Giải pháp giám sát và cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây

Một số hệ thống dùng các bộ cảm biến như: Hệ thống giám sát và điều khiển và cảnh báo trong các tòa nhà, nhà máy công nghiệp; Hệ thống giám sát giao thông; Hệ thống giám sát môi trường;

Tr−êng §¹i häc b¸ch khoa Hµ néi

-

DƯƠNG KIM THANH

GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM VIỄN THÔNG DÙNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LuËn V¨n Th¹c sü khoa häc NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN KIM KHÁNH

HÀ NỘI 2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục hình vẽ 4

Danh mục bảng biểu 5

Danh sách thuật ngữ và viết tắt 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 9

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 2 12

TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12

2.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 12

2.1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 12

2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 13

2.2 Cấu trúc node cảm biến không dây 14

2.2.1 Phần cứng 14

2.2.2 Phần mềm 17

2.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18

2.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 19

CHƯƠNG 3 21

CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4 21

3.1 Mạng không dây WPAN 21

3.1.1 Khái niệm mạng WPAN 21

3.1.2 Phân loại các chuẩn mạng WPAN 21

3.2 Các công nghệ cảm biến không dây 22

3.2.1 Chuẩn Bluetooth 22

3.2.2 Chuẩn ZIGBEE 22

3.2.3 Đánh giá và lựa chọn công nghệ 23

3.3.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4 25

3.3.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 26

3.3.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE802.15.4 MAC 27

3.3.4 Tầng mạng và bảo mật của ZigBee/IEEE 802.15.4 35

3.3.5 Tầng ứng dụng 39

3.3.6 Phân loại thiết bị theo ZigBee 39

3.3.7 Cấu hình mạng trong ZigBee 40

CHƯƠNG 4 42

GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CHO TRẠM VIỄN THÔNG DÙNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 42

4.1 Khảo sát thực tế 43

4.1.1 Giới thiệu chung về trạm viễn thông 43

4.1.2 Các thông số cần giám sát trong trạm viễn thông 43

4.1.3 Tình hình hiện nay 44

4.2 Đề xuất mô hình giải pháp mới 46

4.3 Phân tích và thiết kế hệ thống 49

4.3.1 Biểu đồ phân cấp chức năng: 49

4.3.2 Các quá trình thu thập và xử lý thông tin 50

4.3.2.1 Quá trình đăng nhập mạng của một node: 50

4.3.2.2 Quá trình cập nhật thông tin của một node 51

4.3.2.3 Quá trình lấy thông tin từ một node 52

4.3.2.4 Thay đổi cầu hình cài đặt của một node mạng 53

4.3.2.5 Điều khiển hệ thống 53

4.3.2.6 Hiển thị thông tin 54

4.3.3 Kết luận 55

CHƯƠNG 5 56

PHẦN MỀM VÀ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 56

5.1 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng 56

* NS-2 56

* OPNET 57

* WSNET 57

* Đánh giá và lựa chọn phần mềm 58

5.2 Phần mềm WSNET 59

5.3 Lập trình mô phỏng bài toán 62

5.3.1 Lập file cấu hình: 62

5.3.2 Các module phát triển thêm: 63

5.3.3 Kịch bản thử nghiệm: 64

5.4 Kết quả mô phỏng 69

CHƯƠNG 6 70

KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

6.1 Kết quả, đánh giá kết quả đã đạt được 70

6.2 Hướng phát triển 71

Tài liệu tham khảo 72

Danh mục hình vẽ

Hình 1: Mô hình mạng cảm biến không dây 13

Hình 2: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến không dây 14

Hình 3: Cấu trúc phần cứng và phần mềm của một node cảm biến không dây 17

Hình 4: Cấu trúc một mạng cảm biến thông thường 18

Hình 5: Mô hình giao thức của ZigBee 25

Hình 6 : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 27

Hình 7: Tần số và các kênh truyền theo chuẩn ZigBee 27

Hình 8: Định dạng siêu khung 28

Hình 9: Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon 30

Hình 10: Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon 31

Hình 11: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon 32

Hình 12: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon 33

Hình 13: Định dạng khung tầng MAC 35

Hình 14: Định dạng khung tầng mạng 35

Hình 15: Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV 36

Hình 16: Các loại topo trong mạng ZigBee 40

Hình 17: Mô hình cảnh báo và giám sát của tập hợp các trạm viễn thông 47

Hình 18: Mô hình cụ thể mạng cảm biến tại một trạm 47

Hình 19: Biểu đồ phân cấp chức năng 49

Hình 20: Quá trình đăng nhập mạng của 1 Node 50

Hình 21: Quá trình cập nhật thông tin của 1 node 51

Hình 22: Quá trình lấy thông tin từ 1 node 52

Hình 23: Quá trình thay đổi cấu hình cài đặt của 1 Node 53

Hình 24: Quá trình điều khiển cơ cấu chấp hành của 1 node 54

Hình 25: Quá trình hiển thị thông tin 55

Hình 26: Cấu trúc Node cảm biến trong mô phỏng WSNET 59

Hình 27: Giao diện phần mềm WsnetStudio 61

Hình 28: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức ZigBee ứng với 50 node .64

Hình 29: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức ZigBee ứng với 25 node 65

Hình 30: Biểu đồ thống kê số gói tin của giao thức flooding ứng với 50 node 66

Hình 31: Sơ đồ lắp đặt cảm biến trong một trạm (số node là 25 và 50) 68

Danh mục bảng biểu

Bảng 1 So sánh các công nghệ 24

Bảng 2 Băng tần và tốc độ dữ liệu 26

Bảng 3 Kênh truyền và tần số 26

Bảng 4 Các thư viện được hỗ trợ bởi WSNET 60

Danh sách thuật ngữ và viết tắt

Vector

Định tuyến vectơ khoảng cách dựa trên yêu cầu trong mạng ad-hoc

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

beacon

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access

Collision Avoidance

Điều khiển đa truy nhập tránh đụng độ

truyền

PPDU Physical Protocol Data

Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức tầng vật

lý

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với những tiến bộ kỹ thuật đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao ngày càng phát triển Trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống, nhu cầu về việc sử dụng các bộ cảm biến để phục vụ cảnh báo, giám sát hay các thu thập số liệu là rất lớn Những hệ thống này giúp ích cho con người rất nhiều trong cuộc sống, nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động, thậm chí giúp con người khỏi những nhiệm vụ nguy hiểm

và có hại

Để thực hiện một nhiệm vụ giám sát và bảo vệ, có nhiều cách để thiết lập mạng Có thể dùng mạng cảm biến có dây, tuy nhiên mạng có dây có nhược điểm là phải đi dây gây mất mỹ quan và khó triển khai trong các nhà trạm có sẵn Một nhược điểm lớn nữa của mạng có dây là tiêu tốn nhiều năng lượng Giải pháp đưa ra

là sử dụng mạng cảm biến không dây

Trong phạm luận văn của mình, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Kim

Khánh, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài “Giải pháp giám sát và cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây”

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh, người đã tận tâm hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và Viện Đào tạo sau đại học đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tất cả người thân và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Dương Kim Thanh

CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các cảm biến không dây ngày càng phát triển và phục vụ nhu cầu của con người Trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống, nhu cầu về việc sử dụng các bộ cảm biến để phục vụ cảnh báo, giám sát hay thu thập các số liệu là rất lớn Những hệ thống này giúp ích cho con người rất nhiều trong cuộc sống, giải phóng sức lao động, thậm chí giúp con người khỏi những nhiệm vụ nguy hiểm và có hại Một số hệ thống dùng các bộ cảm biến như: Hệ thống giám sát và điều khiển và cảnh báo trong các tòa nhà, nhà máy công nghiệp; Hệ thống giám sát giao thông; Hệ thống giám sát môi trường; Hệ thống theo dõi sức khỏe…

Trên thế giới nói chung và đặc biệt là ở Việt Nam, hệ thống giám sát và điều khiển được dùng phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các mạng cảm biến có dây Nhưng trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã bắt đầu được sử dụng phổ biến, và có nhiều tổ chức đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn dùng chung Trong mạng có dây, dữ liệu quan sát và thu nhận được nối mạng với nhau và nối với trung tâm để xử lý Các cảm biến được kết nối có dây thông qua các giao diện RS232/485/USB/COM Giải pháp sử dụng mạng có dây có độ ổn định, đã được phát triển, sử dụng và kiểm nghiệm trong thời gian dài Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những nhược điểm nhất định Việc dùng cảm biến có dây làm tiêu tốn một lượng lớn công suất, do thường phải dùng nguồn điện lưới Các node cảm biến

có dây thường có kích thước lớn, gây mất mỹ quan Bên cạnh đó, việc triển khai lắp đặt trong những địa hình phức tạp hoặc trong các khu nhà đã được xây dựng sẵn, ví

dụ như các đài trạm viễn thông, nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, trường học … có khó khăn Đối với những mạng có số lượng node lớn, dùng mạng có dây không linh họat, yêu cầu khả năng tính toán và tài nguyên của node mạng tương đối lớn

Để khắc phục những nhược điểm đó, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) đang được xem xét như là một lựa chọn tốt với các ưu điểm:

- Tiêu tốn ít năng lượng hơn, có thể dùng nguồn pin hay ắc-quy

Chính điều này, việc sử dụng mạng cảm biến không dây là một giải pháp có tính khả thi rất cao với các ứng dụng thu thập số liệu để giám sát và điều khiển

Trong phạm vi luận văn của mình, tôi chọn đề tài “Mạng cảm biến không dây và giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông”

Với các yêu cầu trên, tôi sẽ thực hiện những nhiệm vụ sau trong luận văn:

- Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây Xem xét các yếu tố và các chỉ tiêu cần đạt được khi thiết kế mạng cảm biến không dây

- Các công nghệ dùng trong mạng cảm biến không dây

- Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, chọn được các giải pháp tối ưu để giám sát

và cảnh báo hoạt động của các trạm viễn thông

- Đề xuất mô hình và giải pháp mới

- Phân tích đánh giá và lựa chọn phần mềm mô phỏng hoạt động của mạng cảm biến không dây

- Đánh giá kết quả đã đạt được và hướng phát triển

Bố cục của luận văn bao gồm các phần như sau:

• Chương 1: Tổng quan về nhiệm vụ của luận văn

- Trình bày lý do chọn đề tài,

- Mục đích nghiên cứu

- Giới hạn nội dung nghiên cứu

- Nhiệm vụ nghiên cứu

• Chương 2: Mạng cảm biến không dây

- Trình bày tổng quan chung về mạng cảm biến không dây

• Chương 3: Một số công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây

& Chuẩn Zigbee/ IEEE 802.15.4

- Mạng cá nhân không dây WPAN

- Các công nghệ cảm biến không dây,

- Đánh giá và lựa chọn công nghệ

- Công nghệ Zigbee/802.15.4

• Chương 4: Giải pháp cảnh báo và giám sát cho trạm viễn thông dùng

cảm biến không dây

- Tìm hiểu, khảo sát thực tế trạm viễn thông:

ƒ Giới thiệu về trạm viễn thông

ƒ Các thông số cần giám sát và cảnh báo

ƒ Giải pháp hiện nay, những bất cập và khó khăn

- Đề xuất mô hình giải pháp mới dùng cảm biến không dây

ƒ Mô hình

ƒ Thực thi

• Chương 5: Mô phỏng giải pháp giám sát và cảnh báo trạm viễn thông

- Giới thiệu các phần mềm mô phỏng

- Đánh giá và lựa chọn phần mềm mô phỏng

- Lập trình mô phỏng bài toán giám sát và cảnh báo

• Chương 6: Kết quả, đánh giá và hướng phát triển

- Kết quả, đánh giá kết quả đã đạt được

- Hướng phát triển

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, trong các ứng dụng an ninh, quân đội, chuẩn đoán

sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bệnh nhân cũng như theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, điều khiển tự động trong các nhà máy xí nghiệp Đặc biệt ngày nay mạng cảm biến không dây ứng dụng rất nhiều trong nhà thông minh và điều khiển tự động trong các nhà máy xí nghiệp

Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ điện tử, thông tin, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút mạng với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, có khả năng cảm biến, tính toán và gửi, nhận dữ liệu Trong đó các nút mạng 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 trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn 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 nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ )

Mô hình chung của mạng cảm biến không dây là:

Hình 1: Mô hình mạng cảm biến không dây

2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm chính khác với các mạng khác như sau:

- Các node mạng có kích thước nhỏ (để phù hợp với nhiều mục đích), do đó node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Các nút mạng bị giới hạn về nguồn năng lượng (thường sử dụng pin) Bởi vậy, nó cần có cơ chế rất chặt chẽ trong việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng

- Các nút mạng bị giới hạn về băng thông

- Các node cảm biến có thể có số lượng lớn với nhiều hình thức triển khai nên yêu cầu độ linh hoạt rất cao Có những hệ thống các node mạng được triển khai một cách ngẫu nhiên như hệ thống cảnh báo cháy rừng Tuy nhiên, có những hệ thống các node mạng được đặt cố định như hệ thống cảnh báo và giám sát toà nhà và ngoài ra còn có các hệ thống kết hợp cả hai phương pháp trên với một số nút mạng cố định và một số nút di động Thêm vào đó, do

quá trình hoạt động sẽ có những node mạng dừng hoạt động vì hết năng lượng và ngắt khỏi mạng Bởi vậy việc quản lý các nút mạng cần thực sự linh hoạt

- Kiến trúc của một mạng cảm biến không dây phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng của ứng dụng cụ thể

- Thông tin thu thập trong mạng cảm biến không dây thường là các thông tin cùng kiểu (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm…), nếu định tuyến không tốt sẽ gây ra tình trạng dư thừa dữ liệu

2.2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Thông thường, mỗi nút mạng bao gồm các thành phần chính với chức năng tương ứng như sau:

Hình 2: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến không dây

2.2.1 Phần cứng

Khi lựa chọn các thành phần phần cứng của node cảm biến không dây, yêu cầu về ứng dụng đóng vai trò quyết định đối với hầu hết các yếu tố như kích thước, giá thành, năng lượng tiêu hao của node, khả năng truyền thông… Không có một tiêu chuẩn chung cho tất cả các ứng dụng, nhưng về cơ bản cấu tạo của một node cảm biến gồm 5 thành phần chính:

Khối nguồn

* Khối cảm biến (hoặc cơ cấu chấp hành) (sensors – actuators):

Node cảm biến có thể gồm 2 phần: phần cảm biến và phần cơ cấu chấp hành Cảm biến: đo đạc các thông số của môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất…) và biến đổi chúng thành tín hiệu Cơ cấu chấp hành: thiết bị tác động trở lại môi trường, ví dụ: rơle, động cơ Các đặc tính của cơ cấu chấp hành có thể khác nhau, chúng được tích hợp trong hệ thống nhúng

* Khối xử lý (processing)

Tính toán và xử lý thông tin thu nhận được, định tuyến… Dữ liệu thu nhận được tại mỗi node được xử lý và gửi đi thông qua khối xử lý, ngoài ra, khối xử lý nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác và xử lý thông tin

Bằng việc ứng dụng công nghệ nhúng, các vi xử lý đa năng được sử dụng trong bộ điều khiển của node cảm biến góp phần vào việc giảm kích thước, giá thành, tiêu hao năng lượng… và tăng khả năng ứng dụng của các node cảm biến

Hiện nay có một số hãng chuyên sản xuất các bộ vi xử lý dùng cho mạng cảm biến không dây Ví dụ như các hãng Texas Instrument (ví xử lý dùng CC2530), hãng Microchip (XVL dòng PIC kết hợp với giao tiếp không dây MRF24J40)

Thông thường, ngoài bộ vi xử lý, các node còn có thành phần bộ nhớ, gồm ROM và RAM RAM lưu trữ các chỉ số trung gian, các gói từ node khác được gửi đến RAM có ưu điểm là tốc độ xử lý nhanh nhưng sẽ mất nội dung khi nguồn cấp

bị ngắt Bộ nhớ ROM dùng để lưu mã chương trình, hiện nay, thường dùng các bộ nhớ EEPROM hay bộ nhớ flash để lưu dữ liệu trung gian Kích thước của bộ nhớ quyết định đến giá thành sản xuất và năng lượng tiêu hao Dung lượng bộ nhớ lại phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng

* Khối truyền, nhận tín hiệu (transceiver): truyền, nhận tín hiệu sử dụng đường

truyền không dây dùng sóng radio

- Môi trường truyền: Đối với mạng WSN, thường sử sụng đường truyền

không dây là vấn đề rất quan trọng và nó thường nằm trong khoảng từ 433 MHz đến 2.4 GHz (dải băng tần không cần cấp phát)

- Thiết bị thu phát: tại mỗi node cảm biến cần có chức năng thu và phát để

chuyển các luồng bit (byte hoặc frame) tới một vi điều khiển và truyền dẫn bằng sóng RF Thực tế, hai chức năng này được kết hợp với nhau trong một thiết bị là máy thu phát thực hiện đầy đủ các chức năng truyền, nhận, điều chế, giải điều chế, khuyếch đại, trộn… Các đặc tính quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn thiết bị thu phát là: các dịch vụ lớp trên và công suât tiêu thụ năng lượng Thông thường mỗi máy cung cấp một số tần số sóng mang (kênh) khác nhau hỗ trợ trong việc hạn chế nghẽn mạng, điều này được hỗ trợ trong giao thức lớp MAC (sử dụng công nghệ FDMA hay CSMA/ALOHA)

* Khối nguồn (power units): cấp nguồn điện hoạt động cho nút mạng có thể dùng

pin thay thế hoặc pin năng lượng mặt trời Là yếu tố quan trọng, quyết định sự tồn tại của các node cảm biến Khi đề cập đến nguồn của node cảm biến, có 02 vấn đề

cơ bản là: năng lượng dự trữ - cấp nguồn theo yêu cầu và khả năng bổ sung năng lượng từ các node khác ngoài mạng

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng

như là: Cơ cấu dịch chuyển (mobilizer): cho phép di chuyển nút mạng và Hệ

thống định vị (location finding system): cho phép xác định vị trí của nút mạng

2.2.2 Phần mềm

Hình 3: Cấu trúc phần cứng và phần mềm của một node cảm biến không dây

* Hệ điều hành (OS - còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ

xử lý Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho các hệ điều hành dành riêng cho mạng cảm biến không dây Các hệ điều hành có kích thước nhỏ, phù hợp với bộ nhớ giới hạn của node cảm biến (Ví dụ như TinyOS)

* Sensor driver: là module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến

* Bộ xử lý thông tin (communication: networking/topology): quản lý chức năng

thông tin, bao gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa

lỗi…(tương đương với tầng mạng trong mô hình chuẩn OSI)

* Bộ xử lý thông tin tầng vật lý (communication: radio): Có chức năng điều

khiển việc truy nhập lớp vật lý, bao gồm cả đồng bộ hóa, mã hóa tín hiệu, phục hồi bit, và điều chế (tương đương với tầng vật lý trong mô hình chuẩn OSI)

* Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong

mạng

Operating System (OS)

2.3 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hoạt động của một mạng cảm biến không dây được mô tả tổng quát như sau:

- Mỗi node mạng thu nhận thông tin về môi trường xung quanh thông qua các cảm biến được gắn trên nó

- Sau mỗi khoảng thời gian xác định hoặc khi có yêu cầu từ node mạng trung tâm, các số liệu này có thể được trao đổi với các node mạng lân cận, tính toán

và gửi về node mạng trung tâm Tại đây, số liệu sẽ được tổng hợp, phân tích và đưa ra các thông tin hữu ích phục vụ cho mỗi ứng dụng cụ thể (cảnh báo giám sát, cảnh báo thiên tai, …)

- Node mạng trung tâm có thể gửi các thông tin điều khiển xuống các node mạng cảm biến hoặc các cơ cấu chấp hành để thực thi một công việc cụ thể

- Node mạng trung tâm có thể kết nối với các máy tính khác sử dụng đường truyền Internet hoặc vệ tinh để trao đổi thông tin

Hình 4 : Cấu trúc một mạng cảm biến thông thường

Cấu trúc mạng cảm biến thường dùng được cho trên sơ đồ trên Mạng cảm biến có thế được xây dựng theo mô hình multi-hop hoặc single-hop

Mô hình single-hop: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích (có thể thông qua một node nào đó) mà không có xử lý tại các node trung gian

Mô hình multiple-hop: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích, trong đó dữ liệu có thể được xử lý khi đi qua các node trung gian

2.4 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trên thế giới, mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSN:

* Điều khiển các thiết bị trong nhà:

Các ứng dụng dạng này dùng mô hình điểm-điểm (hay mô hình sao), với định tuyến tĩnh Các ứng dụng gồm điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, an ninh, môi trường, điều khiển từ xa trong gia đình hay công nghiệp,… Nhiều ứng dụng được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 (ZigBee) ZigBee cung cấp tụ tương tác và đáp ứng được các đặc điểm của liên lạc vô tuyến (RF)

* Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp:

Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất

và an toàn Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên,…dữ liệu được đưa về trung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời Trong lĩnh vực này, thường sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

* Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên tai:

Trong an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm

Mạng cảm biến quân sự phát hiện và thu nhập thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác

Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển…

Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các cảm biến được thả từ trên không, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết vị trí người sống sót, vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm

* Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan:

Mục tiêu của các hệ thống này là thu thập thông tin thông qua các mạng cảm biến, xử lý và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm, sử dụng dữ liệu đó cho các ứng dụng cần thiết Hệ thống được lắp đặt dọc theo các đường chính, mạng cảm biến số tập hợp

dữ liệu về tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe trên đường Dữ liệu sau đó được truyền đến trung tâm dữ liệu để xử lý Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian thực Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng, điều phối giao thông hoặc cho các mục đích khác

* Các ứng dụng trong y học:

Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSN vào tiền chẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng cho người bệnh WSN cho phép theo dõi tình trạng của các bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, làm cho việc phân tích và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian điều trị tại bệnh viện WSN còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành các cơ sở dữ liệu quan trọng, các biện pháp can thiệp hiệu quả

Trên thế giới, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống (như cảnh báo cháy rừng, tự động hóa trong nhà máy xí nghiệp, nhà thông minh…) Tuy nhiên, tại Việt Nam, mạng cảm biến không dây chưa được phát triển rộng rãi Tại Việt Nam, mạng cảm biến không dây chủ yếu dùng trong ứng dụng dùng nhà thông minh

CHƯƠNG 3 CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4

3.1 MẠNG KHÔNG DÂY WPAN

3.1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)

Mạng WPAN (mạng cá nhân không dây) được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn, mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng

Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) Trong khi IEEE 802.11 đề cập đến tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính 30m)

Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé Chính vì thế mà

nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN

3.1.2 Phân loại các chuẩn mạng WPAN

Tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn 802.15 cho mạng không dây cá nhân Trong đó, có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lựơng và chất lượng dịch vụ QoS

- WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3)

- WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1/Bluetooth)

- WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN)

3.2 CÁC CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

3.2.1 Chuẩn Bluetooth

Bluetooth là chuẩn dùng cho kết nối RF tầm ngắn cho các thiết bị di động cá nhân Chuẩn này bắt đầu như là một chuẩn không chính thức dùng trong công nghiệp Gần đây, dự án IEEE 802.15.1 phát triển mạng các nhân không dây dựa trên Bluetooth v1.1 IEEE 802.15.1 được đưa ra năm 2002 Bluetooth dùng trong các thiết bị thông tin cá nhân như điện thoại, máy in, headset, bàn phím máy tính và chuột Kỹ thuật này có một số đặc tính hạn chế do đó khả năng ứng dụng cho mạng WSN bị giới hạn

Đặc điểm Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, cung cấp cho ứng dụng không dây giữa các thiết bị di động và làm đơn giản kết nối giữa các thiết

bị Hệ thống dùng sóng radio phát đẳng hướng, có thể xuyên qua tường và các vật cản phi kim loại khác Sóng radio dùng trong Bluetooth hoạt động ở tần số 2.4GHz ISM, phổ biến trên toàn thế giới Bluetooth dùng kỹ thuật trải phổ, song công hoàn toàn Khi kết nối điểm điểm, cho phép cùng lúc kết nối với 7 thiết bị đồng thời

Thiết bị Bluetooth đóng vai trò như “master” có thể liên lạc đến 7 thiết bị vai trò “slave”

3.2.2 Chuẩn ZIGBEE

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc

độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này

Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và có 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 và băng thông rộng

Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (Mesh Network) (đây là điểm nổi bật hơn so với công nghệ Bluetooth)

Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10 - 100m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng

Tổ chức ZigBee Alliance đưa ra các thông số ZigBee đầu tiên vào năm 2004, tạo tiền đề cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của mạng WSN ZigBee/IEEE 802.15.4 được chờ đợi trở thành công nghệ dẫn đầu cho các ứng dụng thương mại

từ công nghiệp cho đến các ứng dụng tại nhà

Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee

- 250kbps ở dải tần 2.4GHz (trên toàn cầu)

- 40kbps ở dải tần 915MHz (tại Mỹ và Nhật)

- 20kbps ở dải tần 868MHz (ở châu Âu)

3.2.3 Đánh giá và lựa chọn công nghệ

Để có thể chọn một chuẩn kết nối không dây phù hợp cho mạng cảnh báo và

giám sát, tôi so sánh 2 chuẩn chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4 và Bluetooth Các tiêu

chí so sánh gồm: năng lượng tiêu thụ, phạm vi hoạt động, tốc độ truyền và thời gian truyền dữ liệu, cấu hình mạng Việc so sánh chuẩn ZigBee với Bluetooth giúp chúng ta hiểu được tại sao chuẩn ZigBee rất khác biệt

- Năng lượng: Zigbee tiết kiệm năng lượng hơn Bluetooth Một nốt mạng

trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai pin AA

- Phạm vi hoạt động: Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10-100m trong khi

của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không có khuyếch đại)

- Tốc độ truyền dữ liệu: Tốc độ truyền của ZigBee là 250kbps tại 2.4GHz,

40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là

1Mbps ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Đối với các ứng dụng

giám sát và cảnh báo, không cần tốc độ cao, do đó dùng ZigBee là hợp lý

- Thời gian truyền dữ liệu: Nút mạng sử dụng ZigBee vận hành tốn ít năng

lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị

Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong 3sec

- Cấu hình mạng: ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với

mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức

tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng

ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó

là bị hạn chế về không gian và thời gian) Các thiết bị Bluetooth chỉ cho phép tối đa

là 8 nút slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản

So sánh một số chỉ tiêu của các công nghệ

Bảng 1 So sánh các công nghệ

Chuẩn IEEE Chỉ tiêu

Zigbee Wifi Bluetooth

Thời gian sống của pin Ngày–vài năm Phút – vài giờ Giờ - vài ngày

- Kết luận: Trong 3 công nghệ trên, công nghệ ZigBee ưu việt hơn ở mức độ

tiêu hao năng lượng thấp, độ trễ truyền tin nhỏ, dễ mở rộng và giá thành thấp Với mục tiêu chính là giám sát và cảnh báo chỉ cần giao tiếp truyền, nhận các dữ liệu đơn giản, thì công nghệ ZigBee là rất phù hợp Chính vì vậy, tôi chọn công nghệ Zigbee cho giải pháp cảnh báo và giám sát trong luận văn này

3.3 CHUẨN ZIGBEE

3.3.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4

ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới phát triển được vài năm trở lại đây Công nghệ này xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính vì thế nên nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE 802.15.4 Đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng Do đó các nhà sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng với nhau ZigBee tập trung vào thiết kế liên quan đến lớp mạng, bảo mật và lớp ứng dụng Chuẩn ZigBee được phát triển và xúc tiến bởi hãng ZigBee Alliance, với sự hỗ trợ của hơn 200 công ty chuyên phần sản xuất linh kiện

vi xử lý và phần mềm như: Siemens, Atmel, Nec, Texas Intruments, Microchip… Hình sau chỉ ra mô hình tham khảo của IEEE 802.15.4 ZigBee và chức năng cơ bản của mỗi lớp

3.3.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4

Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ

quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME

(physical layer management) Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của

khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý

Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận

nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh

truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền

Chuẩn ZigBee định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu

Tốc độ bit (kb/s)

868 1 0 868.3

Bảng 3 Kênh truyền và tần số

Hình 6 : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4

Cấu trúc khung dữ liệu của lớp vật lý được mô tả như hình trên Trong đó:

- 4 byte đầu dùng cho đồng bộ ký tự (preamble)

- 1 byte tiếp theo dùng để đồng bộ khung (start of packet delimiter)

- 1 byte header quy định chiều dài của khung dữ liệu (PHY header)

- PSDU mang dữ liệu, có thể lên đến 127 byte (PHY service data unit)

Hình 7: Tần số và các kênh truyền theo chuẩn ZigBee

3.3.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE802.15.4 MAC

Các thông số tầng MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4 được thiết kế với yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp, độ trễ vừa phải, đáp ứng khả năng phân bố mạng một cách mềm dẻo và công suất thấp

Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định

dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe

thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack

3.3.3.1 Cấu trúc siêu khung:

Hình 8: Định dạng siêu khung

Định dạng siêu khung được quy định rõ bởi PAN coordinator Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng mạng và được chia thành 16 khe như nhau Cột mốc báo hiệu dò đường beacon được gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung Nếu một PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung thì nó phải dừng phát tín hiệu beacon Mốc này có nhiệm vụ đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu khung

Siêu khung được chia thành 2 phần:

- Inactive: Trạng thái nghỉ

- Active: trạng thái hoạt động, có 16 khe thời gian, chia thành 2 phần: giai đoạn tranh chấp truy cập (CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP) Giai đoạn tranh chấp trong mạng chính là khoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ hội dùng một kênh truyền hoặc tài nguyên trên mạng Bất kỳ một thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh tranh với thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA Ngược lại, CFP gồm có các khe thời gian GTS PAN

coordinator có thể định vị được bảy trong số các GTS, mỗi GTS chiếm nhiều hơn 1 khe thời gian

Cấu trúc siêu khung được điều khiển bởi 2 thông số beacon order (BO) (quy định chiều dài của siêu khung) và surperFrame order (SO)(quy định chiều dài của

vị trí hoạt động trong siêu khung)

- Khung CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP Nếu CFP=0 thì CAP sẽ kết thức tại cuối siêu khung Tất cả các khung tin, ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau khung Ack sẽ sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy nhập kênh Khung chứa lệnh điều khiển MAC được phát trong phần CAP

- Khung CFP được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beacon của khung kế tiếp Nếu bất kỳ một GTS nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng PAN, chúng sẽ được đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liều nhau Bởi vậy nên kích thước của phần CFP sẽ do tổng độ gài các khe GTS này quyết định CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy nhập kênh Một thiết bị phát CFP sẽ kết thúc trong một IFS trước khi kết thúc GTS

- Khoảng cách giữa hai khung (IFS_Interframe Space): Khoảng thời gian IFS

là thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý một gói tin nhận được Khung tin được truyền theo chù kỳ IFS, trong đó độ dài của chu kỳ IFS phụ thuộc vào kích thước của khung vừa được truyền đi)

3.3.3.2 Thuật toán đa truy cập tránh xung đột sử dụng cảm biến sóng mang (CSMA/CA)

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) Phương pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng Thực chất đây là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4 Các node sẽ liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền

Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trước khi phát dữ liệu hoặc trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP Thuật toán này sẽ không sử

trong phần CFP Nếu bản tin báo hiệu đựơc sử dụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian được dùng, ngược lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian sẽ đựợc sử dụng

3.3.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu:

Dựa trên cấu trúc mạng PAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hình truyền dữ liệu: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, từ thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, và giữa các thiết bị cùng loại Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu mạng đó có hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không

* Truyền dữ liệu từ thiết bị thành viên đến thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon

- Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong một mạng không hỗ trợ việc phát beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian (unslotted CSMA-CA) Thiết bị điều phối Coordinator có thể trả lời bằng khung ACK như hình sau:

Hình 9- Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon

* Truyền dữ liệu từ thiết bị thành viên đến thiết bị điều phối trong mạng

có hỗ trợ beacon

- Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon Lúc đầu nó sẽ chờ báo hiệu beacon của mạng Khi thiết bị nhận được báo hiệu beacon, nó sẽ sử dụng tín hiệu này để đồng bộ các siêu khung Đồng thời,

nó cũng phát dữ liệu sử dụng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian và kết thúc quá trình truyền tin bằng khung tin xác nhận ACK

Hình 10: Liên lạc đến thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon

* Truyền dữ liệu từ thiết bị điều phối đến các thiết bị khác trong mạng không hỗ trợ beacon

Khi thiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu tới các thiết bị khác trong mạng không hỗ trợ phát beacon (xem hình 11), nó sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bị liên quan có thể yêu cầu và tiếp xúc với dữ liệu đó Một thiết bị có thể liên lạc bằng cách truyền một lệnh MAC yêu cầu dữ liệu, tới thiết bị điều phối, sử dụng thuật toán không gán khe thời CSMA-CA Điều phối viên trả lời gói tin này Nếu dữ liệu đang chờ, điều phối viên truyền khung dữ liệu bằng cách sử dụng unslotted CSMA-CA Nếu dữ liệu không chờ, điều phối viên truyền 1 khung dữ liệu có độ dài phần tải trọng dữ liệu bằng không để chỉ ra rằng không có dữ liệu nào đang

(Tuỳ chọn)

chờ Thiết bị sẽ trả lời ACK gói tin này Quá trình mô tả như hình sau:

Hình 11: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng không hỗ trợ beacon

* Truyền dữ liệu từ thiết bị điều phối đến các thiết bị khác trong mạng có

hỗ trợ beacon

- Các ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị trong mạng PAN, không phải là thiết bị điều phối mạng Chính khả năng này cung cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee Khi thiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon, khi đó nó sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang có dữ liệu chờ truyền Các thiết bị trong mạng luôn luôn lắng nghe các thông tin báo hiệu beacon một cách định kỳ, và khi phát hiện ra thông tin đang chời, nó truyền lệnh MAC yêu cầu dữ liệu bằng cách sử dụng slotted CSMA-CA Thiết bị điều phối tuỳ chọn việc xác nhận truyền thành công của gói tin này Các khung dữ liệu đang chờ xử lý sau đó được gửi bằng cách sử dụng slotted CSMA-CA Các thiết bị trả lời việc tiếp nhận thành công dữ liều bằng cách truyền một khung xác nhận Khi việc xác nhận được thừa nhận, bản tin trong danh sách chờ truyền sẽ được xoá Quá trình truyền được

mô tả ở hình 12 (trang bên)

Hình 12: Liên lạc từ thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ beacon

Trong một mạng ngang hàng, mỗi thiết bị đều có khả năng kết nối với bất kỳ thiết bị nào trong bán kính phủ sóng của nó Có hai cách để thực hiện việc kết nối Cách thứ nhất là node trong mạng liên tục lắng nghe và phát dữ liệu của nó đi bằng cách sử dụng thuật tóan không gán khe thời gian CSMA-CA Cách thứ hai là các node tự đồng bộ với các node khác để có thể tiết kiệm đựơc năng lượng

3.3.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon:

Một thiết bị FFD có thể hoạt động trong chế độ không phát thông tin báo hiệu hoặc có thể phát thông tin báo hiệu giống như là thiết bị điều phối mạng Một thiết bị FFD không phải là thiết bị điều phối mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo hiệu beacon chỉ khi nó gia nhập mạng Các tham số macBeaconOrder và macSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai thông tin báo hiệu và khoảng thời gian của phần hoạt động và phần nghỉ Thời gian phát báo hiệu liền trước được ghi lại trong tham số macBeaconTxTime và được tính toán

để giá trị của tham số này giống như giá trị trong khung thông tin báo hiệu beacon

3.3.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS:

Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt động trong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho thiết bị đó Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó Thiết bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe thời gian này để liên lạc với các thiết

bị khác trong mạng Một khe thời gian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung Thiết bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn là nó có đủ thẩm quyền trong siêu khung

Một khe thời gian có thể được chiếm hữu trước khi sử dụng nếu có sự yêu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN Tất cả các khe thời gian GTS đều được đặt liền nhau ở cuối của siêu khung sau phần CAP, và hoạt động theo cơ chế FCFS (first-come-first- serve) đến trước dùng trứơc Mỗi khe thời gian GTS có thể đựợc giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và một khe thời gian GTS có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bị chiếm hữu nó không dùng nữa Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản ly khe thời gian Để quản ly mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưu trữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kết nối

3.3.3.6 Định dạng khung tin MAC:

Mỗi khung bao gồm các thành phần sau:

- Đầu khung MHR(MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiển khung tin, số chuỗi, và trường địa chỉ

- Tải trọng khung (MAC payload) : chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung Khung tin của bản tin xác nhận ACK không có phần này

- Cuối khung MFR(MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS (frame check sequence)

Octets:2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 Biến 2

ID PAN đích

Địa chỉ đích

ID PAN nguồn

Địa chỉ nguồn

Điều

khiển

khung

Số chuỗi

Trường địa chỉ

Tải trọng khung

Chuỗi kiểm tra (FCS)

Phần đầu khung MAC Tải trọng

MAC

Phần cuối khung MAC

Hình 13: Định dạng khung tầng MAC

3.3.4 Tầng mạng và bảo mật của ZigBee/IEEE 802.15.4

* Chức năng của tầng mạng

- Thiết lập một mạng mới

- Tham gia làm thành viên của một mạng đang hoạt hoặc là tách ra khỏi mạng khi

đang là thành viên của một mạng nào đó

- Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới tham

gia vào mạng

- Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà không bị tranh

chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thông báo beacon

- Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới

- Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng đích mong muốn Có thể nói rằng thuật toán của ZigBee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp

* Định dạng khung tin tầng mạng

MAC

HDR

Số khung (4 byte)

Số chuỗi (1 byte) Tải trọng MAC MIC

Hình 14: Định dạng khung tầng mạng