc beacon, qua đó điều khiển sự đồng bộ và cấu trúc của mạng Mốc beacon đóng vai trò quan trọng trong việc đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng mạng PAN và truyền tải nội dung mô tả cấu trúc của siêu khung.
Hình 1.7 Cấu trúc siêu khung a Khung CAP
CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP, đảm bảo sự phân chia rõ ràng giữa các khung Nếu phần CFP có độ dài bằng 0, thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung, duy trì tính liên tục của mạng lưới CAP phải có độ dài tối thiểu là aMinCAPLength symbols, trừ trường hợp phần không gian bổ sung dùng để điều chỉnh độ dài của khung beacon nhằm duy trì GTS và cho phép điều chỉnh linh hoạt kích thước của CFP Việc này giúp đảm bảo tính linh hoạt và tối ưu hóa hiệu suất mạng trong các hệ thống không dây.
Trong quá trình truyền dữ liệu, tất cả các khung tin, ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau khung Ack trong lệnh yêu cầu, đều sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh trong phần CAP Một thiết bị phát trong khoảng thời gian kết thúc phần CAP sẽ thực hiện khoảng thời gian IFS trước khi kết thúc phần này; nếu không thể hoàn tất, thiết bị đó sẽ trì hoãn việc phát cho đến khi khung CAP của vòng tiếp theo được phát Khung chứa lệnh điều khiển MAC được gửi trong phần CAP, còn khung CFP là khung dữ liệu trong các hoạt động theo chế độ định kỳ.
Phần CFP được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beacon của khung kế tiếp, đảm bảo sự tổ chức hợp lý trong mạng không dây Nếu có bất kỳ GTS nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng PAN, chúng sẽ nằm trong phần CFP và điền đầy các khe liền nhau, làm tăng hiệu quả truyền dữ liệu Kích thước của phần CFP phụ thuộc vào tổng độ dài các khe GTS được cấp phát, giúp tối ưu hóa không gian truyền dữ liệu Trong phần CFP, thiết bị phát không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh, giảm thiểu xung đột và tăng tốc độ truyền Một thiết bị trong phần CFP sẽ kết thúc truyền trong khoảng một thời gian IFS trước khi kết thúc GTS, đảm bảo thời gian truyền chính xác và ổn định.
1.3.2.2.Các mô hình truyền dữ li u
Dựa trên cấu trúc mạng WPAN, có ba kiểu mô hình truyền dữ liệu chính: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator đến thiết bị thường, từ thiết bị thường đến thiết bị điều phối, và giữa các thiết bị cùng loại Các cơ chế truyền dữ liệu này phụ thuộc mạnh vào việc mạng có hỗ trợ phát thông báo beacon hay không Trong mạng không hỗ trợ beacon, thiết bị truyền dữ liệu bằng cách gửi khung dữ liệu trực tiếp tới thiết bị điều phối mà không cần gán khe thời gian, và thiết bị điều phối phản hồi bằng khung Ack để xác nhận việc nhận dữ liệu.
Hình 1.8 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon
Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng hỗ trợ beacon, nó sẽ chờ đợi tín hiệu beacon của mạng để đồng bộ các siêu khung Sau khi nhận được beacon, thiết bị sử dụng tín hiệu này để thiết lập đồng bộ chính xác, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra suôn sẻ Quá trình truyền dữ liệu được thực hiện bằng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian, giúp tránh xung đột và tăng hiệu quả truyền thông Cuối cùng, thiết bị kết thúc quá trình truyền dữ liệu bằng khung tin xác nhận Ack, xác nhận thành công của dữ liệu đã gửi.
Hình 1.9 Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon
Các ứng dụng truyền dữ liệu trong mạng PAN (Personal Area Network) thường do chính các thiết bị trong mạng điều khiển hoàn toàn, chứ không nhờ vào thiết bị điều phối mạng Điều này giúp tăng cường tính năng tiết kiệm năng lượng cho mạng ZigBee Khi thiết bị điều phối muốn gửi dữ liệu đến thiết bị khác có hỗ trợ phát beacon, nó sẽ đánh dấu trong thông tin beacon rằng đang truyền dữ liệu Các thiết bị trong mạng luôn nghe ngóng các beacon định kỳ để phát hiện dữ liệu liên quan, và khi nhận thấy dữ liệu cần thiết, chúng yêu cầu gửi dữ liệu theo kỹ thuật slotted CSMA-CA, đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Quá trình này được thể hiện rõ trong hình 2.10, trong đó khung tin Ack của thiết bị điều phối xác nhận rằng gói tin đã được gửi thành công bằng kỹ thuật gán khe thời gian CSMA-CA.
Trong quá trình giao tiếp, khung ACK của CA thường phản hồi về việc nhận gói tin thành công, đảm bảo tính chính xác của dữ liệu truyền tải Khi thiết bị nhận được khung ACK, bản tin liên quan thường sẽ được xóa khỏi danh sách các bản tin chờ xử lý trong thông tin báo hiệu beacon, giúp tối ưu quá trình truyền dữ liệu Việc này không chỉ xác nhận thành công của quá trình truyền mà còn duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống mạng.
Hình 1.10 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon
Trong trường hợp mạng không hỗ trợ phát beacon, thiết bị điều phối sẽ lưu trữ dữ liệu để các thiết bị liên quan có thể yêu cầu truy cập Các thiết bị liên quan tương tác với dữ liệu bằng cách gửi lệnh yêu cầu tới thiết bị điều phối, sử dụng thuật toán không gán khe thời CSMA-CA Khi dữ liệu đang truyền, thiết bị điều phối gửi khung tin bằng cách áp dụng thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian; nếu không có dữ liệu truyền, thiết bị sẽ gửi khung tin trống để thông báo rằng dữ liệu không được phát.
Hình 1.11 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon
Kết luận chương
Chương này trình bày tổng quan về công nghệ ZigBee, bao gồm khái niệm cơ bản, thành phần và kiến trúc liên kết mạng của hệ thống Nó mô tả mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4 cùng với các tầng hoạt động như tầng vật lý, tầng điều khiển dữ liệu MAC, tầng mạng và tầng ứng dụng Các nội dung này giúp hiểu rõ các yếu tố cốt lõi của công nghệ ZigBee trong các hệ thống truyền thông không dây.
Công nghệ ZigBee vượt trội về khả năng tiết kiệm năng lượng và có phạm vi hoạt động từ 10 đến 75 mét, vượt xa so với Bluetooth chỉ khoảng 10 mét nếu không sử dụng thiết bị khuếch đại Mặc dù ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn Bluetooth, nhưng nó phù hợp với các mạng hình sao tĩnh nhờ cấu hình chủ - đòi hỏi tối đa 254 nút mạng Trong khi đó, giao thức Bluetooth phức tạp hơn nhiều, mang lại nhiều tùy chọn và khả năng mở rộng hơn trong các ứng dụng kết nối không dây.
CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand
AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) là thuật toán tìm đường theo yêu cầu trong mạng ad hoc, nơi các nút mạng khi không nằm trên tuyến truyền tin không duy trì thông tin về tuyến đường Các nút trong mạng không tham gia vào quá trình định tuyến định kỳ hay lưu trữ tuyến đường tới các nút khác, trừ khi có nhu cầu liên lạc Khi hai nút mạng cần kết nối, AODV chỉ thiết lập tuyến đường tạm thời, và các nút cũ có thể đề nghị dịch vụ làm trạm chuyển tiếp để duy trì liên lạc giữa các nút mạng khác nhau.
Thuật toán ưu tiên phát quảng bá các gói tin dò đường chỉ khi cần thiết hoặc khi có yêu cầu, nhằm phân biệt giữa quản lý liên lạc cục bộ và bảo vệ giao thức liên lạc chung, đồng thời cập nhật thông tin về thay đổi liên kết cục bộ tới các nút di động lân cận Khi một nút nguồn muốn kết nối với một nút khác mà không có thông tin tuyến đường, quá trình tìm đườngược thiết lập bằng cách mỗi nút lưu hai bộ đếm độc lập là sequence number và broadcast id Nút nguồn bắt đầu quá trình bằng cách khởi tạo và phát quảng bá gói tin tìm đường (RREQ) tới các nút lân cận, trong đó chứa thông tin về địa chỉ nguồn, số chuỗi nguồn, số id quảng bá, địa chỉ đích, số chuỗi đích và số đếm bước truyền (hop count).
Mỗi khi nút mạng phát ra gói tin RREQ mới, số ID quảng bá sẽ tăng lên, đảm bảo mỗi gói tin có cặp địa chỉ nguồn và số ID duy nhất Khi nút trung gian nhận được gói RREQ mới, nó so sánh địa chỉ nguồn và số ID với gói trước đó; nếu giống nhau, gói thừa sẽ bị loại bỏ, còn nếu khác, nút sẽ tăng đếm bước truyền và tiếp tục phát quảng bá tới các nút lân cận để mở rộng mạng lưới Mỗi nút lưu trữ thông tin về địa chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn, số ID quảng bá, số chuỗi nguồn, và thời gian hạn định để gói tin xác nhận có thể gửi về nguồn Khi gói RREQ truyền từ nguồn tới đích, nó tự động thiết lập đường dẫn ngược trở lại nguồn, bằng cách lưu giữ bảng các địa chỉ các nút bên cạnh mà nó sao chép được trong gói RREQ ban đầu Tuyến đường ngược chiều này được duy trì tối thiểu để đảm bảo gói tin có thể trở về nguồn trong thời gian hợp lý, giúp xác lập đường đi tối ưu cho dữ liệu phản hồi.
Khi RREQ tới một nút mạng nào đó, nút này sẽ kiểm tra xem có phải là đích đến hay không, hoặc có nằm trên tuyến đường truyền từ nguồn tới đích Nếu nút này chưa phải là đích nhưng lưu giữ tuyến đường tới đích, nó sẽ so sánh số chuỗi nguồn trong gói RREQ với số chuỗi nguồn trong bảng định tuyến để xác định tính chính xác của tuyến đường Nếu số chuỗi đích của RREQ lớn hơn trong các nút trung gian, thì nút trung gian đó không nằm trên tuyến đường phù hợp Ngược lại, nếu tuyến đường có số chuỗi đích lớn hơn hoặc bằng và có số bước truyền nhỏ hơn, nút này có thể gửi lại gói tin RREP để xác nhận tuyến đường đó.
Gói tin RREP quay trở lại nút mạng đã phát RREQ ban đầu, trong đó gồm các trường thông tin như địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, số chuỗi đích, số đếm bước truyền và thời gian sống Khi gói RREP trở về nút nguồn, các nút dọc theo tuyến đường của RREP sẽ thiết lập con trỏ hướng tới nút mạng vừa nhận RREP, cập nhật thông tin timeout trong bảng định tuyến tới nguồn và đích, đồng thời lưu trữ số chuỗi đích cuối cùng của nút đích cần đến.
Những nốt mạng nằm dọc theo tuyến đường do RREP xác định sẽ “chết” sau khi hết thời gian yêu cầu định tuyến, đảm bảo hiệu quả hoạt động của mạng Con trỏ đảo (reverse pointer) cũng bị xóa khi không còn nằm trên tuyến đường truyền từ nguồn đến đích, giúp duy trì sự chính xác của quá trình truyền dữ liệu Thời gian “chết” của các nút mạng này phụ thuộc vào kích thước của mạng, ảnh hưởng đến quá trình định tuyến và tối ưu hóa mạng.
Hình 2.1 Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV
Nốt nguồn có thể phát dữ liệu ngay khi nhận được gói tin RREP đầu tiên và liên tục cập nhật thông tin về tuyến đường tối ưu hơn khi phát hiện ra Mỗi bảng định tuyến lưu trữ các trường như đích đến, bước truyền kế tiếp, số bước truyền, số chuỗi đích, nút lân cận tích cực trên tuyến đường và thời gian chết để nhập liệu Để duy trì kết nối, mỗi nốt mạng cần có địa chỉ của các nốt lân cận tích cực, là những nốt có khả năng khởi phát hoặc chuyển tiếp tối thiểu một gói tin đến đích trong thời gian quy định Khi bước truyền kế tiếp nằm ngoài tuyến đường từ nguồn đến đích do mất thông tin trong một khoảng thời gian nào đó, các nốt mạng liên lạc hai chiều mới được xem là lân cận Quá trình cập nhật tuyến đường diễn ra liên tục đến khi tất cả các nốt nguồn tích cực nhận được thông báo, giúp các nốt nguồn phát hiện và sửa chữa đường truyền bị gián đoạn Trong trường hợp cần thiết, nốt nguồn có thể khởi động lại quá trình tìm tuyến mới từ nguồn đến đích và gửi gói RREQ mới với số chuỗi đích lớn hơn số đã cũ để đảm bảo cập nhật tuyến đường mới.
Thuật toán hình cây
Giao thức hình cây là giao thức của tầng mạng và tầng datalink, sử dụng gói tin "trạng thái kết nối" để định dạng mạng hình cây đơn và mở rộng Mạng hình cây có tính chất tự tổ chức và tự hỗ trợ, giúp hạn chế lỗi mạng trong mức cho phép Nhờ đặc tính tự tổ chức, mạng hình cây còn có khả năng tự sửa chữa khi gặp sự cố tại một nút mạng nào đó Các nút mạng chọn một nút làm gốc cây và tạo các nhánh cây một cách tự do, sau đó các nhánh này tự phát triển kết nối tới các nhánh khác dựa trên thiết bị gốc (DD - Designated Device).
2.2.1 Thuật toán hình cây đơn nhánh
Quá trình hình thành nhánh cây bắt đầu từ việc chọn gốc cây phù hợp, sau đó nốt gốc sẽ mở rộng kết nối với các nốt khác để hình thành nhóm nhánh vững chắc Việc chọn lựa gốc cây đúng cách đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và cấu trúc của hệ thống nhánh Quá trình này giúp tạo ra một mạng lưới liên kết chặt chẽ, thúc đẩy sự phát triển bền vững của cây.
Sau khi một nút được kích hoạt, nó sẽ tìm kiếm các tin nhắn HELLO từ các nút khác, tương tự như beacon trong tầng MAC theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 Nếu sau một khoảng thời gian nhất định, nút không nhận được bất kỳ HELLO message nào, nó sẽ trở thành nút gốc và gửi lại thông báo HELLO tới các nút lân cận Nút gốc mới này sẽ chờ yêu cầu kết nối từ các nút xung quanh trong một khoảng thời gian nhất định; nếu không nhận được yêu cầu nào, nó sẽ chuyển về trạng thái nút bình thường và tiếp tục dò tìm các tin nhắn HELLO Quá trình chọn nút gốc còn dựa trên các tham số như phạm vi truyền, công suất, vị trí, và khả năng tính toán của từng nút trong mạng, nhằm tối ưu hóa hoạt động và mở rộng mạng lưới hiệu quả.
Hình 2.2 Quá trình chọn nốt gốc (CH)
Sau khi trở thành nốt gốc, nó sẽ phát quảng bá gói tin HELLO_MESSAGE theo chu kỳ, gồm địa chỉ MAC và ID của nốt gốc, giúp các nốt mạng nhận biết và liên lạc Khi các nốt mạng nhận gói HELLO_MESSAGE, chúng sẽ gửi gói yêu cầu kết nối REQ về nốt gốc để thiết lập liên lạc Nốt gốc sẽ phản hồi bằng gói CONNECTION_RESPONSE chứa địa chỉ ID của nốt thành viên, do nốt gốc quy định Để xác nhận, nốt thành viên B sẽ gửi lại gói ACK để xác nhận thông tin, quá trình trao đổi này được mô tả rõ trong hình 2.3.
Hình 2.3 Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên
Trong mạng sao, tất cả các nút đều nằm trong phạm vi phủ sóng của nút gốc, giúp các thành viên liên lạc trực tiếp với nút gốc qua một bước truyền (one-hop) Khi một nhánh phát triển vượt ra ngoài phạm vi này, nó sẽ trở thành cấu trúc mạng liên lạc đa bước truyền (multihop), mở rộng khả năng kết nối trong mạng.
Hình 2.4 Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc
Trong mạng lưới, nốt gốc chỉ có thể quản lý một số hữu hạn nốt và các nhánh của mạng cũng chỉ có khả năng mở rộng trong phạm vi giới hạn Điều này dẫn đến việc nốt mạng phải từ chối kết nối với những nốt mới khi vượt quá khả năng quản lý, nhờ vào việc chỉ định một ID đặc biệt cho từng nốt Bảng danh sách các nốt lân cận và tuyến đường luôn được cập nhật liên tục qua gói tin HELLO_MESSAGE để duy trì thông tin chính xác Nếu trong một khoảng thời gian nhất định, một nốt không được cập nhật thông tin, nó sẽ bị loại bỏ khỏi mạng, đảm bảo tính hiệu quả và ổn định của hệ thống.
Trong một mạng tự tổ chức như mạng loại này, việc một nút mạng nhận gói tin HELLO_MESSAGE từ nhánh khác là điều không thể tránh khỏi Khi điều này xảy ra, nút mạng sẽ tự động thêm địa chỉ ID của nhánh mới (CID) vào danh sách các nút lân cận của nó và gửi báo cáo tình trạng đường truyền tới nút gốc (CH) Điều này giúp nút gốc có thể xác định được nhánh mạng nào đang tranh chấp để xử lý kịp thời, đảm bảo sự vận hành thông suốt của mạng tự tổ chức.
Bản tin báo cáo tình trạng kết nối bao gồm danh sách các ID nốt lân cận, giúp nốt gốc hiểu rõ cấu trúc mạng để tối ưu hóa hoạt động Khi cần điều chỉnh cấu trúc mạng, nốt gốc (CH) sẽ gửi bản tin cập nhật đến các nốt thành viên, yêu cầu cập nhật thông tin về nốt gốc và tiếp tục truyền báo đến các nốt ở cấp thấp hơn trong hệ thống Quá trình này đảm bảo mạng lưới luôn duy trì sự chính xác và linh hoạt trong việc thích ứng với các thay đổi.
Khi một nút thành viên gặp sự cố và không thể kết nối, nút gốc cần định dạng lại tuyến đường để duy trì kết nối mạng Thông qua các báo cáo tình trạng đường truyền định kỳ, nút gốc có thể xác định chính xác vấn đề của nút mạng đó Tuy nhiên, nếu nút gốc gặp sự cố liên lạc, việc phát bản tin HELLO_MESSAGE theo chu kỳ sẽ bị gián đoạn, dẫn đến mất khả năng kiểm soát nút gốc Trong trường hợp này, nhánh mạng sẽ phải tự định dạng lại từ đầu theo quy trình tương tự như quá trình định dạng lại nhánh cây, đảm bảo mạng vận hành ổn định và liên tục.
2.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh Để tạo định dạng lên loại mạng này thì cần phải sử dụng thiết bị gốc (DD) Thiết bị này có trách nhiệm gán địa chỉ ID nhóm (địa chỉ này là duy nhất) cho các nốt gốc(CH) Địa chỉ ID nhóm này kết hợp với địa chỉ ID nốt (là địa chỉ NID mà nốt gốc gán cho các nốt thành viên trong nhánh của mình) tạo ra địa chỉ logic và đựợc sử dụng trong các gói tin tìm đường Một vai trò quan trọng nữa của thiết bị gốc DD là tính toán quãng đường ngắn nhất từ nhánh mạng tới DD và thông báo nó tới tất cả các nốt mạng
Hình 2.5 Gán địa chỉ nhóm trực tiếp
Khi thiết bị gốc DD tham gia vào mạng, nó hoạt động như một nút gốc của nhánh số 0 (CID 0) và gửi quảng bá HELLO_MESSAGE tới các nút lân cận Khi một nút gốc (CH) nhận được thông điệp này, nó gửi yêu cầu kết nối tới DD để gia nhập CID 0, đồng thời yêu cầu DD cấp phát một ID nhánh (CID) mới cho mình Do đó, nút gốc này có hai địa chỉ logic: một để truy cập vào CID 0, và một để xác định chính nó như một nút gốc Khi tạo ra một nhánh mới (CID mới), nút gốc gửi thông báo đến các thành viên trong nhánh bằng bản tin HELLO_MESSAGE, giúp duy trì cấu trúc mạng lưới và đảm bảo kết nối liên tục.
Hình 2.6 Gán địa chỉ nhóm qua nốt trung gian
Khi một thành viên nhận được bản tin HELLO_MESSAGE từ thiết bị DD, nó sẽ thêm địa chỉ ID của CID 0 vào danh sách thành viên và thông báo cho nút gốc Nút gốc sẽ chọn nút thành viên này làm nút trung gian để thiết lập kết nối giữa nó và các thành viên khác Nút trung gian gửi yêu cầu kết nối mạng tới các nút thành viên khác nhằm thiết lập kết nối với thiết bị DD Sau khi nhận được phản hồi về CID từ thiết bị DD, nút trung gian sẽ gửi bản tin đáp ứng để hoàn tất quá trình thiết lập mạng.
Bản tin này cung cấp thông tin về địa chỉ ID nhánh mới cho nốt gốc CH Sau khi nốt gốc được cấp CID mới, các thành viên trong nhánh của nốt gốc sẽ nhận được thông báo thông qua tin nhắn HELLO_MESSAGE Việc cập nhật địa chỉ ID nhánh giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và thống nhất trong quản lý dữ liệu Thông tin này quan trọng để đảm bảo các thành viên trong nhánh nhận đúng thông tin mới nhất về nốt gốc CH.
Hình 2.7 Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc
Hình 2.8 Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc và nốt trung gian
Trong hệ thống mạng, khả năng tự tổ chức mạng thể hiện tính linh hoạt và mạnh mẽ, giúp mạng duy trì hoạt động ổn định và dễ thích nghi Quá trình phân chia mạng diễn ra theo thứ tự, trong đó nhánh mạng trước có nhiệm vụ gán CID cho nhánh mạng sau, đảm bảo sự liên kết và quản lý hiệu quả Các bước này được minh họa rõ nét hơn qua các hình 2.5, 2.6, 2.7 và 2.8, giúp người dùng dễ dàng hình dung quá trình tự tổ chức mạng.
Trong cấu trúc cây mạng, mỗi thành viên của nhánh phải ghi lại thông tin về nhánh gốc và các nhánh con, hoặc ID của nút trung gian nếu có Thiết bị gốc đảm nhận nhiệm vụ lưu giữ toàn bộ dữ liệu liên quan đến cấu trúc cây mạng, giúp đảm bảo quản lý và theo dõi mạng hiệu quả Việc ghi nhận chính xác thông tin các nút trong hệ thống là yếu tố then chốt để duy trì hoạt động ổn định và tối ưu hóa mạng lưới.
Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) là phương pháp tránh xung đột trong mạng không dây bằng cảm biến sóng, đặc biệt dùng cho chuẩn IEEE 802.15.4 Các thiết bị trong mạng liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền dữ liệu, đảm bảo tránh xung đột khi nhiều thiết bị cùng truy cập mạng (đa truy cập) Phương pháp này cho phép nhiều thiết bị cùng chia sẻ tài nguyên mạng không dây bằng cách mỗi thiết bị phải phát tín hiệu yêu cầu truyền trước khi gửi dữ liệu thật sự, giúp hạn chế xung đột ngay cả khi các trạm cố gắng truy cập cùng lúc, đặc biệt trong các mạng lớn với khoảng cách truyền dài.
Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng để phát dữ liệu hoặc khung tin MAC trong phần CAP, trong khi không áp dụng cho các khung beacon, Ack hoặc dữ liệu trong phần CFP Trong mạng PAN, CSMA-CA gán khe thời gian, còn nếu không gán khe thời gian, thuật toán sẽ không sử dụng cơ chế này Trong cả hai trường hợp, thuật toán đều bổ sung khối thời gian backoff, bằng với tham số aUnitBackoffPeriod Khi CSMA-CA gán khe thời gian, biên của thời gian backoff mỗi thiết bị trong mạng sẽ được sắp xếp theo biên của khe siêu khung của thiết bị điều phối PAN, buộc thiết bị phải xác định biên thời gian backoff kế tiếp mỗi lần muốn truyền dữ liệu trong CAP Ngược lại, trong CSMA-CA không gán khe thời gian, khoảng thời gian backoff của các thiết bị trong mạng không cần đồng bộ với nhau.
Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán
Mỗi thiết bị trong thuật toán chứa 3 biến số chính là NB, BW, BE, trong đó NB thể hiện số lần thiết bị cần rút lui khi truyền dữ liệu, bắt đầu từ giá trị 0, còn biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, bắt đầu từ 2 để xác định thời gian làm sạch kênh trước khi phát Biến BE (backoff_exponent) quy định khoảng thời gian chờ trước khi truy nhập kênh, và dù thiết bị hoạt động trong CAP, nó vẫn bỏ qua các khung tin nhận trong thời gian này Thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian xác định NB, CW, BE trước khi truyền dữ liệu, đồng thời thiết lập giới hạn cho các khoảng backoff tiếp theo Khi không gán khe thời gian, NB và BE được thiết lập sẵn Trong quá trình hoạt động, tầng MAC chọn ngẫu nhiên một khoảng delay trong phạm vi 0 đến 2*BE -1, sau đó kiểm tra kênh truyền có rỗi hay không Nếu kênh bận, NB và BE tăng lên 1, đảm bảo không vượt quá giá trị tối đa aMaxBE; trong giai đoạn này, truyền dữ liệu và ACK phải hoàn tất trước khi kết thúc CAP trên siêu khung, nếu không buộc phải chờ siêu khung tiếp theo và CW có thể được reset về 2 Nếu NB nhỏ hơn hoặc bằng macMaxCSMABackoffs, thiết bị sẽ trở lại bước kiểm tra kênh với khả năng báo lỗi truy cập Ngược lại, nếu kênh rỗi, trong gán khe thời gian, tầng MAC giảm CW đi 1 và tiếp tục kiểm tra nếu CW chưa về 0 Các bước này đảm bảo quy trình truy cập kênh linh hoạt, hiệu quả, phù hợp với thuật toán CSMA-CA để giảm thiểu xung đột và tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu.
CW=0 thì thông báo truy nhập kênh thành công Còn trong CSMA-CA không gán khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi
Trong chương này, chúng ta tiếp tục phân tích các thuật toán định tuyến của ZIGBEE/IEEE 802.15.4, bao gồm thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) và thuật toán hình cây AODV là thuật toán định tuyến theo yêu cầu, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu trong mạng Thuật toán hình cây cung cấp giải pháp định tuyến dựa trên cấu trúc cây, thích hợp cho các mạng không cố định Cả hai thuật toán đều đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4.
Trong thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV, quá trình thiết lập tìm đường đi đến đích được nghiên cứu kỹ lưỡng, nhấn mạnh mục tiêu chỉ phát quảng bá các gói tin dò đường khi thực sự cần thiết hoặc có yêu cầu từ các nút mạng.
Trong thuật toán hình cây, có hai loại chính là thuật toán hình cây đơn nhánh và thuật toán hình cây đa nhánh Chương đã cung cấp ví dụ rõ ràng giúp người đọc hiểu quá trình định tuyến từ nút gốc đến các node thành viên, cũng như cách gán địa chỉ nhóm qua node trung gian, gán địa chỉ qua node gốc, và gán địa chỉ nhóm qua node gốc và node trung gian Những kiến thức này đóng vai trò nền tảng để chúng ta có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong các chương tiếp theo.
Trong thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA, mỗi nút mạng sẽ phát tín hiệu yêu cầu truyền dữ liệu trước khi thực sự gửi dữ liệu, giúp giảm thiểu xung đột mạng Phương pháp này được ứng dụng trong chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4, đảm bảo hiệu quả truyền thông và tối ưu hóa hiệu suất mạng không dây CSMA-CA đóng vai trò quan trọng trong quản lý truy cập mạng, nâng cao độ tin cậy và ổn định cho các hệ thống IoT và mạng cảm biến không dây.
Chương này giới thiệu những đặc điểm và những yêu cầu cơ bản nhất của bộ trình diễn PICDEM Z Những chủ đề cần được hiểu trong chương này gồm:
- Những việc mà bộ trình diễn PICDEMZ làm
- Những thành phần của bộ trình diễn PICDEM Z
- Tổng quan về bộ trình diễn PICDEM Z
3.1 Giới thiệu về bộ trình diễn PICDEM Z
Bộ trình diễn PICDEM Z được thiết kế để giúp các nhà phát triển đánh giá và thử nghiệm các giải pháp Zigbee của Microchip, cung cấp hai nút để tạo mạng Zigbee đơn giản Người dùng có thể mua thêm nút mạng nếu cần mở rộng mạng của mình Các ứng dụng demo được lập trình sẵn và có thể cấu hình linh hoạt mà không cần chỉnh sửa mã nguồn, nhờ vào việc sử dụng Microchip Stack miễn phí từ trang web của Microchip Mỗi nút gồm có một board mạch chủ và một card RF, trong đó board mạch chủ PICDEM Z được thiết kế tương thích với nhiều loại bộ thu phát RF khác nhau, và Microchip liên tục cập nhật hỗ trợ cho các bộ RF mới Ngoài mục đích trình diễn chức năng Zigbee tiêu chuẩn, bộ PICDEM Z còn hỗ trợ phát triển các ứng dụng dựa trên giao thức Zigbee, đi kèm mã nguồn hoàn chỉnh của Microchip Stack cho phép tùy chỉnh và mở rộng dễ dàng.
3.2 Thành phần của bộ trình diễn PICDEM Z
Bộ trình diễn PICDEM Z gồm những thành phần sau:
- 2 board mạch chủ trình diễn PICDEM Z
- Đĩa CD “The Microchip software CD for Zigbee CD-ROM”, trong đó giữ chương chình demo và mã nguồn cho Microchip Stack
- Tài liệu Manual (bao gồm trong đĩa CD-ROM định dạng Adobe)
- Một card đăng kí được chứng nhận
Board PICDEM Z là lựa chọn lý tưởng để bắt đầu phát triển ứng dụng dựa trên giao thức Zigbee, tích hợp đầy đủ các đặc tính cần thiết cho người dùng Board sử dụng vi điều khiển Microchip PIC18 phù hợp cho các dự án IoT và mạng lưới không dây Phần mềm được lập trình sẵn giúp người dùng dễ dàng ước lượng và vận hành board ngay sau khi lấy ra khỏi hộp, không cần lập trình bổ sung hay cấu hình phức tạp Đây là giải pháp tối ưu cho các dự án khám phá và triển khai công nghệ Zigbee nhanh chóng và hiệu quả.
Hình 3.1 Bo mạch chủ PICDEM Z
Những đặc điểm trên board mạch trình diễn PICDEM Z bao gồm:
Microcontroller socket (U4) trên board có các chân DIP 40 và 28, tạo sự linh hoạt chọn vi điều khiển Microchip PIC18 phù hợp Board được trang bị sẵn với vi điều khiển PIC18LF4620 hiệu năng cao, khóa ở tần số 4MHz và đã được lập trình sẵn với ứng dụng demo dựa trên Microchip stack Mỗi vi điều khiển trên board đều có nhãn nhận diện, cho biết vai trò của nó trong hệ thống, chẳng hạn như Zigbee Coordinator hoặc Zigbee RFD, giúp người dùng dễ dàng xác định chức năng của từng thiết bị trong dự án.
- Temperature sensor (U3: TC77) Đây là một cảm biến nhiệt 5 chân với một PSI (per square inche = trên mỗi inche vuông) bề mặt của Microchip
User-defined LEDs (D1, D2) là các diode phát sáng được điều khiển bởi các chân tín hiệu số vào ra, dùng để mô phỏng tín hiệu ngõ ra tới thiết bị kết nối Những LED này có thể được bật tắt thông qua các chân nhảy JP2 và JP3, với chế độ mặc định là bật nhờ chân nhảy ngắn cố định theo vệt PCB Nếu cần thiết, bạn có thể cắt vệt và cài đặt chân nhảy theo ý muốn để tùy chỉnh chế độ hoạt động của các diode phát sáng này.
Người dùng có thể sử dụng các nút nhấn tùy chỉnh (S2, S3) để kết nối với các chân tín hiệu vào ra trên bộ điều khiển, giúp mô phỏng tín hiệu ngõ vào trong các ứng dụng nhúng Các nút này không cần gạt bên ngoài điện trở, chỉ cần kích hoạt tùy chọn bật trong PORTB để đảm bảo đọc đúng trạng thái chuyển đổi của nút Điều này giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và tăng tính linh hoạt trong các dự án điện tử của bạn.
- Reset Push Button (S1): Nút chuyển này cố định đến chân MCLR trên bộ điều khiển, và nó được dùng để reset lại cho board mạch
Chỗ kết nối RJ-11 (6 dây) Modular Connector (J5) cho phép board mạch thiết lập kết nối đến hệ thống Microchip MPLAB ICD2, hỗ trợ lập trình và gỡ lỗi nâng cao cho vi điều khiển.
Chân kết nối RS-232 (DB9F) (P1) cho phép board mạch giao tiếp với các board mạch khác hoặc cổng Serial của PC Chương trình demo đã được lập trình sẵn để sử dụng kết nối này trong mục đích giao tiếp với PC và cung cấp các tùy chọn cấu hình ứng dụng Nếu cần thiết, bạn có thể ngắt kết nối RS-232 khỏi bộ điều khiển bằng cách làm gãy vệt PCB trên chân nhảy J3 để đảm bảo an toàn và linh hoạt trong quá trình vận hành.
RF Card Connector (J2) là đầu kết nối chung dùng để kết nối tất cả các loại thẻ RF, đảm bảo khả năng mở rộng và thuận tiện cho hệ thống của bạn Đầu kết nối này cung cấp nguồn DC +3.3V ổn định, cùng với một tuyến SPI để truyền dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các tín hiệu điều khiển số vào ra khác nhau, giúp hệ thống hoạt động linh hoạt và chính xác hơn trong việc xử lý các tín hiệu RF.
- Prototype Area: Một vùng nguyên mẫu được cung cấp cho breadboard thêm vào circuitry để phát triển
- On-board Power: Một bộ điều phối theo board mạch cung cấp 9V DC đến 3.3V
Thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn
Để quan sát đầy đủ các chức năng của các ứng dụng demo, cần có một node Demo Coordinator và một node Demo RFD với các card RF giống nhau Hai ứng dụng demo này được lập trình sẵn để thực hiện điều khiển từ xa các thiết bị LED và công tắc Để hiểu rõ hơn về các ứng dụng demo này, bạn có thể tham khảo ghi chú AN965 của Microchip.
Microchip tack for the ZigBee™ Protocol (DS00965) [2]
Các ứng dụng demo hoạt động hoàn toàn độc lập và không cần giao diện cho máy chủ Tuy nhiên, khi truy cập vào máy chủ, bạn có thể sử dụng nó để theo dõi nhật ký hoạt động của các ứng dụng, giúp dễ dàng hiểu và xử lý các vấn đề cài đặt Một giao diện dành riêng cho máy chủ rất hữu ích trong việc giúp bạn quản lý, kiểm tra và sửa chữa các sự cố liên quan đến các ứng dụng demo đã lập trình sẵn Để thực thi một ứng dụng demo, bạn chỉ cần làm theo các bước hướng dẫn đã có sẵn trong hệ thống.
- Chắc chắn rằng ta đã ráp từng node bằng cách gài card RF vào board mạch chủ
- Cắt nguồn cung cấp cho cả hai board mạch, nếu nó được cấp nguồn từ trước
- Tại vị trí nút Coordinator tìm kiếm nhãn “COORD…”trên bộ điều khiển
Không bắt buộc phải kết nối nút Coordinator với cổng nối tiếp của máy tính PC để bắt đầu chương trình Terminal như hyperTerminal trên Windows XP Bạn chỉ cần chọn cổng COM phù hợp và thiết lập tốc độ truyền dữ liệu là 19200 bps, với cấu hình 8-N-1 và không sử dụng kiểm soát luồng, đảm bảo quá trình giao tiếp diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
To power the Coordinator button, ensure both LED diodes D1 and D2 are lit simultaneously, followed by D2 turning on When successfully connected to a PC, the Terminal program will display the message "New network successfully started," indicating the network has been established properly.
- Bây giờ xác định vị trí nút RFD bằng cách tìm nhãn “RFD…” trên bộ điều khiển
Kết nối nút RFD không bắt buộc phải thực hiện, nhưng để bắt đầu sử dụng, bạn cần kết nối nó tới một cổng nối tiếp của máy tính PC Sau đó, khởi động chương trình Terminal và chọn cổng COM phù hợp với thiết bị của bạn Đặt tốc độ truyền dữ liệu là 19200 bps, cấu hình 8-N-1, và không bật chế độ flow control để đảm bảo kết nối ổn định.
Giữ nút Coordinator đến khi có điện và cấp nguồn cho nút RFD, sau đó quan sát đèn D1 và D2 đồng thời sáng rồi chỉ còn đèn D2 sáng để xác nhận kết nối Nếu kết nối thành công đến PC, đèn D2 sẽ sáng trong vòng 1 đến 2 giây và Terminal hiển thị “Rejoin successful” Trong trường hợp không xuất hiện thông điệp hoặc hiển thị “Rejoin failed”, cần kiểm tra xem node Coordinator đã hoạt động tốt, thiết lập lại nút RFD và thử lại để đảm bảo kết nối ổn định.
- Tại thời điểm này, các node RFD đã liên kết thành công với các node Coordinator
- Nhấn S2 trên node RFD và quan sát rằng D1 trên node Cordinator công tắc on/off
Nhấn nút S2 trên thiết bị Coordinator và quan sát đèn D1 trên nút RFD sẽ thay đổi sau vài phút, cho thấy sự phản hồi từ mạng lưới IoT Sự trì hoãn này xảy ra do tần số dò hỏi của node RFD đối với node Coordinator, thể hiện quá trình giao tiếp định kỳ trong hệ thống tự động hóa nhà thông minh Hiểu rõ quá trình này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống và đảm bảo các thiết bị kết nối ổn định, liên tục.
Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo
Các ứng dụng demo được lập trình sẵn và cấu hình sẵn khi xuất xưởng với các thiết lập cụ thể như node nhận dạng, liên kết mạng và ràng buộc thông tin Khi cần thiết, người dùng dễ dàng thay đổi các cấu hình này thông qua một PC chạy chương trình Terminal RS-232, giúp tùy chỉnh hệ thống theo yêu cầu một cách linh hoạt và hiệu quả.
Ứng dụng Demo Coordinator và Demo RFD sử dụng giao diện terminal giống nhau với các phần nhỏ trong cài đặt tùy chọn Một số tùy chọn được thực hiện thông qua chuỗi chuyển đổi tiến trình mà không cần phần mềm terminal Để thực hiện các bước yêu cầu kết nối terminal, cần có quyền truy cập tối thiểu một cáp RS-232 (DB9, male-to-female), một máy tính chủ có ít nhất một cổng nối tiếp còn hoạt động và một chương trình terminal chuẩn.
3.4.1 Thay đổi giá trị ID ode
Theo tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.15.4, mỗi node ZigBee yêu cầu một địa chỉ MAC 64-bit duy nhất, trong đó 24-bit được cấp từ tổ chức OUI (Organization Unique Identifier) của IEEE, còn 40-bit còn lại do nhà sản xuất cấp Trong các ứng dụng demo PICDEM Z, địa chỉ MAC hoàn chỉnh được tạo bằng cách kết hợp OUI của Microchip là 00-04-A3, mà không cần phải thêm phần mở rộng nào khác.
Giá trị 16-bit của nút ID nhãn được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển trên board Các board mạch PICDEM Z được cấu hình sẵn với giá trị ID node riêng biệt khi xuất xưởng, giúp xác định chính xác từng thiết bị trong hệ thống Khi cần thiết, người dùng có thể dễ dàng thay đổi giá trị ID node để phù hợp với yêu cầu vận hành hoặc tích hợp vào hệ thống mới, đảm bảo tính linh hoạt và tùy chỉnh cao.
ID node bằng cách làm theo các bước sau
Lưu ý rằng các thủ tục dưới đây giả định bạn đang sử dụng chương trình HyperTerminal của Microsoft, tuy nhiên có thể sử dụng bất kỳ chương trình Terminal nào phù hợp với yêu cầu, miễn là cổng kết nối được thiết lập chính xác Việc thiết lập cổng cài đặt đúng là bước quan trọng để đảm bảo kết nối thành công và gửi nhận dữ liệu một cách ổn định Các bước cấu hình cổng và kết nối trong phần hướng dẫn sẽ giúp bạn dễ dàng thiết lập môi trường giao tiếp phù hợp với thiết bị hoặc hệ thống của mình Việc lựa chọn phần mềm Terminal phù hợp theo nhu cầu sẽ giúp nâng cao hiệu quả công việc và đảm bảo hoạt động trơn tru của hệ thống liên lạc.
Làm theo các bước sau để sửa đổi một giá trị ID nút:
- Kết nối một nút PICDEM Z tới một cổng nối tiếp có sẵn trên máy tính, sử dụng một cáp nối DB9 RS-232 thẳng male-to-female
- Chạy HyperTerminal (Start>Programs>Accessories>Communications)
- Trong hộp thoại “Connect To”, chọn cổng COM mà board mạch PICDEM Z được kết nối đến Nhấn OK
Cổng nối tiếp đã được cấu hình kết nối đến nút PICDEM Z với các thông số chuẩn gồm tốc độ truyền 19200 bps, 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng, không sử dụng kiểm tra parity và không kiểm soát luồng dữ liệu, đảm bảo kết nối ổn định và chính xác cho quá trình giao tiếp.
- Nhấn OK để bắt đầu kết nối
- Mở hộp thoại “Properties” bằng cách chọn File>Properties
- Chọn thanh tab “Settings” và nhấn ASCII Setup…
- Đánh chọn “Echo typed characters locally”
- Nhấn OK để tắt tất cả các hộp thoại đang mở
- Cấp nguồn cho Nút trong khi vẫn giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả Reset và công tắc S3 và sau đó cắt điện công tắc Reset
Dưới đây là menu cấu hình hiển thị trong cửa sổ terminal, với tiêu đề chính xác phụ thuộc vào loại node đã được cấu hình và ngày thiết lập hệ thống Các tùy chọn trong menu giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh và quản lý các thiết lập của node một cách hiệu quả Việc cập nhật cấu hình từ menu này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và phù hợp với yêu cầu sử dụng Thông tin hiển thị trong menu cấu hình cung cấp các tùy chọn quan trọng giúp tối ưu hóa quy trình vận hành của node.
***************************************************************** ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0)
3 Perform quick demo binding (Must perform #2 first)
4 Leave a previously joined network (Must perform #2 first)
- Đánh 1 để thay đổi giá trị Node ID
- Theo các kiến trúc để nhập vào giá trị Node ID
- Nhấn Reset ở trên node hoặc đánh 0 để thoát chế độ cấu hình và chạy ứng dụng
3.4.2 Thay đổi cấu hình Association và Binding
Những node PICDEM Z được cấu hình khi xuất xưởng gồm những cài đặt sau:
1 Node demo RFD thì được liên kết với node demo Coordinator
2 Công tắc S2 trên node demo RFD thì biễu diễn bởi LED D1 trên node demo Coordinator
3 Công tắc S2 trên node demo Coordinator thì biễu diễn bởi LED D1 trên node demo RFD
Nó mô tả các cấu hình cho phép điều khiển LED D1 trên một node khác khi nhấn nút S2 trên mỗi node, giúp dễ dàng tùy chỉnh theo nhu cầu Người dùng có thể sửa đổi các cấu hình này bằng thủ tục binding thường dùng trong các ứng dụng demo, ví dụ như liên kết S2 tại node RFD đến D1 của cùng hoặc node RFD khác, đảm bảo có nhiều node RFD trong hệ thống để mở rộng khả năng điều khiển.
Mặc dù các thủ tục sau đây không yêu cầu sử dụng PC, nhưng bạn có thể dùng PC để giám sát các thông điệp cài đặt hiển thị bởi ứng dụng demo, giúp hiểu rõ và sửa chữa quá trình cài đặt hiệu quả hơn Việc quan sát các thông điệp này có thể thực hiện bằng cách sử dụng một chương trình Terminal với cài đặt 19200 bps, 8-N-1, không kiểm soát dòng, mang lại thông tin chi tiết về quá trình cài đặt.
Làm theo sau để sửa đổi các cấu hình association và binking:
1 Cắt nguồn tất cả các node
2 Cấp nguồn cho node Coordinator (là node có nhãn là “COORD…” trên bộ điều khiển) tránh nhấn bất kì công tắc nào, hoặc nếu đã có nguồn sẵn, dễ dàng thiết lập lại board mạch bằng cách nhấn công tắc Reset, điều này đưa node Coordinator vào trạng thái hoạt động bình thường Quan sát rằng D1 và D2 sáng sau ngay lập tức sau khi đèn D2 sáng trước Nếu kết nối được với một chương trình Terminal, thông báo rằng thông điệp
The message "New network successfully started" indicates that the process has been completed successfully However, if an error message appears, it signifies that the demo Coordinator was unable to find an available RF channel Ensuring a clear RF channel is essential for proper network initialization and optimal performance Troubleshooting involves checking for existing RF conflicts and selecting an unoccupied channel to establish a new network successfully.
3 Trong khi vẫn giữ node Coordinator được cấp điện, thì cấp nguồn cho node RFD (một node với nhãn “RFD…” trên chip điều khiển) trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả công tắc Reset và S3; sau đó thả công tắc Reset ra Quan sát rằng đèn D1 và D2 đều sáng Nếu kết nối đến một chương trình
Terminal, thông báo là danh mục cấu hình được hiển thị
4 Nếu có nhiều hơn một node RFD, có thể tiếp tục lại bước 3 cho mỗi node RFD
5 Nhấn S2 trên node RFD để bắt đầu chuỗi liên kết với Coordinator Nếu được kết nối với chương trình Terminal, thông điệp thông báo “Succesfully associated” được hiển thị Nếu thông điệp này không được hiển thị, thì ta kiểm tra lại nguồn cho node Coordinator được cấp và nó hoạt động ở chế độ bình thường Nếu máy tính có hai cổng nối tiếp và node demo Coordinator đang kết nối với máy tính, chú ý rằng Terminal hiển thị thông điệp “A new node has just joined”
6 Nếu có nhiều hơn một node RFD, nhấn S2 trên mỗi node RFD để liên kết chúng với node Coordinator
7 Từ đó có nhiều khác biệt liên kết của ràng ruộc một cấu hình có thể có Bảng 3.1 được sử dụng để mô tả chuỗi các bước cần thiết của mỗi sự kết hợp
Bảng 3.1 Các bước cho ràng buộc cấu hình Để ràng buộc Công tắc S2 mở Để ràng buộc LED D1 mở Kết quả
RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3
Coordinator: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2
S3 trên RFD được ràng buộc đến D1 trên Coordinator
Coordinator: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3
RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2
S3 trên Coordinator được ràng buộc đến D1 trên RFD
RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3
RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2
S3 trên RFD được ràng buộc đến D1 trên RFD còn lại
RFD1: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3
RFD2: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2
S3 trên RFD #1 được ràng buộc đến D1 trên RFD#2
Coordinator: không áp dụng Coordinator: không áp dụng Không được phép
Trong quá trình thực hiện, đèn diode D1 và D2 trên các node sẽ lần lượt chuyển đổi giữa trạng thái on và off, phản ánh quá trình hoạt động Khi node kết nối với terminal RFD, nó sẽ hiển thị thông điệp “Attempting to bind…”, còn terminal của node Coordinator sẽ hiển thị “Received valid…”, báo hiệu quá trình ràng buộc đã được xác nhận Để hoàn tất quá trình ràng buộc, cần đảm bảo cả hai điều kiện: công tắc S2 mở và LED D1 hoạt động, nhằm đảm bảo thành công trong việc liên kết các thiết bị.
8 Nhấn công tắc Reset trên mỗi node RFD để bắt đầu thực thi bình thường Nếu kết nối đến chương trình Terminal, thông điệp “Rejoin successful” được hiển thị
9 Phụ thuộc vào cách ràng buộc được thực hiện, nhấn S2 trên node để chắc chắn rằng D1 trên node tương tự hoặc khác sẽ thay đổi
Lưu ý: Để hoàn thành quá trình điều khiển D1 trên node khác hoặc tương tự, node Coordinator phải được hoạt động và chạy ở chế độ bình thường.
Kiểm tra hiệu suất RF
Các ứng dụng demo PICDEM Z cung cấp hai danh mục tùy chọn đặc biệt để kiểm tra hiệu suất RF Trong đó, danh mục tùy chọn 6 và 7 cho phép truyền hoặc nhận tín hiệu không điều khiển liên tục, hoặc tín hiệu điều khiển, giúp tối ưu hóa khả năng kiểm tra và đánh giá hiệu quả hoạt động của các thiết bị RF.
Thực hiện theo những bước sau:
1 Tắt nguồn tất cả các node
2 Kết nối node đến một PC sử dụng cable chuẩn RS-232
3 Chạy chương trình Terminal trên PC và mở cổng COM thích hợp với những cấu hình sau: 19200 bps, 8-N-1, và no flow control
4 Bật nguồn cho node trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai công tắc Reset và S3, sau đó thả công tắc S3 Quan sát D1 và D2 thì mở Chú ý rằng chương trình Terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau (tiêu đề văn bản dưới phụ thuộc vào loại của node mà ta cố gắng kiểm tra):
***************************************************************** ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0)
3 Perform quick demo binding (Must perform #2 first)
4 Leave a previously joined network (Must perform #2 first)
0 Save changes and exit Enter a menu choice:
5 Bật nguồn lên, ứng dụng demo chọn kênh rất đầu tiên có sẵng trong dải băng tần cụ thể bộ thu phát RF Một ví dụ, cho băng tầng có tần sồ 2.4Ghz, bật nguốn lên, kênh 11 được chọn Có thể thay đổi đến kênh tiếp theo bằng cách chọn tùy chọn
“change to next channel” lập đi lập lại cho đến khi đọc được kênh mong muốn Chú ý đếm số lần danh mục tùy chọn được gõ
6 Đánh 6 (hoặc 5 nếu kiểm tra demo Coordinator) để truyền một tín hiệu không được điều khiển liên tiếp, hoặc đánh 7 (hoặc 6 nếu kiểm tra demo Coordinator) để truyền một tín hiệu được điều khiển ngẫu nhiên liên tiếp Bấy giờ có thể dùng bất kì trình phân tích mạng RF chuẩn để đánh giá hiệu xuất RF
7 Một lần chọn hoặc kiểm tra tùy chọn, phải reset lại board mạch để thực hiện bất kì hoạt động khác.
Sửa đổi cấu hình phần cứng
Những board PICDEM Z được thiết kế để linh hoạt trong giới hạn của dùng/không dùng các thành phần cấu thành trên board và thêm mạch mới vào
J2 Để kết nối / cắt kết nối trên board RS-232 bộ điều khiển đến PICmicro
(RC6 và RC7 được nối bởi đường PCB lần lượt đến RX và TX)
JP2 Để dùng / không dùng LED D1 (nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn PCB)
JP3 Để dùng / không dùng LED D2 (nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn PCB)
JP4 Để đo lường kéo hiện tại của toàn bộ board (sản xuất được nối đường vệt
Phát triển ứng dụng
Bộ PICDEM Z đi kèm với đầy đủ tập tin nguồn cho Microchip Stack theo chuẩn giao thức ZigBee, hỗ trợ người dùng xây dựng các ứng dụng kết nối không dây hiệu quả Tham khảo tài liệu ứng dụng Microchip AN965 (DS00965) để có thêm thông tin chi tiết về cách sử dụng và tích hợp Microchip cam kết liên tục cải tiến và bổ sung các tính năng mới cho phiên bản hiện tại của Microchip Stack nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy Người dùng có thể truy cập trang web của Microchip để tải xuống phiên bản mới nhất của tập tin mã nguồn Microchip Stack, đảm bảo luôn cập nhật các công nghệ mới nhất.
Tạo tập tin nguồn ứng dụng
Microchip Stack bao gồm các tập tin nguồn cho cả ứng dụng demo Coordinator và RFD, giúp lập trình viên dễ dàng chỉnh sửa hoặc tham khảo để phát triển ứng dụng tùy chỉnh Bạn có thể tùy biến các ứng dụng demo phù hợp với dự án của mình hoặc sử dụng chúng như tài liệu tham khảo để tạo ra sản phẩm riêng Thêm vào đó, tài liệu AN965 (DS00965) cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc cũng như cách xây dựng ứng dụng độc lập, giúp quá trình phát triển phần mềm trở nên dễ dàng hơn.
3.8.1 ập trình ứng dụng Để phát triển ứng dụng, phải lập trình ứng dụng đó vào trong một trong các node PICDEM Z Để thuận lợi dễ dàng nhận dạng node Coordinator và RFD, phần mềm được khuyến cáo là nên lập trình cho ứng dụng Coordinator và RFD cho vào riêng từng node Tuy nhiên, node mà tất cả board mạch chủ PICDEM Z thì chính xác tương tự và có thể được lập trình để chạy ứng dụng Coordinator, RFD hoặc FFD
Bộ PICDEM Z không đi kèm với các công cụ để giải phóng hoặc lập trình lại vi xử lý Để thực hiện việc này, người dùng cần sử dụng một thiết bị lập trình phù hợp để nạp chương trình và cấu hình lại vi điều khiển một cách dễ dàng và hiệu quả.
Bạn có thể sử dụng hệ thống phát triển MPLAB ICD2, cung cấp bộ công cụ đầy đủ để lập trình và sửa lỗi thiết bị Board mạch chủ PICDEM Z có kết nối modular cho phép dễ dàng liên kết với MPLAB ICD2, PRO MATE và các ngôn ngữ lập trình tương thích khác, giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và kiểm thử ứng dụng.
Sử dụng những tùy chọn cấu hình sau khi lập trình vi điều khiển:
1 HS-PLL (or HS) Oscillator Mode để phát triển yêu cầu ứng dụng
2 Watchdog Timer Disabled (những ứng dụng Demo dùng phần mềm được cho dùng Watchdog)
4 Tất cả những tùy chọn khác sẽ được thay đổi cho mỗi yêu cầu
Bạn có thể khôi phục nguyên bản của vi điều khiển chương trình demo bằng cách lập trình lại và cấu hình lại cho node PICDEM Z Có thể sử dụng tập tin hex của hãng đã có sẵn trong đĩa CD phần mềm PICDEM Z hoặc tự xây dựng lại tập tin hex để lập trình vi chip điều khiển Việc này giúp đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình phát triển và cập nhật phần mềm cho hệ thống của bạn.
Dùng tập tin DemoCoordApp.hex cho ứng dụng Demo Coordinator, và
DemoRFDApp.hex cho ứng dụng Demo RFD Nếu muốn xây dựng lại vi chương trình
Bạn có thể tham khảo thêm tài liệu AN965 (DS00965) để hiểu rõ hơn về cấu trúc của hệ thống Chương trình demo được nhúng với tùy chọn cấu hình PICmicro phù hợp, nhằm tối ưu cho phần cứng PICDEM Z Để lập trình vi điều khiển trên bo mạch, cần truy cập vào thiết bị lập trình PICmicro phù hợp, đảm bảo quá trình lập trình diễn ra chính xác và hiệu quả.
Thông tin cấu hình như node ID, liên kết và ràng buộc được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của chip, yêu cầu lập trình lại vi mạch điều khiển để đảm bảo mỗi node được cấu hình đúng trước khi thực hiện chức năng giám sát ứng dụng demo Khi board mạch được lập trình mới, nó sẽ tự động khởi động vào chế độ cấu hình, giúp quá trình thiết lập và vận hành hệ thống trở nên dễ dàng hơn Việc cấu hình lại các node này đảm bảo tiên đoán chính xác, ổn định và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống giám sát dựa trên vi mạch tùy chỉnh.