Nghiên cứu, thiết kế khối truyền dữ liệu không dây dựa trên công nghệ Zigbee ứng dụng trong lĩnh vực IoT

Bài viết này tập trung thiết kế chế tạo module truyền dữ liệu không dây dựa trên các chip Zigbee, với mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo. Module truyền dữ liệu tự thiết kế chế tạo sẽ được so sánh với các sản phẩm thương mại trên thị trường.

Trang 1

Công nghệ thông tin

Đ X Ước, H Đ Thắng, T T Kiên, “Nghiên cứu, thiết kế … trong lĩnh vực IoT.”

150

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KHỐI TRUYỀN DỮ LIỆU

KHÔNG DÂY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ ZIGBEE

ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC IoT

Đào Xuân Ước*, Hoàng Đình Thắng, Thái Trung Kiên

Tóm tắt: Những năm gần đây, IoT đang trở thành xu hướng của thời đại, làm cho

cuộc sống của con người trở nên tiện lợi và dễ dàng hơn Bài báo này tập trung thiết

kế chế tạo module truyền dữ liệu không dây trựa trên các chip Zigbee, với mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo Module truyền dữ liệu tự thiết kế chế tạo sẽ được

so sánh với các sản phẩm thương mại trên thị trường Kết quả so sánh cho thấy chất lượng là tương đương và có thể ứng dụng vào thực tế Bên cạnh đó, kết quả sẽ được

áp dụng để chế tạo thiết bị đo nhiệt độ ẩm trong phòng sử dụng công nghệ Zigbee- một trong những công nghệ truyền dữ liệu không dây được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực IoT

Từ khóa: Công nghệ không dây; Công nghệ Zigbee; Zigbee

1 LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang là xu thế của thời đại, nó len lỏi đến mọi ngóc ngách trên toàn cầu Một trong những yếu tố cốt lõi của Kỹ thuật số trong CMCN 4.0 là Vạn vật kết nối - Internet of Things (IoT) Internet of Things là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình Tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Trong lĩnh vực IoT, nhiều ứng dụng yêu cầu các mạng truyền thông không dây không có tốc độ truyền cao nhưng đáng tin cậy, mạnh mẽ (tự phục hồi), dễ triển khai và vận hành Điều quan trọng là thiết bị của các mạng như vậy cho phép hoạt động lâu dài từ các nguồn năng lượng có sẵn, có chi phí thấp và nhỏ gọn (có thể chỉ là một pin AA bình thường) Một ví dụ về một ứng dụng như vậy

là "nhà thông minh" Một trong số những mạng không dây đáp ứng được những yêu cầu trên là Zigbee

2 TÍNH CẦN THIẾT VÀ XU HƯỚNG DÙNG ZIGBEE

TRONG KẾT NỐI KHÔNG DÂY CHO IOT 2.1 Giới thiệu về Zigbee

Công nghệ Zigbee được xây dựng trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE [1] Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của chuẩn 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (Medicum Access Control) Nhờ khả năng truyền dữ liệu không dây ở khoảng cách xa, dữ liệu truyền ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp, công nghệ mở đã giúp ZigBee trở nên phổ biến cho các ứng dụng IoT, đặc biệt là ứng dụng trong các dự án nhà thông minh hiện nay ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng: Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ,

Trang 2

dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật, dải 2.4GHz cho các n

Vi

liệu có thể đạt tới 250kbps Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 k

tốc độ đ

động tr

đặc, hay trong v

đảm bảo hoạt động li

lư

mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

truy

kho

trong cùng h

2.2 Mô hình m

cây M

trư

đều đ

sự mở rộng

đư

m

nút trong m

thông liên t

ải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật, dải 2.4GHz cho các n

Việt Nam

Ở dải 2.4GHz, có đến 16 k

ệu có thể đạt tới 250kbps Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 k

ốc độ đ

ộng tr

Th

ặc, hay trong v

ảm bảo hoạt động li

lượng tiếp nhận v

truyền, v

Tín hi

khoảng cách có thể xa h

trong cùng h

2 Mô hình m

ZigBee có ba

cây M

trường hợp khác nhau

Hình sao (Star

ều đ

ự mở rộng

Hình cây (Cluster network) (

được li

mở rộng cao, tăng khoảng cách v

Hình l

nút trong m

thông liên t

ệt Nam

ốc độ đ

ộng trên kh

Thực

ặc, hay trong v

ợng tiếp nhận v

ền, v

Tín hi

ảng cách có thể xa h

trong cùng h

2 Mô hình m

ZigBee có ba

cây Mỗi dạng h

ờng hợp khác nhau



a.

Hình sao (Star

ều được kết nối với nút trung tâm n

ự mở rộng

ợc liên k

ở rộng cao, tăng khoảng cách v

Hình l

nút trong m

thông liên t

ệt Nam

ốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps Nh

ên kh

ực tế cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong môi tr

ặc, hay trong v

ền, và tránh đư

Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, v ảng cách có thể xa h

trong cùng h

2 Mô hình m

ZigBee có ba

ỗi dạng h



a Hình sao

Hình sao (Star

ợc kết nối với nút trung tâm n

ự mở rộng

ên k

Hình lư

nút trong m

thông liên t

ệt Nam

ờng truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps Nh

ên khắp to

ế cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong môi tr

ặc, hay trong v

à tránh đư

ệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, v ảng cách có thể xa h

trong cùng hệ thống

2 Mô hình m

ZigBee có ba

ỗi dạng h

Zigbee Coordinator (ZC)

Zigbee Router (ZR)

Zigbee End Device (ZED)

Hình sao

Hình sao (Star

ự mở rộng

ên kết với nhau theo

ưới (Mesh network) (

nút trong mạng l

thông liên tục giữa các điểm nút với nhau v

ắp to

ặc, hay trong v

à tránh đư

ệ thống

2 Mô hình m

ZigBee có ba

ỗi dạng h

Zigbee Router (ZR)

Hình sao

Hình sao (Star

ết với nhau theo

ới (Mesh network) (

ạng l

ục giữa các điểm nút với nhau v

ắp toàn c

ặc, hay trong vùng mà có nhi

ợng tiếp nhận và đánh giá

à tránh đư

ệ thống

2 Mô hình mạng Z

ZigBee có ba d

ỗi dạng hình

Zigbee Router (ZR)

Hình sao

Hình sao (Star network) (

ạng lư

àn c

ùng mà có nhi

à đánh giá mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

à tránh được những va chạm trong đ

ệ thống

ng Z

dạng h ình ờng hợp khác nhau

Zigbee Router (ZR)

Hình sao

network) (

ưới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truy

àn cầu, m

ùng mà có nhi

ảm bảo hoạt động liên t

ợc những va chạm trong đ

ng Zigbee

ạng h ình đều có những ờng hợp khác nhau Trong l

Zigbee Router (ZR)

network) (

ới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truy

, m

ùng mà có nhi

ên tục

ệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, v ảng cách có thể xa hơn r

igbee

ạng hình m

ều có những Trong l Zigbee Coordinator (ZC)

Zigbee Router (ZR)

Hình 1.

network) (

, mặc d

ùng mà có nhi

ục Đ

à đánh giá kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, v

ơn rất nhiều nếu đ

igbee

ình m

ều có những Trong l Zigbee Coordinator (ZC)

Zigbee Router (ZR)

Hình 1.

network) (Hình 1.a

ết với nhau theo mô hình gi

Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hi

ặc dù

ùng mà có nhiều đ

Đó là nh kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ất nhiều nếu đ

ình mạng đ

ều có những Trong lớp mạ Zigbee Coordinator (ZC)

Zigbee Router (ZR)

Hình 1.

Hình 1.a

mô hình gi

ới (Mesh network) (Hình 1.c

ênh tín hi

ù ở các dải tầng sóng khác nhau

ều đ

ó là nh kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ạng đ

ều có những

ớp mạ Zigbee Coordinator (ZC)

Hình 1 Mô hình m Hình 1.a

Hình cây (Cluster network) (Hình 1.b

mô hình gi

ở rộng cao, tăng khoảng cách và quy mô c

Hình 1.c

ênh tín hi

ở các dải tầng sóng khác nhau

ều đường truyền khác l

ó là nh kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ạng được hỗ trợ: dạng h

ều có những ưu đi

ớp mạng Zigbee cho phép ba Zigbee Coordinator (ZC)

b

Mô hình m

Hình 1.a) G

ợc kết nối với nút trung tâm này, m

Hình 1.b

mô hình gi

à quy mô c

Hình 1.c

ênh tín hi

ờng truyền khác l

ó là nhờ sự đánh giá chất l kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ợc hỗ trợ: dạng h

ưu đi

ng Zigbee cho phép ba

Hình cây

Mô hình m

) G

ày, m

Hình 1.b

mô hình giống một cái dễ cây, mạng n

à quy mô c

Hình 1.c) M

ênh tín hiệu khác nhau

ờ sự đánh giá chất l kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) đư

ất nhiều nếu đư

ưu điểm ri

Hình cây

Mô hình m

) Gồm một nút trung tâm, tất cả các nút khác

ày, mạng h

Hình 1.b) G

ống một cái dễ cây, mạng n

à quy mô c

) M

ệu khác nhau

ợc những va chạm trong đường truyền

ược tiếp tục phát từ nút li

ểm ri

Hình cây

Mô hình mạng Zigbee.

ồm một nút trung tâm, tất cả các nút khác ạng h

) Gồm một nút trung tâm, các nút khác ống một cái dễ cây, mạng n

à quy mô của hệ thống

) Mạng h

ục giữa các điểm nút với nhau và b

ệu khác nhau

ờng truyền

ợc tiếp tục phát từ nút li

ểm riêng và

Hình cây ạng Zigbee.

ồm một nút trung tâm, tất cả các nút khác ạng hình sao b

ồm một nút trung tâm, các nút khác ống một cái dễ cây, mạng n

ủa hệ thống

ạng h

à bền vững Nếu có sự tác động cản

ệu khác nhau

ờ sự đánh giá chất l kênh rõ ràng Công ngh mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) được sử dụng để xác định thời điểm

ờng truyền

êng và

ạng Zigbee.

ồm một nút trung tâm, tất cả các nút khác

ình sao b

ủa hệ thống

ạng hình l

ền vững Nếu có sự tác động cản

ệu khác nhau

ờ sự đánh giá chất l kênh rõ ràng Công nghệ đa truy cập nhận biết sóng

ợc sử dụng để xác định thời điểm ờng truyền

êng và

ạng Zigbee.

ình sao b

ủa hệ thống

ình lư

và t

ờng truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps Như th

ờng truyền khác làm nhi

ờ sự đánh giá chất l

ệ đa truy cập nhận biết sóng

ợc hỗ trợ: dạng hình sao, hình l

êng và đư

ạng Zigbee

ình sao bị hạn chế khoảng cách v

ủa hệ thống

ưới có tính tin cậy cao, mỗi

ải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật, dải 2.4GHz cho các nư

và tốc độ đ

ư thế các ti

àm nhi

ờ sự đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng

ình sao, hình l được ứng dụng trong các

ng Zigbee cho phép ba ki

ị hạn chế khoảng cách v

ới có tính tin cậy cao, mỗi

ước khác, trong đó có

ốc độ đ

ế các ti

ế cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong môi trư

àm nhiễu th ợng, sự phát hiện năng

ợc sử dụng để xác định thời điểm

ình sao, hình l

ợc ứng dụng trong các kiểu thiết bị

ớc khác, trong đó có

ốc độ đ

ế các ti

ường có dữ liệu d

ễu th ợng, sự phát hiện năng

ình sao, hình l

ợc ứng dụng trong các

ểu thiết bị

c

ốc độ đường truyền dữ

ệu có thể đạt tới 250kbps Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hi

ế các tiêu chu

ờng có dữ liệu d

ễu thì h ợng, sự phát hiện năng

ợc tiếp tục phát từ nút liên k

ình sao, hình l

ểu thiết bị

Hình l

ồm một nút trung tâm, các nút khác ống một cái dễ cây, mạng này có kh

ờng truyền dữ ênh tín hi

êu chu

ì hệ thống vẫn ợng, sự phát hiện năng

ên k

ình sao, hình lư

ểu thiết bị

Hình l

ồm một nút trung tâm, các nút khác

ày có kh

êu chuẩn sẽ hoạt

ệ thống vẫn ợng, sự phát hiện năng

ên kết tiếp theo

ưới, v

ểu thiết bị:

Hình lưới

ày có kh

ẩn sẽ hoạt

ết tiếp theo

ới, và hình

ới

ày có khả năng

ờng truyền dữ ênh tín hiệu v

ẩn sẽ hoạt

ết tiếp theo

à hình

ới

ả năng

ờng truyền dữ

ệu và

ẩn sẽ hoạt

ờng có dữ liệu dày

ệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và

ết tiếp theo

à hình

ị hạn chế khoảng cách và

ả năng

ới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truyền

ờng truyền dữ

à

ẩn sẽ hoạt

ày

à

ết tiếp theo

à hình

à

ả năng

ền

Trang 3

152

trở, hệ thống có khả năng tự xác định lại cấu hình bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác

2.3 Cấu trúc mạng Zigbee

Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4, tiêu chuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng

Hình 2 Cấu trúc mạng Zigbee [2]

Tầng vật lý (PHY): có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biến và gói tín hiệu vào không gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môi trường nhiễu

Tầng MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết sóng mang để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định và xác định hình dạng mạng Tầng mạng (NWK): là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới

Tầng hỗ trợ ứng dụng (APS): là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng

Tầng đối tượng thiết bị (ZDO): có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định trạng thái của thiết bị

Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng (APO): là tầng mà ở đây người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này cho phép người dùng có thể tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống

2.4 Tính năng của Zigbee

Nhờ cấu trúc liên kết mạng lưới và sử dụng các thuật toán định tuyến đặc biệt, mạng ZigBee cung cấp khả năng tự phục hồi và phân phối gói tin trong trường hợp mất kết nối giữa các nút riêng lẻ (tắc nghẽn), quá tải hoặc thất bại của một số yếu

Trang 4

tố Khi một thiết bị mất kết nối, các tuyến thay thế vẫn còn, cho phép toàn bộ hệ thống luôn trực tuyến Tốc độ "Gross" là 250 kbp/s Tốc độ truyền dữ liệu trung

bình, tùy thuộc vào tải mạng và số lượng truyền lại, là từ 5 đến 40 kbit/s

Trong phạm vi giải tần từ 2,4- 2,8GHz, Zigbee có 16 kênh 5 MHz

Các thiết bị ZigBee có mức tiêu thụ điện năng thấp (khoảng 150 mA khi gửi gói tin), đặc biệt là các thiết bị đầu cuối có chế độ "ngủ" chỉ tiêu tốn vài micro Ampe, cho phép các thiết bị này hoạt động đến hàng năm từ một pin AA thông thường và

thậm chí với pin AAA

Mạng ZigBee dễ dàng triển khai và mở rộng dễ dàng bằng cách gắn các thiết bị

bổ sung

Các thiết bị ZigBee nhỏ gọn và tương đối rẻ tiền Các module Zigbee khá nhỏ

gọn, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị IoT

Khoảng cách giữa các máy trạm mạng là hàng chục mét trong nhà và hàng trăm

mét ngoài trời

2.5 So sánh Zigbee với Wifi và Bluetooth

Bảng 1 Bảng so sánh Zigbee với buletooth, wifi và GSM [5], [7]

Zigbee 802.15,4

Bluetooth 802.15.1

Wifi 802.11b

GPRS/GSM 1XRTT/CDMA Ứng dụng Giám sát và

điều khiển

Thay thế cáp kết nối

Web, Video, Email WAN, Voice/ Data

Tài nguyên hệ

Số lượng node

Tốc độ

Khoảng cách

kết nối

(meters)

2.6 Thực trạng module Zigbee được bán và xây dựng sẵn trên thị trường

Hiện nay, không khó để tìm kiếm một module Zigbee được bán trên thị trường với giá thành khá rẻ (150.000 đ – 250.000 đ) với module xuất xứ Trung Quốc, và với module chính hãng thì giá thành khá cao (23-30$ với 1 module chính hãng của

Ti trên trang web Mouser) Với module có xuất xứ Trung Quốc, chất lượng sản phẩm không cao, độ an toàn và bảo mật thông tin không được đảm bảo

Hơn nữa, những module Zigbee có sẵn trên thị trường có kích thước và hình dạng cố định, gây khó khăn trong việc thiết kế các ứng dụng IoT nhỏ gọn

Từ thực trạng trên cho thấy, cần thiết làm chủ được công nghệ Zigbee, có thể dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng IoT, và làm giảm giá thành của sản phẩm

3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM SỬ DỤNG KẾT NỐI ZIGBEE

Học hỏi, làm chủ toàn bộ thiết kế, để dễ dàng ứng dụng vào các thiết bị truyền nhận không dây, có thể tùy chỉnh vào từng thiết bị cụ thể, làm giảm giá thành của sản phẩm là mục tiêu chính của nghiên cứu này

Trang 5

154

3.1 Lựa chọn IC cho module zigbee

Hiện nay, Liên minh Zigbee (Zigbee alliance) đang thực sự lớn mạnh với hơn

400 tổ chức, thành viên Kỹ thuật truyền thông không dây Zigbee ra đời dưới sự giám sát và bảo trợ của hơn 150 nhà sản xuất linh kiện hàng đầu thế giới Rất nhiều nhà sản xuất đã đưa ra các IC chức năng phù hợp với tiêu chuẩn Zigbee [2] mà Liên minh Zigbee đưa ra Dưới đây là một số nhà sản xuất tiêu biểu nhất:

Atmel

Atmel cung cấp vi điều khiển và các sản phẩm liên quan khác được sử dụng trong điện toán di động, điện tử công nghiệp và ô tô, và các thiết bị liên lạc Atmel cung cấp các giải pháp không dây được chứng nhận bởi IEEE 802.15.4 ZigBee Giải pháp ZigBee của công ty cung cấp giải pháp chip đơn, thu phát và mô-đun BitCloud ZigBee PRO của công ty được sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng bao gồm chấn lưu huỳnh quang, chấn lưu HID, chấn lưu LED và điều khiển ánh sáng

NXP Semiconductors

NXP Semiconductors cung cấp bộ điều khiển vi mô 32 bit (MCU) và các sản phẩm IEEE802.15.4 bao gồm bộ vi điều khiển không dây JN51xx, năng lượng thông minh ZigBee, liên kết ánh sáng, tự động hóa nhà và điều khiển từ xa Sản phẩm ZigBee của công ty được sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa tại nhà và xây dựng, mạng cảm biến không dây, quản lý tài sản, chăm sóc sức khỏe, điều khiển từ xa, bảo mật và cảm biến thu năng lượng và công tắc

Texas Instruments (TI)

Texas Instruments cung cấp các bộ vi xử lý như bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số và

bộ vi xử lý ứng dụng, bộ vi điều khiển và các sản phẩm kết nối cho các thiết bị điện tử để kết nối và truyền dữ liệu Các sản phẩm kết nối hỗ trợ nhiều công nghệ không dây như Bluetooth, Wi-Fi, GPS và các tiêu chuẩn mạng không dây công suất thấp như ZigBee

Trong đó, hãng TI có diễn đàn hỗ trợ và hỗ trợ trực tuyến mạnh mẽ Dòng IC CC2530 đã được hãng đưa ra và khá phổ biến trên thị trường CC2530 [3] là một dạng IC system on chip (SoC) có chức năng phù hợp với chuẩn IEEE 802.15.4

Vì vậy, với các ứng dụng IoT nhỏ, ta hoàn toàn có thể sử dụng IC CC2530 vừa như một IC trung tâm, vừa làm nhiệm vụ thu phát với chuẩn Zigbee Zigbee CC2530 kết hợp hiệu suất tuyệt vời của bộ thu phát RF hàng đầu với MCU 8051 được cải tiến, bộ nhớ flash có thể lập trình trong hệ thống, RAM 8 KB và nhiều tính năng mạnh mẽ khác Đó là những lý do cho sự lựa chọn IC Ti-CC2530 cho thiết kế Zigbee

3.2 Thiết kế module Zigbe dựa trên chip TI-CC2530

a Thiết kế antenna PCB 2.4GHz

Đây là kiểu antenna F đảo ngược (Inverted F Antenna – IFA) được uốn khúc Antenna này được thiết kế phù hợp với trở kháng 50 ohm tại 2.4 GHz Mục tiêu là đạt được độ phản xạ nhỏ hơn -10 dB trên băng tần ISM 2,4 GHz, để đảm bảo rằng hơn 90% công suất có sẵn được phân phối tới antenna

Trang 6

b

đi kèm v

CC2592 c

on chip) nên không c

trong trư

Designer

b Thi

Module c

đi kèm v

CC2592 c

Module này s

trong trư

Module c

Designer

M



Thiết kế module cảm biến nhiệt độ

Module c

đi kèm v

CC2592 c

Module này s

trong trư

Module c

Designer

Một

Đi dây có ít l

Đi dây l

Đư

H

Gi

Không đư

Sau khi thi

ết kế module cảm biến nhiệt độ

Module c

đi kèm với module Zigbee sử dụng IC CC2530 v

CC2592 của nh

Module này s

trong trường hợp mất điện

Module c

Designer

số l

Đi dây có ít l

Đi dây l

Đường tín hiệu không n

Hạn chế đ

Giữa tụ bypass nguồn của IC không n

Không đư

Sau khi thi

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đ

ới module Zigbee sử dụng IC CC2530 v

ủa nh

Module này s

ờng hợp mất điện

Module c

ố lưu

Đi dây có ít l

Đi dây l

ờng tín hiệu không n

ạn chế đ

ữa tụ bypass nguồn của IC không n

Không đư

Sau khi thi

ảm biến nhiệt độ, độ ẩm đ

ủa nhà s

Module này s

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đ

ưu ý trong thi

Đi dây có ít l

Đi dây lớn h

ờng tín hiệu không n

ạn chế đ

Không đư

Sau khi thi

Hình 3.

à sản xuất

Module này sử dụng nguồn 5V qua cổng microUSB k

ý trong thi

Đi dây có ít l

ớn h ờng tín hiệu không n

ạn chế đường tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có th

Không được đi dây d

Sau khi thiết kế, phủ mass GND to

Hình 3.

ản xuất

on chip) nên không cần

ử dụng nguồn 5V qua cổng microUSB k ờng hợp mất điện

ý trong thi

Đi dây có ít lỗ xuy

ớn hơn v ờng tín hiệu không n

ờng tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có th

ợc đi dây d

ết kế, phủ mass GND to

Hình 3

ản xuất

ần ph

ý trong thi

ỗ xuy

ơn với đ ờng tín hiệu không n

ợc đi dây d

Cấu tạo antenna 2.4GHz

ản xuất Texas Instruments (TI) phải sử dụng th

ý trong thiết kế:

ỗ xuyên Via nh

ới đ ờng tín hiệu không n

ợc đi dây d

ấu tạo antenna 2.4GHz

Texas Instruments (TI)

ải sử dụng th

ử dụng nguồn 5V qua cổng microUSB k

Hình 4.

ết kế:

ên Via nh

ới đường nguồn v ờng tín hiệu không n

ợc đi dây dưới thạch anh dao động

ải sử dụng th

Hình 4.

ết kế:

ên Via nh ờng nguồn v ờng tín hiệu không nên ch

ới thạch anh dao động

ải sử dụng th

Hình 4.

ên Via nhất

ờng nguồn v

ên ch ờng tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có th

ết kế module cảm biến nhiệt độ, đ

ải sử dụng th

Hình 4 Sơ đ

ất

ờng nguồn v

ên chạy song song với đ ờng tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có th

độ ẩm sử dụng công nghệ

ảm biến nhiệt độ, độ ẩm được tích hợp một cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

ải sử dụng thêm b

Sơ đ

ờng nguồn và nh

ạy song song với đ ờng tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có th

ộ ẩm sử dụng công nghệ

ợc tích hợp một cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

êm b

ảm biến nhiệt độ, độ ẩm đư

Sơ đồ khối kết nối

à nh

ết kế, phủ mass GND toàn m

êm bất k

ược thiết kế tr

ồ khối kết nối

à nhỏ h

ữa tụ bypass nguồn của IC không nên đi xuyên via mà h

àn mạch l

ất kì m

ợc thiết kế tr

ỏ hơn v

ên đi xuyên via mà h

ạch l

ấu tạo antenna 2.4GHz (Đơn v

Texas Instruments (TI) CC2530 là m

ì một IC xử lý n

ơn v

ạch là vi

(Đơn v

ới module Zigbee sử dụng IC CC2530 và m

CC2530 là m

ột IC xử lý n

ồ khối kết nối.

ơn với đ

ạy song song với đư ờng tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có thì hãy làm m

à việc l

(Đơn vị mm)

à một IC khuếch đại tín hiệu CC2530 là m

ột IC xử lý n

ới đư ường nguồn để tránh nhiễu

ì hãy làm m

ệc l

ị mm)

ột IC khuếch đại tín hiệu CC2530 là m

ột IC xử lý n

ử dụng nguồn 5V qua cổng microUSB kèm theo m

ợc thiết kế trên ph

ường tín hiệu

ờng nguồn để tránh nhiễu

ì hãy làm m

ệc làm c

ị mm)

ột IC khuếch đại tín hiệu CC2530 là m

ột IC xử lý n

èm theo m

ên ph

ờng tín hiệu

ì hãy làm m

àm cần thiết

[6]

ộ ẩm sử dụng công nghệ Zigbee

ột IC khuếch đại tín hiệu CC2530 là một IC SOC (system

ột IC xử lý nào khác

èm theo m

ên ph

ờng tín hiệu

ì hãy làm mư

ên đi xuyên via mà hãy

ần thiết

[6]

igbee

ột IC khuếch đại tín hiệu

ột IC SOC (system

ào khác

èm theo m

ên phần mềm Altium

ờng tín hiệu

ượt nó

ãy đi via

ần thiết

L1 L2 L3 L4 L5 L6 W1 W2 D1 D2

igbee

ột IC SOC (system

ào khác

èm theo một pin 3.7V

ần mềm Altium

ờng tín hiệu

ợt nó

đi via

ần thiết

L1 L2 L3 L4 L5 L6 W1 W2 D1 D2

ột IC SOC (system

ào khác

ột pin 3.7V

ần mềm Altium

ợt nó

đi via ở sau tụ

3.94 2.70 5.00 2.64 2.00 4.90 0.90 0.50 0.50 1.40

ột IC SOC (system

ột pin 3.7V

ần mềm Altium

ở sau tụ

3.94 2.70 5.00 2.64 2.00 4.90 0.90 0.50 0.50 1.40

ột IC SOC (system

ột pin 3.7V

ần mềm Altium

ở sau tụ

3.94 2.70 5.00 2.64 2.00 4.90 0.90 0.50 0.50 1.40

ột IC SOC (system

ột pin 3.7V

ần mềm Altium

ở sau tụ

ột IC SOC (system

ột pin 3.7V

ần mềm Altium

Trang 7

truy

chuyên d

dụng hai module Zigbee mua sẵn tr

đồng module tự thiết kế, trong đó một module l

dụng module tự thiết kế v

cách khác nhau và trong cùng m

cư

phòng h

156

Đ

truyền dữ liệu không dây không hề đ

chuyên d

ụng hai module Zigbee mua sẵn tr

ồng module tự thiết kế, trong đó một module l

ụng module tự thiết kế v

cường độ tín hiệu thu “

phòng h

Kết quả đo đ

Kho

Để khảo sát v

ền dữ liệu không dây không hề đ

chuyên d

ờng độ tín hiệu thu “

phòng h

ết quả đo đ

Khoảng cách (m)

ể khảo sát v

chuyên dụng đắt đỏ v

phòng hội tr

ết quả đo đ

ảng cách (m)

10

Đ X Ư

Hình 5.

ể khảo sát v

ụng đắt đỏ v

ội trư

ết quả đo đ

ảng cách (m)

1

5

10

Đ X Ư

Hình 5.

ể khảo sát v

ường

ết quả đo đư

ảng cách (m)

Đ X Ư

a

Hình 5.

ể khảo sát và đánh giá chính xác ch

ờng

ược ghi lại trong bảng sau:

ảng cách (m)

Đ X Ước, H Đ Thắng, T T Ki

a Mạch nguy Hình 5 M

à đánh giá chính xác ch

ợc ghi lại trong bảng sau:

ớc, H Đ Thắng, T T Ki

Mạch nguy Module c

ụng đắt đỏ và c

ạch nguy odule c

4 KH

à cồng kềnh Do thời gian v ụng hai module Zigbee mua sẵn tr

ụng module tự thiết kế và m

ờng độ tín hiệu thu “SmartRF Studio

S

Trung bình

ạch nguy odule c

4 KH

ồng kềnh Do thời gian v ụng hai module Zigbee mua sẵn tr

à m cách khác nhau và trong cùng m

SmartRF Studio

Số lần

1 2 3 4 5

Trung bình

1 2 3 4 5

Trung bình

1 2 3

ạch nguyên lý odule cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

4 KHẢO SÁT V

à một module Zigbee c cách khác nhau và trong cùng m

SmartRF Studio

ố lần

1

2

3

4

5

Trung bình

1

2

3

4

5

Trung bình

1

2

3

ên lý

ảm biến nhiệt độ, độ ẩm

ẢO SÁT V

ột module Zigbee c cách khác nhau và trong cùng một môi tr

SmartRF Studio

Trung bình

ẢO SÁT V

ồng kềnh Do thời gian v ụng hai module Zigbee mua sẵn trên th

ột module Zigbee c

ột môi tr SmartRF Studio

ẢO SÁT V

à đánh giá chính xác chất l

ền dữ liệu không dây không hề đơn gi

ồng kềnh Do thời gian v

ên th ồng module tự thiết kế, trong đó một module l

ột môi tr SmartRF Studio

ớc, H Đ Thắng, T T Kiên, “

ẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ

ất lư

ơn gi ồng kềnh Do thời gian v

ên thị tr ồng module tự thiết kế, trong đó một module l

ột môi tr SmartRF Studio” do TI h

Bả

Module t

, “Nghiên c

À ĐÁNH GIÁ

ượng v

ơn giản, cần nhiều thời gian v ồng kềnh Do thời gian v

ị trư ồng module tự thiết kế, trong đó một module l

ột môi trường B

” do TI h

ảng 2

Module t

Nghiên c

À ĐÁNH GIÁ

ợng v

ản, cần nhiều thời gian v ồng kềnh Do thời gian v

ường với cấu trúc phần cứng t ồng module tự thiết kế, trong đó một module làm thi

ờng B

” do TI h

ng 2.

Cư Module t

29,4

41,6

-Nghiên c

À ĐÁNH GIÁ

ợng và tính

ản, cần nhiều thời gian v ồng kềnh Do thời gian và kinh

ờng với cấu trúc phần cứng t

àm thi

ột module Zigbee còn l

ờng B

” do TI h

Kết quả khả

Cường độ tín hiệu thu (Db) Module tự sản xuất

-31 -29 -28 -29 -30

29,4

-43 -41 -41 -41 -42

41,6

-50 -49 -49

Nghiên cứu, thiết kế … trong lĩnh vực I

À ĐÁNH GIÁ

à tính

ản, cần nhiều thời gian v

à kinh ờng với cấu trúc phần cứng t

àm thi

òn lại phát tín hiệu ở các k ờng Bài báo s

” do TI hỗ trợ, môi tr

Kết quả khả

ờng độ tín hiệu thu (Db)

ự sản xuất

29,4

41,6

ứu, thiết kế … trong lĩnh vực I

sử

À ĐÁNH GIÁ

à tính ổn định của một sản phẩm

à kinh ờng với cấu trúc phần cứng t

àm thiết bị thu tín hiệu, sau đó sử

ại phát tín hiệu ở các k

ài báo s

ỗ trợ, môi tr

ết quả khả

dụng Z

À ĐÁNH GIÁ

ổn định của một sản phẩm

à kinh phí h ờng với cấu trúc phần cứng t

ết bị thu tín hiệu, sau đó sử

ài báo s

ỗ trợ, môi tr

ết quả khả

ụng Z

phí h ờng với cấu trúc phần cứng t

ài báo sử dụng phần mềm đo

ỗ trợ, môi tr

ết quả khảo sát module Z

Công ngh

b

ụng Zigbee

phí hạn chế, b ờng với cấu trúc phần cứng t

ử dụng phần mềm đo

ỗ trợ, môi trư

o sát module Z

Module bán s

Công ngh

Module igbee

ạn chế, b ờng với cấu trúc phần cứng t

ử dụng phần mềm đo ường đo l

o sát module Z

Module bán s

Công ngh

Module

igbee

ản, cần nhiều thời gian và các thi

ạn chế, b ờng với cấu trúc phần cứng t

ử dụng phần mềm đo ờng đo l

o sát module Z

Module bán s

-Công nghệ thông tin

Module

à các thi

ạn chế, bài báo s ờng với cấu trúc phần cứng t

ử dụng phần mềm đo ờng đo l

o sát module Z

Module bán s

-29 -28 -27 -30 -31

-29

-42 -40 -41 -41 -41

-41

-48 -49 -46

ệ thông tin

à các thi

ài báo s ờng với cấu trúc phần cứng t

ại phát tín hiệu ở các kho

ử dụng phần mềm đo ờng đo là trong

o sát module Zigbee

Module bán s

ệ thông tin

ứu, thiết kế … trong lĩnh vực Io

à các thiết bị

ài báo s ờng với cấu trúc phần cứng tương

hoảng

à trong

o sát module Zigbee

Module bán sẵn

ệ thông tin

oT.”

ết bị

ài báo sử ương

ảng

à trong

igbee.

ệ thông tin

”

ết bị

ử ương

ảng

à trong

Trang 8

4 -47 -47

20

30

Đánh giá:

Thực tế đánh giá, module tự thiết kế và module mua sẵn có chất lượng tương đương nhau Tuy nhiên module tự thiết kế phát tín hiệu còn kém hơn module bán sẵn trên thị trường Nguyên nhân: Do hạn chế về thiết bị và kinh phí nên module tự thiết kế sử dụng linh kiện chưa thực sự tốt, board mạch hai lớp có chất lượng trung bình, nên kích thước antenna chưa hoàn toàn chính xác, chưa cách ly tốt giữa đường tín hiệu và đường nguồn

5 KẾT LUẬN

Bài báo trình bày hoàn chỉnh về một thiết kế module Zigbee ứng dụng trong công nghệ IoT Module Zigbee tự thiết kế có chất lượng tương đương những module bán sẵn trên thị trường Với chất lượng mạch và linh kiện tốt, module Zigbee tự thiết kế hoàn toàn có khả năng thu – phát tốt hơn, sánh ngang với các sản phẩm hiện có trên thị trường Đặc biệt, khi làm chủ được thiết kế, có thể mềm dẻo ứng dụng vào các thiết bị không dây trong lĩnh vực IoT và làm giảm giá thành của sản phẩm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] “ IEEE std 802.15.4 – 2006: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)”, (

[2] “ZigBee Standard Specification”,

[3] (https://www.zigbee.org/download/standards-zigbee-specification/)

[4] “CC2530: Second Generation System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE / ZigBee Data Sheet”,

[5] (http://www.ti.com/lit/ds/swrs081b/swrs081b.pdf)

[6] Павел ИльИн, Олег Пушкарев, “СС2530 - новый ZigBee-трансивер для широкого спектра применений”, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ (№

10) 2009, стр 98-100

[7] WiFi, Bluetooth или Zigbee – какой стандарт лучше?

Trang 9

158

[8] (

[9] “Small Size 2.4 GHz PCB antenna”,

[10] (http://www.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf)

[11] Дмитрий Панфилов, Михаил Соколов, “Введение в беспроводную технологию zigbee стандарта 802.15.4”, ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ (№ 12) 2004, стр 73-79

ABSTRACT

RESEARCH, DESIGN OF WIRELESS DATA TRANSMISSION

BASED ON ZIGBEE TECHNOLOGY APPLICABLE IN IoT

In recent years, IoT is becoming a trend of the era, making people's lives more convenient and easier This article focuses on designing and manufacturing wireless data transfer modules on Zigbee chips, with the goal of mastering manufacturing design technology Self-designed data transfer modules will be compared with commercial products

on the market The comparison results show that quality is equivalent and can be applied in practice In addition, the results will be applied to the manufacture of room temperature humidity measuring devices using Zigbee technology - one of the wireless data transfer technologies widely used in the field of IoT

Keywords: Wireless technology; Zigbee Technology; Zigbee

Nhận bài ngày 28 tháng 11 năm 2018 Hoàn thiện ngày 29 tháng 02 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 3 năm 2019

Địa chỉ: Viện Công nghệ thông tin, Viện KH-CNQS

* Email: daoxuanuoc@gmail.com.

Định dạng
Số trang	9
Dung lượng	1,14 MB