Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ zigbee

Bên cạnh đó mạng cảm biển không dây sử dụng chuẩn ZigBee IEEE §02.15.4 được chính thức phê duyệt vào năm 2004 và đã khẳng định được ưu thể của mình trong các ứng dụng trong công nghiệp,

LỜI CAM ĐOAN

Sau thời gian nghiên cứu vả học tập tại Trường Dai hee Bach khoa [la Nội, với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ lận Linh cũa các thấy cỗ giáo Irong Viện

diện Đặc biệt là sự chí bảo tận tỉnh của thấy giáo hướng dân PGS.TS.Nguyễn

Quốc Cường đã giúp tôi hoàn thành luận vấn đứng thời hạn và đạt được các mục tiêu để ra

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn má tôi thực hiện trong thời gian vừa qua là trung thục và không sao chép của ai

Hà Nội, Ngấy 10 thẳng 04 năm 2016

Ngudi cam doan

Đặng Văn Ngọc

Qua đây em xin được bảy tả lòng biết ơn sâu sắc tới thấy, kính chúc thay luôn

ranh khoẻ và công lác tỏi

Fm xin chân thánh cam ơn các thầy cô của Viện điện đã hết sức nhiệt tình truyền dạt cho chủng em không chí những kiến thức cluyên môn má cả những kinh nghiệm quí báu Bên cạnh đó còn tạo những điêu kiện hệt sức thuận lợi để em có thể hoàn thành luận văn của mình

Em xin gửi lời côm ơn tới dụ án “Exploring fulure university developinent cooperation in rural North Vietuam supported by existing partnerships: a harvest and seed approach”- ma sd ZEIN2011Z099

Cuỗi củng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè Chính

gia đình và bạn bè đá là nguồn động viên hỗ tre vô củng to lớn giúp em có iêm động lực vả sự kích lệ để hoàn thánh luận văn này

Học viên

Điặng Văn Ngọc

CHƯƠNG 1 TONG QUAN Vũ MANG CẢM BIẾN

KHÔNG DẠY VÀ CÔNG NGIH ⁄1GH1:1: TH "—

1.1 Téng quan về mạng cảm biên không đây

1.1.1 Giới thiệu về mạng câm biến không dãy

1,1,2, Cấu trúc của mứt cảm bién

1.3 Đặc điểm câu trúc mạng câm biển

1.1.4 Céc kién tric mang trong mang cam biên không dây

1.1.5 Một số dịch vụ vả giao thức truyền thông trong mang cám biến không dây

1.1.6 Ứng đụng của mạng cảm biển không cây

1.2 Tổng quan về công nghệ ZigBec sexy sexy

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ Zigläee sexy sexy

1.4.2 Cấu Irúc của giao thức ZigBoe

1.2.3 Những phản tử cơ bản trong mạng ZigÖBee sexy

1.2.4 Cấu trúc liên kết mạng sexy sexy sexy

1.3.5 PAN ID

1.2.6 Định địa chí ¬— ¬— ¬—

1.2.7 Tnryên dẫn đữ liệu

CHƯƠNG 2 THIẾT KE MO HINH MẠNG CẮM BIỂN

KLIONG DAY TIO CLIUAN ZIGBEL ¬— ¬—

2.1 Giới thiệu về mô hình

2.3.3 Giới thiệu các lĩnh kiện được sử địmg,

2.3.2, Lưu đồ thuật toàn cho Router ¬— ¬—

2.4, Thiết kế giao điện non ng rrienre ¬—

CHƯƠNG 3 KET QUA THUC NGHIEM VA DANH GIA

3.1 Kiểm nghiệm hoạt động của mạng ZigBee

3.1.1 Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách và mở rộng tâm hoạt động của mạng

2 Thí nghiệm khả năng khôi phục liên kết hỏng trong dinh tuyén mang,

3.1.3, Kiểm nghiệm chỉ số cường độ tín hiệu vả tý lệ truyền nhận gói tin

3.2 Đánh giá năng lượng tiêu thụ và dự đoán tuổi thọ pin

3.3 Kiểm nghiêm hoại động aia loam bộ mô hình mạng ứng dụng trong nhà kính khu nông nghiệp công nghệ cao của tường Đại học Công nghệ Thông tia vả

DANH MUC CAC CHU VIET TAT

Ad-hoc On - demand Distance Vector

Blustoath Low Energy Institute of Hlectrical and Hlectronics Lngineers

Internet Protocol

Low Raic — Wireless Personal Area Network

Media Access Control layer Physical layer

Radio frequency Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Network

ZigBee Device Object

Application Support Sublayer

Personal Arca Network

Application Programming Interface

Universal Asynchronous Receiver/Transiitler

Acknowledgment Organizationally Unique Identifier Open Sysiems Tilerconmection

Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

Received Signal Strength Indicator

DANH MỤC BẰNG

Bang 1.1: Bang tấn vá tốc độ dữ liệu sexy

Rang 1.2: Các kênh truyền và lần số của 71gBco

Bảng 1.3: Bảng so sành giữa chuẩn ZigBee voi chuẩn Bluetooth

Bang 3.1 Bang két qua do trong không gian không có vật cản

Bang 3.2 Bang két qua do trong khong gian cd val ean

Hãng 3.3: Phép đo hiện tại của một end device

DANH MỤC HÌNH VẼ

Llinh 1 ZigBee tng dung trong smart home ¬— ¬— 1

Hình 1.2 Cấu trủe nứt cắm biến sen nen 5 Tlinh 1.3 Kién trac mang dom bước sexy sexy 9 Hình 1.4 Kiến trúc mạng đa bước sexy sexy ¬

Tlinh 1.11 Cau tric mang hình cây ¬— ¬— +21

Hinh 2.1, Mé hinh bé théng mang khéng day theo chudn ZigBee duge đặt trong khu

Hình 2.3 Quang cảnh bên trong nhhả kính ¬— ¬— +31

1Hình 2.3 Sơ đỗ khổi ghép nói phần củng của mút reuter và end device 322 Hinh 2.4 Sơ đỗ khối ghép nói phân cứng của nút coordimator 33

Hình 2.5 Sơ đỗ nguyên lý của các mút router vả end deviee - 33

Tình 2.6 Mạch phần cứng của các nút router và end đevioe sau khi hoàn thành 3⁄4

Hình 2.8 Mạch phần cứng của nứt coordinator sau khi hoan thanh —-

1lình 2.11 Yêu cầu đường đi mẫu truyền khi R3 đang thử tìm ra một tuyển đường tới H6

39 Hình 2.12 Trả lời tuyển đường mẫu khi R6 gửi một Iuyễn đường trả lời tới R3 39

Hình 2.13 Mô hình định tuyến many — to — one ¬—

1Iình 2.14 Mô hình định tuyến source sexy sexy

Hình 3.15 Khung đữ Hiệu UART và cấu trúc APT cụ thể

Hình 2.16 Cầu trúc của khung chỉ số Rx mau đữ liệu 1O 2igBee

Tlinh 2.17 Arduino Nano ¬— ¬— ¬—

Hình 2.18 Câm biển nhiệt độ TMTP 36

Hình 2.19 Điện áp ra vá nhiệt độ của cám biến TMP 36

Tlinh 2.20 IIàm truyền tính toán giá trị nhiệt độ

Hình 2.21 Giao điện phần mềm X-CTU

1ình 2.22, Module XI3se kết nối với máy tính qua bang giao diện XHee

Hinh 2.3 Thiết lập chức năng ZigBee Coordinator API cho module XBee

Hình 2,25, Câu hinh chức năng router chơ module XBee sexy

Hình 2.26 Thiết lập các thông số che router

Hình 2

Câu hình chức năng œnd đevioe cho module XBoo

Hình 2.28 Thiết lặp các thông sở cho end device sexy

Tình 3.29 Tam đồ thuật toán cho End Device

Hình 2.30 Lưu đỏ thuật toán cho Rotter ¬— ¬—

Linh 2.31 Lưu để thuật toán cho Coordinator ¬—

Hình 3.32 Lm đồ thuật toán nhận dữ liệu từ XBee trên vi điều khiến

Hình 2,33 Lưu dỗ thuật toán giao diện trương trình trên máy tịnh

TTình 2.344 Giao điện hiển thị trên máy tỉnh sexy sexy

Hình 3.1 Khoâng cách hoạt động của 2 mút trong mạng

Hình 3.2 Tòa nhà Cl - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông,

Tlinh 3.3 Cầu trúc truyền thông qua mét router

Tình 3.4 Mô hình truyền giữa hai nút khi có vật cắn

Hình 3.5 Cấu trúc mạng phục hỏi lmk hỏng

Hình 3.6 Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lẻ truyền nhận gói tin &

khoảng dách 4Öm không có vật cân:

vii

64

Hình 3.7 Thử nghiệm do chỉ số cường độ tỉn hiệu và tỷ lẻ truyền nhận gói tin 6

khoảng cách 25m không có vật cắn 65 Hình 3.8 Thử nghiệm đo chí số cường độ tin hiện và lỷ lệ tuyển nhận gói tin &

khoảng cách Ì 5m trong môi trường có vật cấn ¬— - «06 TTỉnh 3.9 Cấu hình thí nghiệm phép đo ào ¬— — Hình 3.10 Đo điện áp cung cấp trong việc truyền khung dữ liệu 68

11ình 3.13 Nút cầm biến đo giá trị nhiệt độ trong khu vực trồng rau bằng, 72

Hình 3.14 Nút cảm biển đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng rau bằng giá thể 72

Hình 3.15 Nút câm biển đo gió trị nhiệt độ tại khu vực trắng đâu lây, 72

Hình 3.16, Nút căm biến do giả trị nhiệt dộ môi trường sexy s73

Hình 3.18 Giá trị nhiệt độ hiển thị trên giao diện máy tỉnh 74

MỞ ĐÀU

1, LY DO CHON DE TAL

Trong bồi cảnh ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông, xu thế IoT (Internet of Things) da tao déng luc thúc đây mạnh mế cho việc chế tạo nhiều nên tảng phân cửng cho phép phát triển hệ thong mang cam bien không dây vào hàu hết các lĩnh vực của xã hội như quốc

phòng, công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản

Trên thẻ giới nhiều trường đại học đã thành lập trung tâm nghiên cứu, phỏng thí nghiệm vẻ lĩnh vực mạng cảm biển như:

- Trung tâm công nghệ cảm biến tiên tién (Center for Advanced Sensor

Technology) ctia University of Maryland [1]

~ Phỏng thí nghiêm WSNLab (Wireless Sensor Networks Lab) ctia dai hoc Stanford University [2]

Bên cạnh đó mạng cảm biển không dây sử dụng chuẩn ZigBee IEEE

§02.15.4 được chính thức phê duyệt vào năm 2004 và đã khẳng định được ưu thể của mình trong các ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng và đặc

biệt lả ngôi nhà thông mình

Hình 1 ZigBee ứng dụng trong smart home

1

Các thành viên trong liên minh ZigBee vừa cho ra mắt sản phẩm dành cho

các ứng dung viễn thông (⁄igl3ee Telecom Services) như là: ủng dụng cho thiết bị

di động thú dịch vụ sử dụng vị trí rong nhà, dịch vụ truy vẫn thông tin, dich vu bin

vẻ, thanh toản qua diện thoại di dộng, các dịch vụ da phương tiện và các loại hình

mạng xã hội Một điện thoại di động có gắn sim ZigBee có thể nhận các thông tin từ nhà khai thác mạng và thanh toán các địch vụ Dịch vụ ZigBee viễn thông cho phép các thiết bị di động có thê liên lạc với nhau qua mang, ZigBee, cd thé két ndi voi các

nút hoặc thiệt bị khác như các máy bán vé hay thiết bị đầu cuối v.v

Ở Việt Nam, mạng câm biến không đây sử dụng công nghệ 7ágBee được nghiên cửu vả sứ dụng trong mô hình nhà thông mình, đi đầu trong, phát triển hệ

thông này lả Bkav Bkav Smart Home cmg cấp tính năng nhu thiết kế nhỏ gọn,

ding ki

truyén dit héu với độ tín cây cao, liết kiệm năng lượng, nối các thiết bị

dễ mỏ rộng số lượng cảm biến cũng như các thiết bị diều khiển khác trong mạng Ngoài ra một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như Đại học

Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quấc Gia Hà Nội, Bach Khoa Tp.HCM,

vv đang tích cực nghiên cửu vẻ lĩnh vực mạng cảm biển không dây, cũng như 1ughiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mang cam biến không dây như hệ thống cảnh bảo thiên tai, nhà thông mình, hệ thông an ninh chồng trộm và cảnh báo chảy, một số ứng dụng trong nông nghiệp

tạo một mạng cảm biến không dây ứng dụng vảo khu nông nghiệp công nghệ cao

tại Trường Dại hạc Công nghệ Thông tỉn và Truyền thông,

ở

3 BÓ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn được chúa làm ba chương,

CHUONG 1 TONG QUAN VE MANG CAM BIEN KHONG DAY VA

CÔNG NGHỆ ZIGBEE

Giới thiệu tổng quan vẻ mạng cảm biến không dây, câu trúc nút cảm biến,

các kiến trúc mạng, một số đích vụ và giao thức truyền thông không đây

Giới thiệu tổng quan vẻ chuẩn ZigÖee bao gồm định nghĩa, cấu trúc giao

thúc, cáo phần tử co bản trong mạng và câu trúc liên kết mạng trong chuẩn ZigTee

CHUONG 2 THIET KE MO HINH MANG CAM BIEN KHONG DAY THEO CHUAN ZIGBEE

Phan tích yêu cầu của hệ thống từ đỏ đưa ra được sơ đồ khối va so dé

niguyén lý mạch Thiết kế phan cứng, ông cụ và phẩu mềm bd to bong qua

trình xây dựng vả thiết kế phần cửng, phần mém

CHƯƠNG 3 KÉT QUÁ THỰC NGIHỆM VÀ DÁNH GIÁ

Đứa mm được cáo kịch bản dễ đánh giả khả năng định tuyển cửa mạng, do và

đánh giá được mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến Ngoài ra cón triển khai ứng dụng các nút câm biển sử dụng chuấn ZigBee vào trong khu nông nghiệp

công nghệ cao tại Trường Đại học Công nghệ Thông tỉa và Truyền thông

4 PIƯƠNG PHÁP NGIIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và

đánh giả nội dụng liên quan dén dé tai

- Phương pháp thục nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các nút cảm biến không đây sử dụng công nghệ Z4eBee Từ đỏ đưa ra phương án chế tạo các rút cắm biên không dây cho phủ hợp

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VẺ MẠNG CẢM BIẾN

KHONG DAY VA CONG NGHE ZIGBEE

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biển không dây

Mang cảm biên không dây (WSN) cỏ thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nói sóng vô tuyến (RE connection) trong dé cac node mang thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn giá thảnh thấp và có số lượng lớn, được

phân bề một cách không có hệ thông (non-topology) trên một điện tích rông (phạm

vị hoạt động rông), sử dụng nguôn năng lương hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu đải( vài tháng đến vải năm) và cỏ thẻ hoạt động trong môi trường khắc

nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt đô )

Mang cam biến

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biển không đây

1,1.2 Cấu trúc của nút cảm biến

Mang cam bien không dầy được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm bien riêng lẻ phân bồ bao phủ trong một vủng địa lý Trên mỗi nút lả các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phân cảm biên, bộ thu phát không day, nguồn nuôi, Các xrút có khả năng liên lạc vô tuyển với nút lân cân để truyền dữ liệu vẻ trung tâm [3]

Mỗi nút cảm biến được cau thành bởi 4 thành phân cơ bản:

© Don vi cam bién (sensing unit)

© Don vi xit ly (processing unit)

¢ Don vi truyén dan (transceiver unit)

© Bé nguén (power unit)

Ngoài ra có thể cỏ thêm những thành phần khác tủy thuộc vào từng ứng dụng, như là hệ thông định vị (location fñnding system), bộ phát nguồn (power generator)

và bộ phận đi động (mobilizer)

Các đơn vi cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biển va bộ chuyển đổi tương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nut cam biên được chuyên sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đỏ được đưa vào bộ

Cam bién | ADC || Cam bién | ADC Bề thu phật

Một trong các phân quan trọng nhất của một nủtnang cảm biên lả bộ nguồn

Độ nguồn có thẻ là một số loại pm Đề các nút có thời gian sóng lâu thì bộ nguồn rất

quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như năng lượng mặt trời

Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng 1Iẫu hết các kỹ thuật định tuyển và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có

độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cần phôi dịch chuyển các nút

căm biến khi cân thiết dễ thực hiện các nhiệm vụ dã ẩn dịnh Tắt cả những thánh phần này cần phải phủ hợp với kích cỡ từng module,

Ngoài kích cỡ, các nứt cảm biển còn một sé rang buộc nghiêm ngặt khác,

Thư là phải tiêu thụ rất ít nắng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thap, có

thể tự hoạt động, vả thích ngìủ với sự biến đỗi của môi trường

1.1.3 Đặc điểm cầu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các mút cảm biến, các nút cảm biển có giới hạn va rang buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất

khắc khe Do đó,

Au túc mang mới có đặo điểm rất khác với mạng Iruyền thẳng ]4]

Chỉ nhí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biên bao gồm một

cố lượng lớn các mút cảm biến nên chỉ phi của mỗi mút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chỉ phí của toàn mạng, Nếu chí phí của toàn mạng đắt hơn chỉ phí triển khai nút cm biếntheo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý

Do vậy, chỉ phí của mỗi mứt cảm biển phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vi trong mang

có một số lượng lớn các nứt cảm biển nên chứng phải có sự rằng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, liêu thụ ïL năng lượng, có khả năng hoạt động ở

những nơi có mật dỏ cao, hoạt đông không cần cỏ người kiểm soát, thích nghỉ với

môi trường

Dễ triển khai (DeploymenÐ: Là một œu điểm quan trọng của mạng cảm biến không đây Người sử dụng không cân phải hiểu về mựng cũng như cơ chế truyền thỏng khi làm việc với WSN.Hới dễ triển khai hệ thống thành sông, WSN cần phải tự câu hình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa bai nút có thê bị ảnh hưởng trong suất thời gian sống đo sư thay đổi vị trí hay các đổi tượng lớn.T.ủc này, mạng cần có khã năng tự cầu hình lại để khắc phục những điều nảy

6

Cấu hình mạng cám biến (Network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trưởng cám biển Chủng được

triển khai trong vòng hàng chục [eeL cửa mỗi nút (1ieet- 30-48 em) Mật độ các nút

lên tởi 20 mútim3 Do số lượng các nút cám biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình én định

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nứt cảm biến không day, có thế coi là một thiết bị vi điện rữ chỉ có thế được trang bị nguồn năng lượng giới bạn Trong ruột số ứng dụng, việc bổ sung nguồn nắng lượng không thể thực

hiện được Vì thể khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào

thời gia sống của pím Ở mạng cầm biến truyền thông đa chặng Ađ học, mỗi rnột

nút đóng vai trỏ kép vừa khởi tạo vừa dịnh tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài

nut cam biển só thể gây ra những thay đối đáng ké trong cầu hình và yêu câu định

tuyển tại các gói và tổ chúc lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng,

lượng dòng một vai trỏ quan trong

Bảo mật (seeuriy): Các thông tín về nhiệt độ đổi với ủng dụng giám sát

môi truờng đường như vô hại nihmg việc giữ bí mật thông tim là rất quan trọng Các hoạt đông của một Lòa nhả có thể thu thập được để đàng bằng cách lấy thông tín về nhiệt độ và ảnh sảng của tòa nhà đỏ Những thông tìn nảy có thể được sử dụng để

sắp xếp một kế hoạch tản công vào một công ty Do đó, WSN cân có khả năng giữ

tí mật các thông Im thu thập được Trong các ứng dụng an mình, đữ bảo mật trở nên

rất quan trọng Không chỉ duy trí tỉnh bi mật, nó còn phải có khả năng xác thực đữ liêu truyền Sự kết hợp tính bi mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba đang

ứng dựng Việc sử dụng mã liỏa và giải mã sẽ làm lăng cln phí về năng lượng và

băng thông Dữ liệu mã hóa và giải mã can được truyền cừng với mỗi gói tin Diễu

đó ảnh hưởng tới hiện suất ứng dựng do giảm số lượng đữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

“a

1.1.4 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây

Mạnh cám biến không day bao gồm các nút cám biến, kết nối với nhau bằng,

sống vô tuyến Việc kết nếi được quản lý và điều khiển thoo những kiến trúc mạng,

nhất dịnh Căn cử váo quả trình truyền nhận thông tin trong, WSM, có thể nhận thấy các thiết bị tham gia trao đổi thông tỉn trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai

vai trò

+ Thiết bị cung cấp thông tin thiết bị nguồn sourcss)

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

Các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Sources hoặc thiết bị Sink từy vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết bị simkk còn có thể

là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chúc năng liên kết mạng,

WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cẩm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp tin hiệu hay chuyển tiếp tin hiệu như gateway dễ truyền tin vẻ

1.1.4.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)

Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) lả kiến trúc mạng bao gồm các liên

kết mà trong mdi Han két 46 chỉ cá hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trà

thiết bị nguồn, nút câm biến còn lại đồng vai trò thiết bị địch Thiết bị đích và đuết

bị nguồn luôn trao dỗi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau

Soe ae ¿ ‘ts

a) Source/Sink li nit) Source ldmit cam c) Source lânủtcảm cảm bien biến, Sink là mấy tính bien, Sink ld gateway

cam tay

Hình 1.3 Kiến trúc mang đơn bước [Šj

1.1.4.2 Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)

Kién trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiên trúc mang bao gồm các liên kết

mả trong mỗi liên kết đỏ cỏ nhiều hơn 2 nút cảm biển, một nút cảm biến dong vai trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trỏ thiết bị đích, ngoài ra cỏn cỏ một hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với cai trỏ như một tram trung gian, chuyên tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết

bị đích với nhau một cach day đủ vả chính xác

Source

Chương ngại vật

————_ Hướng di mong muốn của bản tin

Hướng đi thực tế của bản tin

Hình 1.4 Kiến trúc mạng đa bước

1.1.5 Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây

1.1.5.1 Lop vat ly (physical layer)

Lớp vật lý là lớp có liên quan chủ yêu nhất tới việc điều chẻ - giải điều che của tín hiệu số vả qui định tàn số sóng mang Tin hiệu số (dạng nhị phân) được điều chế và giải điều chế thông qua các bộ phận truyên/nhận (transceiver) sóng vô tuyến Lớp vật lý quyết định phương pháp ma hoa tin higu (FSK hay PSK), dieu che/giai điều chế tín hiệu (điều chế tần số hay điều chế biên độ vào sỏng mạng), tân số sóng

vô tuyên, tàn số truyền/nhận sóng võ tuyến, tần số truyền nhận, độ tin cây, độ an

toan va chỉnh xác của đữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tổ nói trên

10

Ngoài ra, một vẫn đẻ cản lưu ý là tấn số sóng mang, giá tri tan s6 song mang phụ thuộc vào công nghệ khéng day được sử dụng trong lớp vật lý Tân số sóng,

mang có ảnh hướng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và

kha nang xuyén qua các chưởng nại vật như tưởng, gỗ

Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý cỏ ảnh hưởng trực

tiếp vẻ năng lượng sử đựng và giá thành của một nút cảm biển trong mạng cảm biến không đây cũng như độ tín cậy, độ bẩn vững thông tin của quá trình truyền và nhận

dữ liệu

1.1.5.2 Lop MAC

Gao thie tray cap duéng tuyén — Medium Access Control (MAC) 1A giao

thức nằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vi vậy giao thức MAC có ánh hưởng rất

lon và rất quan trọng bởi những đặc tính của nó Nhiễm vụ của giao thức MÁC là diễu chính việc truy cập váo dường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho các nút có thể truy cập đường đúng chúng mnột cách hợp lý và đúng lúc đường

truyền rãnh rỗi nhất để thực hiện việc truyền thành công

Trong mê hình tham chiéu OSI, giao thức MAC được biết đến nhà lä một phan nằm ở lớp liên kết dữ liệu Data link layer (DLL) ‘Tuy nhiên, có sự phản chia

công việc một cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL Giao thúc

MÁC xác dink cho mt mit rong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường

truyền chung rảnh rồi) mà vào dúng các thời diém đẻ nút có thể truy cập dường,

truyền để thực hiện việc nhận đữ liệu, điều khiến hoặc quản lý các gói đữ liêu tới

một mút khác trong rạng hay thậm chí là Iruyền bản tin động loạt tới tất cả các mút trên mạng (broadcast, multicast) Hai nhiệm vu quan trọng mà các phần còn lại của lớp DLL phải thực hiện là điều khiến lãi và điển khiến luông thông tin Điều khiến lỗi dược sử đụng để chắc chắn về tính dúng dẫn của quả trình truyền thông lim, và đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyều dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin hay hủy bắn tin Diễu khiển luẳng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tắc độ của việc

truyền đữ liêu dễ tránh trường hợp việc nhân đữ liệu ở thiết bị nhận châm hơn, có thể khiến thông tin bị ghi dé mat

Cỏ rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chủng ta đã biết như

CDMA, CSMA, TDMA , phan nay chi tap trung vào giao thức truy nhập đường, truyén MAC trong WSN Giao thức MAC trong WSN ngoài các nhiệm vu va dic

tính nói chưng, còn có thêm một số yêu câu đành riêng cho ứng dụng trong mang câm biển không đây Yêu cầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiến truy nhập dường truyền với mục tiêu tiêu thự íL năng lượng nhất Việc thực hiện yêu cầu này

khiển cho giao thức MAC trong WSN trở nên tương đối mới so với các giao thúc

MÁC kinh điển đá biết như CSMA, các giao thức nói trêu không bao gầm điều khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm năng lượng, Một yêu cầu nữa cho giao thức MAC dé Ja tinh kinh tế và tính bên vững khi kiến trúc mạng thay đổi thường xuyên

(sự Hay đối đó là do việc thêm vào hay bởi đi mũi cản biên trong mạng, đo nút cản

biến chuyển trạng thái hoạt dộng, bị chết hoặc bị hết pin) Với các yêu cầu riêng biệt danh cho WSN, hau hết các giao thức MAC trong WSN đều có thêm khả năng giải

quyết các vẫn dé sau: rảnh xung đột (collisions), tránh nghe trộm (overhoaring), protocol overhead, nghe trong khi net (idle listening)

Collision: Vẫn để xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho đữ liệu nếu có nhận

được cũng không còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại đữ liện đo đó gây tiêu tốn

tiăng lượng Giao tiức MÁC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng cách sử dụng kết hợp các thuật toản truy cập đường truyền phù hợp

Overhearning: Khi dữ liệu dược truyền từ nứt nguồn dén nút dịch trong một

dữ liêu này Năng lượng tiêu tốn cho quả trình nhận dữ liệu là dang ké Vi vay dé

tránh trường hợp nhận nhằm đữ liêu không có ý nghĩa, mỗi thiết bị trong mang có một địa chỉ truy cập đường truyền, gọi lả địa chỉ MÁC

Protocol Overhead: sử dựng thêm các byte để đánh dẫu bản tín, hoặc đánh dau việc truyền đử liêu, ví dụ như sử đụng cac g6i RTS, CTS hoặc cáo gói yêu cầu hay các phân dành dấu dầu của các gỏi dữ liệu

Tdle listening: mt nd mặc dù ở trạng thải ngũ vẫn luôn sẵn sảng dễ nhận các

gói đít liệu, tuy nhiên mứt này không thể nhận đữ liệu ngay tại thời điểm nút đang được ngủ Muốn nhận dữ liệu, nút phải thức đậy ra khối trạng thái ngủ Vì vậy, nếu

có bản tin gửi dến nút ở thời diễm nút dang trong trạng thái ngủ thì nút có thẻ không,

nhận được bản tin này chính xác Thông thường, với các bệ điên chế/giải điều chế

năng lượng khi thay

bộ truyếnnhận Tân sẽ song vô tuyển của các bộ truyển/nhận cũng phải được giữ lại ở mức “hợp lý” khi tiền hảnh tắt các bộ truyền/nhận

1.1.6 Ứng dụng của mạng cảm biên không dây

1.1.6.1 Ứng dụng trong công nghiện

- Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thông, như trạng thái các van, trạng,

thải thất bị, nhiệt độ và áp suất

- Giám sát hệ thông nồi hơi, tháng hơi và điều hỏa không khí của các toà nhà

1.1.6.3 Y tế và giảm sải sức khoẽ

- Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây lá cung cấp kha năng giao tiếp cho người khuyết tật

- Giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện

1.1.6.3 Ứng dụng trong dân dụng

- Hệ thống nhá thông minh, giao tiếp và điền khiến các thiết bị điông mình

- Hệ thông giao thông thông minh

1.1.6.4 Ứng dụng trong quân sự

~ Theo đối, giảm sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính

xác khi ném bom, hay tân công, định vị và theo đối sự dịch chuyên của quân địch

~ Cảm biến môi trường: phát hiện mìn, chất độc

~ Điều khiên: sự kích hoạt thiết bị, vũ khi quân sự

1.1.6.5 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn đề đưa ra các cảnh báo kịp thời

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể kiểm tra độ 4m trong đất, sự

tăng trưởng của cây

Hinh 1.6 Ung dung trong néng nghiép

Trong lâm nghiệp, các nút cảm bién được triển khai trên các cánh rừng đẻ

cảnh bảo chảy rừng

14

Cac nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật đề có thể giảm sắt sự di chuyên cũng như thân nhiệt hay hành v¡ của chúng

1.2 Tổng quan về công nghé ZigBee

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ ZigBee

Tên goi ZigBee được xuất phát từ cách mả các con ong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong Đó lả kiểu liên lạc

“Zig-Zag” của loài ong “honey Bee Tên của công nghệ nảy được hình thành từ

việc ghép hai chữ cái đầu với nhau Công nghệ nảy ra đời chỉnh là sự giải quyết cho van đề các thiết bị tách rời có thể làm việc củng nhau đề giải quyết một vẫn đẻ

nảo đó

Céng nghé ZigBee 1a công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tân

không đăng ký ISM (Industrial, seientiie and medical) dành riêng cho các ứng

dụng công nghiệp, khoa học vả y tế Tân số 2,4GHz hàu hết các quốc gia trên thế giới tần số 91SMHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu Tốc độ dữ liệu đạt

Bảng 1.1: Băng tân và tốc độ dữ liệu

ZigBee lả một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE

802.15.4 MAC/PHY ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của

802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mang ludi Chuan ZigBee 1.0

được phê chuẩn vào ngảy 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee

Allianee Đến nay thì các đặc tỉnh kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bồ sung thêm ZigBee ra doi va duoc phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home

automation), nang lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và

giám sát y tế

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chỉ phí thập, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự đông hóa Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thập cho những thiết bị chỉ co thời gian sống từ vài tháng đến vai nam ma không yêu cầu cao vẻ tốc độ truyền tin như Bluetooth Bảng so sánh giữa chuân ZigBee với chuẩn Bluetooth như sau [7]:

16

Bang 1.3: Bang so sánh giữa chuẩn ZigBee với chuẩn Bluetooth

“Vùng lầm việc Tiiệu quả ở 10- 75m Hiệu quả ở < lÔm

(trong trạng s80) (trong mạng sao)

truyền tin trong khoảng cách 10-75m tủy thuộc và mỗi trường truyền và mức công,

suit phat dược yêu cầu với mỗi ứng dụng Về khá nãng tiêu thụ diện, các module

sử đụng chuẩn ZigBee sẽ cỏ tuổi thọ từ 6 tháng đến 2 năm riểu sử đụng đổi pin AA ZaigBec có khả năng kết nội với hơn 65000 nút

1.2.2

trúc của giao thức ZigBee

IEEE 802.15.4 va lién minh ZigBee da liên kế: chặt chế để xác định một bộ giao thức siack TEEE 802.15.4 tập trung; vào các đặc điều kỹ thuật của hai lớp thập hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) đảnh cho các ứng dung WPAN téc dé thap, LULU

802 15.4 sẽ đi sâu phân chỉ tiết vẻ đặc điểm kỹ thuật của lop PHY va MAC bang

cách xây đựng các kiên trúc khối cho các loai wd hinh wang khác nhau như sao, cây

và hình lưới Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phái dim bao duy trì được nguễn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp

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

nhận độ nhạy, từ chói kênh, công suất đầu ra, só kênh, điều chế chịp, và thông số tóc độ truyền Hâu hết các ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tân ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250 kbps

MAC Quan lý truyền đữ liêu RE giữa những thiết bị hàng xóm (point to

poin) MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dan, quan ly

xác nhận vả kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA)

Network Cộng thêm khả năng đình tuyển cái nảy cho phép gói tin dữ liệu RE

di qua nhiều thiết bị (nhiều bước nhay) dé tuyen đường đữ liệu từ nguon tdi dich (peer to peer)

Lớp ứng dụng nảy định nghĩa đổi tượng định địa chỉ khác nhau bao

gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối

18

⁄DO Lớp ứng dụng nảy cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra địch vụ và

khả nẵng quản lý mạng rằng rao

1.2.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee

Mạng ZigTee gảm có 3 loại thiết bị:

» ZigBee Courdinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một

thiết bị Coordinator Nó lựa chợn một kênh vả PAN LŨ (cá 644 bit và 16 bít) đề bắt

đâu mạng, có thể cho phép những rauter và end đeviee tham gia vào mạng, hỗ trợ

trong viêc dịnh tuyên dữ liêu Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính

» ZigBee Router (ZR): Rouler là một nút Z4gBee có đây đỏ tính năng, gũi

thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào

mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến đữ liệu Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy

nd phai được cấp nguồn chính Một mạng có thể có nhiều ronter

© ZigBee End Device (ZED): Né phai tham gia mét ZigBee PAN trước khi

nó có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thẻ cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng ZED phải luôn luôn truyền và nhận đử liệu RF qua phụ huynh của nó, khéng thé dinh tuyén dữ liệu ZED có kết cau don giản và thường ở trạng thái ngủ

"dánh thức" khi cần nhận (slsep mode) để tiết kiệm năng lượng Chúng chỉ dược

hoặc gửi một thông điệp nảo đó và có thể cấp ngudn pin

1.2.4, Câu trúc liên kê mạng

Trong truyền thông đúng giao thức Z4gBcc thường hồ trợ 3 mô hình mạng,

chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới

1.2.4.1 Mang hinh sao (Star Network}

lồ trị mạng này được thẻ hiện như trong hình 1.9 Mét Coordinator thi nim

ở trung tâm của mồ hình mạng và kết nổi với một vòng trên những end đevioe Mọi

liên lạc trong hệ thóng phải di qua coordinator Những end deviee thi không dược

giao tiếp với nhau, ví đụ 2 nết mạng muốn trao đổi với nhau thi phải thông qua

coordinator.

Hình 1.9 Cầu trúc mạng hình sao

1.2.4.2 Mạng hình lưới (Mesh Network)

Câu hình mạng hình lưới là thêm những router ngoài những end device va

coordinator, nó đóng vai trỏ định tuyên dữ liêu, mở rộng mạng vả khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường Ngược lại với mô hình mạng sao, bắt kỳ thiết bị nào cũng có thể giao tiếp với bắt kỳ thiết bị khác miễn là các thiết bị

đó nằm trong phạm vi của chủng Mạng hình lưới có ưu điểm cho phép truyền

thông liên tục và có khả năng tư xác định lại cầu hình xung quanh đường đi bị che

chắn bằng cách nhảy từ nút nảy sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nói Mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nói và định tuyển với các nút lân cận Cũng chính khả năng chuyển tiếp và đình tuyến gói tia đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn là trở ngại

@ (oorinas

Qiiowtes Qua

Hình 1.10 Cầu trúc mạng hình lưới

1.2.4.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)

Câu trúc nảy là một dạng đặc biệt của câu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết bi la FFD và những RED có thể kết nổi vào mạng hình cây như một nút rời

20

rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nao cũng có thể hoạt động như là một coordinator va cung cáp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vi thể mà câu trúc mạng kiêu nảy có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao Trong loại câu hình nảy mặc đủ có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ cỏ duy nhật PAN coordinator

ZigBee hỗ tro ca PAN ID 64 bit va 16 bit Ca hai PAN ID thì sử dụng để nhận dang duy nhất một mạng Những thiết bị trên mạng ZigBee giống nhau phải được chia sẻ những PAN ID 64 bịt vả 16 bịt giống nhau Nếu nhieu mang ZigBee đang hoạt động trong phạm vị của nhau, mỗi mạng nên có PAN ID duy nhất

PAN ID 16 bít thì sử dụng như một trường địa chỉ lớp MAC trong tất cả

truyền dần đữ liệu RF giữa những thiết bị trong một mạng Tuy nhiên, do không gian định địa chỉ giới hạn của PAN ID 16 bit, co nhiều khả năng rằng nhiều mạng, ZigBee (trong phạm vi của nhau) có thẻ sử dung PAN ID 16 bịt giống nhau Đề giải

21

quyết khả năng tránh xung dột PAN ID 16 bít, liên mình ZigBec dã tạo ra một PAN

ID 64 bit

PAN ID 64 bit (cũng dược gọi là PAN ID mỡ rộng), dược đự dịnh là đuy

nhất và không trùng lặp giá trị Khi một coardinater bắt đầu một mạng, nó có thể một là bắt đầu một mạng trên một câu hình sẵn PAN ID 64 bịt, hoặc nó có thể lựa

chọn ngẫu nhiên một PAN LD 64 bit PAN ID 64 bit thi str dung trong quá trinh kết

néi Néu mét thiét bi cé mét câu hình sẵn PAN ID 61 bít, nó sẽ chỉ kết nổi một inang voi PAN ID 64 bít giống nhau Mắt khác, một thiết bị có thê đưm gia kết nồi

bắt kỳ PAN phat luện ra và thừa hưởng PAN ID tử mạng khi nó tham gia PAN ID

64 bit thi bao gdm trong tat cã những cảnh bảo ZigBee va được sử dụng trong giải quyết xung đội PAN ID 16 bit

Béi vi PAN ID 16 bit chi cho phép lên đến 65535 giá trị đuy nhất và khi

PAN ID 16 bịt là lựa chọn ngâu nhiên, quy định hiện có trong ZigBec phát hiện nếu

hai mang đang hoạt động trên PAN II) 16 bịt giống nhau Nếu như một xung đột

được phát hiện, ngăn xép ZigBee có thé thực hiện giải quyết xung đột dé thay đối

PAN LD 16 bát của mạng dễ mà giải quyết xung dột

Nói tôm lại, những router và cnd deviee nên được câu hình với PAN TD 64

bit ctla mang ma né muén tham gia Thông thường router và end device sẽ có được

PAN ID 16 bịt khi tham gia được vào một mang

1.2.6 Dịnh địa chỉ

Tắt các thiết bị ZagBoo có hai cha chỉ khác nhau, một dựa chỉ 64 làm và ruột

địa chí 16 bit Đặc trưng của mỗi cải thì được miều tả như sau:

* Dia chi thiét bi 64 bit

Pha chi 64 bit la mét địa chỉ thiết bị đuy nhất được ấn định trong lúc sản

xuất Địa chỉ này là duy nhất cho mỗi thiết bị vật lý Địa chỉ 64 bịt báo gồm một cầu tạo nhận diện duy nhat 3 byte (OUL) an dinh bởi IBEE, Địa chỉ 64 bít cũng dược gọi

là địa chỉ mở rộng

tạ 8

+ _ Địa chỉ thiết bị 16 bit

Một thiết bị nhận một địa chỉ 16 bit khi nó tham gia vào một mạng ZigBee

Vi ly do nay, địa chỉ 16 bit thì còn được gọi là “địa chỉ mạng” 0x0000 của địa chỉ

16 bịt là dành riêng cho coordimator TẤt cả những thiết bị khác nhận ruột dịa chỉ

phát ra ngẫu nhiên từ thiết bị router hoặc thiết bị coardinator này cho phép tham gia

Pia chi 16 bit od thé thay đổi một số điều kiện ở đưới

+ Một xưng đột địa chỉ là nhận thây ở nơi mà hai thiết bị là tìm thấy được địa chỉ 16 bịt giống nhau

| Mét thiết bị đời khôi mạng và sau đó tham gía (Nó có thể nhận một địa chỉ khác) Tat ca truyền dẫn ZigBee được gửi bằng dia chi 16 bit nguồn và địa chỉ 16 bít địch Bảng định tuyến trên những thiết bị ZigBcc cũng sử dụng dia chi 16 bit dé

xác định lam thé nào để tuyển đường những gói đữ liệu qua mạng, Tuy nhiên, khí

địa chỉ 16 bì là không tĩnh, nó không phải là một phương pháp đáng tín cây để định

quảng ba Truyén dan unicast luyén dudmg dit liệu từ một thiết lị nguồn đến một thiết bị dich, nhưng trái lại truyền quảng bá là gũi đến nhiều hoặc tất cá những thiết

bị trong mạng [8]

« Truyền dữ liệu quảng bá

Truyền quảng ba trong các giao thức ZigBee có xu hướng được truyền bá

khắp toàn bộ mạng lưới như vậy lất cả các nút nhận được truyền đần Đề hoàn thành

điều này, coordinator và tất cả các router này nhận một truyền quảng bả sẽ truyền lại gói tin này ba lần

vend Device

Hình 1.12 Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá

Mỗi nút truyền quảng bá cũng sẽ tạo ra một mục trong một bảng truyền

quảng bá địa phương Mục này được sử dụng đề theo dõi từng gói dữ liệu quảng bá

nhận được đề chắc chắc các gỏi tin là không truyền dân vô tận Mỗi mục tỏn tại trong § giây Bảng truyền quảng bả thì nằm giữ 8 mục

Cho mỗi truyền quảng bá, ngăn xep ZigBee phai dành không gian đêm cho một bản sao của gói dữ liệu Bản sao nảy được sử dụng đẻ truyền lại gói đữ liệu nều cân Gói dữ liệu lớn sẽ yêu câu không gian bộ đệm lớn Thông tin này trên không gian bộ đệm thì cung cấp cho sự hiểu biết chung Người dùng không và không thể thay đổi bắt kỳ không gian bộ đệm

Bởi vi truyền quảng bả được truyền lại bởi mỗi thiết bị trong mạng, tin nhắn

quảng bá nên được sử dụng một cách tiết kiệm

e Truyền dẫn Unicast

Truyền unicast được gửi từ thiết bị nguồn đến thiết bị địch khác Thiết bị

dich cỏ thể lả một lắng giêng trực tiếp của nguồn, hoặc nó có thẻ lả một vải bước

24

nhảy Truyền unicast nảy được gửi cùng một đường nhiều bước nhảy yêu cảu một

số phương tiện thiết lập một tuyên đường đến thiết bị đích

Hình 1.13 Sơ đồ truyền umieast

1.2.8 Quá trình hoạt động của những thiết bị trong mạng cảm biến không dây

1.2.8.1 Quá trình hoạt động của coordinator

¢ Hinh thanh mét mang

Coordinator thì chịu trách nhiệm cho việc lựa chọn kênh, PAN ID (16 bit và

64 biÐ, chỉnh sách bảo mật, và hỗ sơ ngăn xếp cho một mang Vi coordinator 1a loai thiết bị đuy nhất mà cỏ thể bắt đầu một mạng, mỗi mạng ZigBee phải cỏ một coordinator Sau đỏ coordinator đã bat đầu một mang, nỏ có thẻ cho phép những thiết bị mới kết nói vào mạng Nó cũng có thể định tuyến những gói dữ liệu và giao tiếp với những thiết bị khác trong mạng

Dé chắc chắn coordinator bắt đầu trên một kênh tốt và không ding dén PAN

ID, coordinator thực hiện một đợt quét khám phá bắt kỳ sự hoạt động RF trên

những kênh khác (quét năng lượng) và kham pha ra bat kỳ PAN hoạt động gần đó

(quét PAN)

© Lua chon kênh

Khi bắt đầu một mang, coordinator phải lựa chọn một kênh “tốt” cho mạng

để hoạt động Để làm được điều nảy, nó thực hiện một quét năng lượng trên nhiêu kênh (tân số) đẻ tìm ra những mức năng lượng trên môi kênh Những kênh voi những mức năng lượng thừa thi được loại bỏ khỏi danh sách các kênh tiêm nang dé

bat dau.

+ Lựa chụn PAN ID

Sau khi hoàn thành quét năng lượng coordinator quét canh sách những kênh

tiểm năng (những kênh cỏn lại sau khi đã quét năng lượng) đề thu được một danh

sách các PAN láng giểng, Để làm được điều này, coorđinator gửi một báo hiện yêu

cầu truyền (quâng bá) trên trên mỗi kênh tiểm mắng Tat c& cde coordinator va routar ở gân (mà dã tham gia một mạng) sẽ phân hỏi báo hiệu yêu cầu bằng cách gửi một bảo hiệu trở lai coordinator Bao hiệu nây chứa thông tín về PAN về thiết bị

& trong mang, bao gồm dịnh danh PAN (16 bit v4.64 bit) Quia trình quớt này là điển hình được gọi lả một quét chú động hoặc quét PAN

Sau khi coordinalor hoàn thành việc quẻt kênh và quét PAN, nó lựa chọn

một kênh ngău nhiên và không sử dụng PAN ID 16 bit dé bit dau

© Dữ liệu ấn định

Một khi caordinator bắt đầu một mạng, nó sẽ giữ thông tín sau thông qua chu

+ỳ năng lượng hoặc sự kiện reset

+PAN TD

+ Hoạt dộng của kênh

¡ Chỉnh sách bảo mật và giá trị bộ đếm khung,

+ Bảng con (Chứa địa chỉ của các cnủ deviec hoặc routor kết nối v6i coordinator)

Coordinator sẽ giữ võ thời hạn thông tin này cho đến khi nó rời mạng, Khi coordimator rời một mạng và bắt đầu một mạng mới, PAN TD tước, kênh hoạt đông, đữ liêu bảng con thì mất dẫn tới mạng cũ sẽ mất và các thiết bị trong mạng, nhut router v4 end device sé tim kiếm và tham gia vào mạng mdi

1.2.8.2 Quá trình hoại động của Rouler

Router phai tim ra và kết nỗi vào một mạng hợp lệ trước khi họ có thể tham gia trong mét mang ZigBee Sau khi router đã kết nỗi vào một mạng, nó có thể cho phép những thiết bị mái kết nối vào mạng Nó cũng có thể định tryển những gói tin

dữ liệu và giao tiếp với những thiết bị khác trên mạng,

+ _ Khám phá ra mạng ZigBee

Để lìm ra những mạng ZigBee, rouler thực hiện mol su quel PAN, giéng như coordinator lam khi nó bắt đầu một mạng Trong thời gian quét PAN, router gửi

một yêu cầu báo hiện truyền trên kênh đầu tiên trong đanh sách những kênh quét

của nỗ Những soordinalor gần đỏ và những router hoạt động lrên những kênh này

phan héi các yêu cầu báo hiệu bằng cách gửi một bảo hiệu trở lại router, Bảo hiệu bao gém théng tin vé PAN và những thiết bị lân cận ở trên đó, bao gồm định danh

PAN, có hay không kết nối được cho phép Rouler sẽ ướp lượng mỗi tín hiệu nhận

được trên kênh đề thực hiện nêu một PAN hợp lệ được tim thấy Router được coi là một PAN hợp lệ nếu PAN:

cá kênh đã được quét và một PAN hợp lệ thì không được tìm ra thi tất cá các kênh

sẽ được quét lại

+ _ Tham gia một mạng

Môi khi rouler tìm ra một mạng hợp lệ, nó sẽ gửi một yêu cầu liên kết đến thiết bị này gửi một báo hiệu hợp lệ yêu cầu kết nối vào một mạng

Khi một roufer tham gia váo một mạng, nó nhận một địa chỉ 16 bịt từ thiết bị

cho phép nó tham giam Địa chỉ 16 bịt là lựa chọn ngẫu nhiên bởi thiết bị mà cho

phép tham gia

« TDữliệu ổn định

Một khi rơuter đã tham gia vào một mạng, no van giữ lại các thông tỉ sau

thông qua các chu kỳ điện hoặc thiết lập lại các sự kiện:

+PAK ID

+ Kênh hoạt động,

tạ 9

+ Chỉnh sách bâo mật và các giá trị khung truy cặp,

Router sẽ vẫn duy trì thông tin nảy vô thời bạn cho đến khi nó doi khói

mang Khi một router đời một mạng, PAN TD trước, kênh hoại động, và dữ liệu

bang con thi mat

1.2.8.3 Qua trinh hoat déng ciia end device

Tuong ur nbu nhiing router, nhimg enđ device cũng phải khám phá và kết

nỗi một mạng ZigBee hợp lệ trước khi họ có thể tham sia trong một mạng Sau khi

một end device đã được tham gia một mạng, nó có thế giao tiếp với những thiết bị

khác Irong mạng Khi những cnd device được đự định chạy bằng pt và bởi vì hỗ

trợ chế độ năng lượng thấp, end device không thé cho phép các thiết bị khác kết nỗi

với nẻ, cũng như không thể định tuyên những gói đữ liệu

+ _ Khám phá mạng ZigBee

Whig end device di qua các quá trình giảng như những rorter tìm ra mang

bằng cách phát hiện một PAN quét Sau đẻ gửi quảng ba truyền yêu cau bao hiệu, end device nghe trong khoảng một thời gian ngắn để mả nhận báo hiệu gửi bởi

những reuter và cocrdinator gản đỏ trên những kênh giống nhau End device định

giá mỗi bảo hiệu nhận được trên kênh đẻ xác định néu mét PAN hop lý được tìm

thấy Một end device xem xét mét PAN là hợp lý nên PAN:

L Có một PAN TD 64 bit hop ly

+ Có một hễ sơ ngăn xếp chính xác

! Được cho phép tham gia

+ C6 ding lượng chứa thêm cnd đevioc

kếu một PAN hợp lệ không tim thấy, end device thực hiện quét PAN trên kênh tiếp theo trong đanh sách kênh quét của nó và tiếp tục quá trình này cho đến khi mội mạng hợp lệ được tìm thấy, hoặc cho đến khi tất cả các kênh đã dược quét Nếu tất cá các kênh đã được quét và một PAN hợp lệ không được tỉm ra, end device

có thế vào trạng thái ngủ năng lượng tháp và quét lại sau Dễ đáp ứng yêu cẩu của

liên minh ZigBee, end device sé cé ging quét lên dén 9 lân/phuút trong khoảng 5 phút đầu tiên, và sau đó quét 3 lẳn/phút,

* Tham gia mét mạng

Môi khi thiết bị khám phá ra một mạng hợp lê, nó tham gia

ao Tang, tương,

tự như một router, bằng cách gửi một yêu cầu liên kết đề yêu cầu một tham gia trên

mạng ZigBee Thiết bị cho phép tham gia thì gửi một khung phần hải liên kết cái

nà hoặc cho phép hoặc là từ chối tham gia

Khi mét end device tham gia vào mạng, nó nhận một địa chí 16 bịt từ thiết bị

cho phép tham gia Địa chỉ 16 bit là lựa chọn ngẫu nhiên bởi thiết bị mà cho phép

tỏ tham gia

« Sức chúa end đevice

Những rơuter va coordinator duy trì một bảng tốt cả các thiết bị má đã tham

gia được gọi là bảng on Bảng này thì độ lớn có bạn và xác định bao nhiên end

device co thé tham gia Nếu một ronler hoặc coorđinalor có ïL nhất một mục không,

sử dựng trong bảng con của nó, thi thiết bị đó có sức chứa end device Nói cách

khác, nó cho phép một hoặc thêm nhiều end đevics được tham gia Mạng ZigBee

tiên có đủ số rouler để đảm bão đã súc chứa cnd deviee

mạng, vả thử lại khám phá và tham gia mạng mới Khi một end device đời một

mang, PAN TD cũ và kênh hoại động sẽ mật

CHƯƠNG 2 THIẾT KÉ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY THEO CHUẢN ZIGBEE

2.1 Giới thiệu về mô hình

Hình 2.1 Mô hình hệ thông mạng không đây theo chuẩn ZigBee được đặt trong khu

nông nghiệp công nghệ cao

Khu vực nông nghệ công nghệ cao của Trường Đại học Công nghệ Thông tin

và Truyền thông được khánh thành vào tháng 11 năm 2015 đo Vương quốc Bi tai trợ Đây là khu được xây dựng với mục đích phát triển các sản phẩm nông nghiệp theo hướng ứng dụng công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiền vào sản xuất

Khu vực nông nghiệp công nghệ cao được chia thành hai khu:

+ Khu nhả kỹ thuật: diện tích hơn 20 m? (4m x Sm), ban trong dat cae hé

thông điều khiên có chức năng giám sát và vận hành các thiết bị bên trong và bên

ngoài nhà kinh

30

+ Khu nhà kinh: cỏ diện tích 90 m (6m x 15m) được chia làm 3 khu, khu trồng rau theo phương pháp thủy canh, khu trồng rau theo phương pháp sử dụng giá

Hình 2.2 Quang cảnh bên trong nhà kinh

Cây trồng sinh trưởng va phat trién tốt thi phụ thuộc vảo nhiều yêu tổ nhưng trong đó có rất quan trọng đỏ là các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ảm,

ánh sảng, nông độ EC, PH

Bai toan đặt ra là làm thé nào đo các thông số ở trên để giảm sát sự sinh trưởng và phát triển của cây trong va giảm thời gian cho việc đo đạt các thông số môi trường sử dụng các dụng cụ đo bằng tay

Từ thực tế bài toán đặt ra cân thiết kế hệ thông đáp ứng được một số yêu cầu

như sau:

+ Đo các thông số nhiệt độ của môi trường tại khu vực trồng rau bằng phương pháp thủy canh, trồng rau bằng phương pháp giả thẻ và khu trông dâu tây

+ Các nút cảm biển phải có tỉnh linh động va dé dang thay đổi được từ khu

vực này sang khu vực khác

+ Giá trị nhiệt độ phải hiển thị được trên giao diện máy tính để dễ dàng theo

đõi và giảm sat

31