Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ zigbee

Bên cạnh đó mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn ZigBee IEEE 802.15.4 được chính thức phê duyệt vào năm 2004 và đã khẳng định được ưu thế của mình trong các ứng dụng trong công nghiệp,

i

LỜI CAM ĐOAN

Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện điện Đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Quốc Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục tiêu đề ra

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

Hà Nội, Ngày 10 tháng 04 năm 2016

Người cam đoan

Đặng Văn Ngọc

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại

học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em được làm luận văn tôt nghiệp này

Sau thời gian nghiên cứu và làm việc miệt mài luận văn tốt nghiệp của em đến nay

cơ bản đã hoàn thành Có được thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản

thân còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc

Cường, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp tài liệu, kiến

thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian làm luận văn

Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, kính chúc thầy luôn

mạnh khoẻ và công tác tốt

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện điện đã hết sức nhiệt tình

truyền đạt cho chúng em không chỉ những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh

nghiệm quí báu Bên cạnh đó còn tạo những điều kiện hết sức thuận lợi để em có

thể hoàn thành luận văn của mình

Em xin gửi lời cảm ơn tới dự án “Exploring future university development

cooperation in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest

and seed approach”- mã số ZEIN2011Z099

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè Chính

gia đình và bạn bè đã là nguồn động viên hỗ trợ vô cùng to lớn giúp em có thêm

động lực và sự kích lệ để hoàn thành luận văn này

Học viên

Đặng Văn Ngọc

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 4

KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE 4

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 4

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 4

1.1.2 Cấu trúc của nút cảm biến 4

1.1.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến 6

1.1.4 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây 8

1.1.5 Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây 10

1.1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 13

1.2 Tổng quan về công nghệ ZigBee 15

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ ZigBee 15

1.2.2 Cấu trúc của giao thức ZigBee 17

1.2.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee 19

1.2.4 Cấu trúc liên kết mạng 19

1.2.5 PAN ID 21

1.2.6 Định địa chỉ 22

1.2.7 Truyền dẫn dữ liệu 23

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN 30

KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE 30

2.1 Giới thiệu về mô hình 30

2.2 Thiết kế phần cứng 32

iv

2.2.1 Sơ đồ khối của các nút trong mạng 32

2.2.2 Sơ đồ nguyên lý 33

2.2.3 Giới thiệu các linh kiện được sử dụng 35

2.3.2 Lưu đồ thuật toán cho Router 54

2.4 Thiết kế giao diện 58

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 59

3.1 Kiểm nghiệm hoạt động của mạng ZigBee 59

3.1.1 Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách và mở rộng tầm hoạt động của mạng 59

3.1.2 Thí nghiệm khả năng khôi phục liên kết hỏng trong định tuyến mạng 62

3.1.3 Kiểm nghiệm chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin 63

3.2 Đánh giá năng lượng tiêu thụ và dự đoán tuổi thọ pin 66

3.3 Kiểm nghiệm hoạt động của toàn bộ mô hình mạng ứng dụng trong nhà kính tại khu nông nghiệp công nghệ cao của trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông 71

Sơ đồ bố chí các nút cảm biến trong khu vực nhà kính 71

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AODV Ad-hoc On - demand Distance Vector

BLE Bluetooth Low Energy

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

LR-WPAN Low Rate – Wireless Personal Area Network

MAC Media Access Control layer

PHY Physical layer

RF Radio frequency

WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

ZDO ZigBee Device Object

APS Application Support Sublayer

PAN Personal Area Network

API Application Programming Interface

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

Ack Acknowledgment

OUI Organizationally Unique Identifier

OSI Open Systems Interconnection

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance RSSI Received Signal Strength Indicator

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu 16

Bảng 1.2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee 16

Bảng 1.3: Bảng so sánh giữa chuẩn ZigBee với chuẩn Bluetooth 17

Bảng 3.1 Bảng kết quả đo trong không gian không có vật cản 60

Bảng 3.2 Bảng kết quả đo trong không gian có vật cản 60

Bảng 3.3: Phép đo hiện tại của một end device 68

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 ZigBee ứng dụng trong smart home 1

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2 Cấu trúc nút cảm biến 5

Hình 1.3 Kiến trúc mạng đơn bước 9

Hình 1.4 Kiến trúc mạng đa bước 9

Hình 1.5 Kiến trúc mạng hỗn hợp 10

Hình 1.6 Ứng dụng trong nông nghiệp 14

Hình 1.7 Băng tần của chuẩn ZigBee 15

Hình 1.8 Cấu trúc giao thức 18

Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình sao 20

Hình 1.10 Cấu trúc mạng hình lưới 20

Hình 1.11 Cấu trúc mạng hình cây 21

Hình 1.12 Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá 24

Hình 1.13 Sơ đồ truyền unicast 25

Hình 2.1 Mô hình hệ thống mạng không dây theo chuẩn ZigBee được đặt trong khu nông nghiệp công nghệ cao 30

Hình 2.2 Quang cảnh bên trong nhà kính 31

Hình 2.3 Sơ đồ khối ghép nối phần cứng của nút router và end device 32

Hình 2.4 Sơ đồ khối ghép nối phần cứng của nút coordinator 33

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của các nút router và end device 33

Hình 2.6 Mạch phần cứng của các nút router và end device sau khi hoàn thành 34

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý nút coordinator 34

Hình 2.8 Mạch phần cứng của nút coordinator sau khi hoàn thành 35

Hình 2.9 Module XBee ZB Series 2 36

Hình 2.10 Một truyền dẫn đơn trong mạng lưới 38

Hình 2.11 Yêu cầu đường đi mẫu truyền khi R3 đang thử tìm ra một tuyến đường tới R6 39

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

viii

Hình 2.13 Mô hình định tuyến many – to – one 40

Hình 2.14 Mô hình định tuyến source 42

Hình 2.15 Khung dữ liệu UART và cấu trúc API cụ thể 43

Hình 2.16 Cấu trúc của khung chỉ số Rx mẫu dữ liệu IO ZigBee 45

Hình 2.17 Arduino Nano 46

Hình 2.18 Cảm biến nhiệt độ TMP 36 47

Hình 2.19 Điện áp ra và nhiệt độ của cảm biến TMP 36 47

Hình 2.20 Hàm truyền tính toán giá trị nhiệt độ 48

Hình 2.21 Giao diện phần mềm X-CTU 48

Hình 2.22 Module XBee kết nối với máy tính qua bảng giao diện XBee 49

Hình 2.23 Thiết lập chức năng ZigBee Coordinator API cho module XBee 50

Hình 2.24 Thiết lập các thông số sử dụng cho coordinator 50

Hình 2.25 Cấu hình chức năng router cho module XBee 51

Hình 2.26 Thiết lập các thông số cho router 51

Hình 2.27 Cấu hình chức năng end device cho module XBee 52

Hình 2.28 Thiết lập các thông số cho end device 52

Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán cho End Device 53

Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán cho Router 54

Hình 2.31 Lưu đồ thuật toán cho Coordinator 55

Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ XBee trên vi điều khiển 56

Hình 2.33 Lưu đồ thuật toán giao diện trương trình trên máy tính 57

Hình 2.34 Giao diện hiển thị trên máy tính 58

Hình 3.1 Khoảng cách hoạt động của 2 nút trong mạng 59

Hình 3.2 Tòa nhà C1 - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 59

Hình 3.3 Cấu trúc truyền thông qua một router 61

Hình 3.4 Mô hình truyền giữa hai nút khi có vật cản 62

Hình 3.5 Cấu trúc mạng phục hồi link hỏng 63

Hình 3.6 Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 40m không có vật cản 64

ix

Hình 3.7 Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở

khoảng cách 25m không có vật cản 65

Hình 3.8 Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 15m trong môi trường có vật cản 66

Hình 3.9 Cấu hình thí nghiệm phép đo 67

Hình 3.10 Đo điện áp cung cấp trong việc truyền khung dữ liệu 68

trong các giai đoạn khác nhau 68

Hình 3.11 Dự đoán tuổi thọ pin của nút cảm biến 70

Hình 3.12 Sơ đồ bố trị các nút cảm biến 71

Hình 3.13 Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ trong khu vực trồng rau bằng 72

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

Hình 3.15 Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng dâu tây 72

Hình 3.16 Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ môi trường 73

Hình 3.17 Thiết lập kết nối cổng COM 73

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

Trên thế giới nhiều trường đại học đã thành lập trung tâm nghiên cứu, phòng thí nghiệm về lĩnh vực mạng cảm biến như:

- Trung tâm công nghệ cảm biến tiên tiến (Center for Advanced Sensor Technology) của University of Maryland [1]

- Phòng thí nghiệm WSNLab (Wireless Sensor Networks Lab) của đại học Stanford University [2]

Bên cạnh đó mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn ZigBee IEEE 802.15.4 được chính thức phê duyệt vào năm 2004 và đã khẳng định được ưu thế của mình trong các ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng và đặc biệt là ngôi nhà thông minh

Hình 1 ZigBee ứng dụng trong smart home

2

Các thành viên trong liên minh ZigBee vừa cho ra mắt sản phẩm dành cho các ứng dụng viễn thông (ZigBee Telecom Services) như là: ứng dụng cho thiết bị

di động như dịch vụ sử dụng vị trí trong nhà, dịch vụ truy vấn thông tin, dịch vụ bán

vé, thanh toán qua điện thoại di động, các dịch vụ đa 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 dịch vụ Dịch vụ ZigBee viễn thông cho phép các thiết bị di động có thể liên lạc với nhau qua mạng ZigBee, có thể kết nối với các nút hoặc thiết bị khác như các máy bán vé hay thiết bị đầu cuối v.v…

Ở Việt Nam, mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee được nghiên cứu và sử dụng trong mô hình nhà thông minh, đi đầu trong phát triển hệ thống này là Bkav Bkav Smart Home cung cấp tính năng như thiết kế nhỏ gọn, truyền dữ liệu với độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng kết nối các thiết bị

để mở rộng số lượng cảm biến cũng như các thiết bị điều 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 - Quốc Gia Hà Nội, Bách Khoa Tp.HCM, vv… đang tích cực nghiên cứu về lĩnh vực mạng cảm biến không dây, cũng như nghiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mạng cảm biến không dây như hệ thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an ninh chống trộm và cảnh báo cháy, một số ứng dụng trong nông nghiệp

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee trở nên đơn giản, tiết kiệm năng lượng, linh động để có thể dễ dàng triển khai với các loại mô hình mạng khác nhau như: hình sao, hình lưới Từ đó triển khai việc thiết kế, chế tạo một mạng cảm biến không dây ứng dụng vào khu nông nghiệp công nghệ cao tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông

3

3 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn được chia làm ba chương:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE

Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc nút cảm biến, các kiến trúc mạng, một số dich vụ và giao thức truyền thông không dây

Giới thiệu tổng quan về chuẩn ZigBee bao gồm định nghĩa, cấu trúc giao thức, các phẩn tử cơ bản trong mạng và cấu trúc liên kết mạng trong chuẩn ZigBee

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE

Phân tích yêu cầu của hệ thống từ đó đưa ra được sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch Thiết kế phần cứng, các công cụ và phần mềm hỗ trợ trong quá trình xây dựng và thiết kế phần cứng, phần mềm

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Đưa ra được các kịch bản để đánh giá khả năng định tuyến của mạng, đo và đánh giá được mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến Ngoài ra còn triển khai ứng dụng các nút cảm biến sử dụng chuẩn ZigBee vào trong khu nông nghiệp công nghệ cao tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và đánh giá nội dung liên quan đến đề tài

- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee Từ đó đưa ra phương án chế tạo các nút cảm biến không dây cho phù hợp

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm

vi hoạt động rộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…)

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây

1.1.2 Cấu trúc của nút cảm biến

Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến riêng lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Các nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm [3]

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản:

 Đơn vị cảm biến (sensing unit)

5

 Đơn vị xử lý (processing unit)

 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

 Bộ nguồn (power unit)

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

và bộ phận di động (mobilizer)

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ

xử lý

Hình 1.2 Cấu trúc nút cảm biến [3]

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng

Một trong các phần quan trọng nhất của một nútmạng cảm biến là bộ nguồn

Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như năng lượng mặt trời

Ngoài kích cỡ, các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích nghi với sự biến đổi của môi trường

1.1.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống [4]:

Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một

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

Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vì trong mạng

có một số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Dễ triển khai (Deployment): Là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm

biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình.Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này

7

Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến,

hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1feet = 30.48 cm) Mật độ các nút lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không

dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát

môi trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng Các hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty Do đó, WSN cần có khả năng giữ

bí mật các thông tin thu thập được Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan trọng Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin Điều

đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

8

1.1.4 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây

Mạnh cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng nhất định Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong WSN, có thể nhận thấy các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai vai trò:

+ Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn –sources)

+ 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 tùy vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết bị sink còn có thể

là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chức năng liên kết mạng WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về phòng trung tâm

Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước single-hop và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop) Một WSN có thể sử dụng một trong hai kiểu cấu trúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai [5]

1.1.4.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)

Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết mà trong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích Thiết bị đích và thiết

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

9

Hình 1.3 Kiến trúc mạng đơn bước [5]

1.1.4.2 Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)

Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với cai trò như một tram trung gian, chuyển tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết

bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác

Hình 1.4 Kiến trúc mạng đa bước

vô tuyến, tần số truyền/nhận sóng vô tuyến, tần số truyền nhận, độ tin cậy, độ an toàn và chính xác của dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố nói trên

11

Ngoài ra, một vấn đề cần lưu ý là tần sô sóng mang, giá trị tần sô sóng mang phụ thuộc vào công nghệ không dây được sử dụng trong lớp vật lý Tần số sóng mang có ảnh hưởng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và khả năng xuyên qua các chướng ngại vật như tường, gỗ …

Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý có ảnh hưởng trực tiếp về năng lượng sử dụng và giá thành của một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây cũng như độ tin cậy, độ bền vững thông tin của quá trình truyền và nhận

dữ liệu

1.1.5.2 Lớp MAC

Giao thức truy cập đường truyền – Medium Access Control (MAC) là giao thức nằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vì vậy giao thức MAC có ảnh hưởng rất lớn và rất quan trọng bởi những đặc tính của nó Nhiệm vụ của giao thức MAC là điều chỉnh việc truy cập vào đường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho các nút có thể truy cập đường dùng chung một cách hợp lý và đúng lúc đường truyền rảnh rỗi nhất để thực hiện việc truyền thành công

Trong mô hình tham chiếu OSI, giao thức MAC được biết đến như là một phần nằm ở lớp liên kết dữ liệu – Data link layer (DLL) Tuy nhiên, có sự phân chia công việc một cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL Giao thức MAC xác định cho một nút trong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường truyền chung rảnh rỗi) mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể truy cập đường truyền để thực hiện việc nhận dữ liệu, điều khiển hoặc quản lý các gói dữ liệu tới một nút khác trong mạng hay thậm chí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút trên mạng (broadcast, multicast) Hai nhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi và điều khiển luồng thông tin Điều khiển lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúng đắn của quá trình truyền thông tin, và đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin hay hủy bản tin Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của việc

Collision: Vấn đề xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho dữ liệu nếu có nhận được cũng không còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại dữ liệu do đó gây tiêu tốn năng lượng Giao thức MAC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng cách sử dụng kết hợp các thuật toán truy cập đường truyền phù hợp

Overhearning: Khi dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích trong một liên kết, dữ liệu chỉ có ý nghĩa đối với nút đích Tuy nhiên vấn đề gặp phải là do tất

cả các thiết bị trong cùng một mạng đều có chung tần số sóng vô tuyến và trao đổi với nhau trong một vùng không gian dùng chung, dẫn đến trường hợp không chỉ nút đích mới nhận được dữ liệu mà các nút lân cận trong mạng cũng có thể nhận được

dữ liệu này Năng lượng tiêu tốn cho quá trình nhận dữ liệu là đáng kể Vì vậy để

Idle listening: một nút mặc dù ở trạng thái ngủ vẫn luôn sẵn sàng để nhận các gói dữ liệu, tuy nhiên nút này không thể nhận dữ liệu ngay tại thời điểm nút đang được ngủ Muốn nhận dữ liệu, nút phải thức dậy ra khỏi trạng thái ngủ Vì vậy, nếu

có bản tin gửi đến nút ở thời điểm nút đang trong trạng thái ngủ thì nút có thể không nhận được bản tin này chính xác Thông thường, với các bộ điều chế/giải điều chế sóng vô tuyến, trạng thái ngủ vẫn tiêu tốn năng lượng một cách đáng kế Giải pháp đưa ra cho trường hợp này là tắt bộ truyền/nhận, tuy nhiên cũng phải tốn một phần năng lượng khi thay đổi trạng thái hoạt động (từ bật thành tắt hay ngược lại) của các

bộ truyền/nhận Tần số sóng vô tuyến của các bộ truyền/nhận cũng phải được giữ lại ở mức “hợp lý” khi tiến hành tắt các bộ truyền/nhận

1.1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1.6.1 Ứng dụng trong công nghiệp

- Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất

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

- Hệ thống nhà thông minh, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh

- Hệ thống giao thông thông minh

14

1.1.6.4 Ứng dụng trong quân sự

- Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính xác khi ném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch

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

- Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí 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 để đưa ra các cảnh báo kịp thời

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây

Hình 1.6 Ứng dụng trong nông nghiệp

Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo cháy rừng

15

Các nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng

1.2 Tổng quan về công nghệ ZigBee

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ ZigBee

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

“Zig-Zag” của loài ong “honey Bee” Tên của công nghệ này được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau Công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó

Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế Tần số 2.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số 915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu Tốc độ dữ liệu đạt 250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz [6]

Hình 1.7 Băng tần của chuẩn ZigBee [6]

16

Bảng 1.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Bảng 1.2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee

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

Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng Về khả năng tiêu thụ điện, các module

sử dụng chuẩn ZigBee sẽ có tuổi thọ từ 6 tháng đến 2 năm nếu sử dụng đôi pin AA ZigBee có khả năng kết nối với hơn 65000 nút

1.2.2 Cấu trúc của giao thức ZigBee

IEEE 802.15.4 và liên minh ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ giao thức stack IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp IEEE 802.15.4 sẽ đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây

và hình lưới Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp

18

Hình 1.8 Cấu trúc giao thức [8]

Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp ứng dụng mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) Lớp ZigBee thì được thể hiện trong bản bên dưới

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

nhận độ nhạy, từ chối kênh, công suất đầu ra, số kênh, điều chế chip, và thông số tốc độ truyền Hầu hết các ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250 kbps MAC Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị hàng xóm (point to

point) MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dẫn, quản lý xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA)

Network Cộng thêm khả năng định tuyến cái này cho phép gói tin dữ liệu RF

đi qua nhiều thiết bị (nhiều bước nhảy) để tuyến đường dữ liệu từ nguồn tới đích (peer to peer)

APS Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ khác nhau bao

gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối

19

ZDO Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra dịch vụ và

khả năng quản lý mạng nâng cao

1.2.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee

Mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:

 ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một

thiết bị Coordinator Nó lựa chọn một kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để bắt đầu mạng, có thể cho phép những router và end device tham gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính

 ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi

thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy

nó phải được cấp nguồn chính Một mạng có thể có nhiều router

 ZigBee End Device (ZED): Nó phải tham gia một ZigBee PAN trước khi

nó có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thể cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng ZED phải luôn luôn truyền và nhận dữ liệu RF qua phụ huynh của nó, không thể định tuyến dữ liệu ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái ngủ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó và có thể cấp nguồn pin

1.2.4 Cấu trúc liên kết mạng

Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới

1.2.4.1 Mạng hình sao (Star Network)

Bố trí mạng này được thể hiện như trong hình 1.9 Một Coordinator thì nằm

ở trung tâm của mô hình mạng và kết nối với một vòng tròn những end device Mọi liên lạc trong hệ thống phải đi qua coordinator Những end device thì không được giao tiếp với nhau, ví dụ 2 nốt mạng muốn trao đổi với nhau thì phải thông qua coordinator

20

Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình sao

1.2.4.2 Mạng hình lưới (Mesh Network)

Cấu hình mạng hình lưới là thêm những router ngoài những end device và coordinator, nó đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường Ngược lại với mô hình mạng sao, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị khác miễn là các thiết bị

đó nằm trong phạm vi của chúng Mạng hình lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến với các nút lân cận Cũng chính khả năng chuyển tiếp và định tuyến gói tin đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn là trở ngại

Hình 1.10 Cấu trúc mạng hình lưới

1.2.4.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và những RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời

21

rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất PAN coordinator

Hình 1.11 Cấu trúc mạng hình cây

1.2.5 PAN ID

Mạng ZigBee được gọi là vùng mạng cá nhân (personal area networks) hoặc PANs Mỗi mạng được định nghĩa với một định danh PAN duy nhất (PAN ID) Định danh này là chung trong tất cả các thiết bị của cùng một mạng Những thiết bị ZigBee có thể cấu hình chung với một PAN ID để kết nối, hoặc có thể tìm những mạng gần đó và lựa chọn một PAN ID để tham gia

ZigBee hỗ trợ cả PAN ID 64 bit và 16 bit Cả hai PAN ID thì sử dụng để nhận dạng duy nhất một mạng Những thiết bị trên mạng ZigBee giống nhau phải được chia sẻ những PAN ID 64 bit và 16 bit giống nhau Nếu nhiều mạng ZigBee đang hoạt động trong phạm vi của nhau, mỗi mạng nên có PAN ID duy nhất

PAN ID 16 bit thì sử dụng như một trường địa chỉ lớp MAC trong tất cả truyền dẫn dữ liệu RF giữa những thiết bị trong một mạng Tuy nhiên, do không gian định địa chỉ giới hạn của PAN ID 16 bit, có nhiều khả năng rằng nhiều mạng ZigBee (trong phạm vi của nhau) có thể sử dụng PAN ID 16 bit giống nhau Để giải

64 bit thì bao gồm trong tất cả những cảnh báo ZigBee và được sử dụng trong giải quyết xung đột PAN ID 16 bit

Bởi vì PAN ID 16 bit chỉ cho phép lên đến 65535 giá trị duy nhất và khi PAN ID 16 bit là lựa chọn ngâu nhiên, quy định hiện có trong ZigBee phát hiện nếu hai mạng đang hoạt động trên PAN ID 16 bit giống nhau Nếu như một xung đột được phát hiện, ngăn xếp ZigBee có thể thực hiện giải quyết xung đột để thay đổi PAN ID 16 bit của mạng để mà giải quyết xung đột

Nói tóm lại, những router và end device nên được cấu hình với PAN ID 64 bit của mạng mà nó muốn tham gia Thông thường router và end device sẽ có được PAN ID 16 bit khi tham gia được vào một mạng

1.2.6 Định địa chỉ

Tất các thiết bị ZigBee có hai địa chỉ khác nhau, một địa chỉ 64 bit và một địa chỉ 16 bit Đặc trưng của mỗi cái thì được miêu tả như sau:

 Địa chỉ thiết bị 64 bit

Địa chỉ 64 bit là một địa chỉ thiết bị duy nhất được ấn định trong lúc sản xuất Địa chỉ này là duy nhất cho mỗi thiết bị vật lý Địa chỉ 64 bit bao gồm một cấu tạo nhận diện duy nhất 3 byte (OUI) ấn định bởi IEEE Địa chỉ 64 bit cũng được gọi

là địa chỉ mở rộng

23

 Địa chỉ thiết bị 16 bit

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

Vì lý do này, địa chỉ 16 bit thì còn được gọi là “địa chỉ mạng” 0x0000 của địa chỉ

16 bit là dành riêng cho coordinator Tất cả những thiết bị khác nhận một địa chỉ phát ra ngẫu nhiên từ thiết bị router hoặc thiết bị coordinator này cho phép tham gia Địa chỉ 16 bit có thể thay đổi một số điều kiện ở dưới:

+ Một xung đột địa chỉ là nhận thấy ở nơi mà hai thiết bị là tìm thấy được địa chỉ 16 bit giống nhau

+ Một thiết bị dời khỏi mạng và sau đó tham gia (Nó có thể nhận một địa chỉ khác) Tất cả truyền dẫn ZigBee được gửi bằng địa chỉ 16 bit nguồn và địa chỉ 16 bit đích Bảng định tuyến trên những thiết bị ZigBee cũng sử dụng địa chỉ 16 bit để xác định làm thế nào để tuyến đường những gói dữ liệu qua mạng Tuy nhiên, khi địa chỉ 16 bit là không tĩnh, nó không phải là một phương pháp đáng tin cậy để định nghĩa một thiết bị

Để giải quyết vấn đề này, địa chỉ đích 64 bit thì thường bao gồm cả trong truyền dữ liệu để bảo đảm dữ liệu được giao đến đích chính xác Ngăn xếp ZigBee

có thể tìm ra địa chỉ 16 bit, nếu không biết, trước khi truyền dữ liệu đến một thiết bị

từ xa

1.2.7 Truyền dẫn dữ liệu

Gói tin dữ liệu ZigBee có thể được gửi hoặc là truyền unicast hoặc truyền quảng bá Truyền dẫn unicast tuyến đường dữ liệu từ một thiết bị nguồn đến một thiết bị đích, nhưng trái lại truyền quảng bá là gửi đến nhiều hoặc tất cả những thiết

bị trong mạng [8]

 Truyền dữ liệu quảng bá

Truyền quảng bá trong các giao thức ZigBee có xu hướng được truyền bá khắp toàn bộ mạng lưới như vậy tất cả các nút nhận được truyền dẫn Để hoàn thành

24

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

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 để theo dõi từng gói dữ liệu quảng bá nhận được để chắc chắc các gói tin là không truyền dẫn vô tận Mỗi mục tồn tại trong 8 giây Bảng truyền quảng bá thì nắm giữ 8 mục

Cho mỗi truyền quảng bá, ngăn xếp ZigBee phải dành không gian đệm cho một bản sao của gói dữ liệu Bản sao này được sử dụng để truyền lại gói dữ liệu nếu cần Gói dữ liệu lớn sẽ yêu cầu 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 bất kỳ không gian bộ đệm

Bởi vì truyền quảng bá được truyền lại bởi mỗi thiết bị trong mạng, tin nhắn quảng bá nên được sử dụng một cách tiết kiệm

 Truyền dẫn Unicast

Truyền unicast được gửi từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích khác Thiết bị đích có thể là một láng giềng trực tiếp của nguồn, hoặc nó có thể là một vài bước

25

nhảy Truyền unicast này được gửi cùng một đường nhiều bước nhảy yêu cầu một

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

Hình 1.13 Sơ đồ truyền unicast

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

 Hình thành một mạng

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

64 bit), chính sách bảo mật, và hồ sơ ngăn xếp cho một mạng Vì coordinator là loại thiết bị duy nhất mà có thể bắt đầu một mạng, mỗi mạng ZigBee phải có một coordinator Sau đó coordinator đã bắt đầu một mạng, nó có thể cho phép những thiết bị mới kết nối vào mạng Nó cũng có thể định tuyến những gói dữ liệu và giao tiếp với những thiết bị khác trong mạng

Để chắc chắn coordinator bắt đầu trên một kênh tốt và không dùng đến PAN

ID, coordinator thực hiện một đợt quét khám phá bất kỳ sự hoạt động RF trên những kênh khác (quét năng lượng) và khám phá ra bất kỳ PAN hoạt động gần đó (quét PAN)

 Lựa chọn kênh

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

để hoạt động Để làm được điều này, nó thực hiện một quét năng lượng trên nhiều kênh (tần số) để tìm ra những mức năng lượng trên mỗi kênh Những kênh với những mức năng lượng thừa thì được loại bỏ khỏi danh sách các kênh tiềm năng để bắt đầu

26

 Lựa chọn PAN ID

Sau khi hoàn thành quét năng lượng coordinator quét danh sách những kênh tiềm năng (những kênh còn lại sau khi đã quét năng lượng) để thu được một danh sách các PAN láng giềng Để làm được điều này, coordinator gửi một báo hiệu yêu cầu truyền (quảng bá) trên trên mỗi kênh tiềm năng Tất cả các coordinator và router ở gần (mà đã tham gia một mạng) sẽ phản hồi báo hiệu yêu cầu bằng cách gửi một báo hiệu trở lại coordinator Báo hiệu này chứa thông tin về PAN về thiết bị

ở trong mạng, bao gồm định danh PAN (16 bit và 64 bit) Qúa trình quét này là điển hình được gọi là một quét chủ động hoặc quét PAN

Sau khi coordinator hoàn thành việc quét kênh và quét PAN, nó lựa chọn một kênh ngẫu nhiên và không sử dụng PAN ID 16 bit để bắt đầu

 Dữ liệu ổn định

Một khi coordinator bắt đầu một mạng, nó sẽ giữ thông tin sau thông qua chu

kỳ năng lượng hoặc sự kiện reset

+ PAN ID

+ Hoạt động của kênh

+ Chính sách bảo mật và giá trị bộ đếm khung

+ Bảng con (Chứa địa chỉ của các end device hoặc router kết nối với coordinator) Coordinator sẽ giữ vô thời hạn thông tin này cho đến khi nó rời mạng Khi coordinator rời một mạng và bắt đầu một mạng mới, PAN ID trước, kênh hoạt động, dữ liệu bảng con thì mất dẫn tới mạng cũ sẽ mất và các thiết bị trong mạng như router và end device sẽ tìm kiếm và tham gia vào mạng mới

1.2.8.2 Quá trình hoạt động của Router

Router phải tìm ra và kết nối vào một mạng hợp lệ trước khi họ có thể tham gia trong một mạng ZigBee Sau khi router đã kết nối vào một mạng, nó có thể cho phép những thiết bị mới kết nối vào mạng Nó cũng có thể định tuyến những gói tin

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

27

 Khám phá ra mạng ZigBee

Để tìm ra những mạng ZigBee, router thực hiện một sự quét PAN, giống như coordinator làm khi nó bắt đầu một mạng Trong thời gian quét PAN, router gửi một yêu cầu báo hiệu truyền trên kênh đầu tiên trong danh sách những kênh quét của nó Những coordinator gần đó và những router hoạt động trên những kênh này phản hồi các yêu cầu báo hiệu bằng cách gửi một báo hiệu trở lại router Báo hiệu bao gồm thông tin về PAN và những thiết bị lân cận ở trên đó, bao gồm định danh PAN, có hay không kết nối được cho phép Router sẽ ước lượng mỗi tín hiệu nhận được trên kênh để thực hiện nếu một PAN hợp lệ được tìm thấy Router được coi là một PAN hợp lệ nếu PAN:

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

sẽ được quét lại

28

+ Chính sách bảo mật và các giá trị khung truy cập

Router sẽ vẫn duy trì thông tin này vô thời hạn cho đến khi nó dời khỏi mạng Khi một router dời một mạng, PAN ID trước, kênh hoạt động, và dữ liệu bảng con thì mất

1.2.8.3 Quá trình hoạt động của end device

Tương tự như những router, những end device cũng phải khám phá và kết nối một mạng ZigBee hợp lệ trước khi họ có thể tham gia trong một mạng Sau khi một end device đã được tham gia một mạng, nó có thể giao tiếp với những thiết bị khác trong mạng Khi những end device được dự định chạy bằng pin và bởi vì hỗ trợ chế độ năng lượng thấp, end device không thể cho phép các thiết bị khác kết nối với nó, cũng như không thể định tuyến những gói dữ liệu

 Khám phá mạng ZigBee

Những end device đi qua các quá trình giống như những router tìm ra mạng bằng cách phát hiện một PAN quét Sau đó gửi quảng bá truyền yêu cầu báo hiệu, end device nghe trong khoảng một thời gian ngắn để mà nhận báo hiệu gửi bởi những router và coordinator gần đó trên những kênh giống nhau End device định giá mỗi báo hiệu nhận được trên kênh để xác định nếu một PAN hợp lý được tìm thấy Một end device xem xét một PAN là hợp lý nếu PAN:

+ Có một PAN ID 64 bit hợp lý

+ Có một hồ sơ ngăn xếp chính xác

+ Được cho phép tham gia

+ Có dung lượng chứa thêm end device

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

có thể vào trạng thái ngủ năng lượng thấp và quét lại sau Để đáp ứng yêu cầu của liên minh ZigBee, end device sẽ cố gắng quét lên đến 9 lần/phút trong khoảng 5 phút đầu tiên, và sau đó quét 3 lần/phút

29

 Tham gia một mạng

Một khi thiết bị khám phá ra một mạng hợp lệ, nó tham gia vào mạng, tương

tự như một router, bằng cách gửi một yêu cầu liên kết để yêu cầu một tham gia trên mạng ZigBee Thiết bị cho phép tham gia thì gửi một khung phản hồi liên kết cái

mà hoặc cho phép hoặc là từ chối tham gia

Khi một end device tham gia vào mạng, nó nhận một địa chỉ 16 bit từ thiết bị cho phép tham gia Địa chỉ 16 bit là lựa chọn ngẫu nhiên bởi thiết bị mà cho phép

nó tham gia

 Sức chứa end device

Những router và coordinator duy trì một bảng tất cả các thiết bị mà đã tham gia được gọi là bảng con Bảng này thì độ lớn có hạn và xác định bao nhiêu end device có thể tham gia Nếu một router hoặc coordinator có ít nhất một mục không

sử dụng trong bảng con của nó, thì thiết bị đó có sức chứa end device Nói cách khác, nó cho phép một hoặc thêm nhiều end device được tham gia Mạng ZigBee nên có dủ số router để đảm bảo đủ sức chứa end device

 Dữ liệu ổn định

End device có thể dữ lại PAN ID của nó, kênh hoạt động, và chính sách bảo mật thông tin thông qua một chu kỳ năng lượng Tuy nhiên, vì end device phụ thuộc rất nhiều vào một phụ huynh, end device thực hiện một quét đơn để thử và liên lạc phụ huynh của nó Nếu end device không nhận một phản hồi quét đơn, nó sẽ dời mạng, và thử lại khám phá và tham gia mạng mới Khi một end device dời một mạng, PAN ID cũ và kênh hoạt động sẽ mất

30

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE 2.1 Giới thiệu về mô hình

Hình 2.1 Mô hình hệ thống mạng không dây 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 do Vương quốc Bỉ tài 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 tiến vào sản xuất

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

+ Khu nhà kỹ thuật: diện tích hơn 20 m2 (4m x 5m), bên trong đặt các hệ thống điều khiển có chức năng giám sát và vận hành các thiết bị bên trong và bên ngoài nhà kính

31

+ Khu nhà kính: có diện tích 90 m2 (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 thể, khu trồng dâu tây

Hình 2.2 Quang cảnh bên trong nhà kính

Cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng trong đó có rất quan trọng đó là các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ EC, PH

Bài toán đặt ra là làm thế nào đo các thông số ở trên để giám sát sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng và 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 cần thiết kế hệ thống 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 giá thể và khu trồng dâu tây

+ Các nút cảm biến phải có tính linh động và dễ dàng 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 dõi và giám sát