ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2016

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 Và 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 tháng 10 năm 2016

Người cam đoan

Đào Quang Bình

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 mọi điều kiện tốt nhất cho em nghiên cứu, thực hiện luận

văn 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 kết quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản

thân còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ PGS.TS.Nguyễn Quốc Cường, người đã

trực tiếp hướng dẫn, 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 thụ cho em không chỉ

những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh nghiệm quý báu

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

nghiệp Chính gia đình, bạn bè và đồng nghiệp 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

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU 12

1 Lý do chọn đề tài 12

2 Mục đích của đề tài 12

3 Bố cục của đề tài 12

4 Phương pháp nghiên cứu 13

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 14 1.1 Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng 14

1.2 Chuẩn chiếu sáng có dây 14

1.2.1 DALI 15

1.2.2 DMX512 16

1.3 Chuẩn chiếu sáng không dây 18

1.3.1 Giới thiệu về Zigbee 18

1.3.2 Cấu trúc của giao thức ZigBee 19

1.3.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee 20

1.3.4 Cấu trúc liên kết mạng 21

1.3.5 Địa chỉ 23

1.3.6 Truyền dẫn dữ liệu 24

1.4 Kết luận 25

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI 26

2.1 Tổng quan về Wi-Fi 26

2.1.1 Lịch sử ra đời 26

2.1.2 IEEE 802.11b 27

2.1.3 IEEE 802.11a 27

2.1.4 IEEE 802.11g 27

2.1.5 IEEE 802.11n 28

2.2 Bảo mật 28

2.2.1 Phương thức bảo mật WEP 28

2.2.2 Phương thức bảo mật WPA 29

2.2.3 Phương thức bảo mật WPA2 30

2.3 Bộ giao thức của Wi-Fi 30

2.3.1 Giới thiệu mô hình giao thức 30

2.3.2 Kiến trúc TCP/IP 31

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ WI-FI GATEWAY 36

3.1 Yêu cầu của hệ thống 36

3.2 Phân tích mô hình điều khiển 36

3.2.1 Nguyên lý hoạt động 36

3.2.2 Mô hình tổng quát 37

3.3 Phân tích sơ khối Wi-Fi Gateway 38

3.3.1 Khối xử lý 38

3.3.2 Khối Wi-Fi Router 42

3.3.3 Khối truyền thông Zigbee 43

3.3.4 Kết luận 46

3.4 Giới thiệu module Wi-Fi ESP-01 47

3.4.1 Giới thiệu phần cứng 47

3.4.2 Giới thiệu về các gói SDK 49

3.4.3 Các phương pháp xây dựng firmware cho module ESP8266 50

3.4.4 Nạp firmware cho module ESP8266 59

3.4.5 Tập lệnh AT của ESP8266 62

3.5 Thiết kế phần cứng 64

3.5.1 Sơ đồ nguyên lý khối Wi-Fi Gateway 64

3.6 Thiết kế phần mềm cho khối Wi-Fi Gateway 67

3.6.1 Thiết kế giao diện điều khiển trên Web 67

3.6.2 Thiết kế phần mềm cho Arduino 71

3.6.3 Thiết kế phần mềm điều khiển trên điện thoại Android 72

CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 81

4.1 Giới thiệu về 1 số chỉ tiêu đánh giá Wi-Fi Gateway 81

4.1.1 Chỉ tiêu về công suất phát của khối Wi-Fi Router 81

4.1.2 Chỉ tiêu về độ nhạy thu của khối Wi-Fi Router 81

4.2 Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối Wi-Fi Router 82

4.2.1 Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản 82

4.2.2 Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản 83

4.2.3 Kiểm tra số lượng thiết bị kết nối tới khối Wi-Fi Router 85

4.3 Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối truyền thông Zigbee 85

4.3.1 Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản 85

4.3.2 Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản 86

4.4 Kiểm nghiệm hoạt động Wi-Fi Gateway 88

4.4.1 Thời gian đáp ứng của Wi-Fi Gateway 88

4.4.2 Kiểm nghiệm đánh giá hoạt động của Wi-Fi Gateway 89

KẾT LUẬN 92

1 Kết quả đạt được 92

2 Hướng phát triển của đề tài 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HVAC Heating, Ventilation and Air conditioning

DALI Digital Addressable Lighting Interface

APS Application Support Sublayer

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers SSID Service Set Identifier

WEP Wired Equivalent Privacy

TKIP Temporal Key Integrity Protocol

AES Advanced Encryption Standard

CCMP Counter Mode Cipher Block Chaining Message

Authentication Code Protocol AES Advanced Encryption Standard

TCP Transmission Control Protocol

HTTP HyperText Transfer Protocol

OUI Organizationally Unique Identifier

OEM Original Equipment Manufacturing

API Application Programming Interface

HTTP HyperText Transfer Protocol

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: So sánh các module Wi-Fi adapter 42

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật chip ESP8266EX 47

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật phần cứng chip ESP8266EX 47

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật phần mềm của chip ESP8266EX 48

Bảng 3.5: Mô tả chân của module ESP-01 48

Bảng 3.6: So sánh máy ảo và Docker 52

Bảng 3.7: Các phương thức có thể sử dụng cho HTTP request 69

Bảng 3.8: So sánh phương thức GET và POST 70

Bảng 4.1: Công suất phát của chip ESP8266EX 81

Bảng 4.2: Độ nhạy thu của chip ESP8266EX 81

Bảng 4.3: Khoảng cách gửi dữ liệu qua Wi-Fi trong môi trường không vật cản 83

Bảng 4.4: Khoảng cách gửi dữ liệu qua Wi-Fi trong môi trường có vật cản 84

Bảng 4.5: Số lượng thiết bị kết nối và điều khiển tới khối Wi-Fi Router 85

Bảng 4.6: Khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường không vật cản 86

Bảng 4.7: Khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường có vật cản 87

Bảng 4.8: Thời gian đáp ứng của Wi-Fi Gateway trong điều kiện tín hiệu tốt 88

Bảng 4.9: Thời gian đáp ứng của nút điều khiển trong điều kiện tín hiệu kém 89

Bảng 4.10: Số lần điều khiển được Wi-Fi Gateway trong điều kiện tín hiệu tốt 90

Bảng 4.11: Số lần điều khiển được Wi-Fi Router trong điều kiện tín hiệu kém 91

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối giao thức DALI 16

Hình 1.2: XLR5 connector 17

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521 17

Hình 1.4: Băng tần của chuẩn ZigBee 18

Hình 1.5 Cấu trúc giao thức 19

Hình 1.6 Cấu trúc mạng hình sao 22

Hình 1.7 Cấu trúc mạng hình lưới 22

Hình 1.8 Cấu trúc mạng hình cây 23

Hình 1.9 Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá 24

Hình 1.10 Sơ đồ truyền unicast 24

Hình 2.1: Kiến trúc TCP/IP 32

Hình 2.2: Kiến trúc OSI 33

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống 36

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống tổng quát 37

Hình 3.3: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway 38

Hình 3.4: Intel Edison và board phát triển Arduino 39

Hình 3.5: Module Raspberry Pi 3 40

Hình 3.6: Module Arduino Mega 2560 41

Hình 3.7: Module Xbee Series 2 43

Hình 3.8: Xbee USB adapter 44

Hình 3.9: Giao diện X-CTU 6.3.2 44

Hình 3.10: Cấu hình Xbee trong thẻ Configuration 45

Hình 3.11: Thẻ Consoles 45

Hình 3.12: Thẻ Network 46

Hình 3.13: Sơ đồ chân module ESP-01 48

Hình 3.14: Đăng ký email để nhận firmware 50

Hình 3.15: Lựa chọn tính năng cần thiết cho module 51

Hình 3.16: Thông báo xác nhận việc xây dựng firmware 51

Hình 3.17: Download firmware 52

Hình 3.18: Quá trình biên dịch Docker kết thúc 53

Hình 3.19: Kiểm tra và lấy file firmware đã được biên dịch 54

Hình 3.20: Chọn vị trí lưu trữ máy ảo 54

Hình 3.21: Nhập file máy ảo ESP8266_lubuntu_20141021 55

Hình 3.22: Chạy máy ảo 55

Hình 3.23: Đăng nhập vào máy ảo 56

Hình 3.24: Lựa chọn thư mục Shared 56

Hình 3.25: Chạy file gen_misc.sh 57

Hình 3.26: Thông báo thực hiện 5 bước chọn thông số cho firmware 58

Hình 3.27: Thông báo biên dịch thành công firmware 58

Hình 3.28: Module USB-TTL và sơ đồ chân 59

Hình 3.29: Kết nối giữa module ESP-01 và module USB-TTL 60

Hình 3.30: Giao diện phần mềm ESP8266Flasher 60

Hình 3.31: Lựa chọn firmware để nạp 61

Hình 3.32: Quá trình nạp firmware đang diễn ra 61

Hình 3.33: Quá trình nạp firmware đã hoàn tất 62

Hình 3.34: Kết quả trả về với lệnh AT 62

Hình 3.35: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway 65

Hình 3.36: Module ASM1117 65

Hình 3.37: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 66

Hình 3.38: Mạch phân áp bằng điện trở 67

Hình 3.39: Mô hình Client-Server 68

Hình 3.40: Lưu đồ thuật toán của khối xử lý trung tâm 71

Hình 3.41: Cửa sổ làm việc Designer 73

Hình 3.42: Cửa sổ Block của App Inventor 74

Hình 3.43: Cửa sổ Viewer của màn hình đăng nhập 75

Hình 3.44: Lưu đồ thuật toán cho màn hình đăng nhập 76

Hình 3.45: Liên kết khối lệnh màn hình đăng nhập 76

Hình 3.46: Cửa sổ Viewer của màn hình điều khiển 77

Hình 3.47: Sơ đồ nguyên lý của màn hình điều khiển 78

Hình 3.48: Đọc và hiển thị dữ liệu điều khiển từ nút bấm 79

Hình 3.49: Đọc và hiển thị dữ liệu điều khiển từ Slider 79

Hình 3.50: Gửi dữ liệu điều khiển thiết bị tới server 80

Hình 4.1: Giao diện phần mềm điều khiển trên điện thoại 82

Hình 4.2: Bố trí thử nghiệm khoảng cách Wi-Fi trong môi trường có vật cản 84

Hình 4.3: Bố trí thử nghiệm khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường có vật cản 87

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong bối 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) đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều nền tảng phần cứng cho phép phát triển hệ thống điều khiển, giám sát thông qua mạng hay mạng không dây

Đối với các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà cũ sử dụng các chuẩn truyền thông có dây như DALI, DMX512 có những nhược điểm như sơ đồ đi dây phức tạp, khó khăn khi nâng cấp hệ thống cũ…v.v Vì vậy công nghệ mới sử dụng các chuẩn truyền thông không dây như Wifi, Zigbee, BLE, Z-wave với những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, sự đơn giản về bố trí thiết bị được phát triển nhằm khắc phục những nhược điểm của các chuẩn chiếu sáng cũ Tuy nhiên với chuẩn Z-wave và Zigbee được thiết kế hướng tới để các thiết bị giao tiếp với nhau chứ không hướng tới giao tiếp với người sử dụng hay BLE là chuẩn Bluetooth mới tuy có những ưu điểm như hướng tới người sử dụng, cực kì tiết kiệm năng lượng lại có nhược điểm là mới được đưa vào, không tương thích với Bluetooth cũ nên ít có thiết

bị hỗ trợ Cùng với xu hướng phát triển của smartphone và các tiện ích mà nó đem lại chính vì vậy công nghệ không dây Wi-Fi với đặc điểm hướng tới người sử dụng,

sự tương thích giữa các chuẩn 802.11b/g/n, tốc độ cao…v.v là lựa chọn tối ưu làm chuẩn không dây để giao tiếp với người dùng điều khiển hệ thống chiếu sáng

2 Mục đích của đề tài

Thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee – tạm gọi là Wi-Fi Gateway Thiết kế Wi-Fi Gateway này đơn giản, hoạt động hiệu quả để nhận dữ liệu điều khiển từ người dùng qua Wi-Fi sau đó truyền đi điều khiển thiết bị bằng các chuẩn không dây như Zigbee Bằng các kịch bản được chuẩn bị trước cho hoạt động của thiết bị sẽ giải thích được nguyên lý làm việc, ưu và nhược điểm của bộ điều khiển chiếu sáng Wi-

Fi Gateway

3 Bố cục của đề tài

Đề tài bao gồm 4 chương:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

Giới thiệu về các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà, công nghệ điều khiển sử dụng các chuẩn có dây và không dây Sau khi tìm hiểu về công nghệ điều khiển chiếu sáng lựa chọn thiết kế Wi-Fi Gateway nhằm chuyển đổi từ tín hiệu điều khiển ở công nghệ Wi-Fi thành tín hiệu điều khiển không dây Zigbee

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI

Giới thiệu khái quát về lịch sử ra đời, các chuẩn Wi-Fi phổ biến, các phương thức bảo mật và bộ giao thức của Wi-Fi

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ WI-FI GATEWAY

Phân tích yêu cầu, từ đó đưa ra sơ đồ tổng quan và lựa chọn thiết bị sử dụng là Arduino Mega2560, module ESP-01 và module Xbee S2

Giới thiệu về module Wi-Fi ESP-01, giới thiệu phần cứng và gói phần mềm SDK Trình bày các phương pháp biên dịch firmware, nạp firmware và tập lệnh điều khiển đối với module ESP-01

Từ sơ đồ tổng quát thiết kế sơ đồ khối và thiết kế sơ đồ nguyên lý Thiết kế phần mềm cho Wi-Fi Gateway, đồng thời thiết kế phần mềm điều khiển trên điện thoại

CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

Đưa ra các kịch bản hoạt động đối với hệ thống điều khiển Đo và đánh giá cũng như đưa ra các giải pháp

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 thiết kế bộ điều khiển sử dụng Wi-Fi Gateway Từ đó đưa ra phương án chế tạo bộ điều khiển phù hợp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 1.1 Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng

Trong một tòa nhà, cùng với hệ thống điều hòa không khí và thông gió (HVAC) thì hệ thống chiếu sáng luôn là một trong 2 hệ thống tiêu tốn nhiều năng lượng nhất Trung bình khoảng 20-40% năng lượng của một tòa nhà là giành cho chiếu sáng Ở Mỹ và nhiều nước phát triển, việc triển khai hệ thống lighting control gần như là bắt buộc trong mọi tòa nhà thương mại Quản lý năng lượng hiệu quả trong chiếu sáng cùng với nhu cầu giải trí và thẩm mĩ của con người ngày càng tăng

đã đặt ra hai bài toán:

- Chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

- Đòi hỏi áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để ánh sáng trình diễn theo ý muốn

Để giải quyết hiệu quả hai bài toán trên người ta đang hướng đến việc quản lý tập trung, liên kết các hệ thống riêng này thành một thể thống nhất Chính vì thế lighting control cũng được phát triển theo hướng ứng dụng thiết lập mạng và tích hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà cùng với nhiều hệ thống khác Đây là một đặc trưng hiện đại và cũng là ưu điểm của lighting control so với hệ thống thông thường Để thiết lập mạng điều khiển chiếu sáng có hai phương pháp là sử dụng các chuẩn chiếu sáng có dây và các chuẩn chiếu sáng không dây

1.2 Chuẩn chiếu sáng có dây

Trước những năm 90, phần lớn các chuẩn trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà nói chung và điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên giao thức có bản quyền của từng hãng sản xuất Thậm chí, đến nay một số hãng có tên tuổi vẫn sử dụng các chuẩn của riêng mình như JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI Dưới đây là các giao thức hỗ trợ của một số hãng sản xuất thiết bị chiếu sáng Theo tài liệu [1]

1 ABB Control Inc Custom, BACnet, Modicon and LON

2 Advance Transformer 0-10VDC, 2-Wire

3 Agilent Technologies Inc LAN/WAN Ethernet

4 Douglas Lighting Controls

Ngoài ra, hệ thống DALI còn có thể điều khiển rèm cửa, tích hợp hệ thống an ninh báo cháy, báo trộm Từ một vị trí, nhưng ta có thể theo dõi được tình trạng hoạt động của toàn bộ hệ thống điện và chiếu sáng

b Đặc điểm

Một số đặc điểm của mạng DALI theo tiêu chuẩn IEC60929:

- Số lượng thiết bị lớn nhất có thể: 64 thiết bị

- Số nhóm: 16

- Số địa điểm trên một nhóm: 16

- Cáp dữ liệu: 2 dây

- Phương pháp mã hóa dữ liệu: Manchester

- Tốc độ truyền dữ liệu: 1200 bit/s

- Nguồn cấp cho mạng 24VDC, 250mA

- Khoảng cách 300m hoặc 2VDC điện áp rơi

c Sơ đồ kết nối

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối giao thức DALI

Một hệ thống DALI có thể có một hay nhiều thiết bị chiếu sáng kết nối trên DALI bus cùng với bộ điều khiển Bộ điều khiển có thể giám sát và điều khiển ánh

sáng trên DALI bus nhờ dữ liệu trên DALI bus là 2 chiều và không đồng bộ

1.2.2 DMX512

a Giới thiệu

DMX là viết tắt của Digital Multiplex, là kỹ thuật truyền tín hiệu cho những thiết bị kỹ thuật số có thể được truyền qua dây cáp Nó chính là giao thức chung dùng để điều khiển thiết bị đèn sân khấu hay các loại đèn kỹ xảo trên toàn thế giới DMX512 là 1 tiêu chuẩn truyền thông kỹ thuật số được sử dụng để kết nối những

bộ vi xử lý điều khiển ánh sáng Nó sử dụng cáp truyền dữ liệu đặc biệt để truyền thông tin đến các thiết bị chiếu sáng (Dimmers, thay đổi màu sắc, điều khiển Spotlights từ xa, )

DMX512 sử dụng connector gồm 5 chân là:

Chân 1: Signal Common

- Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbit/s

- Điện áp làm việc 6VDC mỗi chân, 250mA

- Khoảng cách không quá 1.200m

c Sơ đồ kết nối

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521

Mỗi một mạng lưới gồm một bộ điều khiển DMX512 – là master, ngoài ra nó còn có một hay nhiều Slave Device Mỗi một Slave Device có một cổng DMX512

IN và một OUT Các bộ điều khiển chỉ có một kết nối OUT được kết nối với Slave Device đầu tiên

1.3 Chuẩn chiếu sáng không dây

Các chuẩn không dây sử dụng trong chiếu sáng có thể kể đến như Insteon, wave, Zigbee Tuy nhiên Zigbee là một chuẩn mở, còn Z-wave và Insteon không phải Với Z-wave, chuẩn giao thức và phần cứng để vận hành chuẩn giao thức này hoàn toàn do Sigma Designs cung cấp, các công ty muốn sử dụng Z-wave chỉ có thể mua các tài liệu, phần cứng từ 1 bên và chi phí này tương đối cao

Z-Trong khi đó, Zigbee với ưu thế là một chuẩn mở có thể mua phần cứng, phần mềm, tài liệu từ nhiều hãng lớn trên thế giới như Texas Instrument, NXP, Silab, AVR, Microchip…v.v Ngoài ra còn có thể tìm các module Zigbee từ các hãng như Atmel, CEL, Digi, Jennic, Lemos, và RFM Nhờ tính mở đó, việc tiếp cận và phát triển các sản phẩm Zigbee dễ dàng hơn nhiều so với Z-wave, đồng thời chi phí cũng thấp hơn Z-wave nhiều do hãng phát triển có nhiều lựa chọn và cạnh tranh hơn Chính vì vậy trong nội dung luận văn này sẽ tập trung đi sâu vào việc sử dụng chuẩn Zigbee

1.3.1 Giới thiệu về Zigbee

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 [2]

Hình 1.4: Băng tần của chuẩn ZigBee

Qua hình 1.4 có thể thấy với tần số là 868MHz thì có 1 kênh truyền, ở tần số

900 MHz có 10 kênh truyền và ở tần số 2.4GHz có 16 kênh truyền

ZigBee là 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 mạng lưới Chuẩn ZigBee 1.0 được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee Alliance Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và giám sát y tế

1.3.2 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 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

Hình 1.5 Cấu trúc giao thức

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 gần nhau (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 Có khả năng định tuyến, lớp 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

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

khả năng quản lý mạng nâng cao

1.3.3 Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee

Một mạng Zigbee gồm nhiều thành phần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên FFD (full function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một điều phối mạng PAN (personal area network), ngoài ra còn một thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên RFD (reduced function device) Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, thiết

bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên toàn mạng PAN, điều phối viên một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu

Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD nhưng một RFD chỉ làm việc với một FFD

- 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

1.3.4 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

a Mạng hình sao (Star Network)

Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị điều khiển trung tâm gọi là bộ điều phối mạng PAN Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng Pan Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID, nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN Tất cả các mạng trong tầm phủ sóng đều phản có một PAN ID duy nhất

Hình 1.6 Cấu trúc mạng hình sao

b Mạng hình lưới (Mesh Network)

Đối với loại mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng Ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kì thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trọng phạm vi phủ sóng của thiết bị A Các ứng dụng của cấu trúc này khá rộng, có thể áp dụng cho các mạch đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê ( cảnh báo cháy rừng…) 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 1.7 Cấu trúc mạng hình lưới

c 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 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 1.8 Cấu trúc mạng hình cây

1.3.5 Địa chỉ

Tất các thiết bị ZigBee có hai chế độ địa chỉ khác nhau, chế độ địa chỉ 64 bit

và chế độ địa chỉ 16 bit Đặc trưng của mỗi chế độ địa chỉ được miêu tả như sau:

a Địa chỉ thiết bị 16 bit

Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng nhỏ, số lượng nút cố định 16 bit địa chỉ

sử dụng một số hex 16 bit để xác định từng nguồn radio và địa chỉ đích

b 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 3byte nhận diện duy nhất (OUI) ấn định bởi IEEE 5byte còn lại quản lý bởi OEM - tổ chức

quản lý sản xuất Địa chỉ 64 bit cũng được gọi là địa chỉ mở rộng

Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng lớn, số lượng nút mở và có thể được thêm trong tương lai

1.3.6 Truyền dẫn dữ liệu

Gói tin dữ liệu ZigBee có thể được truyền kiểu Unicast hoặc truyền quảng bá Truyền dẫn Unicast gửi dữ liệu từ một thiết bị nguồn đến một thiết bị đích, trong khi truyền quảng bá là gửi đến nhiều hoặc tất cả những thiết bị trong mạng [3]

a 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 gói tin Để quảng bá trong mạng IEEE 802.15.4 chế độ địa chỉ ngắn được sử dụng và địa chỉ đích được đặt là 0xffff Địa chỉ này được chấp nhận bởi tất cả các thiết bị mà nhận gói như địa chỉ của chúng Định danh PAN cũng có thể được đặt là 0xffff Thiết bị nhận sẽ chấp nhận 0xffff như là một định danh PAN hợp lệ Địa chỉ MAC 0xffff được biết như là địa chỉ quảng bá

Hình 1.9 Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá

b 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 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 1.10 Sơ đồ truyền unicast

1.4 Kết luận

Để chuyển các dữ liệu lên Internet hay nhận dữ liệu điều khiển ngược trở lại các cảm biến/thiết bị chấp hành phải có địa chỉ Trong lĩnh vực công nghệ thông tin

dự đoán 50 tỉ thiết bị sẽ có trong không gian IoT vào năm 2020 – theo tài liệu [10] ,

và điều đó sẽ trờ thành cực kỳ tốn kém chi phí để gán địa chỉ IP cho mỗi cảm biến

và quản lý mạng lưới liên quan đến IP Thay vào đó, cảm biến/thiết bị chấp hành có thể được nối mạng bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn không dây, như ZigBee Lần lượt, các mạng Zigbee đó dựa vào các cổng giao tiếp với Wi-Fi (Wi-Fi Router) để chuyển tiếp thông tin lên mạng hoặc tới người sử dụng Chính vì vậy bài toán trong luận văn đặt ra là thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee hay tạm gọi là Wi-Fi Gateway

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI 2.1 Tổng quan về Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity) hay IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) bao gồm các đặc tả kỹ thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp

"truyền qua không khí" (over-the-air) sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập (access point), hoặc giữa 2 hay nhiều thiết bị không dây với nhau (mô hình ad-hoc)

2.1.1 Lịch sử ra đời

Năm 1985, Ủy ban Liên lạc Liên bang Mỹ FCC (Federal Communications Commission) quyết định "mở cửa" một số băng tần của giải sóng không dây, cho phép sử dụng chúng mà không cần giấy phép của chính phủ Các giải sóng này, gọi

là các "băng tần rác" (900 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz), được phân bổ cho các thiết bị

sử dụng vào các mục đích ngoài liên lạc

Năm 1988, công ty NCR, vì muốn sử dụng dải tần "rác" để liên thông các máy rút tiền qua kết nối không dây, đã yêu cầu một kỹ sư của họ có tên Victor Hayes tìm hiểu việc thiết lập chuẩn chung Ông này cùng với chuyên gia Bruce Tuch của Trung tâm nghiên cứu Bell Labs đã tiếp cận với Tổ chức IEEE, nơi mà một tiểu ban

có tên 802.3 đã xác lập ra chuẩn mạng cục bộ Ethernet phổ biến hiện nay Một tiểu ban mới có tên 802.11 đã ra đời và quá trình thương lượng hợp nhất các chuẩn bắt đầu

Năm 1997, tiểu ban này đã phê chuẩn một bộ tiêu chí cơ bản, cho phép mức truyền dữ liệu 2Mbps, sử dụng một trong 2 công nghệ dải tần rộng tránh nhiễu bằng cách chuyển đổi liên tục giữa các tần số radio và phát tín hiệu trên một dải gồm nhiều tần số Chuẩn mới chính thức được ban hành năm 1997 và các kỹ sư ngay lập tức bắt đầu nghiên cứu một thiết bị mẫu tương thích với nó và liên tục cải tiến và tạo ra các chuẩn Wi-Fi mới như 802.11b/a/g/n/ac…v.v Chi tiết về một số chuẩn Wi-Fi như 802.11b/a/g tham khảo tại tài liệu [8]

hiện tượng xuyên nhiễu này

- Ưu điểm của 802.11b – giá thành thấp nhất; phạm vi tín hiệu lớn

- Nhược điểm của 802.11b – tốc độ tối đa thấp nhất; các ứng dụng gia đình có thể xuyên nhiễu

2.1.3 IEEE 802.11a

Trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo một mở rộng thứ cấp cho chuẩn 802.11 có tên gọi 802.11a Do giá thành cao hơn nên 802.11a chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp còn 802.11b thích hợp hơn với thị trường mạng gia đình

802.11a hỗ trợ băng thông lên đến 54 Mbps và sử dụng tần số vô tuyến 5GHz Tần số của 802.11a cao hơn so với 802.11b chính vì vậy đã làm cho phạm vi của hệ thống này hẹp hơn so với các mạng 802.11b do độ suy hao lớn hơn

- Ưu điểm của 802.11a – tốc độ cao; tần số 5Ghz tránh được sự xuyên nhiễu từ các thiết bị khác

- Nhược điểm của 802.11a – giá thành đắt; phạm vi hẹp

nhiên nhiên chuẩn này cũng có nhược điểm như chuẩn b là dễ bị nhiễu từ các thiết

bị phát sóng khác Do sự giống nhau về nhiều thông số, chuẩn kết nối 802.11g có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b và ngược lại

- Ưu điểm của 802.11g: tốc độ cao, phạm vi tín hiệu lớn

- Nhược điểm của 802.11g: giá thành đắt hơn 802.11b; các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần 2.4Ghz

2.1.5 IEEE 802.11n

Đây là chuẩn được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và các anten (công nghệ MIMO)

Khi chuẩn này được đưa ra, các kết nối 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps 802.11n cũng cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn so với các chuẩn Wi-Fi trước nó nhờ cường độ tín hiệu mạnh của nó Thiết bị 802.11n tương thích với các thiết bị 802.11g

- Ưu điểm của 802.11n là tốc độ nhanh hơn chuẩn b, g vùng phủ sóng tốt nhất; trở kháng lớn hơn để chống nhiễu từ các tác động của môi trường

- Nhược điểm của 802.11n là giá cao hơn 802.11g, sử dụng nhiều luồng tín hiệu có thể gây nhiễu với các thiết bị 802.11b/g kế cận

2.2 Bảo mật

Không giống như mạng có dây, đối với mạng không dây đặc biệt là Wi-Fi vấn

đề bảo mật là vấn đề hết sức quan trọng khi mà dữ liệu hay thông tin được phát ra môi trường và bất cứ ai trong vùng phủ sóng cũng có khả năng truy cập được thông tin

2.2.1 Phương thức bảo mật WEP

WEP (Wired Equivalent Privacy) nghĩa là bảo mật tương đương với mạng có

dây (Wired LAN) Khái niệm này là một phần trong chuẩn IEEE 802.11 Theo định nghĩa, WEP được thiết kế để đảm bảo tính bảo mật cho mạng không dây đạt mức độ như mạng nối cáp truyền thống

WEP cung cấp bảo mật cho dữ liệu trên mạng không dây qua phương thức mã hóa sử dụng thuật toán đối xứng RC4, được Ron Rivest - thuộc hãng RSA Security Inc phát triển Thuật toán RC4 cho phép chiều dài của khóa thay đổi và có thể lên đến 256 bit Chuẩn 802.11 đòi hỏi bắt buộc các thiết bị WEP phải hỗ đượ chiều dài khóa tối thiểu là 40 bit, đồng thời đảm bảo tùy chọn hỗ trợ cho các khóa dài hơn Đa

số các thiết bị không dây hỗ trợ WEP vói ba chiều dài khóa: 40 bit, 64 bit và 128 bit

Nhược điểm lớn nhất của WEP là sử dụng các khoá mã hoá tĩnh Khi thiết lập

cơ chế WEP cho router, một khoá được dùng cho mọi thiết bị trên mạng để mã hoá tất cả gói tin truyền tải Nhưng các gói đã mã hoá này không tránh được hiện tượng

bị chặn lại, nếu có thể chặn đủ số lượng gói tin đã mã hoá sẽ tìm ra được khoá giải

mã là gì

2.2.2 Phương thức bảo mật WPA

Nhận thấy được những nhược điểm không thể khắc phục của WEP, Wi-Fi Alliance đã đưa ra giải pháp khác gọi là Wi-Fi Protected Access (WPA) vào năm

2003, một năm trước khi WEP bị loại bỏ

Một trong những thay đổi lớn được tích hợp vào WPA bao gồm khả năng kiểm tra tính toàn vẹn của gói tin (message integrity check) để xem liệu gói tin có bị thu thập hay thay đổi gói tin chuyền qua lại giữa điểm truy cập và thiết bị dùng Wi-

Fi hay không Ngoài ra còn có giao thức khóa toàn vẹn thời gian (Temporal Key Integrity Protocol – TKIP) TKIP sử dụng hệ thống mã hóa thay đổi cho từng gói,

an toàn hơn rất nhiều so với mã hóa tĩnh – một khóa cho tất cả các gói của WEP WPA cũng sử dụng thuật toán RC4 như WEP, nhưng mã hoá đầy đủ 128 bit

Có một lỗ hổng trong WPA và lỗi này chỉ xảy ra với WPA Personal Khi mà

sử dụng hàm thay đổi khoá TKIP được sử dụng để tạo ra các khoá mã hoá bị phát hiện, nếu hacker có thể đoán được khoá khởi tạo hoặc một phần của mật khẩu, họ

có thể xác định được toàn bộ mật khẩu, do đó có thể giải mã được dữ liệu Tuy nhiên, lỗ hổng này cũng sẽ bị loại bỏ bằng cách sử dụng những khoá khỏi tạo không

dễ đoán (ví dụ như "PASSWORD" hoặc “12345678”)

Điều này cũng có nghĩa rằng kĩ thuật TKIP của WPA chỉ là giải pháp tạm thời, chưa cung cấp một phương thức bảo mật cao nhất WPA chỉ thích hợp với những công ty mà không truyền dữ liệu "mật" về thương mại, hay các thông tin nhạy cảm WPA cũng thích hợp với những hoạt động hàng ngày và mang tính thử nghiệm công nghệ

2.2.3 Phương thức bảo mật WPA2

Đến năm 2006, WPA được thay thế bằng chuẩn mới là WPA2 Những thay đổi đáng kể nhất của WPA2 so với các phương thức bảo mật trước là WPA2 sử dụng 1 thành phần mới thay thế cho TKIP là có tên CCMP, đồng WPA2 yêu cầu phải sử dụng thuật toán mã hóa mạnh mẽ được gọi là chuẩn mã hóa nâng cao hay AES AES mã hóa đối xứng theo khối Rijindael, sử dụng khối mã hóa 128bit, 192bit hoặc 256 bit Quá trình mã hóa được thực hiện trong các phần cứng

Tuy nhiên TKIP vẫn còn lưu giữ trong WPA2 như một hệ thống dự phòng và khả năng tương tác với WPA

2.3 Bộ giao thức của Wi-Fi

Giao thức (protocols) là những quy tắc, luật lệ mà các quá trình truyền nhận thông tin trên mạng phải tuân theo một cách triệt để Các giao thức này được chia thành nhiều tầng (layer), mối tầng giao thức giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong quá trình truyền, nhận thông tin Có 2 mô hình giao thức là mô hình OSI và mô hình TCP/IP Cũng giống như các kết nối Internet khác, Wi-Fi sử dụng mô hình giao thức TCP/IP

2.3.1 Giới thiệu mô hình giao thức

TCP/IP là tên chung cho một tập hợp giao thức được sử dụng để kết nối các máy tính vào mạng, để tổ chức các máy tính và các thiết bị viễn thông trên một mạng Bộ giao thức này được đặt tên theo hai giao thức chính của nó là giao thức điều khiển giao vận TCP và giao thức liên mạng IP

Như nhiều bộ giao thức khác, bộ giao thức TCP/IP có thể được coi là một tập hợp các tầng, mỗi tầng giải quyết một tập các vấn đề có liên quan đến việc truyền

dữ liệu, và cung cấp cho các giao thức tầng cấp trên một dịch vụ được định nghĩa rõ

ràng dựa trên việc sử dụng các dịch vụ của các tầng thấp hơn Về mặt lôgic, các tầng trên gần với người dùng hơn và làm việc với dữ liệu trừu tượng hơn, chúng dựa vào các giao thức tầng cấp dưới để biến đổi dữ liệu thành các dạng mà cuối cùng có thể được truyền đi một cách vật lý

2.3.2 Kiến trúc TCP/IP

Trước khi xem xét các thành phần của TCP/IP, ta nên bắt đầu bằng cách tìm hiểu qua nhiệm vụ của một hệ thống giao thức Một hệ thống giao thức như TCP/IP phải đảm bảo khả năng thực hiện những công việc sau:

- Cắt thông tin thành những gói dữ liệu để có thể dễ dàng đi qua bộ phận truyền tải trung gian

- Tương tác với phần cứng của adapter mạng

- Xác định địa chỉ nguồn và đích: Máy tính gửi thông tin đi phải có thể xác định được nơi gửi đến Máy tính đích phải nhận ra đâu là thông tin gửi cho mình

- Định tuyến: Hệ thống phải có khả năng hướng dữ liệu tới các tiểu mạng, cho

dù tiểu mạng nguồn và đích khác nhau về mặt vật lý

- Kiểm tra lỗi, kiểm soát truyền và xác nhận: Đối với một phương tiện truyền thông tin cậy, máy tính gửi và nhận phải xác định và có thể sửa chữa lỗi trong quá trình vận chuyển dữ liệu

- Chấp nhận dữ liệu từ ứng dụng và truyền nó tới mạng đích

Để có thể thực hiện các công việc trên, TCP/IP được thành những phần riêng biệt, theo lý thuyết, hoạt động độc lập với nhau Mỗi thành phần chịu một trách nhiệm riêng biệt trong hệ thống mạng Lợi thế của cấu trúc tầng nằm ở chỗ nó cho phép các nhà sản xuất dễ dàng áp dụng phần mềm giao thức cho các phần cứng và

hệ điều hành Các tầng giao thức TCP/IP bao gồm:

Do kiến trúc TCP/IP không có tầng nào nằm giữa ứng dụng và các tầng giao vận, tầng ứng dụng trong bộ TCP/IP phải bao gồm các giao thức hoạt động như các giao thức tại tầng trình diễn và tầng phiên của mô hình OSI Việc này thường được thực hiện qua các thư viện lập trình

Tầng ứng dụng

Tầng giao vận

Tầng mạng

Tầng liên kết dữ liệu

Hai giao thức tầng thấp thông dụng nhất là TCP và UDP Mỗi ứng dụng sử dụng dịch vụ của một trong hai giao thức trên đều cần có cổng Hầu hết các ứng dụng thông dụng có các cổng đặc biệt được cấp sẵn cho các chương trình phục vụ (server) (HTTP - Giao thức truyền siêu văn bản dùng cổng 80; FTP - Giao thức truyền tệp dùng cổng 21, v.v ) trong khi các trình khách (client) sử dụng các cổng tạm thời (ephemeral port)

Các thiết bị định tuyến và thiết bị chuyển mạch không sử dụng tầng này nhưng các ứng dụng điều chỉnh thông lượng (bandwidth throttling) thì có dùng

2.3.3.2 Tầng giao vận

Trách nhiệm của tầng giao vận là kết hợp các khả năng truyền thông điệp trực tiếp không phụ thuộc vào mạng bên dưới, kèm theo kiểm soát lỗi, phân mảnh và

điều khiển lưu lượng Việc truyền thông điệp trực tiếp hay kết nối các ứng dụng tại tầng giao vận có thể được phân loại như sau:

- Định hướng kết nối (connection-oriented), ví dụ TCP

- Phi kết nối (connectionless), ví dụ UDP

Tầng giao vận có thể được xem như một cơ chế vận chuyển thông thường, nghĩa là trách nhiệm của một phương tiện vận tải là đảm bảo rằng hàng hóa/hành khách của nó đến đích an toàn và đầy đủ Tầng giao vận cung cấp dịch vụ kết nối các ứng dụng với nhau thông qua việc sử dụng các cổng TCP và UDP Do IP chỉ cung cấp dịch vụ phát chuyển nỗ lực tối đa (best effort delivery), tầng giao vận là tầng đâu tiên giải quyết vấn đề độ tin cậy

- TCP là một trong các giao thức cốt lõi của bộ giao thức TCP/IP Sử dụng TCP, các ứng dụng trên các máy chủ được nối mạng có thể tạo các "kết nối" với nhau, mà qua đó chúng có thể trao đổi dữ liệu hoặc các gói tin Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự TCP còn phân biệt giữa dữ liệu của nhiều ứng dụng (chẳng hạn, dịch vụ Web và dịch vụ thư điện tử) đồng thời chạy trên cùng một máy chủ

- UDP là một trong những giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP Dùng UDP, chương trình trên mạng máy tính có thể gửi những dữ liệu ngắn được gọi là datagram tới máy khác UDP không cung cấp sự tin cậy và thứ tự truyền nhận mà TCP làm; các gói dữ liệu có thể đến không đúng thứ tự hoặc bị mất mà không có thông báo Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các mục tiêu như kích thước nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian Do bản chất không trạng thái của nó nên nó hữu dụng đối với việc trả lời các truy vấn nhỏ với số lượng lớn người yêu cầu

- Cả TCP và UDP được dùng cho một số ứng dụng bậc cao (high-level) Các ứng dụng tại các địa chỉ mạng cho trước được phân biệt bởi cổng TCP hay UDP của

nó

Trong bộ giao thức liên mạng, giao thức IP thực hiện nhiệm vụ dẫn đường dữ liệu từ nguồn tới đích IP có thể chuyển dữ liệu theo yêu cầu của nhiều giao thức tầng trên khác nhau, mỗi giao thức trong đó được định danh bởi một số hiệu giao thức duy nhất: giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol) là giao thức 1

và giao thức IGMP (Internet Group Management Protocol) là giao thức 2

2.3.3.4 Tầng liên kết

Tầng liên kết - phương pháp được sử dụng để chuyển các gói tin từ tầng mạng tới các máy chủ (host) khác nhau Các quá trình truyền các gói tin trên một liên kết cho trước và nhận các gói tin từ một liên kết cho trước có thể được điều khiển cả trong phần mềm điều vận thiết bị (device driver), cũng như trong phần mềm (firmware) hay các chipset chuyên dụng Các thành phần đó sẽ thực hiện các chức năng liên kết dữ liệu chẳng hạn như bổ sung một tín đầu (packet header) để chuẩn

bị cho việc truyền gói tin đó, rồi thực sự truyền frame dữ liệu qua một môi trường vật lý

Tầng liên kết còn có thể được xem là bao gồm cả tầng vật lý - tầng là kết hợp của các thành phần mạng vật lý thực sự (hub, các bộ lặp (repeater), cáp mạng, cáp quang, cáp đồng trục (coaxial cable), cạc mạng, cạc HBA (Host Bus Adapter) và các thiết bị nối mạng có liên quan: RJ-45, BNC …v.v), và các đặc tả mức thấp về các tín hiệu (mức hiệu điện thế, tần số, …v.v)

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ WI-FI GATEWAY

3.1 Yêu cầu của hệ thống

Bài toán đặt ra là thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee phục vụ điều khiển chiếu sáng trong nhà Vậy yêu cầu của đề tài là:

+ Người dùng sử dụng công nghệ Wi-Fi điều khiển, sau đó Wi-Fi Gateway chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển thiết bị bằng chuẩn Zigbee

+ Thiết bị điều khiển phải điều chỉnh được độ sáng tối của bóng đèn

+ Do điều khiển trong nhà nên khoảng cách điều khiển trong môi trường có vật cản là lớn hơn 15m, khoảng cách truyền tín hiệu điều khiển tới Wi-Fi Gateway cũng phải lớn hơn 15m

+ Thiết lập được chế độ tự động theo kịch bản như tự động bật bóng đèn khi

có người trong phòng, có điều khiển từ xa để điều khiển khi cần thiết

+ Đo được ánh sáng trong phòng để tăng giảm độ sáng của đèn trong phòng + Chi phí thấp, tiêu hao năng lượng nhỏ, tính ổn định cao

3.2 Phân tích mô hình điều khiển

3.2.1 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Sơ đồ nguyên lý hệ thống bao gồm Lighting App (điện thoại, laptop…v.v) kết nối với Wi-Fi Gateway Dữ liệu điều khiển được gửi tới khối Wi-Fi Gateway Khối này có nhiệm vụ xử lý dữ liệu điều khiển thành thông tin và gửi tới thiết bị chấp hành - Connected Lamps thông qua chuẩn không dây Zigbee để điều khiển bóng đèn Ngoài ra bóng đèn có thể được điều khiển trực tiếp thông qua Remote

3.2.2 Mô hình tổng quát

Hệ thống

Khối Wi-Fi

Khối xử lý Khối truyền thông

Zigbee

Khối Wi-Fi

Khối truyền thông Zigbee

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống tổng quát

- Khối ứng dụng: Khối ứng dụng chứa ứng dụng điều khiển thiết bị chiếu

sáng Ứng dụng điều khiển chiếu sáng sẽ được cài đặt trên điện thoại, laptop, máy

tính bảng hoặc trên Remote để người sử dụng điều khiển chiếu sáng thông qua sóng

Wi-Fi

- Khối Wi-Fi Gateway: Khối này có trách nhiệm nhận dữ liệu điều khiển từ

người sử dụng qua sóng Wi-Fi, sau đó xử lý chuyển đổi dữ liệu này thành các tín hiệu điều khiển qua chuẩn truyền thông không dây Zigbee để truyền tới khối điều khiển

- Khối điều khiển: Nhận dữ liệu từ khối xử lý thông qua chuẩn truyền thông

không dây Zigbee sau đó xử lý tín hiệu điều khiển để điều khiển thiết bị chiếu sáng

3.3 Phân tích sơ khối Wi-Fi Gateway

Khối này có nhiệm vụ nhận thông tin điều khiển từ khối ứng dụng qua Wi-Fi sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển gửi tới khối điều khiển bằng chuẩn không dây Zigbee Để thực hiện được nhiệm vụ đó khối Wi-Fi Gateway cần những thành phần sau:

Tín hiệu điều khiển

Hình 3.3: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway

3.3.1 Khối xử lý

Khối này có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ khối Wi-Fi Router, xử lý tính toán dữ liệu sau đó chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp và gửi tới khối truyền thông Zigbee Một số phương án thiết bị có thể sử dụng cho khối xử lí được đưa ra như phần sau:

a Intel Edison

Intel Edison là một máy tính nhúng có kích thước nhỏ, chỉ cỡ một ngón tay cái, nhưng Intel Edison sở hữu gần như đầy đủ các thành phần cơ bản của một chiếc máy tính: CPU, RAM, bộ nhớ flash, thậm chí có cả kết nối Wi-Fi, Bluetooth và chân mở rộng để nối vào một bo mạch lớn hơn được phát hành bởi Intel nhằm hướng đến các ứng dụng IoT Được công bố vào tháng 1/2014

Hình 3.4: Intel Edison và board phát triển Arduino

Cấu hình Intel Edison:

+ Intel Edison trang bị CPU Intel Atom 500MHz

+ RAM 1GB LPDDR3

+ Có bộ nhớ Flash 4GB, cổng USB và 70 chân vào ra số / tương tự

+ Có khả năng giao tiếp Wi-Fi và Bluetooth

+ Thuộc nhóm CHIP SoC

+ Hệ điều hành Yocto Linux có thể lập trình bằng rất nhiều ngôn ngữ như Arduino IDE, Eclipse (C, C++, Python), Intel XDK (NodeJS, HTML5), và Wolfram

Hình 3.5: Module Raspberry Pi 3

Cấu hình của Raspberry Pi 3:

+ Nền tảng ARM Cortex-A53 64-bit quad-core tốc độ 1.2GHz + Hỗ trợ chuẩn Wireless LAN 802.11 b/g/n

+ Hỗ trợ Bluetooth 4.1 (Classic & Low Energy)

+ Chip xử lý đồng bộ đa phương tiện Dual core Videocore IV + Dung lượng RAM 1 GB LPDDR2