XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông được áp dụng vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Như là công nghệ cảm biến không dây hay IOT được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,..Hiện nay, Internet of Things đang bước đầu được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai nhiều hơn, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Được sự định hướng và chỉ dẫn của Cô Đinh Thị Nhung và Cô Nguyễn Hồng Anh, em đã chọn đề tài đồ án “Xây dựng mô hình nhà thông minh ”. Nội dung của đồ án được thực hiện qua 4 chương chính : Chương 1 : Tổng quan đề tài Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Chương 3 : Thực hiện và thiết kế Chương 4 : Kết quả, nhận xét và đánh giá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 12-2019

ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Tên giảng viên đánh giá:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đồ án:

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng

của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện

dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt

được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất

hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp

mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và

được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu

chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê

tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận

logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH

giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc trong

nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)

2

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

1.1

ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đồ án:

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng

của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện

dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt

được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất

hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp

mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và

được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu

chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê

tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận

logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH

giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc trong

nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)

2

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác của cán bộ phản biện

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về côngnghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờcuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn Các công nghệ của cácngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông được áp dụng vào trong thựctiễn cuộc sống con người Như là công nghệ cảm biến không dây hay IOTđược tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trongmục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,

Hiện nay, Internet of Things đang bước đầu được áp dụng một cách rộngrãi ở nước ta Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai nhiều hơn,

đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thayđổi trong công nghệ này

Được sự định hướng và chỉ dẫn của Cô Đinh Thị Nhung và Cô NguyễnHồng Anh, em đã chọn đề tài đồ án “Xây dựng mô hình nhà thông minh ”.Nội dung của đồ án được thực hiện qua 4 chương chính :

Chương 1 : Tổng quan đề tài Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Chương 3 : Thực hiện và thiết kế Chương 4 : Kết quả, nhận xét và đánh giá Trong quá trình thực hiện đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tớiThS Đinh Thị Nhung và ThS Nguyễn Hồng Anh, giảng viên Viện Điện tử -Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý,chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để emhoàn thành tốt đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài và soạn thảo báo cáo dù đã rất cố gắng tuynhiên không tránh khỏi những sai sót và hạn chế Vì vậy, em rất mong nhậnđược sự góp ý, bổ sung của các quý Thầy/Cô để đề tài được tối ưu và hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

1 LỜI CAM ĐOAN

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2019

Người cam đoan

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN v

ABSTRACT vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Kết luận 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 3

2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 3

2.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 3

2.1.3 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây 4

2.1.4 Các khó khăn khi thiết kế mạng cảm biến không dây 5

2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến 6

2.2.1 Cấu trúc phẳng 6

2.2.2 Cấu trúc tầng 7

2.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây 8

2.3.1 Công nghệ Bluetooth 8

2.3.2 Công nghệ Zigbee 14

2.3.3 Công nghệ Wifi 20

2.4 So sánh các công nghệ trong mạng cảm biến không dây 24

2.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 25

2.6 Tổng quan về IOT 26

2.6.1 Định nghĩa 26

2.6.2 Các lớp trong một hệ thống IOT 26

2.6.3 Các giao thức phổ biến 27

2.6.4 Các chuẩn truyền dữ liệu 29

2.6.5 Ứng dụng 34

CHƯƠNG 3 THỰC HIỆN VÀ THIẾT KẾ 38

3.1 Thiết kế phần cứng 38

3.1.1 Sơ đồ khối 38

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 39

3.1.3 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in 39

3.1.4 Các linh kiện và thông số 41

3.2 Thiết kế phần mềm 51

3.2.1 Firebase database 51

3.2.2 Phần mềm Android Studio 53

3.2.3 Phần mềm Arduino 54

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 56

4.1 Kết quả đạt được 56

4.2 Nhận xét và đánh giá 57

KẾT LUẬN 59

Kết luận chung 59

Hướng phát triển 59

Kiến nghị và đề xuất 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

Source Code ESP8266 61

Source Code Arduino Pro Mini 63

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Thuật ngữ đầy đủ

2 IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

6 CSMA\CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

9 MQTT Message Queue Telemetry Transport

10 CoAP Constrained Applications Protocol

11 XMPP Entensible Messaging Presence Protocol

16 UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

17 TCP/IP Transport Control Protocol/Internet Protocol

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 4

Hình 2.2 Cấu trúc phẳng 7

Hình 2.3 Cấu trúc tầng 7

Hình 2.4 Các tầng giao thức trong Bluetooth 10

Hình 2.5 Cấu trúc gói tin packet 11

Hình 2.6 Quy trình kết nối trong Bluetooth 12

Hình 2.7 Mô hình mạng Zigbee 15

Hình 2.8 Cấu trúc các tầng của giao thức Zigbee 17

Hình 2.9 Thành phần của mạng Zigbee 18

Hình 2.10 Phương pháp tiếp cận trong công nghệ Zigbee 19

Hình 2.11 Quá trình tiếp nhận Device qua các Coordinetor 19

Hình 2.12 Mô tả quá trình truyền Wifi 22

Hình 2.13 Thiết bị Access point 23

Hình 2.14 Thiết bị Wireless Router 24

Hình 2.15 Thiết bị Wireless NICs 24

Hình 2.16 Ví dụ mô hình MQTT 27

Hình 2.17 Ví dụ mô hình CoAP 28

Hình 2.18 Ví dụ mô hình XMPP 28

Hình 2.19 Ví dụ mô hình AMQP 29

Hình 2.20 Ví dụ mô hình chuẩn UART 29

Hình 2.21 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 31

Hình 2.22 Trình tự truyền bit trên đường truyền 32

Hình 2.23 Điều kiện star stop 33

Hình 2.24 Cơ chế giao thức SPI 34

Hình 2.25 Tổng quan về ứng dụng IOT 34

Hình 2.26 Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng 35

Hình 2.27 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng 36

Hình 2.28 Mô hình ứng dụng nhà thông minh 37

Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch 38

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch 39

Hình 3.3 Sơ đồ mạch in lớp top của mạch 40

Hình 3.4 Sơ đồ mạch in 3D của mạch 40

Hình 3.5 Module ESP8266 Node MCU 41

Hình 3.6 Sơ đồ chân của Module ESP8266 Node MCU 42

Hình 3.7 Arduino Pro Mini 43

Hình 3.8 Sơ đồ khối của một hệ thống RFID 44

Hình 3.9 Bộ đầu đọc thẻ RFID 46

Hình 3.10 Động cơ Servo SG90 47

Hình 3.11 Module cảm biến DHT11 48

Hình 3.12 Cảm biến khí gas MQ2 49

Hình 3.13 Module cảm biến ánh sáng 50

Hình 3.14 Relay 5V 10A 50

Hình 3.15 Ứng dụng Firebase database 52

Hình 3.16 Giao diện phần mềm lập trình Android Studio 53

Hình 3.17 Giao diện phần lập trình cho ứng dụng 54

Hình 3.18 Giao diện phần mềm Arduino 55

Hình 4.1 Sản phẩm mô hình sau khi hoàn thành 56

Hình 4.2 Giao diện màn hình thu được từ App Android 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh một số công nghệ trong mạng cảm biến không dây 25 Bảng 3.1 Sơ đồ chân ICSP 42

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Hiện nay, IOT và những ứng dụng trực tiếp vào xây dựng nhà thông minhđang là xu hướng, tuy không mới nhưng đang rất thịnh hành Vì vậy, nhà thôngminh đang ngày càng đòi hỏi sự thay đổi, cải tiến để đáp ứng được xu thế củathời đại Song song với đó, hệ thống nhà thông minh ngày càng được ứng dụngrộng rãi, góp phần nâng cao sự tiện ích trong cuộc sống hiện đại ngày nay Với mục đích muốn tiếp cận với các công nghệ đang phát triển rất nhanh

và mạnh mẽ Vì vậy, em thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra thiết bịtrung tâm điều khiển nhà thông minh thông qua các ứng dụng trên Smartphonehay Tablet trong đó bao gồm:

Mô hình có các chức năng như sau:

- Các thiết bị trong nhà thông minh được điều khiển hay tự động điềukhiển bằng App điện thoại thông qua sóng Wifi, hay 3g, 4g

- Chức năng giám sát nhiệt độ và độ ẩm, cảnh báo khí gas trong nhà Thiết bị sử dụng kit NodeMCU ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm đểđiều khiển các module mở rộng như module cảm biến hay động cơ

Currently, Internet of Things or applications in advance to build smarthomes are a trend, though not new but very popular Therefore, smart home isincreasingly demanding change and improvement to meet the trend of thetimes Along with that, the smart home system is increasingly widely used,contributing to improving the convenience in modern life today

With the aim of accessing technology that is developing very fast andstrong Therefore, I carry out the project with the desire to create a smart homecontrol center device through applications on Smartphone or Tablet whichinclude:

The model has the following functions:

- The devices in the smart home are controlled or automatically controlled

by Wifi signal, or 3g, 4g,

- Monitoring function of temperature and humidity, indoor gas warning, The device uses NodeMCU ESP8266 kit as the central microcontroller tocontrol expansion modules such as sensor modules or motors

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Nội dung chính của chương này gồm:

Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hóa ngày càng phát triển, em đã quyết định làmmột đồ án “Xây dựng mô hình nhà thông minh” Khi dự án hoàn thành chúng ta có thểcảnh báo trộm, báo khí gas rò rỉ, tự động tưới cây theo lịch trình và điều khiển cácthiết bị điện trong nhà… bằng cách tương tác qua các nút nhấn để hiển thị trạng tháihoạt động trên web, giao diện Android và WPF trên máy tính Như vậy, dù chúng ta ởbất cứ nơi nào có internet đều có thể giám sát và điều khiển được các thiết bị đã kếtnối với module điều khiển Khi dự án thành công và được áp dụng rộng rãi thì sẽ rấttiện lợi cho cuộc sống thường ngày, giúp cho đất nước ngày càng phát triển

1.3 Mục tiêu

Thiết kế và xây dựng được hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà, điềukhiển các thiết bị thông qua App Android, Web trên các thiết bị như Smartphone hayTablet Hệ thống tự động báo khí gas rò rỉ và bật tắt đèn vườn khi trời tối, đóng mởcủa bằng RFID kiểm tra trạng thái cửa Các thông số hiển thị như trạng thái cửa, trạngthái thiết bị, nhiệt độ, độ ẩm, khí gas được hiển thị trên trên các giao diện AppAndroid, Web một cách trực quan và phải ứng dụng được vào thực tế

1

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm 4 phần:

Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây, IOT và các chuẩn

truyền thông UART, I2C, SPI,

Nội dung 2: Tìm hiểu về các ứng dụng thực tế, các giải pháp xây dựng mô hình

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chính của chương này gồm:

- tổng quan về mạng cảm biến không dây

- các cấu trúc của mạng cảm biến

- các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến

- lý thuyết tổng quan về IOT

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp cácthiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quanghọc) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy môlớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây cóthể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua mộtđiểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Lợi thếchủ yếu của chúng là khả năng xử lý tốc độ cao, triển khai hầu như trong bất kì loạihình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến códây truyền thống

Hệ thống mạng cảm biến không dây bao gồm các node cảm biến độc lập được bốtrí trong không gian, thường xuyên tương tác với nhau, với môi trường thông qua chứcnăng cảm biến hoặc các tham số vật lý điều khiển và phương thức truyền thông khôngdây để phối hợp, hỗ trợ lẫn nhau thực hiện các chức năng nhất định

Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, haycòn gọi là mote Việc kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến tạo thànhmạng lưới trong không gian Tùy vào giao thức cũng như ứng dụng khác nhau màmạng cảm biến sẽ được bố trí và truyền nhận khác nhau

3

2.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây trong thực tế khá phong phú và đa dạng, nhìn chung nóđược cấu thành từ các thành phần chính sau:

Node cảm biến: Thành phần chính của mạng cảm biến Các node có chức năng thuthập dữ liệu từ môi trường và truyền dữ liệu cho node Sink

Trường cảm biến: Khoanh vùng không gian mạng cảm biến Trong trường cảmbiến, các node có thể tương tác với nhau để gửi dữ liệu lên node chủ

Node Sink: Là nút chịu trách nhiệm tương tác với các nút cảm biến Các dữ liệu từcác nút cảm biến được xử lý và chuyển đến các trạm cơ sở hoặc đến các AP ( Accesspoint )

Hình 2.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến Mỗi nút cảm biến

có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút trung tâm (sink),node sink có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưkhả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảmbiến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất

2.1.3 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến phân bố dày đặc: Do đặc tính của mạng, các node được phân

bố dày đặc để đảm bảo việc giám sát, theo dõi các sự kiện được chính xác, không để

bỏ sót thông tin

Các node dễ bị hư hỏng: Các node được đặt trong phạm vi rộng lớn, trong các môitrường khác nhau và chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố môi trường tác độngnên dễ bị hư hỏng

Giao thức mạng thay đổi thường xuyên: Do một mạng có thể thực hiện nhiềunhiệm vụ khác nhau, mỗi nhiệm vụ đòi hỏi một số giao thức thích hợp, đồng thời, sựbiến đổi của sự kiện, đòi hỏi giao thức mạng phải thay đổi đáp ứng yêu cầu của ứngdụng

Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ: Đây chính là điểmhạn chế nhất đối với WSN, các node cảm biến được phân bố rộng rãi trong một phạm

vi nhất định, liên lạc với nhau và với thiết bị bên ngoài thông qua truyền thông khôngdây nên bị hạn chế về nguồn cung cấp, đồng thời kích thước của node phải đủ nhỏ đểkhông bị phát hiện

Các node không đồng nhất vì số lượng node là lớn, và được phân bố không đồngđều dựa trên nhu cầu giám sát, theo dõi thực tế Hơn nữa, do hạn chế về năng lượng vàhỏng hóc, nên mật độ node cảm biến trong mạng sẽ không đồng nhất

Do đó, sự phát triển mạng cảm biến phải được thực hiện dựa trên cải tiến về cảmbiến, thông tin và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu , phần cứng và phần mềm), đểđáp ứng yêu cầu cơ bản của các ứng dụng

2.1.4 Các khó khăn khi thiết kế mạng cảm biến không dây

 Giới hạn về năng lượng: đây là vấn đề đáng chú nhất nhất khi thiết kế mạng

cảm biến Thông thường các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụngcác nguồn năng lượng có sẵn như pin Khi số lượng nút mạng tăng lên, yêu cầu tínhtoán là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì năng lượng tiêu thụ là rất lớn

Để đảm bảo được các node mạng hoạt động trong thời gian dài, việc tối ưu hóa vềnăng lượng khi thiết kế là điều vô cùng cần thiết Đây là bài toán đặt ra cho người thiết

5

kế làm sao lựa chọn phần cứng tiêu thụ ít năng lượng cũng như lựa chọn các giao thứcđịnh tuyến phù hợp.

 Giới hạn về băng thông (tốc độ truyền): tốc độ truyền thông vô tuyến hiện nay

chỉ giới hạn ở 10-100kbits/s Sự giới hạn này ảnh hưởng đến truyền tin giữa các nút:Tốc độ chậm sẽ dẫn đến kéo dài thời gian chết của các nút mạng dẫn đến lãng phí nănglượng

Giới hạn về phần cứng: do có một số ứng dụng yêu cầu số lượng nút mạng

phải lớn trong phạm vi diện tích hẹp , do đó yêu cầu các nút mạng phải có kích thước

đủ nhỏ Điều này sẽ hạn chế về năng lực tính toán và không gian lưu trữ trên mỗi nút.Ngoài việc nhỏ, các nút cảm biến cần phải tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí sản xuấtthấp, có khả năng hoạt động mà không cần kiểm soát, thích nghi với nhiều môi trường

Môi trường hoạt động: do sử dụng sóng vô tuyến nên bị ảnh hưởng bởi những

loại nhiễu bên ngoài : Sóng điện từ, sóng điện thoại mà có cùng dải tần Do đó thôngtin có thể bị mất mát hoặc sai lệch khi về trạm gốc Vậy khi thiết kế ta cũng cần chú ýđến môi trường để chọn loại nút cảm biến cho phù hợp

Khả năng chịu lỗi: thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường ngay cả

khi một số nút mạng không hoạt động do thiếu năng lượng hay do ảnh hưởng môitrường, hư hỏng vật lý

Khả năng mở rộng, di động: khi thiết kế mạng ta cần quan tâm đến việc mạng

có khả năng mở rộng để đáp ứng được các yêu cầu thực tế Vì khi nghiên cứu một sốhiện tượng, số lượng nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm nghìn nút Ngoài ra, cácnút có thể di động hoặc cố định, do đó khi thiết kế mô hình định tuyến phải tính đếnđiều này

2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến

2.2.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng

và chức năng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của

bộ tiếp sóng (Router) đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồnđều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ và phân chia thời

gian truyền nhận một cách dễ dàng Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện

là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số

2.2.2 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụmgửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút địnhsẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệthống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã địnhsẵn

Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu khôngđồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp:

2.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây

2.3.1 Công nghệ Bluetooth

2.3.1.1 Tổng quan về Bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử có thể giaotiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung trongdãy tầng 2,40-4,48 GHz Nó là một chuẩn điện tử, những tiêu chuẩn kỹ thuật này đảmbảo cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệBluetooth Ngày nay phần lớn các nhà máy đều sản xuất các thiết bị có sử dụngBluetooth Các thiết bị này gồm có điện thoại di động, máy tính và thiết bị hỗ trợ cánhân

Mục đích: Thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân,kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện từ lại với nhau một cách thuận lợi, giá thành rẻ

2.3.1.2 Đặc điểm của Blutooth

Bluetooth có những tính năng nổi bật sau :

 Tốc độ truyền dữ liệu tối đa: 1Mb/s

 Kết nối: Vô hướng

 Giải tần sử dụng: 2,4 GHz

 Vùng phủ sóng: 10m

 Năng lượng tiêu thụ: Tương đối thấp, cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết

bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động

 Khoảng cách giao tiếp cho phép

Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trongtòa nhà Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access Point có thể lên đến 100m ngoài trời

và 30m trong nhà

 Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng nàyvới một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thểđộc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng

 Bluetooth dùng được trong giao tiếp tiếng nói: Có 3 kênh để truyền tiếng nói

là 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân

 An toàn và bảo mật: Được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa.

2.3.1.3 Chuẩn IEEE 802.15

Công nghệ Bluetooth chỉ được truyền thông trong mạng WPAN Mặc dù nó đãđược phát triển từ giữa những năm 1990, nhưng mãi đến năm 2002 sự hiện diện của nómới trở lên thông dụng ở các thiết bị từ máy tính xách tay (laptops) cho tới chuột, máyquay phim và điện thoại di động nhỏ (cell phones) Viện công nghệ Điện và Điện TửIEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 và được sử dụng trong mạng WPAN với các tốc độtruyền dữ liệu khác nhau như: 802.15.1 có tốc độ truyềndữ liệu trung bình, trong khi802.15.3 có tốc độ truyền dữ liệu cao và 802.15.4 có tốc độ truyền thấp

IEEE 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth đã được thiết kế để cho phép kết nốikhông dây băng thông hẹp cho các thiết bị như: máy tính xách tay, chuột, bàn phím,máy in, tai nghe, điện thoại di động, truyền thông với nhau

IEEE 802.15.3 đang được phát triển cho mạng Ad hoc với lớp MAC phù hợp chotruyền dữ liệu đa phương tiện Chuẩn 802.15.3 đặc tả tốc độ truyền dữ liệu lên tới55Mbps trong dải tần 2,4Ghz

IEEE 802.15.4 định nghĩa giao thức liên kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thôngsóng vô tuyến trong hệ thống mạng một người dùng Chuẩn này sử dụng phương pháp

đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xảy ra xung đột (CSMA/CA) IEEE 802.15.4cũng chỉ định lớp vật lý sử dụng kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (DSSS) ở băng tần2,45GHz hỗ trợ tốc độ lên tới 250 Kbps và trải phổ từ 868 đến 20,915MHz tốc độ dữliệu khoảng 20 Kbps đến 40 Kbps, phạm vi phủ sóng < 20m

2.3.1.4 Các tầng trong giao thức Bluetooth

Bluetooth Radio: Là tầng thấp nhất trong lớp giao thức Sóng radio của Bluetoothđược di chuyển bằng cách nhảy tần số, nghĩa là mọi packet được truyền trên những tần

số khác nhau Tốc độ nhảy nhanh giúp tránh nhiễu tốt

Baseband: Băng tần cơ sở, Baseband nằm ở tầng vật lý của Bluetooth Tầngbaseband quản lý những kênh truyền và liên kết vật lý tách biệt khỏi các dịch vụ khácnhư sửa lỗi, chọn bước nhảy và bảo mật

9

Link Manager Protocol (LMP): giao thức kiểm soát liên kết LMP thực hiện việcthiết lập kênh truyền, xác nhận hợp lệ và cấu hình kênh truyền, tìm kiếm những LinkManager khác và giao tiếp với chúng thông qua LMP.

Link Manager dùng những dịch vụ do tầng Link Controller cung cấp để thực hiệnvai trò của mình Các lệnh LMP bao gồm các Protocol Data Unit được gửi từ thiết bịnày sang thiết bị khác

Logical Link Control and Adaptation Protocol(L2CAP): giao thức liên kết logic

và giao thức liên hợp Nó nằm bên trên giao thức băng tần cơ sở và nằm ở tầng DataLink L2CAP cung cấp dịch vụ hướng kết nối và phi kết nối cho các tầng giao thứcbên trên, có khả năng phân kênh, phân đoạn và tái tổ hợp L2CAP cho phép các giaothức ở các tầng trên và các ứng dụng truyền và nhận dữ liệu Mỗi gói dữ liệu củaL2CAP tối đa 64 kbytes

Radio Frequency Communication (RFCOMM): Sóng tần số truyền thông chophép giả lập cổng serial thông qua giao thức L2CAP RFCOMM dựa trên chuẩn ETSI

TS 07.10 Chỉ có 1 phần qua chuẩn TS 07.10 được dùng và chỉnh sửa cho phù hợp vớiBluetooth RFCOMM hỗ trợ tối đa 60 kết nối Một kết nối bao gồm 2 ứng dụng chạytrên 2 thiết bị riêng biệt

Hình 2.4 Các tầng giao thức trong Bluetooth

Service Discovery Protocol (SDP): Cho phép các ứng dụng tìm kiếm những dịch

vụ và thuộc tính của dịch vụ có trong thiết bị Bluetooth Dùng mô hình request/response với mỗi thao tác bao gồm 1 request protocol data uint và 1 response

2.3.1.4 Trải phổ nhảy tầng trong công nghệ Bluetooth

Trải phổ nhảy tần số là kĩ thuật phân chia giải băng tần thành một tập hợp cáckênh hẹp và thực hiện việc truyền các kênh đó bằng việc truyền tín hiệu trên các kênh

đó và nhảy tuần tự qua các kênh khác theo một thứ tự nào đó

Truyền dữ liệu: Thực hiện bằng cách sử dụng kĩ thuật nhảy tần số khác nhau, cácpacket được truyền trên những tần số khác nhau

Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian Một packet (gói tin) thường nằmtrong 1 khe đơn nhưng có thể mở rộng ra 3 hoặc 5 khe (đa khe) Sử dụng packet đakhe tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhờ phần header của mỗi packet đòi hỏi 1 lần 220us(là thời gian chuyển đổi sau mỗi packet)

Mỗi gói tin packet gồm 3 phần: Access Code (Mã truy cập), Header, Payload Mộttrong những dạng bắt tay về phần cứng, nơi nhận đưa ra dòng mức cao khi sẵn sàngnhận dữ liệu, và nơi truyền chờ tín hiệu này trước khi truyền dữ liệu Nơi nhận có thểđưa ra dòng mức thấp trong mọi thời điểm, thậm chí cả trong quá trình chờ dòng phảnhồi cao trước khi kết thúc quá trình truyền nhận Một số dạng liên kết khác hoạt độnggiống nguyên tắc ở trên nhưng với bắt tay bằng phần mềm, bằng cách nơi nhận gửimột mã để báo nó sẵn sàng nhận dữ liệu, và một mã khác để báo cho nơi truyền dừngquá trình gửi dữ liệu

Hình 2.5 Cấu trúc gói tin packet

 Access Code: Gồm 72 bits dùng trong việc đồng bộ dữ liệu, định dạng, báo hiệu

 Header: Trong header có 54 bits, trong đó:

11

+ 3 bits được dùng trong việc định địa chỉ.

+ 4 bits tiếp theo cho biết loại packet

+ 1 bit điều khiển luồng

+ 1 bit ARQ: Cho biết packet là Broadcast không có ACK

+ 1 bit Sequencing: Lọc bỏ những packet trùng do truyền lại

Tổng có 18bit được mã hóa với 1/3 FEC (Forward Error Correction) để có

Sau thủ tục Paging, Master thăm dò Slave bằng cách gửi packet POLL để thăm dòhay packet NULL rỗng theo như Slave yêu cầu

Quá trình được diễn ra như sau:

 Inquiry: Tìm thiết bị trong vùng lân cận

 Paging: Kết nối với 1 thiết bị cụ thể

 Connecting: Nhận nhiệm vụ

Hình 2.6 Quy trình kết nối trong Bluetooth

Mỗi Master hoặc Slave của Piconet này có thể trở thành Slave của Piconet khácnếu bị Master của Piconet đó tiến hành Paging và ngược lại Bất kì Unit (Master hoặcSlave) nào tham gia trong 1 Piconet đều có thể thực hiện paking lên Master hay Slavecủa piconet khác Điều này có thể dẫn đến việc chuyển đổi vai trò giữa Master vàSlaver trong kết nối mới này.

2.3.1.5 Ưu điểm và nhược điểm của Bluetooth

Ưu điểm:

 Truyền dữ liệu giữa các thiết bị không cần cáp

 Sử dụng băng tần không cần đăng ký 2.4GHz

 Không cần phải truyền thẳng

 Hỗ trợ 3 kênh thoại và 1 kênh dữ liệu

 Giá thành rẻ, truyền dữ liệu miễn phí

 Thiết lập kết nối dễ dàng không cần access point

 Khả năng kết nối point- point, point- multipoint

 Được hỗ trợ bởi nhiều tập đoàn khổng lồ

Nhược điểm:

 Khoảng cách kết nối ngắn

 Số lượng kết nối hạn chế

 Tốc độ truyền không cao

 Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác

o Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết

bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giaothông

o Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại

o Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùngBluetooth khác

o Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử

o Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay modem

2.3.2 Công nghệ Zigbee

2.3.2.1 Tổng quan về công nghệ Zigbee

ZigBee là một giao thức mạng không dây được dùng để kết nối các thiết bị vớinhau Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chứcIEEE Tiêu chuẩn 802.15.4 sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) Ngoài tầngvật lý và MAC, ZigBee còn thiết lập các tầng khác, do đó các thiết bị của các nhà sảnxuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trongvùng bảo mật của hệ thống

Mạng Zigbee có thể mở rộng lên tới 65000 node mạng, do đó Zigbee ứng dụngnhiều trong công nghiệp để kết nối các thiết bị thành một mạng lưới

2.3.2.2 Đặc điểm của công nghệ Zigbee

 Chuẩn IEEE 802.15.4

Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được xây dựng vào tháng 5 năm 2003

Chuẩn IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY vàtầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao,mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao chonăng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằngcách dùng các khe thời gian bảo đảm

Zigbee/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới được phát triển trong vòng 10 năm trở lạiđây Công nghệ này xây dựng và phát triển dựa trên hai tầng PHY và MAC theo chuẩn

IEEE 802.15.4, chính vì thế nó thừa hưởng được ưu điểm của IEEE 802.15.4 Đó làđáng tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng, và khả năng thích ứng cao với các môitrường mạng.

 Các dải tầng sóng hoạt động của zigbee

ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, có tầng vật lý và tầng MAC,hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng:

- Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ

- Dải 868 MHz cho Châu Âu, Nhật

- Dải 2.4GHz cho các nước khác, trong đó có Việt Nam

Ở dải 2.4GHz, Zigbee có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền

15

Hình 2.7 Mô hình mạng Zigbee

Hình sao (Star network): Các nút hình sao liên kết với nút trung tâm.

Hình lưới (Mesh network): Mạng hình lưới có tính tin cậy cao, mỗi nút trong

mạng lưới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truyền thông liên tụcgiữa các điểm nút với nhau và bền vững Nếu có sự tác động cản trở, hệ thống có khảnăng tự xác định lại cấu hình bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác

Hình cây (Cluster network): Mạng hình này chính là 1 dạng đặc biệt của mạng

hình lưới, dạng mạng này có khả năng phủ sóng và mở rộng cao

Giao thức CSMA/CD (Đa truy nhập sử dụng sóng mang phát hiện xung đột)

CSMA/CD là giao thức sử dụng nguyên tắc LBT (Listening Before Talking) –nghe trước khi nói Trước khi gói tin được truyền đi, thiết bị không dây đó sẽ kiểm traxem có các thiết bị nào khác đang truyền tin không, nếu đang truyền, nó sẽ đợi đến khinào các thiết bị kia truyền xong thì nó mới truyền

Ngoài ra, điểm khác biệt giữa CSMA/CD và CSMA/CA (Đa truy nhập sử dụngsóng mang phòng tránh xung đột) đó là ở CSMA/CD còn có thêm nguyên tắc “nghetrong khi nói’’, nghĩa là khi một trạm đang truyền nó vẫn nghe đường truyền Nếu pháthiện xung đột thì nó dừng ngay việc truyền và phát đi sóng mang báo hiệu có xung độtcho các máy trạm khác

Ưu điểm: Đạt được hiệu quả cao trong việc truyền dữ liệu, tránh được các xung

đột khi đang truyền

Nhược điểm: Tiêu tốn năng lượng cho việc nghe khi đang truyền.

2.3.2.3 Các tầng của công nghệ Zigbee

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

Hình 2.8 Cấu trúc các tầng của giao thức Zigbee

 Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết và gói tín hiệu vàokhông gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môitrường nhiễu

 Tầng MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết sóng mang CSMA

để xác định hình dạng đường truyền, tránh va chạm xác định và xác định hìnhdạng mạng, giúp hệ thống mạnh và vững chắc

 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 đườngtruyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bêndưới

 Tầng hỗ trợ ứng dụng – APS: là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi cài đặtnhững ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từtầng mạng

17

 Tầng đối tượng thiết bị – ZDO: có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hìnhtầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý cácyêu cầu và xác định trạng thái của thiết bị.

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

hệ thống

2.3.2.4 Thành phần của mạng Zigbee

Một mạng kiểu ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:

ZC (Zigbee Coordinator): Đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu

mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ Mỗi mạng chỉ có duy nhấtmột Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với các mạngkhác

ZR (Zigbee Router): Có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát

hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nútbình thường Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền thôngvới các thành phần khác của mạng

ZED (Zigbee End Devide): Các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc

Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạtđộng/đọc thông tin từ các thành phần vật lý ZED có kết cấu đơn giản và thường ởtrạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng Chúng chỉ được “đánh thức” khicần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó

2.3.2.5 Phương pháp tiếp cận mạng Zigbee

Công nghệ Zigbee có 2 kiểu tiếp cận khi truyền nhận giữa điều phối viên và cácthiết bị trong mạng:

- Beacon Enabled: Bất kì các node trong mạng đều có thể gửi dữ liệu khi kênh đótrống

- Non Beacon Enabled: Node mạng chỉ có thể truyền dữ liệu trên các khe thời giantrước đó Điều phối viên chỉ định thời gian đảm bảo ( bằng cách gửi tín hiệu beacon),

do đó các node có thể truyền trên khe thời gian riêng của chúng để tránh xung đột xảyra

19

Hình 2.9 Thành phần của mạng Zigbee

Hình 2.10 Phương pháp tiếp cận trong công nghệ Zigbee

Beacon Enabled Non Beacon Enable

Quá trình tiếp nhận thành viên của điều phối viên (Coordinator):

Một thiết bị muốn trở thành thành viên của mạng cần quét các kênh để tìm đượcđiều phối viên phù hợp Sau khi tìm được điều phối viên, thiết bị cần định vị tín hiệubeacon và gửi yêu cầu liên kết tới điều phối viên Khi nhận được yêu cầu, điều phốiviên sẽ trả lời bằng một ACK để xác nhận là để nhận được yêu cầu kết nối Điều phốiviên sẽ kiểm tra tài nguyên của thiết bị xem có phù hợp hay không Nếu thiết bị phù

hợp, điều phối viên sẽ ghép địa chỉ thiết bị vào khung của beacon để thông báo xácnhận thấy

2.3.2.6 Ưu, nhược điểm của công nghệ Zigbee

Ưu điểm:

 Giá thành thấp

 Công suất tiêu thụ nhỏ, tiết kiệm năng lượng

 Kiến trúc mạng linh hoạt

 Số lượng các nút lớn (hơn 65000 nút): Phù hợp với các yêu cầu ứng dụngtrên quy mô diện rộng

 Tốc độ truyền thấp: So với các công nghệ Wifi, Bluetooth thì Zigbee cótốc độ truyền thấp hơn.

 Chưa có đầy đủ các thiết bị để phát triển

2.3.2.7 Ứng dụng của Zigbee

Zigbee ứng dụng nhiều trong Smarthome, Zigbee cung cấp một tiêu chuẩn toàncầu để một ngôi nhà thông minh có thể điều khiển hay kiểm soát các thiết bị chiếusáng, quản lý năng lượng, an ninh, sự an toàn của ngôi nhà, cũng như kết nối được vớicác mạng ZigBee khác

Trên thế giới đã có nhiều công ty sản xuất ra những sản phẩm chuyên môn dànhcho tiêu chuẩn này Ngoài ra, Zigbee còn cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu, dễ sửdụng cho các sản phẩm đèn điện chiếu sáng Nó cho phép người dùng có thể kiểm soáthay điều khiển không dây đối với tất cả các loại đèn như đèn LED, đèn bulb, hay cáccông tắc trong gia đình của bạn Đặc biệt hệ thống quản lý được năng lượng sẽ giúpcho ngôi nhà của bạn thân thiện với môi trường hơn

2.3.3 Công nghệ Wifi

2.3.3.1 Tổng quan về Wifi

Wifi (Wireless Fidelity) là 1 mạng không dây có khả năng kết nối với các mạnghay máy tính khác bằng sóng vô tuyến Nó kết nối nhanh hơn so với công nghệBluetooth và phạm vi hoạt động cũng lớn hơn Các thiết bị tích hợp khi bật Wifi có thểkết nối với Internet thông qua một điểm truy cập mạng không dây

Sóng Wifi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz đến 5GHz, cao hơn rất nhiều sovới các tần số của điện thoại di động, truyền hình, radio Tần số cao này cho phép nómang nhiều dữ liệu hơn nhưng phạm vi truyền của nó bị giới hạn, còn các loại sóngkhác tuy tần số thấp nhưng nó có thể truyền được đi rất xa

Wifi là công nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.11 Chuẩn này bao gồm 4chuẩn nhỏ : IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n

Trong điều kiện lý tưởng, Wifi có thể truyền được trên 100m (khoảng 130m).Trong thực tế, con số này có thể nhỏ hơn, sự thay đổi này phụ thuộc vào môi trườngtruyền wifi do:

Sóng Wifi bị ảnh hưởng bởi các loại tín hiệu khác đang hoạt động trong môitrường như sóng điện từ từ các đồ dùng điện (tivi, tủ lạnh, bóng đèn…), sóng viễnthông (3G, sóng điện thoại, bộ đàm…) và rất nhiều loại sóng khác.

Sóng Wifi bị ảnh hưởng từ có đồ dùng chắn sóng ví như vách ngăn, tường, đồ đạctrong gia đình…

Sóng Wifi cũng bị ảnh hưởng 1 phần bởi tình hình thời tiết: Mưa, bão, gió mạnh

2.3.3.2 Chuẩn IEEE 802.15

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sảnxuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải phápnày (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp 5 tốc độ truyền dữ liệu1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng đườngdây hiện thời Năm 1992 các nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sửdụng băng tần 2,4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu caohơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a

và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu) Và những thiết bịWLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượttrội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2,4Ghz, cung cấp tốc độ truyền

dữ liệu có thể lên tới 11Mbps

Năm 2003, chuẩn 802.11g đã được IEEE công bố thêm một sự cải tiến mà có thểtruyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2,4 Ghz và 5 Ghz và có thể nâng tốc độ truyền

dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thểtương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đếntốc độ 108Mbps - 300Mbps

23