Thiết kế mạng thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ Zigbee

Nội dung của luận văn sẽ sẽ gồm 3 phần: Chương 1: giới thiệu cơ bản về mạng LRWPAN ZigbeeIEEE 802.15.4. Chương 2: cấu trúc chồng giao thức ZigbeeIEEE 802.15.4 Chương 3:Mô tả về thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ ZigbeeIEEE 802.15.4.

MỤC LỤC

Nội Dung:

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU viii

CHƯƠNG 1: 1

Giới thiệu chung về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4 1

1.1 Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15 1

1.2 Zigbee và IEEE 802.15.4: 3

1.3 So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 : 4

1.4 Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4: 5

1.5 Các thiết bị trong mạng: 7

1.6 Cấu hình mạng: 8

1.7 Kết luận chương 1: 10

CHƯƠNG 2: 11

Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 11

2.1 Tổng quan mô hình chồng giao thức Zigbee: 11

2.2 Lớp vật lý – PHY: 13

2.3 Lớp MAC: 17

2.3.1 Phương thức truy nhập CSMA-CA: 18

2.3.2 Hoạt động sử dụng cột mốc(becacon-enabled) và không sử dụng cột mốc – cấu trúc siêu khung: 19

2.3.3 Phân bố liên khung(interframe spacing): 21

Đồ án tốt nghiệp Mục Lục

2.3.4 Truyền dữ liệu: 22

2.3.5 Định dạng khung MAC: 24

2.4 Lớp mạng NWK: 26

2.4.1 Các phương thức truyền tin: 27

2.4.2 Đặc điểm các cấu hình mạng: 29

2.4.3 Định tuyến nguồn: 32

2.5 Lớp ứng dụng APL: 34

2.6 Kết luận chương 2: 36

CHƯƠNG 3: 39

Mô tả thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây ứng dụng chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 39

3.1 Mô tả chung về ứng dụng: 39

3.2 Giới thiệu về giải pháp Zigbee sử dụng MSP430 và CC2420 của TI: 41

3.2.1 Giới thiệu về IC RF CC2420: 41

3.2.2 Vi điều khiển MSP430FG4618: 42

3.3 Mạch nguyên lý: 43

3.3.1 Thiết kế thiết bị đầu cuối: 43

3.3.2 Thiết kế bộ điều phối: 46

3.4 Phần mềm: 47

3.4.1 Gán địa chỉ mạng: 47

3.4.2 Tạo ràng buộc(binding): 49

3.4.3 Phần mềm cho bộ điều phối và thiết bị đầu cuối 50

3.4.4 Phần mềm quản lý trên PC: 51

3.5 Kết luận chương 3 và kết quả đạt được: 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,

giá thành và tốc độ dữ liệu……… 5

Hình 1.2.Các lớp trong chồng giao thức mạng Zigbee ……… 6

Hình 1.3 Một mạng hình sao ……… 9

Hình 1.4 Một mạng mắt lưới phát triển từ mạng điểm-điểm ……… 9

Hình 1.5 cấu hình hình cây ……… 10

Hình 2.1 Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 ……… 11

Hình 2.2 Khái niệm primitive dịch vụ ……… 13

Hình 2.3 Mô hình tham chiếu PHY IEEE 802.15.4 giao diện với lớp MAC……… 14

Hình 2.4 Phân bố kênh trên các băng tần.……… 15

Hình 2.5 Mô hình tham chiếu lớp MAC ……… 17

Hình 2.6 cấu trúc siêu khung……… 20

Hình 2.7 IFS trong 2 kịch bản ……… 21

Hình 2.8 Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng sử dụng cột mốc……… 22

Hình 2.9 Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng không sử dụng cột mốc 23

Hình 2.10 Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng có sử dụng cột mốc… 23

Hình 2.11 Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng không sử dụng cột mốc 24 Hình 2.12 (a)định dạng của khung MAC và (b) cấu trúc trường Frame Control… 25

Hình 2.13 Giao diện giữa NWK với lớp MAC và APL……… 26

Hình 2.14 Các kiểu phương thức truyền tin (a) Broadcast, (b) Multicast , và (c) Unicast……… 27

Hình 2.15 Multicast được khởi tạo bởi một thiết bị không phải là thành viên của nhóm cần được gửi……… 29

Hình 2.16 Mối quan hệ cha con trong mạng hình cây……… 31

Hình 2.17 Ví dụ về phương thức cấp phát địa chỉ mặc định……… 32

Hình 2.18 định dạng chung của khung lớp mạng ……… 34

Hình 2.19 Cấu trúc của lớp APL ……… 35

Hình 3.1 Sơ đồ chung hệ thống……… 39

Hình 3.2 Cấu trúc của các End Device……… 40

Hình 3.3 Cấu trúc bộ Zigbee Coordinator……… 41

Hình 3.4 Giao diện điều khiển số của CC2420……… 43

Hình 3.5 Khối vi điều khiển……… 44

Hình 3.6 Khối nguồn sử dụng một nguồn chuyển đổi bên ngoài(3.3-12V)………… 45

Hình 3.7 Khối nguồn Pin……… 45

Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ

Hình 3.8 Giao diện JTAG cho lập trình bộ nhớ Flash và gỡ rối……… 45

Hình 3.9 Led chỉ thị và giao diện phím bấm………46

Hình 3.10 Giao diện với module RF……… 46

Hình 3.11 Giao diện UART……… 46

Hình 3.12 Giao diện phần mềm quản lý trên PC……….51

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh Zigbee và Bluetooth……… 4

Bảng 1.2 Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4……….7

Bảng 1.3 Các thiết bị định nghĩa trong ZigBee……….…8

Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu………14

Bảng2.2 Kênh truyền và tần số ……… 14

Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chữ viết

tắt

APL Application Layer Lớp ứng dụng

APS Application Support Sublayer Phân lớp con hỗ trợ ứng dụng

BI Beacon Interval Chu kì cột mốc

BSN Beacon Sequence Number Số hiệu chuỗi kết tiếp cột mốc

BTR Broadcast Transaction Record Bản ghi giao dịch broadcast

BTT Broadcast Transaction Table Bảng giao dịch broadcast

CAP Contention Access Period Khoảng truy cập cạnh tranh

CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh rỗi

CFP Contention-Free Period Chu kì truy cập không cạnh tranh

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance

Đa truy cập cảm ứng sóng mang với chức năng tránh xung đột

DSN Data Sequence Number Số hiệu chuỗi nối tiếp dữ liệu

ED Enery Dectection Phát hiện năng lượng

FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung

FFD Full Function Device Thiết bị chức năng đầy đủ

GTS Guaranteed Time Slot Khi thời gian được đảm bảo

IFS InterFrame Spacing Phân bố liên khung

LIFS Long InterFrame Spacing Phân bố liên khung khung dài

LQI Link Quality Indication Chỉ thị chất lượng liên kết

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập phương tiện MAC-PIB MAC-PAN Information Base Cơ sở thông tin PAN lớp MAC

MLME MAC Layer Management

Entity

Thực thể quản lý lớp MAC

MPDU MAC Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức lớp MAC NIB Network Information Base Cơ sở thông tin lớp mạng

NLDE NWK Layer Data Entity Thực thể dữ liệu lớp mạng

NLME NWK Layer Management

Entity

Thực thể quản lý lớp mạng

PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân

PAN ID PAN Indentifier

PD-SAP PHY Data-Service Access

Point

Điểm truy cập dịch vụ dữ liệu lớp vật

lý

PHY PHYsical layer Lớp vật lý

PHY-PIB PHY-PAN Information Base Cơ sở thông tin PAN lớp vật lý

PLME Physical Layer Management

Entity

Thực thể quản lý lớp vật lý

PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức lớp vật lý RFD Reduced Function Device Thiết bị chức năng rút gọn

RSS Received Signal Strength Cương độ tín hiệu nhận được

SAP Service Access Point Điểm truy cập dịch vụ

SD Superframe Duration Chu kỳ siêu khug

SHR Synchronization Header Mào đầu đồng bộ

SIFS Short InterFrame Spacing Phân bổ liên khung khung ngắn

ZDO Zigbee Device Objects Các đối tượng thiết bị Zigbee

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Xu hướng sử dụng kết nối vô tuyến trong xây dựng các hệ thống mạng ngày càng trở lên phổ cập hiện nay Một ví dụ điển hình mà chúng ta thấy rõ hàng ngày đó là điện thoại di động – một hệ thống mạng không dây cực lớn Mọi người sử dụng điện thoại hàng ngày để giao tiếp hàng ngày với nhau Hay như trong kết nối Internet ngày nay, WIFI với các tính năng tiện lợi đang được sử dụng rất phổ biến cả trên thế giới cũng như trong nước.Có rất nhiều các công nghệ kết nối vô tuyến đã được phát triển trên thế giới, phù hợp cho nhiều các lớp ứng dụng với các yêu cầu khác nhau về tốc độ dữ liệu, băng tần, giá thành, công suất tiêu thụ…

Ở nước ta, hầu hết người sử dụng mới chỉ quen với việc sử dụng các kết nối không dây trong hệ thống mạng di động, kết nối Internet trên công nghệ WIFI(IEEE 802.11a/b/g),WIMAX(IEEE 802.16), hay truyền dữ liệu trên công nghệ Bluetooth Các công nghệ này có một đặc điểm đó là cho tốc độ truyền dữ liệu cao vượt qua 2Mbps Còn một bộ phận các công nghệ không dây khác với tốc độ dữ liệu thấp hơn, công suất tiêu thụ nhỏ hơn và giá thành triển khai thấp hơn phù hợp cho các ứng dụng với yêu cầu về lưu lượng thấp như Zigbee/IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.4, IEEE 1451,… Một số các ứng dụng của các công nghệ này như trong các mạng cảm biến không dây, nhà thông minh… Đây là những công nghệ rất được ít nghe tới ở nước ta song hiện nó đang được ứng dụng mạnh trên thế giới Và trong tương lai không xa, đây sẽ là các xu hướng phát triển mạnh đối với nền công nghiệp điện tử - viễn thông trong nước

Đồ án sẽ trình bày về một trong các công nghệ không dây với các đặc điểm như tốc độ

dữ liệu thấp hơn, công suất tiêu thụ nhỏ hơn và giá thành triển khai thấp đang được sử dụng phổ biến và được nhiều nhà phát triển phần cứng cũng như phần mềm tập trung vào nghiên cứu và sản xuất các công cụ hỗ trợ là chuẩn LR-WPAN(Lowrate-Wireless Personal Area Network) Zigbee/IEEE 802.15.4

Đi kèm trong đồ án một thiết kế về một mạng thu thập dữ liệu nhiệt độ sử dụng chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 cũng được đưa ra nhằm minh họa cho một ứng dụng thực tế của chuẩn

Nội dung của luận văn sẽ sẽ gồm 3 phần:

- Chương 1: giới thiệu cơ bản về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4

Chương này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về PAN, WPAN, hiệp hội ZigBee Ailliance và cơ bản về mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 (các loại thiết bị, các dạng cấu hình), so sánh đánh giá Zigbee/IEEE 802.15.4 với 2 chuẩn không dây phổ biến là Bluetooth và IEEE 802.11

- Chương 2: cấu trúc chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

Chương này sẽ trình bày về cấu trúc của chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, đặc điểm hoạt động của mỗi lớp trong chồng giao thức

- Chương 3:Mô tả về thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4

Chương này sẽ trình bày về thiết kế hệ thống thu thập nhiệt độ sử dụng chồng giao thức Zigbee được xây dựng dựa trên giải pháp phần cứng và phần mềm của TI

Trong suốt thời kỳ làm đồ án, em đã nhận được sự tận tình giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy Nguyễn Ngọc Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án Em cũng xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong khoa Viễn Thông đã nhiệt tình chỉ bảo em trong quá trình học tập và thực hiện đồ án

Em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ phía thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 6 tháng 12 năm 2009

Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Nguyên

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1:

Giới thiệu chung về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4

Nội dung của chương này gồm:

- Giới thiệu về mạng WPAN, LR-WPAN và các nhóm phận sự chịu trách nhiệm chuẩn hóa cho các mạng WPAN 802.15

- Zigbee và IEEE 802.15.4

- Vai trò của IEEE 802.15 và Zigbee Alliance trong xây dựng chuẩn Zigbee

- So sánh và đánh giá Zigbee với một số chuẩn không dây phổ biến khác như Bluetooth, IEEE 802.11

- Sơ lược về mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, các kiểu thiết bị trong mạng và các dạng cấu hình mạng

1.1 Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15

Một WPAN(wireless personal area network) là một mạng PAN(personal area network)

– một mạng kết nối các thiết bị tập trung trong không gian làm việc của một cá nhân –

mà trong đó kết nối dựa trên sóng vô tuyến Một WPAN sử dụng các kĩ thuật cho phép truyền tin với khoảng cách ngắn, khoảng 10m

WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – là các mạng không dây sử dụng chuyển tiếp gói đa hop (multi-hopping), do đó, chúng có khả năng hoạt động mà không cần sự

hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng nào Các mạng không dây adhoc được hình thành bởi một

số loại thiết bị, có thể là hỗn tạp với các khả năng giao tiếp không dây cho phép nó kết nối hoặc dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể Thêm nữa, các thiết bị có thể là di động và vì vậy có thể thay đổi vị trí của nó thường xuyên Các mạng không dây adhoc

với các nút di động được gọi tắt là MANET(Mobile Ad hoc Network) Ngay cả khi

không có khả năng di động, các nút cũng có thể gia nhập hoặc rời mạng bất cứ khi nào, vì vậy các mạng này cần có khả năng tự tổ chức về truy cập phương tiện, định tuyến, và các chức năng mạng khác Các mạng adhoc không dây thường được sử dụng trong các ứng dụng di động, tính toán phân bổ, truy cập di động tới Internet, các mạng mắt lưới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạng đáp ứng tình trạng khẩn cấp,… Thiết kế và phát triển của các mạng này đặt ra một số các thách thức:

- Khả năng tự tổ chức: bởi vì các nút mạng riêng lẻ trong một mạng adhoc không dây có thể gia nhập, rời mạng bất cứ khi nào, và mạng không có cơ sở hạ tầng cố định hỗ trợ nên mạng phải có khả năng tự tổ chức các chức năng trong mạng mỗi khi có sự thay đổi Các giao thức cần hỗ trợ và cung cấp các chức năng xây dựng topo, cấu hình lại mạng, bảo trì mạng, cũng như định tuyến, giám sát lưu lượng và điều khiển truy nhập…

- Khả năng mở rộng: là khả năng giữ nguyên các tham số hiệu năng của mạng bất chấp có sự thay đổi lớn về số nút được triển khai trong mạng Khả năng này phụ

thuộc vào phí tổn điều khiển ở các lớp(vật lý, MAC, mạng,…) trong chồng giao thức mạng

- Trễ : đây là một tham số quan trọng trong ứng dụng cụ thể Việc tối ưu hóa trễ có thể được thực hiện qua việc dự trữ băng thông, phân bổ hoặc một phương thức điều khiển truy nhập nào đó

- Lưu lượng mạng: đây là một tham số hiệu năng quan trọng nhất Ở lớp vật lý, lưu lượng mạng bị ảnh hưởng bởi các lỗi gói gây ra do tạp âm và nhiều Ở lớp MAC, thông lượng có thể bị ảnh hưởng bởi sung đột khi sử dụng phương thức truy cập dựa trên cạnh tranh…

- Tổn hao dữ liệu: việc mất thông tin là không thể chịu đựng được trong các mạng adhoc không dây, và các phương thức tính toán tích cực để khôi phục độ tin cậy trong truyền dữ liệu phải được sử dụng ở cả lớp MAC và các lớp cao hơn

- Quản lý năng lượng: đây cũng là một thách thức trong thiết kế khi các nút hoạt động trên các nguồn pin

IEEE 802.15 là nhóm làm việc chịu trách nhiệm xây các đặc tả cho các chuẩn mạng WPAN Nó bao gồm 6 nhóm phận sự(Task Group) khác nhau đánh số từ 1 đến 7 thực hiện các mặt khác nhau của việc chuẩn hóa các mạng WPAN:

- Task Group 1(WPAN/Bluetooth): Hay 802.15.1 xây dựng chuẩn WPAN dựa trên các đặc tả Bluetooth v1.1 Nó bao gồm đặc điểm kĩ thuật của lớp vật lý và lớp con MAC

- Task Group 2(Coexistence): Chịu trách nhiệm giải quyết các vấn đề liên qua đến khả năng hoạt động của mạng WPAN trong môi trường gồm các thiết bị không dây khác hoạt động trong các băng tần không được không đăng kí như các mạng WLAN

- Task Group 3(High Rate WPAN) : Chịu trách nhiệm xây dựng các chuân WPAN cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao

- Task Group 4(LR-WPAN) hay IEEE 802.15.4 mà được đề cập trong đề tài: xây dựng các chuẩn WPAN cho các ứng dụng với tốc độ dữ liệu thấp và yêu cầu tiêu tốn công suất thấp

- Task Group 5(Mesh Networking) : cung cấp nền kiến trúc cho phép các thiết bị WPAN cấu tạo thành mạng mesh ổn định, khả năng mở rộng cao và khả năng đồng hoạt động

- Task Group 6(Body Area Network) : tập trung vào các kỹ thuật liên quan đến BAN(Body Area Network) – mạng gồm các thiết bị trong phạm vi cơ thể một người Mục đích của nó là chuẩn hóa các mạng PAN khoảng cách ngắn, tần số thấp và công suất thấp

- Task Group 7(Visible Light Communication) : xây dựng các chuẩn PHY và MAC cho VLC(Visible Light Communication)

Về cơ bản có thể phân chia WPAN làm 3 loại mạng WPAN theo tiêu chí tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ :

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung

- WPAN tốc độ cao theo chuẩn IEEE 802.15.3 do nhóm Task Group 3 của IEEE 802.15 xây dựng, phù hợp cho các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao

- WPAN tốc độ trung bình theo chuẩn Bluetooth/ IEEE 802.15.1 do nhóm Task Group 1 của IEEE 802.15 xây dựng, ứng dụng trong các mạng điện thoại tế bào đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại

- WPAN tốc độ thấp – hay chuẩn IEEE 802.15.4/LR-WPAN, dùng trong các sản phẩm công nghiệp với thời gian hoạt động giới hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS 1 ví dụ điển hình của chuẩn này là Zigbee/ IEEE 802.15.4 được nghiên cứu trong luận văn này

1.2 Zigbee và IEEE 802.15.4:

Công nghệ Zigbee là chồng giao thức mạng không dây với các đặc điểm như tốc độ dữ liệu thấp, tiêu tốn công suất thấp và chi phí xây dựng thấp được phát triển nhằm hướng đến các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Ủy ban IEEE 802.15.4 đã bắt đầu làm việc 1 chuẩn tốc độ dữ liệu thấp ngay sau đó Và hiệp hội ZigBee Ailliance và IEEE đã quyết định kết hợp với nhau để cho ra đời công nghệ đặt tên là ZigBee/IEEE 802.15.4 Gọi tắt là Zigbee

Chuẩn Zigbee được phát triển bởi Zigbee Alliance với hàng trăm công ty thành viên từ các công ty bán dẫn, phát triển phầm mềm đến các nhà sản xuất thiết bị gốc OEM và những nhà lắp đặt Zigbee Alliance được hình thành từ 2002 và là một tổ chức phi lợi nhuận sẵn sàng cho mọi đối tượng gia nhập vào nó

Zigbee cung cấp khả năng kết nối với chi phí thấp và yêu cầu công suất tiêu thụ nhỏ dành cho các thiết bị được cung cấp nguồn điện từ pin với thời gian hoạt động từ vài tháng đến vài năm nhưng không yêu cầu tốc độ truyền tải dữ liệu cao như chuẩn Bluetooth, IEEE 802.11 Thêm nữa, Zigbee có thể được thực thi trong các mạng mắt lưới(mesh networking) lớn hơn các mạng mắt lưới có thể triển khai với Bluetooth Các thiết bị không dây tương thích với Zigbee có khoảng cách truyền từ 10-75m phụ thuộc vào môi trường RF và công suất đầu ra được yêu cầu bởi ứng dụng, và nó hoạt động ở bằng tần RF không được đăng kí trên thế giới(2.4GHz đối với toàn cầu, 915MHz ở Mỹ hay 868MHz ở Châu Âu) Tốc độ dữ liệu của Zigbee là 250kbps ở 2.5GHz, 400kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz

IEEE và ZigBee Alliance đã làm việc với nhau để xây dựng toàn bộ chồng giao thức IEEE 802.15.4 tập trung vào xây dựng đặc tả về 2 lớp thấp của chồng giao thức(lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu) còn ZigBee Alliance cung cấp đặc tả của các lớp trên(từ lớp mạng lên đến lớp ứng dụng) cho mục tiêu xây dựng mạng dữ liệu, cung cấp các dịch vụ bảo mật và một loạt các giải pháp điều khiển trong các toà nhà lớn, không gian gia đình ,… Để từ đó đảm bảo các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau sẽ làm việc được với nhau IEEE 802.15.4 xây dựng chi tiết các đặc tả của PHY và MAC bằng việc cung cấp các khối cho các loại mạng khác nhau như cấu hình mắt lưới, hình sao

và hình cây Các thuật toán định tuyến được thiết kế nhằm đảm bảo tiết kiệm công

suất, trễ truyền tin thấp thông qua các khe thời gian được đảm bảo GTS (Guaranteed Time Slot)

Các chức năng chính của PHY bao gồm xác định chất lượng năng lượng và liên kết, đánh giá trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assesment) nhằm cải thiện hoạt động trong môi trường có các mạng khác tồn tại

1.3 So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 :

Bảng 1.1 so sánh các tham số, đánh giá về các mặt của mạng Zigbee và Bluetooth

Về cơ bản, Zigbee nhìn giống với Bluetooth, tuy nhiên, nó đơn giản hơn, có tốc độ dữ liệu thấp hơn và hầu hết thời gian hoạt động của các node là ở chế độ hoạt động công suất thấp

Khi không có khuyếch đại công suất được sử dụng, phạm vi vô tuyến của Zigbee là 10-75m, còn của Bluetooth là khoảng 10m

Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ phù hợp cho các mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết

bị thường xuyên giao tiếp với nhau thông qua các gói nhỏ Nó cho phép có lên tới 254 nút Giao thức của Bluetooth phức tạp hơn bởi vì nó hướng tới các ứng dụng truyền file, thoại, hình ảnh trong mạng adhoc không dây

10m Khoảng 100m

Thời lượng sử dụng

battery

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung

IEEE 802.11 là một họ các chuẩn, cụ thể trong so sánh chúng ta chọn IEEE 802.11b – chuẩn sử dụng cùng băng tần 2.4GHz như Bluetooth và Zigbee IEEE 802.11b có tốc

độ dữ liệu cao(lên tới 11Mbps), và thường dùng trong cung cấp kết nối Internet không dây Khoảng cách trong nhà của IEEE 802.11b là khoảng 30-100m Bluetooth thì có tốc độ dữ liệu thấp hơn (khoảng 3Mbps) với khoảng cách trong nhà từ 2-10m Một ứng dụng phổ biến của Bluetooth là trong tai nghe không dây dành cho di động Zigbee thì có tốc độ dữ liệu thấp nhất và độ phức tạp thấp nhất so với các chuẩn kia, tuy nhiên nó cho phép sử dụng pin hiệu quả hơn

Do tốc độ thấp, hay nói cách khác là rất thấp nên Zigbee không phù hợp cho cung cấp một kết nối Internet hay làm phương tiện để truyền một tín hiệu âm thanh đảm bảo chất lượng CD như trong tai nghe di động Tuy nhiên, nó lại phù hợp cho truyền và gửi, thu thập các thông tin đơn giản từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,… Hình 1.1 cho thấy rõ hơn về sự khác nhau giữa 3 chuẩn Tiêu chí đánh giá là về giá thành, độ phức tạp, công suất tiêu thụ so với tốc độ dữ liệu Ở đây, 802.11b cho tốc độ

dữ liệu cao nhất, tuy nhiên nó yêu cầu công suất tiêu thụ, cùng độ phức tạp và giá thành lớn nhất Ở giữa là Bluetooth và Zigbee, cho tốc độ dữ liệu thấp nhất song công suất tiêu thụ, độ phức tạp, và giá thành là thấp nhất

Tùy theo ứng dụng mà chúng ta sẽ sử dụng chuẩn phù hợp Và như vậy, với các ứng dụng truyền dữ liệu với lưu lượng thấp, yêu cầu thời lượng sử dụng nguồn cấp từ pin với thời gian dài thì Zigbee là một sự lựa chọn tốt nhất so với các chuẩn trên

Hình 1.1 So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,

giá thành và tốc độ dữ liệu

1.4 Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4:

Một cách chung để thiết lập một mạng là sử dụng nguyên lý các lớp mạng Mỗi một lớp chịu trách nhiệm cho một chức năng nào đó trong mạng Các lớp thường chỉ truyền dữ liệu và các lệnh tới các lớp trên hoặc dưới trực tiếp của nó Sơ đồ phân lớp của chồng giao thức Zigbee như trong hình 1.2, nó dựa trên mô hình tham chiếu OSI

Việc chia một giao thức mạng thành các lớp có một số các ưu điểm Ví dụ, khi giao thức thay đổi theo thời gian, thì dễ dàng hơn để thay đổi hoặc thay thế lớp mà bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi hơn là so với việc thay đổi toàn bộ chồng giao thức Cũng như vậy, trong phát triển một ứng dụng, các lớp dưới hơn của chồng giao thức sẽ độc lập với ứng dụng và có thể thu được từ một đối tác thứ 3, và vì vậy tất cả những yêu cầu cần thiết cần thực hiện đó là thay đổi trong lớp ứng dụng của giao thức Thực thi phần mềm của một giao thức được gọi là phần mềm chồng giao thức(Protocol Stack Software)

Như trong hình vẽ mô tả cấu trúc chồng giao thức Zigbee Hai lớp dưới nhất của mạng được mô tả bởi chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn này được phát triển bởi hiệp hội chuẩn IEEE 802 và được đưa ra vào năm 2003 IEEE 802.15.4 xây dựng các chi tiết kỹ thuật cho các lớp vật lý(PHY) và điều khiển truy nhập phương tiện(MAC) của mạng

Các lớp còn lại của mạng như lớp mạng(NWK), lớp ứng dụng(APL), các lớp bảo mật được định nghĩa bởi Zigbee

Hình 1.2.Các lớp trong chồng giao thức mạng Zigbee

IEEE 802.15.4 được phát triển độc lập với chuẩn Zigbee vì vậy có thể xây dựng mạng không dây khoảng cách ngắn dựa trên IEEE 802.15.4 và không cần thực thi các lớp được chuẩn hóa bởi Zigbee Trong trường hợp này, người sử dụng sẽ phát triển các lớp lớp mạng và lớp ứng dụng riêng cho mình dựa trên lớp PHY và MAC của IEEE 802.15.4 Những lớp do người dùng tự định nghĩa này sẽ thường đơn giản hơn Zigbee

và hướng đến các ứng dụng chuyên dụng Ưu điểm của phương pháp này là sẽ kích thước bộ nhớ được yêu cầu để xây dựng chồng giao thức sẽ nhỏ hơn, dẫn đến giảm giá

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung

thành Tuy nhiên, việc thực thi giao chồng giao thức Zigbee đầy đủ sẽ đảm bảo việc đồng hoạt động giữa các giải pháp không dây của những nhà cung cấp khác và đảm bảo độ tin cậy hoạt động với khả năng xây dựng mạng mắt lưới được hỗ trợ trong Zigbee Quyết định sử dụng toàn bộ giao thức Zigbee hay chỉ các lớp MAC và PHY của IEEE 802.15.4 tùy thuộc vào ứng dụng và kế hoặc dài hạn của sản phẩm

1.5 Các thiết bị trong mạng:

IEEE 802.15.4 định nghĩa 2 loại thiết bị như trong bảng 1.2; và bảng 1.3 liệt kê 3 vai trò một thiết bị có thể đảm nhiệm trong chồng giao thức Zigbee và mối liên quan của chúng với các loại IEEE 802.15.4

Có 2 loại thiết bị trong một mạng không dây IEEE 802.15.4 : FFD(Full Function

Device) và RFD (Reduced Function Device) Một FFD có khả năng thực hiện tất cả

các chức năng được mô tả trong IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhiệm bất cứ một vai trò nào trong mạng Zigbee Một RFD có khả năng giới hạn hơn so với FFD Ví dụ : một FFD có khả năng giao tiếp với bất cứ một loại thiết bị nào khác trong mạng nhưng một RFD chỉ có thể giao tiếp duy nhất với 1 FFD Các thiết bị RFD nhắm vào những ứng dụng đơn giản như bật tắt một bóng đèn, thu thập dữ liệu từ một cảm biến… Khả năng xử lý và kích thước bộ nhớ của một RFD thường nhỏ hơn các FFD

Bảng 1.2 Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4

Loại thiết bị Dịch vụ cung cấp Nguồn điện Cấu hình chức

năng nhận điển hình

Device(RFD)

Giới hạn Pin Tắt trong trạng thái

idle Trong một mạng IEEE 802.15.4 , một FFD có thể đảm nhiệm 3 vai trò khác nhau: một

bộ điều phối – Coordinator, một bộ điều phối PAN – PAN Coordinator – và một thiết

bị – device Một bộ điều phối là một một thiết bị FFD có khả năng chuyển tiếp các bản

tin Nếu một bộ điều phối cũng là một bộ điều khiến chính của một mạng PAN, nó sẽ được gọi là bộ điều phối PAN Nếu một thiết bị mà không đảm nhiệm chức năng điều phối, nó đơn giản được gọi là thiết bị đầu cuối(thường gọi tắt là thiết bị)

Chuẩn Zigbee sử dụng các thuật ngữ khác hơn một chút Một bộ điều phối Zigbee –

Zigbee coordinator – là một bộ điều phối PAN IEEE 802.15.4 Một bộ định tuyến Zigbee – router – là một thiết bị có khả năng hoạt động như một bộ điều phối IEEE

802.15.4 – đảm nhiệm chức năng chuyển tiếp các bản tin Cuối cùng, một thiết bị đầu

cuối Zigbee – end device – sẽ là thiết bị không thuộc một trong hai thiết bị: bộ điều

phối và bộ định tuyến Các thiết bị đầu cuối Zigbee có kích thước bộ nhớ nhỏ hơn và khả năng xử lý thấp hơn cùng với ít chức năng hơn Các chức năng của nó liên quan đến mục đích của mạng

Bảng 1.3 Các thiết bị định nghĩa trong ZigBee

Vai trò thiết bị

ZigBee

Kiểu thiết bị IEEE 802.15.4

Chức năng

Bộ điều

phối(Coordinator)

FFD Mỗi mạng có 1 bộ điều phối Nó tạo lên mạng,

cấp phát địa chỉ mạng, duy trì danh sách các thiết bị và vai trò của chúng trong mạng

RFD hoặc FFD Thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát,

thu thập dữ liệu theo chức năng của mạng

được xây dựng

1.6 Cấu hình mạng:

Quá trình hình thành mạng được quản lý bởi lớp mạng Zigbee Mạng sẽ có một trong hai cấu hình như được chỉ trong IEEE 802.15.4 là cấu hình hình sao và cấu hình điểm-điểm

Trong cấu hình hình sao như trong ví dụ hình 1.3, mỗi thiết bị trong mạng có thể kết nối với chỉ duy nhất một bộ điều phối PAN – hay bộ điều phối Zigbee Một kịch bản điển hình trong quá trình hình thành một mạng hình sao đó là, một FFD được lập trình

để đảm nhiệm chức năng bộ điều phối PAN sẽ được kích hoạt và khởi tạo quá trình thiết lập mạng của nó Tác vụ đầu tiên bộ điều phối PAN thực hiện là chọn lựa một PAN ID(dùng để nhận diện PAN) duy nhất mà chưa được sử dụng bởi bất kỳ một mạng khác nằm trong phạm vi vô tuyến của nó – vùng nằm quanh thiết bị mà nó có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị khác nằm trong đó – để đảm bảo rằng PAN ID chưa được sử dụng bởi bất cứ một mạng nào khác liền kề

Trong cấu hình điểm-điểm như hình 1.4, mỗi thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với bất

cứ một thiết bị nào khác nằm gần nó để thiết lập một liên kết trực tiếp Bất cứ FFD nào trong mạng điểm-điểm có thể đóng vai trò làm bộ điều phối PAN Một giải pháp để chọn thiết bị nào sẽ là bộ điều phối PAN đó là chọn thiết bị FFD đầu tiên mà bắt đầu giao tiếp Trong một mạng điểm-điểm, tất cả các thiết bị mà tham gia vào chuyển tiếp bản tin là các FFD bởi vì RFD không có khả năng chuyển tiếp Tuy nhiên một RFD có thể là một phần của mạng nhưng nó chỉ có thể giao tiếp với duy nhất một thiết bị đặc thù(một bộ điều phối Zigbee hoặc một router)

Một mạng điểm-điểm có thể có các hình dạng khác nhau tùy vào các ràng buộc trong việc giao tiếp giữa các thiết bị Nếu không có các yêu cầu ràng buộc, một mạng điểm-

điểm được gọi là có cấu hình mắt lưới – mesh topology Một dạng khác của mạng

điểm-điểm mà Zigbee hỗ trợ đó là cấu hình hình cây hay còn gọi là cấu hình phân cấp

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung

như hình 1.5 Trong trường hợp này, một bộ điều phối Zigbee(bộ điều phối PAN) thiết lập mạng ban đầu của nó Các router Zigbee tạo lên các nhánh và chuyển tiếp các bản tin Các thiết bị đầu cuối Zigbee hoạt động như các lá của cây và không tham gia vào chuyển tiếp gói tin Các router Zigbee có thể phát triển mạng vượt quá mạng được khởi tạo ban đầu bởi bộ điều phối Zigbee

Hình 1.3 Một mạng hình sao

Hình 1.5 mô tả một ví dụ minh họa phương thức chuyển tiếp một bản tin có khả năng

mở rộng phạm vi của mạng và cho phép vượt qua các rào cản gây ảnh hưởng đến truyền sóng vô tuyến Ví dụ, thiết bị A cần gửi một bản tin đến thiết bị B nhưng có một rào chắn giữa chúng khiến cho tín hiệu khó có thể truyền giữa A và B Cấu hình hình cây giúp giải quyết vấn đề này bằng việc chuyển tiếp bản tin vòng qua rào chắn

và tiến đến thiết bị B Cách thức này được gọi là nhảy đa bước – multihopping – bởi vì

bản tin sẽ phải đi qua nhiều nút cho đến khi nó đến nguồn

Hình 1.4 Một mạng mắt lưới phát triển từ mạng điểm-điểm

Một mạng IEEE 802.15.4 với bất cứ một cấu hình nào đều được khởi tạo bởi một bộ điều phối PAN Bộ điều phối PAN điều khiển mạng và thực hiện các chức năng cơ bản sau:

- Cấp phát một địa chỉ duy nhất cho mỗi thiết bị trong mạng(16-bit hoặc 64-bit)

- Khởi tạo, kết thúc, định tuyến bản tin trên mạng

- Chọn lựa một PAN ID duy nhất trên mạng PAN ID này cho phép các thiết bị trong cùng một mạng sử dụng phương thức đánh địa chỉ ngắn 16-bit mà vẫn có thể giao tiếp với các thiết bị khác qua các mạng độc lập

Chỉ có duy nhất một bộ điều phối trên mạng, nó thường có chu kỳ hoạt động dài nên thường được kết nối đến nguồn điện chính

Hình 1.5 cấu hình hình cây

1.7 Kết luận chương 1:

Chương này đã giới thiệu khái niệm cơ bản về WPAN, các nhóm chuẩn hóa WPAN của IEEE 802.15.4, Zigbee/IEEE 802.15.4 là gì và so sánh Zigbee với hai chuẩn mạng không dây phổ biến là Bluetooth và IEEE 802.15.4

Chương cũng đã mô tả về mối quan hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4, mối quan hệ giữa các loại thiết bị và vai trò của nó trong mạng cùng các cấu hình mạng phổ biến được sử dụng trong chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4

Chi tiết hơn về hoạt động của mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 sẽ đươc trình bày chi tiết trong chương 2

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

CHƯƠNG 2:

Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

Nội dung của chương bao gồm:

- Tổng quan về các lớp trong chồng giao thức

- Lớp vật lý

- Lớp MAC

- Lớp mạng

- Lớp ứng dụng

2.1 Tổng quan mô hình chồng giao thức Zigbee:

Sơ đồ phân lớp cụ thể của chồng giao thức Zigbee như trong hình 2.1 , nó dựa trên mô hình tham chiếu OSI Hai lớp dưới nhất của mạng được mô tả bởi chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn này được phát triển bởi hiệp hội chuẩn IEEE 802 và được đưa ra vào năm 2003 IEEE 802.15.4 xây dựng các chi tiết kỹ thuật cho các lớp PHY và MAC của mạng Các lớp còn lại của mạng như lớp mạng NWK, lớp ứng dụng APL, các lớp bảo mật được định nghĩa bởi Zigbee Mỗi lớp giao tiếp với các lớp kế cận qua các điểm truy nhập dịch vụ SAP(Service Access Point) Một SAP là một vị trí mang tính trừu tượng ở đó một lớp giao thức yêu cầu các dịch vụ của các lớp khác Ví dụ trong hình 2.4, điểm truy nhập dịch vụ dữ liệu PHY PD-SAP là nơi mà lớp MAC yêu cầu các dịch vụ dữ liệu từ lớp PHY

Hình 2.1 Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 được phát triển độc lập với chuẩn Zigbee vì vậy có thể xây dựng mạng không dây khoảng cách ngắn dựa trên IEEE 802.15.4 và không cần thực thi các lớp

được chuẩn hóa bởi Zigbee Trong trường hợp này, người sử dụng sẽ phát triển các lớp

là lớp mạng và lớp ứng dụng riêng cho mình dựa trên lớp PHY và MAC của IEEE 802.15.4 như hình dưới Những lớp do người dùng tự định nghĩa này sẽ thường đơn giản hơn Zigbee và hướng đến các ứng dụng chuyên dụng Ưu điểm của phương pháp này là sẽ kích thước bộ nhớ được yêu cầu để xây dựng chồng giao thức sẽ nhỏ hơn, dẫn đến giảm giá thành Tuy nhiên, việc thực thi giao chồng giao thức Zigbee đầy đủ

sẽ đảm bảo việc đồng hoạt động giữa các giải pháp không dây của những nhà cung cấp khác và đảm bảo độ tin cậy hoạt động với khả năng xây dựng mạng mắt lưới được hỗ trợ trong Zigbee Quyết định sử dụng toàn bộ giao thức Zigbee hay chỉ các lớp MAC

và PHY của IEEE 802.15.4 tùy thuộc vào ứng dụng và kế hoạch dài hạn của sản phẩm Các chức năng bảo mật được xây dựng trong cả 2 chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee Nó được cung cấp bởi khối cung cấp dịch vụ bảo mật SSP(Security Service Provider) Chuẩn Zigbee cung cấp các dịch vụ bảo mật tùy chọn sau:

- Mã hóa cho bảo mật dữ liệu

- Nhận thực thiết bị và dữ liệu

- Bảo vệ chuyển tiếp lại khung(các khung trùng lặp)

Một mạng thực thi tất cả các lớp như hình 2.1 được xem là một mạng không dây Zigbee Chi tiết về từng lớp sẽ được mô tả trong phần tiếp theo của chương

Khái niệm về các primitive dịch vụ :

IEEE 802.15.4 và Zigbee sử dụng khái niệm primitive để chỉ những dịch vụ mà một

lớp cung cấp cho những thành phần sử dụng dịch vụ ở lớp cao hơn liền kề Giao tiếp giữa các lớp giao thức kế cận được quản lý bằng việc gọi các hàm hoặc truyền các bản

tin – được gọi là các primitive – giữa các lớp

Mặc dù mỗi lớp có các vai trò khác nhau đối với toàn bộ hệ thống xong cách mỗi lớp hoạt động có những điểm chung Ví dụ, lớp vật lý PHY, lớp điều khiển truy cập phương tiện MAC và mạng NWK cung cấp dịch vụ dữ liệu đến lớp cao hơn Trong cả

ba lớp này, phương thức để yêu cầu truyền một đơn vị dữ liệu là tương tự: lớp cao hơn

sử dụng điểm truy cập dịch vụ dữ liệu Data-SAP(Data-Service Access Point) của lớp bên dưới để yêu cầu truyền dữ liệu Nếu truyền dữ liệu thành công, lớp bên dưới gửi một xác nhận(confirmation) tới lớp cao hơn về trạng thái của quá trình truyền

Bởi sự tương tự này, khái niệm các primitive rất hữu dụng trong mô tả các tính năng của mỗi lớp giao thức chuẩn Mỗi primitive chỉ các tác vụ được thực hiện hoặc cung cấp kết quả của các tác vụ được yêu cầu trước đó Một primitive có thể chứa nhiều

tham số cần thiết để thực hiện tác vụ của nó

Hình 2.2 mô tả một cách chung để mô tả các dịch vụ một lớp cung cấp cho lớp cao

hơn Như mô tả trong hình, có 4 loại dịch vụ chung: yêu cầu(request), chỉ thị

(indication), đáp ứng(response) và xác nhận(confirm) Nói cách khác, tất cả các dịch

vụ mà chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee cung cấp ở mỗi lớp đều nằm trong một trong 4 nhóm dịch vụ trên Các primitive dịch vụ được mô tả ở các dạng sau:

<primitive>.request

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

<primitive>.indication

<primitive>.response

<primitive>.confirm

Primitive Request được tạo bởi lớp N+1 gửi tới lớp N để yêu cầu khởi tạo một dịch vụ

Ví dụ, trong dịch vụ dữ liệu của lớp PHY, primitive yêu cầu dữ liệu Data.request) được tạo bởi lớp MAC tới lớp PHY yêu cầu khởi tạo truyền một đơn vị

PHY(PD-dữ liệu của lớp MAC

Primitive Confirm được sử dụng bởi lớp N để xác nhận thực hiện thành công dịch vụ

mà lớp N+1 yêu cầu bằng primitive Request trước đó Primitive PD-Data.confirm được tạo bởi PHY và được gửi tới MAC để đáp ứng tới một primitive PD- Data.request Trong xác nhận, PHY thông tin cho MAC rằng quá trình truyền có thành

công hay không

Primitive Indication được tạo bởi lớp N gửi tới thành phần yêu cầu dịch vụ ở lớp cao

hơn kế cận để chỉ rằng có một sự kiện quan trọng đối với lớp N+1 Ví dụ khi PHY nhận được dữ liệu từ một thiết bị khác trong mạng nó cần gửi dữ liệu đế lớp MAC,

PHY sẽ sử dụng primitive PD-Data.indication để thông tin dữ liệu tới lớp MAC

Nếu Primitive Indication yêu cầu một đáp ứng, primitive Reponse sẽ được gửi từ lớp N+1 xuống lớp N Các lớp PHY và NWK không có primitive Response Lớp MAC và lớp ứng dụng APL chứa các primitive Response

Hình 2.2 Khái niệm primitive dịch vụ

2.2 Lớp vật lý – PHY:

Là lớp thấp nhất trong chồng giao thức, lớp PHY chịu trách nhiệm kích hoạt chức năng vô tuyến để truyền và gửi các gói tin PHY cũng chọn kênh tần số và đảm bảo kênh này hiện không được sử dụng bởi bất cứ thiết bị nào trong mạng

Chức năng của PHY là :

- Kích hoạt và vô hiệu hóa hoạt động của khối thu phát vô tuyến

- Giám sát năng lượng ED(Enery Dectection) của kênh

- Chỉ thị chất lượng liên kết LQI(Link Quality Indication)

- Chọn lựa kênh

- Giám sát trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assessment) đối với CSMA-CA

- Truyền và nhận dữ liệu

PHY cung cấp 2 loại dịch vụ: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY Dịch vụ

dữ liệu PHY cho phép truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp PHY PPDU(PHY Protocol Data Unit) qua một kênh vô tuyến PHY chứa một thực thể quản

lý đƣợc gọi là Thực thể quản lý lớp vật lý PLME(Physical Layer Management Entity) nhƣ trong hình 2.3 Các chức năng quản lý PHY đƣợc gọi từ PLME Dịch vụ dữ liệu PHY đƣợc truy cập qua cổng truy cập dịch vụ dịch vụ dữ liệu PHY PD-SAP(PHY Data-Service Access Point) Dịch vụ quản lý dữ liệu PHY đƣợc truy cập qua cổng truy cập dịch vụ thực thể quản lý lớp PHY PLME-SAP PLME cũng duy trì cơ sở thông tin PAN của PHY là PHY-PIB(PHY-PAN Information Base)

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu

(MHz)

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

F ck = 868.3MHz , với k=0

F ck = 906+2(k-1) MHz , với k=1, 2, …, 10

F ck = 2405+5(k-11) MHz , với k=11, 12, …, 26

Cụ thể xem bảng 2.2

Hình 2.4 Phân bố kênh trên các băng tần

Hoạt động của lớp vật lý có một số những tham số quan trọng sau:

- Đánh giá mức năng lƣợng ED(Enery Detection):

Khi một thiết bị muốn truyền tín hiệu, nó phải đi vào chế độ thu để dò và đánh giá mức năng lƣợng tín hiệu trong kênh mà nó sẽ truyền Tác vụ này đƣợc gọi là đánh giá mức năng lƣợng – ED Năng lƣợng tín hiệu trong băng tần đƣợc lấy trung bình trong khoảng thời gian bằng độ dài 8 kí hiệu Với ED, bộ thu sẽ không xác định loại tín hiệu

có phải là một tín hiệu tuân theo chuẩn Zigbee hay không, mà chỉ đánh giá mức năng lƣợng của tín hiệu Khi MAC yêu cầu PHY thực hiện ED, PHY sẽ trả về một số nguyên 8-bit chỉ mức năng lƣợng của kênh tần số cần thực hiện ED Độ chính xác của mức năng lƣợng phải là 6dB hoặc tốt hơn

- Cảm ứng sóng mang CS(carrier sense):

Tương tự với ED, CS là một phương thức để kiểm tra một kênh tần số có rỗi hay không Trong CS, khi một thiết bị muốn truyền một bản tin, đầu tiên nó sẽ đi vào chế

độ thu để phát hiện loại tín hiệu có thể mà đang chiếm kênh Trái với ED, trong CS, tín hiệu sẽ được giải điều chế để xác định loại tín hiệu Ngay cả khi tín hiệu đang chiếm kênh tuân theo chuẩn PHY IEEE 802.15.4, thiết bị sẽ có thể xem như rằng kênh đang hay không dựa trên mức năng lượng tín hiệu

- Chỉ thị chất lượng đường truyền LQI(Link Quality Indication):

LQI là một dạng chỉ thị chất lượng của gói dữ liệu nhận được bởi bộ thu Cường độ tín hiệu nhận được RSS(Received Signal Strength) được sử dụng để tín toán chất lượng tín hiệu RSS được tính bằng tổng năng lượng của tín hiệu nhận được SNR cũng là một phương pháp để đánh giá chất lượng tín hiệu Ngoài ra cũng có thể đánh ra chất lượng liên kết dựa vào cả năng lượng tín hiệu lẫn tỉ số SNR

Việc tính toán LQI được thực hiện trên mỗi gói tin nhận được LQI sẽ phải có ít nhất 8 mức LQI được truyền về cho lớp MAC và được dùng cho NWK và lớp APL trong phân tích sau này Ví dụ, NWK có thể sử dụng các mức LQI trong các thiết bị của mạng để quyết định đường nào được sử dụng để định tuyến một gói tin

- Đánh giá kênh rỗi CCA(Clear Channel Assessment):

Trong bước đầu tiên của phương thức đa truy nhập CSMA-CA, MAC yêu cầu PHY thực hiện CCA để đảm bảo rằng kênh hiện tại chưa được sử dụng bởi các thiết bị khác CCA là một phần của dịch vụ quản lý PHY Trong một CCA, kết quả của ED hoặc CS được sử dụng làm tiêu chí để đánh giá kênh tần số đó đang rỗi hay bận Độ dài của CCA phải bằng độ dài của 8 ký hiệu

Có 3 mode hoạt động của CCA trong IEEE 802.15.4 :

o CCA mode 1: trong mode này, CCA dựa trên ED, nếu mức năng lượng vượt ngưỡng, kênh được xem như bận Ngưỡng được thiết lập bởi nhà sản xuất

o CCA mode 2: sử dụng CS để đánh giá, và kênh được xem như bận nếu tín hiệu chiếm kênh là tương thích với PHY của thiết bị mà thực hiện CCA

o CCA mode 3: Mode này là kết hợp giữa mode 1 và mode 2 PHY sẽ sử dụng một trong những điều kiện sau để chỉ thị rằng một kênh đang bận:

o Mức năng lượng dò được vượt ngưỡng và sóng mang cảm ứng được tương thích với PHY thiết bị

o Mức năng lượng dò được vượt ngưỡng hoặc sóng mang cảm ứng được tương thích với PHY thiết bị

Định dạng khung tin PHY – 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

- Tải PHY(PHY payload) : chứa khung tin của lớp MAC

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

Độ dài khung (7 bits)

Phần giành riêng (1 bit)

Trong mạng không dây Zigbee, lớp cao hơn kế cận MAC là lớp NWK Tuy nhiên IEEE 802.15.4 không được xây dựng để hướng đến cho riêng Zigbee mà nó có thể sử dụng với bất cứ lớp giao thức mạng nào khác

Hình 2.5 mô tả mô hình tham chiếu của lớp MAC Cũng như PHY, MAC có một thực thể quản lý gọi là thực thể quản lý lớp MAC MLME(MAC Layer Management Entity) chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ quản lý MAC MLME tương tác với thành phần

có chức năng tương tự nó trong lớp mạng là thực thể quản lý lớp mạng NLME(NWK Layer Management Entity) MAC cũng có cơ sở dữ liệu của riêng nó – cơ sở thông tin PAN MAC hay gọi tắt là MAC-PIB(MAC-PAN Information Base) Tất cả các hằng số

của MAC cũng có tiền tố chung là a Các thuộc tính của MAC có tiền tố chung là mac

Kích thước của MAC-PIB lớn hơn PHY-PIB

Hình 2.5 Mô hình tham chiếu lớp MAC

Cụ thể, các chức năng của MAC là:

- Tạo các khung cột mốc

- Đồng bộ thiết bị với khung cột mốc trong mạng sử dụng cột mốc

- Thực hiện phương thức truy cập kênh CSMA-CA

- Quản lý truy cập các khe thời gian được đảm bảo GTS(Guaranteed Time Slot)

- Cung cấp một liên kết tin cậy giữa 2 thực thể MAC của 2 thiết bị khác nhau thông qua phương thức xác nhận ACK

- Cung cấp các dịch vụ kết hợp và phân tách trong PAN

- Cung cấp các hỗ trợ về bảo mật

MAC cung cấp 2 dịch vụ tới lớp mạng NWK : dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lý.Dịch

vụ dữ liệu cho phép truyền dữ liệu của lớp cao Dữ liệu cần được truyền sẽ được cung cấp dưới dạng các NPDU NPDU được đặt trong phần tải MAC – MSDU NWK tạo các yêu cầu truyền dữ liệu qua MCPS-SAP và cung cấp NPDU

Dịch vụ quản lý MAC được truy cập qua MLME-SAP Các yêu cầu quản lý MAC thường bao gồm các tham số như các trường địa chỉ, bảo mật, và báo cáo kết quả của một yêu cầu ở dạng một trạng thái cho lớp cao hơn Trạng thái có thể là SUCCESS hoặc INVALID

Các đặc điểm của lớp MAC IEEE 802.15.4:

2.3.1 Phương thức truy nhập CSMA-CA:

IEEE 802.15.4 sử dụng một phương thức đơn giản cho phép nhiều thiết bị sử dụng cùng một kênh tần số làm phương tiện giao tiếp của chúng Phương thức truy cập kênh được sử dụng là CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Trong CSMA-CA, mỗi khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu, thì trước hết nó phải thực hiện việc đánh giá kênh CCA để đảm bảo rằng kênh không được sử dụng bởi bất cứ thiết bị nào Sau đó thiết bị bắt đầu truyền tin hiệu của nó Quyết định một kênh được

sử dụng hay không dựa trên tính toán năng lượng phổ trên kênh tần số muốn sử dụng hoặc dò các loại tín hiệu đang chiếm kênh

Khi một thiết bị lập kế hoạch truyền một tín hiệu, nó đầu tiên sẽ đi vào chế độ nhận để

dò và đánh giá mức năng lượng tín hiệu trên kênh mong muốn Tác vụ này được gọi là

ED Trong ED, bộ thu sẽ không cố gắng giải mã tín hiệu mà nó chỉ đánh giá mức năng lượng tín hiệu Nếu có một tín hiệu trên băng tần đó, ED sẽ không đảm bảo rằng đó là một tín hiệu IEEE 802.15.4 hay không

Một phương thức khác để xác nhận một kênh tần số rỗi hay bận đó là cảm ứng sóng mang CS Ngược lại với phương thức ED, CS sẽ xác định loại tín hiệu đang chiếm kênh, ngay cả khi tín hiệu là một tín hiệu IEEE 802.15.4 thì thiết bị cũng có thể xem xét kênh bận hay rỗi dựa trên ngưỡng được chỉ định bởi người sử dụng

Nếu kênh bận, thiết bị sẽ dừng một thời gian ngẫu nhiên và thử lại Việc dừng với thời gian ngẫu nhiên và việc thử lại được lặp lại cho đến khi kênh rỗi hoặc số lần thử truyền lại đã vượt ngưỡng

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

Sẽ có hai chế độ CSMA-CA đối với mạng tùy thuộc vào mạng có sử dụng cột mốc để đồng bộ hay không Với mạng sử dụng cột mốc, việc thực hiện CSMA-CA sẽ bị giới hạn trong các khe thời gian, được gọi là slotted CSMA-CA, còn với mạng không sử dụng cột mốc, CSMA-CA sẽ không bị giới hạn về các khe thời gian, và nó được gọi là unslotted-CSMA-CA

Với việc sử dụng các cột mốc, sẽ có những thời điểm một thiết bị truy cập kênh mà không sử dụng CSMA-CA(được gọi là phương pháp truy nhập không cạnh tranh):

- Truy cập kênh trong các khe thời gian được đảm bảo GTS(Guaranteed Time Slot) nằm trong khoảng không cạnh tranh CAP của siêu khung được cấp phát cho riêng từng thiết bị(sẽ được đề cập trong phần dưới)

- Truyền ngay tức thì sau khi xác nhận một yêu cầu dữ liệu Nói cách khác, nếu một thiết bị yêu cầu dữ liệu từ một bộ điều phối, bộ điều phối truyền xác nhận theo sau đó ngay tức thì là dữ liệu mà không cần sử dụng CSMA-CA giữa 2 lần truyền, ngay cả trong khoảng thời gian cạnh tranh(sẽ được đề cập trong cấu trúc siêu khung)

2.3.2 Hoạt động sử dụng cột mốc(becacon-enabled) và không sử dụng cột mốc –

cấu trúc siêu khung:

Có hai phương thức truy cập kênh : dựa trên cạnh tranh và không cạnh tranh Trong truy cập kênh dựa trên cạnh tranh, tất cả các thiết bị muốn truyền trên cùng một kênh vật lý sử dụng phương thức CSMA-CA và thiết bị nào đầu tiên mà tìm được kênh rỗi

sẽ chiếm được quyền sử dụng kênh Trong phương thức không cạnh tranh, bộ điều phối PAN sẽ chỉ định một khe thời gian riêng cho một thiết bị cụ thể Thời gian này được gọi là khe thời gian được đảm bảoGTS Vì vậy, một thiết bị với một GTS được cấp phát có thể truyền trong GTS đó mà không sử dụng phương thức CSMA-CA

Để cung cấp 1 GTS, bộ điều phối PAN cần đảm bảo rằng tất cả các thiết bị trong mạng được đồng bộ bản tin cột mốc là một bản tin với một định dạng riêng được sử dụng để đồng bộ đồng hồ của các nút trong mạng Nó được phát theo chu kì xác định trước Một bộ điều phối sẽ tùy chọn gửi hay không các tín hiệu cột mốc để đồng bộ các thiết

bị gắn với nó Đây được gọi là PAN sử dụng cột mốc Nhược điểm của phương thức này là các thiết bị trong mạng sẽ phải kích hoạt theo chu kì, nghe bản tin cột mốc,

đồng bộ đồng hồ và đi vào trạng thái công suất thấp – sleep mode Hay nói cách khác,

sẽ có rất nhiều thiết bị kích hoạt chỉ để đồng bộ mà không thực hiện bất kì một tác vụ nào khác Vì vậy thời lượng sử dụng pin của các thiết bị trong mạng sử dụng cột mốc thường ngắn hơn trong mạng không sử dụng cốt mốc

Một mạng mà bộ điều phối PAN không truyền các bản tin cột mốc được gọi là beacon network Một mạng như vậy không có các GTS và vì vậy không có các chu kỳ

non-không cạnh tranh bởi vì các thiết bị non-không được đồng bộ với nhau

Một trong những ưu điểm của việc sử dụng cột mốc trong mạng đó là tận dụng được các GTS Các khung cột mốc là các khung MAC chứa thông tin đánh mốc như khoảng thời gian giữa các cột mốc, số các GTS, các tham số liên quan đến điều khiển mạng

Hình 2.6 cấu trúc siêu khung

Trong hoạt động sử dụng cột mốc, mạng sử dụng một cấu trúc siêu khung Một siêu khung như trong hình 2.6 được giới hạn bởi 2 khung cột mốc Việc sử dụng cấu trúc siêu khung là tùy chọn trong chuẩn 802.15.4 Có 3 loại khoảng thời gian trong siêu khung: khoảng thời gian truy cập cạnh tranh CAP(Contention Access Period) , khoảng thời gian không cạnh tranh CFP(Contention-Free Period), và khoảng không kích hoạt (inactive period)

Trong khoảng thời gian truy cập cạnh tranh CAP, tất cả các thiết bị muốn truyền cần

sử dụng phương thức CSMA-CA để giành quyền sử dụng kênh tần số Kênh tần số là sẵn dùng cho tất cả các thiết bị trong cùng mạng Thiết bị giành được quyền sử dụng kênh sẽ chiếm nó cho đến khi quá trình truyền hiện thời của nó hoàn thành Nếu thiết

bị thấy rằng kênh đang bận, nó sẽ ngừng một khoảng thời gian ngẫu nhiên, sau đó thử lại việc giành quyền sử dụng kênh tần số bằng CSMA-CA Đây là phương thức truy cập kênh thích hợp nhất đối với một phần lớn các thiết bị trong một mạng lớn Các khung điều khiển của MAC phải được truyền trong CAP Tuy nhiên, mạng sẽ không đảm bảo rằng bất cứ một thiết bị nào đều có thể sử dụng một kênh tần số ngay khi nó cần sử dụng trong CAP

Ngược lại trong CFP, các GTS đặc biệt được dành cho một số thiết bị đặc biệt sử dụng, và vì vậy những thiết bị này không cần sử dụng CSMA-CA để truy cập kênh Đây là một tùy chọn tuyệt vời cho những ứng dụng yêu cầu trễ thấp mà thiết bị không muốn đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên và có thể rất lâu cho đến khi kênh rỗi Trong CFP không cho phép sử dụng CSMA-CA

Khoảng CAP và CFP gộp lại được gọi là khoảng hoạt động(active period) Khoảng này gồm 16 khe thời gian bằng nhau Khung cột mốc luôn bắt đầu ở khe đầu tiên Có thể có lên tới 7 GTS trong CFP Mỗi GTS có thể chiếm nhiều khe thời gian

Trong một siêu khung có thể có một khoảng không kích hoạt Trong khoảng này cho phép thiết bị hoạt động ở chế độ công suất thấp – ở đó thiết bị có thể ngắt khối thu phát để tiết kiệm điện năng

Cấu trúc của một siêu khung được xây dựng bởi bộ điều phối và được cấu hình bởi lớp

mạng sử dụng primitive MLME-Start.request Khoảng thời gian giữa 2 cột mốc liên

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

tiếp BI(Beacon Interval) đƣợc xác định bởi 2 giá trị : thuộc tính macBeaconOrder(BO)

trong mạng không sử dụng cột mốc sẽ thiết lập thuộc tính macSuperframeOrder là 15

Nếu một thiết bị không sử dụng GTS của nó trong một khoảng thời gian kéo dài, GTS của nó sẽ hết hạn và bộ điều phối có thể gán GTS đó cho một thiết bị khác và tiêu chí

để bộ điều phối PAN đánh giá một GTS là hết hạn đối với một thiết bị đó là khoảng thời gian không sử dụng GTS dành cho thiết bị đó bằng một số nguyên lần của 2 lần

độ dài siêu khung Giá trị của số nguyên lần(n) này phụ thuộc vào macBeaconOrder:

Ví dụ nếu một thiết bị với macBeaconOrder = 7 mà không sử dụng GTS của nó trong

4 siêu khung liên tiếp, GTS của nó sẽ hết hạn

Hình 2.7 IFS trong 2 kịch bản

2.3.3 Phân bố liên khung(interframe spacing):

Khi truyền dữ liệu từ một thiết bị này đến một thiết bị khác, thiết bị truyền phải đợi một khoảng giữa các khung đƣợc truyền thành công của nó để cho phép phía thu xử lý

một khung đã nhận trước khi khung tiếp theo đến – đây được gọi là phân bố liên khung IFS(InterFrame Spacing) Độ dài của IFS phụ thuộc vào kích thước gói tin được

truyền MPDU với số octet nhỏ hơn hoặc bằng hằng số aMaxSIFSFramesSize được

xem như là khung ngắn Khung dài có MPDU với số octet vượt qua

aMaxSIFSFramesSize

Khoảng thời gian đợi sau một khung ngắn được gọi là IFS ngắn hay SIFS(short IFS)

Giá trị của SIFS là macMinSIFSPeriod Tương tự khung dài sẽ có thời gian đợi sau đó

là IFS dài hay LIFS(long IFS) với độ dài nhỏ nhất là macMinLIFSPeriod

Hình 2.7 mô tả IFS trong hai kịch bản khác nhau Trong kịch bản khung dài, bản tin được xác nhận và thời gian đợi giữa khung xác nhận và khung tiếp theo là LIFS hoặc SIFS phụ thuộc vào độ dài khung

2.3.4 Truyền dữ liệu:

Có 3 kiểu giao dịch truyền dữ liệu là :

- Truyền dữ liệu từ một thiết bị đến một bộ điều phối

- Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối đến một thiết bị

- Truyền dữ liệu giữa hai thiết bị ngang hàng(điểm-điểm)

Trong cấu hình hình sao chỉ có 2 trong 3 loại giao dịch được thực hiện bởi dữ liệu chỉ được trao đổi giữa một bộ điều phối và một thiết bị Trong cấu hình điểm điểm dữ liệu

có thể được trao đổi giữa bất cứ 2 thiết bị nào trong mạng nên cả ba loại giao dịch đều

có thể được sử dụng

Các phương thức cho mỗi loại giao dịch phụ thuộc vào chế độ hoạt động của mạng là trong chế độ phát các khung cột mốc hay không

Hình 2.8 Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng sử dụng cột mốc

Truyền dữ liệu tới một bộ điều phối:

Giao dịch truyền dữ liệu loại này được sử dụng để truyền dữ liệu từ một thiết bị đến một bộ điều phối

Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu đến một bộ điều phối trong mạng sử dụng cột mốc, đầu tiên nó nghe khung cột mốc trên mạng Khi tìm được một khung cột mốc,