Cac Thuat Toan Dinh Tuyen Cua Zigbee Ieee 802 15 4 - T_i 123doc.vn

Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên cho phép em được gửi tới Ban giám hiệu của trường Đại học Kỹ

Thuật Công Nghệ và thầy cô của khoa Công nghệ thông tin lời cám ơn chân thành

nhất. Thầy cô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em được học tập, làm việc và

sáng tạo trong một ngôi trường giàu thành tích của ngành giáo dục Việt Nam. Trong

suốt quá trình học tập tại trường, thầy cô đã dạy cho em những kỹ năng tốt nhất để em

có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

Em cũng xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths. Lê Mạnh Hải là giảng

viên trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành

cám ơn vì sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của thầy trong suốt quá trình thực hiện.

Khi bắt tay vào thực hiện đồ án thì kiến thức và sự hiểu biết của em về lĩnh vực này

gần như chỉ là con số không. Với những kiến thức uyên bác và sự nhiệt tình của thầy,

thầy đã dẫn dắt em đi đến những bước cuối cùng của đồ án.

Em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và bạn bè những người đã giúp đỡ em rất

nhiều trong suốt quá trình thực hiện đồ án.

Một lần nữa em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy cô, gia đình và bạn bè đã

giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

- - 1


Lời nói đầu

Hàng ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông

tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của con người trên thế giới.

Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi ngõ

ngách trên toàn cầu.

Trong mạng viễn thông ngày này, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh

luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm – nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình

hoạt động bằng cách thức mà chỉ có ICT mới có thể làm được. Mạng viễn thông đã tạo

ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang mở rộng

không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. Tuy vậy, trong một dải

băng tần eo hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm

năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao

hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo chưa

theo kịp. Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số,

mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết

bị cùng tần số, hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị... Một trong những công nghệ

mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công

nghệ ZigBee.

Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm

biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt

động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp,

tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao.

Trong luận văn này, em muốn trình bày các khảo cứu của em về công nghệ ZigBee và

ứng dụng kết nối thiết bị của ZigBee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này.

Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập trong bản luận văn này, bạn đọc sẽ có

được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai

trò cũng như tiềm năng của công nghệ này trong cuộc sống.

- - 2


MỤC LỤC

Lời nói đầu ...................................................................................................................2

PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ....................................................................8

1. Đặt vấn đề..................................................................................................................8

2. Nhiệm vụ luận văn ....................................................................................................8

3. Bố cục luận văn .........................................................................................................8

PHẦN B: LÝ THUYẾT ..........................................................................................10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN..............................................10

1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) ..............................10

1.2 Sự phát triển của mạng WPAN...........................................................................10

1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN ......................................................................11

1.4 Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 .................................................................11

1.4.1 Khái niệm ........................................................................................................11

1.4.2 Đặc điểm ..........................................................................................................12

1.4.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1...............13

1.5 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN ..........................................................14

1.5.1 Thành phần của mạng LR-WPAN ................................................................14

1.5.2 Kiến trúc liên kết mạng...................................................................................14

1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)......................................................15

1.5.2.2 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)....................................................16

1.5.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)..........................................16

CHƯƠNG II: CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4 .................................................18

2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 ....................................................18

- - 3


2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 ......................................................................18

2.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý ....................................................20

2.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz..................................20

2.2.1.1.1 Sơ đồ điều chế ...........................................................................................20

2.2.1.1.2 Bộ chuyển bit thành ký tự.........................................................................21

2.2.1.1.3 Bộ chuyển ký tự thành chip......................................................................21

2.2.1.2 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz.........................22

2.2.1.2.1 Sơ đồ điều chế ...........................................................................................23

2.2.1.2.2 Bộ mã hóa vi phân ....................................................................................23

2.2.1.2.3 Bộ ánh xạ bit thành chip ..........................................................................23

2.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4.........................24

2.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection)....................................................................24

2.2.2.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) .....................................................24

2.2.2.3 Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)..........................................................25

2.2.3 Định dạng khung tin PPDU ...........................................................................25

2.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC ......................................26

2.3.1 Cấu trúc siêu khung........................................................................................26

2.3.1.1 Khung CAP ...............................................................................................27

2.3.1.2 Khung CFP................................................................................................28

2.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) ...........................................................28

2.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang

CSMA-CA.................................................................................................................29

2.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu............................................................................32

2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon......................................................................35

- - 4


2.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS .......................................35

2.3.6 Định dạng khung tin MAC.............................................................................37

2.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 ................................................................38

2.4.1 Dịch vụ mạng ..................................................................................................38

2.4.2 Dịch vụ bảo mật ..............................................................................................39

2.5 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 ........................................................41

CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZigBee/IEEE

802.15.4 .......................................................................................................................42

3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance

Vector) .........................................................................................................................42

3.2 Thuật toán hình cây..............................................................................................45

3.2.1 Thuật tóan hình cây đơn nhánh ....................................................................45

3.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh .......................................................................49

PHẦN C: ỨNG DỤNG KẾT NỐI THIẾT BỊ PICDEM Z .............................55

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z..................55

1.1 Giới thiệu ...............................................................................................................55

1.2 Ứng dụng ...............................................................................................................55

1.3 Thành phần của bộ trình diễn Picdem Z ...........................................................56

1.4 Tổng quan về bộ trình diễn Picdem Z ................................................................56

1.5 Board mạch chủ Picdem Z...................................................................................57

1.6 Card RF Picdem Z................................................................................................59

1.7 Đĩa phần mềm Picdem Z......................................................................................60

CHƯƠNG II: CÀI ĐẶT BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z ................................61

2.1 Giới thiệu ...............................................................................................................61

- - 5


2.2 Yêu cầu của máy chủ............................................................................................61

2.3 Lắp ráp và cài đặt .................................................................................................61

2.3.1 Lắp ráp các phần cho PICDEM Z .................................................................62

2.3.2 Cài đặt các tập tin phần mềm PICDEM Z.....................................................63

2.4 Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn ..............................................64

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z .......67

3.1 Giới thiệu ...............................................................................................................67

3.2 Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo............................................................67

3.2.1 Thay đổi giá trị ID Node .................................................................................68

3.2.2 Thay đổi cấu hình Association và Binding....................................................69

3.2.3 Giải phóng Entire Neighbor và Binding Table .............................................72

3.2.4 Giải phóng Individual Association và Blinding Entry ..................................74

3.3 Kiểm tra hiệu suất RF ..........................................................................................75

3.4 Sửa đổi cấu hình phần cứng ................................................................................76

3.5 Phát triển ứng dụng..............................................................................................77

3.6 Tạo tập tin nguồn ứng dụng ................................................................................77

3.6.1 Lập trình ứng dụng.........................................................................................77

3.6.2 Phục hồi Demo Firmware ..............................................................................78

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ TRÌNH PHÂN TÍCH MẠNG KHÔNG

DÂY ZENA™............................................................................................................79

4.1 Giới thiệu ...............................................................................................................79

4.2 Tổng quan về trình phân tích ZENA™..............................................................79

4.3 Cài đặt trình phân tích ZENA™.........................................................................80

4.4 Công cụ cấu hình Microchip Stack .....................................................................81

- - 6


4.4.1 Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee .................................................81

4.4.2 Xác định thông tin thu phát sóng...................................................................83

4.4.3 Xác định hiện trạng và thông tin đểm cuối ...................................................85

4.4.4 Xác định thông tin bảo mật ............................................................................87

4.4.5 Xác định thông tin tầng ZDO và APS............................................................89

4.4.6 Xác định thông tin tầng NWK và MAC .........................................................92

4.4.7 Xác định thông tin PIC MCU.........................................................................95

4.5 Giám sát mạng ......................................................................................................97

4.5.1 Giám sát thời gian thực Real-Time ................................................................98

4.5.2 Phân tích dữ liệu bắt được ...........................................................................106

4.5.3 Sử dụng bộ lọc gói ........................................................................................106

PHỤ LỤC .................................................................................................................108

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................108

CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................................109

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................111

- - 7


PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1. Đặt vấn đề

Ngày nay mặc dù cáp và dây điện vẫn đóng vai trò chính trong truyền và nhận

thông tin, việc sử dụng tai nghe không dây, lướt web tại điểm truy cập wifi... đang trở

nên quen thuộc và tác động đến đời sống hàng ngày. Với các chuẩn kết nối không dây

đã quá quen thuộc và phổ biến như chuẩn kết nối internet Wi-fi 802.11b/g, bluetooth

đã khá phổ biến trong các thiết bị điện thoại di động... Tuy nhiên, hiện nay công nghệ

không dây đang hướng tới các thiết bị gia dụng như kết nối các bộ phận chức năng

trong nhà để điều chỉnh và kiểm soát từ xa hệ thống gaz, điện nước, ánh sáng, các

thông tin ứng dụng như điện thoại, truyền hình, mạng internet... việc sử dụng chuẩn

Wi-fi 802.11 không còn là lựa chọn thiết thực bởi giá thành quá đắt, bluetooth lại chỉ

kết nối được trong khoảng không gian ngắn khoảng 10m. Và chuẩn kết nối không dây

IEEE 802.15.4 ra đời nhằm thiết lập mạng cá nhân không dây WPAN phục vụ truyền

thông tin trong khoảng cách tương đối ngắn. Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà

không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng, giá thành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, ít tiêu hao năng

lượng mà vẫn đem lại hiệu quả cao trong liên lạc, khoảng cách truyền tin có thể lên tới

75m.

2. Nhiệm vụ luận văn

Nghiên cứu các mô hình, giao thức chuẩn kết nối không dây Zigbee IEEE 802.15.4

và ứng dụng kết nối thiết bị.

3. Bố cục luận văn

Đồ án được chia làm 3 phần:

PHẦN A: Tổng quan về đề tài

- - 8


PHẦN B: Lý thuyết

Chương I: Công nghệ Zigbee: Tổng quan về chuẩn Zigbee 802.15.4, các cấu

trúc liên kết mạng.

Chương II: Mô hình giao thức Zigbee, thuật toán truyền tin, các mô hình truyền

dữ liệu.

Chương III: Các thuật toán định tuyến Zigbee

PHẦN C: Ứng dụng kết nối thiết bị

Chương I: Tổng quan về bộ trình diễn Picdem Z

Chương II: Lắp ráp cài đặt gói phần mềm thiết bị

Chương III: Các bước cấu hình thực nghiệm thiết bị

Chương IV: Cài đặt cấu hình gói phần mềm phân tích thiết bị

- - 9


PHẦN B: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN

1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)

Mạng cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những

khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như mạng WLAN(mạng cục bộ không

dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng.

Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại

hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp.

1.2 Sự phát triển của mạng WPAN

Trong suốt giữa thế kỷ 20 mạng điện thoại có dây đã được sử dụng rộng rãi và là

một nhu cầu tất yếu cho cuộc sống. Tuy nhiên một thực tế đặt ra là khi xã hội ngày

càng phát triển, các nhu cầu dịch vụ cũng vì thế mà tăng theo, trong thông tin liên lạc

chi phí cho những phát sinh của mạng điện thoại có dây cũng tăng cộng thêm nhu cầu

về tính cơ động trong thông tin liên lạc,…Và mạng điện thoại tế bào ra đời chính là xu

phát triển, mở rộng tất yếu của mạng điện thoại có dây. Mạng điện thoại tế bào và

biện pháp sử dụng lại tần số là phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều

người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyến hạn chế (Ví dụ như các chuẩn GSM, IS-

136, IS- 95).

Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho

mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế

bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao. Trong khi mà

IEEE 802.11 đề cập đến những thứ như là tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp

tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), thì WPAN lại

- - 10


tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ

hơn (bán kính 30m). Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ,

tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì

thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là

giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra

đời để phục vụ cho chuẩn WPAN.

1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN

IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thong

qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lựơng và chất lượng dịch vụ (QoS: quality of

service).

• WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương

tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.

• WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứng dụng

trong các mạng điện thoại tế báo đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS

phù hợp cho thông tin thoại.

• WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm

công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao

năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Chính tốc độ

truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng. Trong chuẩn

này thì công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình.

1.4 Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4

1.4.1 Khái niệm

Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin

quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài

- - 11


ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu

với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách

rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó.

1.4.2 Đặc điểm

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng,

chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa

và tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được

một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy

tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới

việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị

chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền

tin như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt

lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây

sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy

thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng,

Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz

(Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu).

Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ

toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu

vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu). Zigbee còn thiết lập

cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về

bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua

sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc

cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau.

Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY

và tầng 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 cho

năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng

- - 12


cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots). Tính năng nổi bật

chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối

tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát

hiện chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh

truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác.

1.4.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1

• Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ

truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Một nốt mạng trong mạng

Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai ắc qui

AA.

Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m

(trong trường hợp không có khuếch đại).

• Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của Zigbee là

250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc

độ này của Bluetooth là 1Mbps.

• Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong

đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này cho

phép tối đa tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao

thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là

một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế

về không gian và thời gian). Các thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng

scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet không đồng bộ. Nó chỉ cho phép

tối đa là 8 node slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.

Node mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các

gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong

3sec.

- - 13


1.5 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí

nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp

dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng....

1.5.1 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo

nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm nhận tất

cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra

còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD (reduced-

function device). Một mạng tối thiểu phải có 1 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 của toàn mạng PAN

(personal area network), hay là điều phối viên của 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 lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD,

trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

1.5.2 Kiến trúc liên kết mạng

Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng

cho công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với

nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó

cụm hình cây. Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng

dụng một cách rộng rãi. Hình 1.1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tô pô

sao, tô pô mắt lưới, tô pô cây.

- - 14


Hình1.1 Cấu trúc liên kết mạng

1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Hình1.2 Cấu trúc mạng hình sao

Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết

bị điều khiển trung tâm điều khiển được 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

- - 15


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(PAN identifier), 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 mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất,các

nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điều phối mạng PAN.

1.5.2.2 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

Hình1.3 Cấu trúc mạng mesh

Kiểu cấu trúc 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 kỳ thiết

nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng

của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không

dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….).

1.5.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)

- - 16


Thiết bị RFD, vai trò làm thành viên

Thiết bị FFD, vai trò làm nhánh chủ

Thiết bị điều phối toàn mạng PAN

Hình1.4 Cấu trúc mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị

là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt 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 qui 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 một bộ điều phối mạng

PAN (PAN coordinator). Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra nhóm đầu

tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó

một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH

(cluster head) bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát

khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung

tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN (PAN

coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách.

Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát

quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng. Từ đó có thể hình

thành được các CLH1,CLH2,...(như hình1.4 ).

- - 17


CHƯƠNG II: CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4

2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4

ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và

tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính vì

thế nên nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4. Đó là tính tin cậy, đơn

giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. Dựa

vào mô hình như hình 2.1, các nhà sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm

khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng với nhau.

Hình 2.1: Mô hình giao thức của ZigBee

2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4

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

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

layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu

- - 18


PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý. Các tính năng

của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện

năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các

gói dữ liệu qua môi trường truyền. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác

nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.

PHY

(MHz)

Băng tần

(MHz)

Tốc độ

chip

(kchips/s)

Điều chế Tốc độ bit

(kb/s)

Tốc độ ký

tự

ksymbol/s)

Ký

tự

868 868-868.6 300 BPSK 20 20 Nhị

phân

915 902-928 600 BPSK 40 40 Nhị

phân

2450 2400-2486.5 2000 O-QPSK 250 62.5 Hệ 16

Bảng 2.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây

Tần số trung

tâm (MHz)

Số lượng kênh (N) Kênh Tần số trung tâm (MHz)

868 1 0 868.3

915 10 1-10 906 + 2(k-1)

2450 16 11-26 2405 + 5(k-11)

Bảng 2.2: Kênh truyền và tần số

- - 19


Hình 2.2: Băng tần hệ thống của Zigbee

2.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý

2.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz

Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250 kb/s

2.2.1.1.1 Sơ đồ điều chế

Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần

2,4GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây. Một chuỗi số nhị phân “0000b” được biến

đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung.

- - 20


Chuỗi bit phát đi Tín hiệu được

điều chế

0000b 0000b 1 1 0 1 1 0

0 1 1 1 0 0

0 0 1 1 0 1

Symbol to chip

O-QPSK Bit to symbol

0 1 0 0 1 0

0 0 1 0 1 1

1 0

Hình 2.3: Sơ đồ điều chế

2.2.1.1.2 Bộ chuyển bit thành ký tự

Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trong

PPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự. Mỗi byte được chia thành ký tự và ký tự có

nghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên. Đối với trường đa byte thì byte có nghĩa nhỏ nhất

được phát đầu tiên ngoại trừ trường hợp trường byte đó liên quan đến bảo mật thì

trong trường đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước.

2.2.1.1.3 Bộ chuyển ký tự thành chip

Theo như sơ đồ thì đây là bước thứ hai trong quá trình mã hóa. Mỗi ký tự dữ

liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip. Chuỗi

chip này được truyền đi với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0) được

truyền trước mọi ký tự.

- - 21


Ký tự dữ liệu

(hệ thập phân)

Giá trị chip

(c0c1…c30c31)

0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0

1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0

2 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0

3 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1

4 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1

5 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0

6 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1

7 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1

8 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1

9 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1

10 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1

11 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0

12 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0

13 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1

14 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0

15 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0

Bảng 2.3: Sơ đồ biến đổi Symbol to chip

2.2.1.2 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz

Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee/IEEE802.15.4 PHY tại băng tần 868 MHz có

thể đạt tới 20kb/s, và có thể đạt tới 40 kb/s ở băng tần 915MHz.

- - 22


2.2.1.2.1 Sơ đồ điều chế

Dữ liệu dưới Tín hiệu

dạng nhị phân được điều

Mã hóa vi phân

Bit-to-Chip

BPSK

(PPDU) chế

Hinh2.4 Sơ đồ điều chế

2.2.1.2.2 Bộ mã hóa vi phân

Mã hóa vi phân hay còn gọi là mã hóa trước. Khi cho tín hiệu nhị phân vào

bộ mã hóa này thì bit có giá trị 0 sẽ được chuyển tiếp, có nghĩa là số được tách là số 1

nếu số liền trước nó là số 0 và ngược lại. Nếu một số được tách xung sai, lỗi này sẽ có

xu hướng lan truyền đi , và để loại trừ việc này thì Lender đã đề nghị việc mã hóa

trước số các dữ liệu. Có nghĩ là nếu chuỗi số dữ liệu thô là Rn thì ta sẽ phát đi chuỗi số

En theo qui tắc:

En = Rn En-1 ( 3 )

Trong đó:

1 1 = 0 0 = 0

0 1 = 1 0 = 1

En : là chuỗi bit sau khi mã hóa

Rn : là chuỗi bit thô

En-1 : là chuỗi bit mã hóa liền trước

2.2.1.2.3 Bộ ánh xạ bit thành chip

Mỗi bít đầu vào có thể ánh xạ sang chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) 15-chip theo

như bảng dưới đây. Trong khoảng thời gian mỗi symbol thì ký tự c0 được truyền đầu

tiên, ký tự c14 được truyền sau cùng.

- - 23


Bit đầu vào Giá trị chip

(c0c1…c14)

0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0

1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1

Bảng 2.4: Biến đổi bit to chip

2.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4

2.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection)

Chỉ số ED đo đạc được bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử dụng

như là một bước trong thuật toán chọn kênh. ED là kết quả của sự ước lượng công suất

năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh trong IEEE 802.15.4.

Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền trong kênh này.

Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8 symbol. Kết quả

phát hiện năng lượng sẽ được thông báo bằng 8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới

0xff. Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà công suất nhận được ít hơn mức +10dB so

với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu

là 40dB và sai số là ± 6dB .

2.2.2.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)

Chỉ số chất lượng đừong truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được.

Số đo này có thể bổ sung vào ED thu được, đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR, hoặc một

sự kết hợp của những phương pháp này. Giá trị kết quả LQI được giao cho tầng mạng

và tâng ứng dụng xử lý.

- - 24


2.2.2.3 Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)

CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay

bận. Có ba phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này:

• CCA 1 : “Năng lượng vượt ngưỡng”. CCA sẽ thông báo kênh truyền bận

trong khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED.

• CCA 2 : “Cảm biến sóng mang”. CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi

nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE802.15.4. Tín hiệu này có thể

thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED.

• CCA 3 : “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vựơt ngưỡng”. CCA

sẽ báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE

802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.

2.2.3 Định dạng khung tin PPDU

Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin.

• SHR (synchronization header) : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit

• PHR (PHY header): chứa thông tin độ dài khung

• PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC

Octets : 4 1 1 variable

Đầu khung

SFD (bắt đầu

phân định

khung)

Độ dài khung

(7bits)

Phần dành

riêng (1bit)

PSDU

SHR PHR PHY playload

Bảng 2.5: Định dạng khung PPDU

- - 25


2.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC

Tầng điều khiển môi trường truy cập MAC (media access control) cung cấp 2 dịch

vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ

của thực thể quản lý tầng MAC (MLMESAP). Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ

quản lý việc thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông qua dịch vụ dữ

liệu PHY.

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

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

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

2.3.1 Cấu trúc siêu khung

LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung. Định dạng của siêu

khung được định rõ bởi PAN coordinator. Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng

mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc báo hiệu dò đường beacon được

gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung. Nếu một PAN coordinator không muốn

sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc phát mốc beacon. Mốc này có nhiệm đồng

bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu

khung.

Hình 2.5 Cấu trúc siêu khung

- - 26


Siêu khung có 2 phần “hoạt động” và “nghỉ”. Trong trạng thái “nghỉ” thì PAN

coordinator không giao tiếp với các thiết bị trong mạng PAN, và làm việc ở mode

công suất thấp. Phần “hoạt động” gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tranh chấp truy cập

(CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP), giai đoạn tranh chấp trong mạng chính là

khoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ hội dùng một kênh truyền hoặc tài

nguyên trên mạng). Bất kỳ thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải

cạnh tranh với các thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA. Ngược lại

CFD gồm có các GTSs, các khe thời gian GTS này thường xuất hiện ở cuối của siêu

khung tích cực mà siêu khung này được bắt đầu ở khe sát ngay sau CAP. PAN

cooridinator có thể định vị được bảy trong số các GTSs, và mỗi một GTS chiếm nhiều

hơn một khe thời gian. Khoảng thời gian tồn tại của các phần khác nhau của siêu

khung được định nghĩa bởi giá trị của macBeaconOrder và macSuperFrameOrder.

macBeaconOrder mô tả khoảng thời gian mà bộ điều phối coordinator truyền khung

báo hiệu tìm đường. Khoảng thời gian giữa hai mốc beacon BI(beacon interval) có

quan hệ tới macBeaconOrder (BO) theo biểu thức sau: BI =

aBaseSuperFrameDuration* 2BO symbol, với 0 ≤ BO ≤ 14. Lưu ý rằng siêu khung

được bỏ qua nếu BO=15.

Giá trị của macSuperFrameOrder cho biết độ dài của phần tích cực của siêu

khung. Khoảng thời gian siêu khung_SD (superframe duration) có quan hệ

macSuperFrameOrder_ SO theo biểu thức sau: SD = aBaseSuperFrameDuration* 2SO

symbol. Nếu SO=15 thì siêu khung vẫn có thể ở phần “nghỉ” sau mốc beacon của

khung. Phần tích cực của mỗi siêu khung được chia thành 3 phần CAP,CFP và beacon.

Mốc beacon được phát vào đầu ở khe số 0 mà không cần sử dụng CSMA.

2.3.1.1 Khung CAP

CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP. Nếu độ

dài của phần CFP = 0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung. CAP sẽ có tối thiểu

aMinCAPLength symbols trừ trường hợp phần không gian thêm vào được dùng để

điều chỉnh việc tăng độ dài của khung beacon để vẫn có thể duy trì được GTS và điều

- - 27


chỉnh linh động tăng hay giảm kích thước của CFP.

Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau

khung Ack trong lệnh yêu cầu, mà chúng được phát trong CAP sẽ sử dụng thuật toán

CSMA-CA để truy nhập kênh. Một thiết bị phát trong khoảng thời gian phần CAP kết

thúc sẽ khoảng thời gian IFS trước khi hết phần CAP. Nếu không thể kết thúc được thì

thiết bị này sẽ trì hoãn việc phát cho đến khi CAP của khung tiếp theo đựợc phát.

Khung chứa lệnh điều khiển MAC sẽ được phát trong phần CAP.

2.3.1.2 Khung CFP

Phần CFP sẽ được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beacon

của khung kế tiếp. Nếu bất kỳ một GTSs nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng

PAN , chúng sẽ được đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau.

Bởi vậy nên kích thước của phần CFP sẽ do tổng độ dài các khe GTSs này quyết định.

CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy nhập kênh. Một thiết bị phát trong

CFP sẽ kết thúc trong khoảng một IFS trước khi kết thúc GTS.

2.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS)

Khoảng thời gian IFS là thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý một gói tin nhận

được. Khung tin được truyền theo chù kỳ IFS, trong đó độ dài của chu kỳ IFS phụ

thuộc vào kích thước của khung vừa được truyền đi. Khung có độ dài phụ thuộc vào

aMaxSIFSFrameSize sẽ tuân theo chu kỳ SIFS (là khoảng thời gian tối thiểu

aMinSIFSPeriod symbols), và các khung có độ dài lớn hơn aMaxSIFSFrameSize sẽ

tuân theo chu kỳ LIFS(là khoảng thời gian tối thiểu aMinLIFSPeriod symbols).

- - 28


LIFS SIFS

Khung dài ACK Khung ngắn

Khung ngắn Khung dài

ACK

LIFS SIFS

Hình 2.6: Khoảng cách khung

2.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang

CSMA-CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance). Phương pháp

tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng. Thực chất đây là phương pháp truy

cập mạng dùng cho chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4. Các thiết bị trong mạng

(các nốt mạng) sẽ liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền. Đa truy cập

(multiple access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài nguyên

của một mạng (ở đây là mạng không dây). Tất cả các thiết bị đều có quyền truy cập

như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả khi thiết bị tìm cách nhận biết mạng đang sử

dụng hay không, vẫn có khả năng là có hai trạm tìm cách truy cập mạng đồng thời.

Trên các mạng lớn, thời gian truyền từ đầu cáp này đến đầu kia là đủ để một trạm có

thể truy cập đến cáp đó ngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến. Nó tránh xung

đột bằng cách mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyền thật sự.

- - 29


Y

N

Y Y

Y

N

NB> macMaxCSMABackoffs NB> macMaxCSMABackoffs

N

(1)

(5)

(4)

(3)

(2)

N

Y

Y

N

N

(4)

(5) N

Y

(3)

(2)

N

N

Y

Y

Hỗ trợ beacon?

NB=0, CW=2

Battery life extension?

BE=macMinBE

Locate backoff period boundary

Delay for random(2BE-1) unit

backoff period

Pefrom CCA on backoff period boundary

Kênh rỗi?

CW=2, NB=NB+1 BE=min(BE+1,aMaxBE)

CW=CW-1

Chưa truy nhập Truy nhập

NB=0 BE=macMinBE

Đánh giá kênh truyền (CCA)

Delay for random(2BE-1) unit

backoff period

Kênh rỗi?

NB=NB+1 BE=min(BE+1,aMaxBE)

Chưa truy nhập Truy nhập

BE=lesser of(2, macMinBE)

CW=0?

CSMA-CA

Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán

- - 30


Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trứớc khi phát dữ liệu hoặc

trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP. Thuật toán này sẽ không sử dụng để

phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack, hoặc là khung tin dữ liệu trong phần

CFP. Nếu bản tin báo hiệu đựơc sử dụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA

gán khe thời gian được dùng, ngựợc lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian

sẽ đựợc sử dụng. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp thuật toán đều được bổ xung bằng

cách sử dụng khối thời gian backoff bằng với thời gian của tham số

aUnitBackoffPeriod. Trong thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA gán khe thời gian,

biên của khoảng thời gian backoff của mỗi thiết bị trong mạng PAN được sắp thẳng

hàng với biên của khe siêu khung của thiết bị điều phối mạng PAN. Trong thuật toán

này, mỗi lần thiết bị muốn truyền dữ liệu trong CAP thì nó phải xác định biên thời

gian backoff kế tiếp. Trong thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian thì khoảng

thời gian backoff của một thiết bị trong mạng không cần phải đồng bộ với khoảng thời

gian backoff của thiết bị khác.

Mỗi thiết bị chứa 3 biến số:NB, BW, BE. Trong đó NB là số lần mà thuật toán này

bị yêu cầu rút lại trong khi đang cố gắng truyền. Giá trị ban đầu của nó là 0 trước khi

truyền. Biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, nó cho biết khoảng thời gian cần thiết để

làm sạch kênh truyền trước khi phát, giá trị ban đầu của nó là 2 trước khi cố gắng phát

và quay trở lại 2 khi kênh truy nhập bị bận. Biến số CW chỉ sử dụng cho thuật toán

gán khe thời gian CSMA-CA. Biến số BE (backoff_exponent) cho biết một thiết bị

phải chờ bao lâu để có thể truy nhập vào một kênh. Cho dù bộ thu của thiết bị làm việc

trong suốt khoảng thời gian CAP của thuật tóan nhưng nó vẫn bỏ qua bất kỳ khung tin

nào nhận đựơc trong khoảng thời gian này. (Bước 1) Trong thuật toán CSMA-CA gán

khe thời gian, NB, CW, BE được thiết lập trước, biên của khoảng thời gian backoff kế

tiếp cũng được xác định trước. Trong thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian

thì NB và BE được thiết lập trước. (Bước 2) Tầng MAC sẽ trễ ngẫu nhiên trong phạm

vi 0 đến 2*BE -1 sau đó (bước 3) yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá truy kênh truy

nhập xem là rỗi hay bận. (Bước 4) Nếu kênh truyền bận, tầng MAC sẽ tăng NB và BE

lên 1, nhưng cũng luôn đảm bảo rằng giá trị này nhỏ hơn aMaxBE. Trong CSMA-CA

gán khe thời gian thì việc truyền khung tin, Ack phải được thực hiện trước khi kết thúc

- - 31


phần CAP trong siêu khung, nếu không sẽ phải chờ đến CAP của siêu khung kế tiếp,

trong thuật toán này thì CW có thể cũng reset lại thành giá trị 2. Nếu giá trị của NB

nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tham số macMaxCSMABackoffs, thì sẽ quay lại bước 2

đồng thời thông báo lỗi truy nhập kênh. (Bước 5) Nếu kênh truyền là rỗi, trong

CSMA-CA gán khe thời gian, tầng MAC phải giảm CW đi 1. Nếu CW ≠ 0 quay trở

lại bước 3. Nếu CW=0 thì thông báo truy nhập kênh thành công. Còn trong CSMA-CA

không gán khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi.

2.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu

Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hình truyền

dữ liệu: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, từ thiết bị

thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, và giữa các thiết bị cùng loại.

Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu mạng đó có

hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không. Khi một thiết bị muốn truyền

dữ liệu trong một mạng không hỗ trợ việc phát beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là

truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng cách sử dụng thuật toán không gán

khe thời gian. Thiết bị điều phối Coordinator trả lời bằng khung Ack như hình2.9

Dữ liệu

Ack

(Tùy chọn)

Thiết bị điều phối

Thiết bị thành viên

Hình 2.8 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon

Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ

beacon. Lúc đầu nó sẽ chờ báo hiệu beacon của mạng. Khi thiết bị nhận được báo hiệu

- - 32


beacon, nó sẽ sử dụng tín hiệu này để đồng bộ các siêu khung. Đồng thời, nó cũng

phát dữ liệu sử dụng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian và kết thúc quá trình

truyền tin bằng khung tin xác nhận Ack.

Beacon

Dữ liệu

Ack



Hình 2.9: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon.

Các ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị trong mạng

PAN hơn là được điều khiển bởi thiết bị điều phối mạng. Chính khả năng này cung

cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee. Khi thiết bị điều phối muốn

truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon, khi đó nó

sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang truyền dữ liệu. Các thiết bị trong

mạng luôn luôn lắng nghe các thông tin báo hiệu beacon một cách định kỳ, khi phát

hiện ra có dữ liệu liên quan tới nó đang đựợc truyền, nó sẽ phát lệnh yêu cầu dữ liệu

này, công việc này sử dụng slotted CSMA-CA. Công việc này được mô tả bằng Hình

2.10 , trong hình này thì khung tin Ack của thiết bị điều phối cho biết rằng gói tin đã

được truyền thành công, việc truyền gói tin sử dụng kỹ thuật gán khe thời gian

CSMA-CA, khung Ack thiết bị thường trả lời là nhận gói tin thành công. Vào lúc nhận

khung tin Ack từ thiết bị thường thì bản tin sẽ được xóa khỏi danh sách bản tin trong

thông tin báo hiệu beacon.

- - 33


Beacon

Yêu cầu dữ liệu

Ack

Dữ liệu

Ack



Hình 2.10: Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon

Trong trường hợp mạng không hỗ trợ phát beacon (hình2.7) thiết bị điều phối

muốn truyền dữ liệu tới các thiết bị khác, nó sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bị liên

quan có thể yêu cầu và tiếp xúc với dữ liệu đó. Thiết bị có thể tiếp xúc được với dữ

liệu liên quan đến nó bằng cách phát đi lệnh yêu cầu dữ liệu tới thiết bị điều phối, sử

dụng thuật toán không gán khe thời CSMA-CA. Nếu dữ liệu đang được truyền, thì

thiết bị điều phối sẽ phát khung tin bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời

gian CSMA-CA, nếu dữ liệu không được truyền thì thiết bị điều phối sẽ phát đi khung

tin không có nội dung để chỉ ra rằng dữ liệu không được phát.

Yêu cầu dữ liệu

Ack

Dữ liệu

Ack



Hình 2.11: Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon

- - 34


Nói chung trong mạng mắt lưới, tất cả các thiết bị đều bình đẳng và có khả năng

kết nối đến bất kỳ thiết bị nào trong mạng miễn là thiết bị đó nằm trong bán kính phủ

sóng của nó. Có hai cách để thực hiện việc kết nối. Cách thứ nhất là nốt trong mạng

liên tục lắng nghe và phát dữ liệu của nó đi bằng cách sử dụng thuật toán không gán

khe thời gian CSMA-CA. Cách thứ hai là các nốt tự đồng bộ với các nốt khác để có

thể tiết kiệm đựơc năng lượng.

2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon

Một thiết bị FFD hoạt động trong chế độ không phát thông tin báo hiệu hoặc có thể

phát thông tin báo hiệu giống như là thiết bị điều phối mạng. Một thiết bị FFD không

phải là thiết bị điều phối mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo hiệu beacon chỉ

khi nó kết nối với thiết bị điều phối PAN. Các tham số macBeaconOrder và

macSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai thông tin báo hiệu và

khoảng thời gian của phần hoạt động và phần nghỉ. Thời gian phát bào hiệu liền trước

được ghi lại trong tham số macBeaconTxTime và được tính toán để giá trị của tham số

này giống như giá trị trong khung thông tin báo hiệu beacon.

2.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS

Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt động trong một kênh

truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho thiết bị đó. Một thiết bị chỉ

có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi mà thiết bị đó liên quan đến thông tin

báo hiệu beacon hiện thời lúc đó. Thiết bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe

thời gian GTS và sử dụng khe thời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong

mạng. Một khe thời gian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung. Thiết bị

điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn

là nó có đủ thẩm quyền trong siêu khung. Một khe thời gian có thể được chiếm hữu

trước khi sử dụng nếu có sự yêu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN. Tất cả các khe

thời gian GTS đều được đặt liền nhau ở cuối của siêu khung sau phần CAP, và hoạt

động theo cơ chế FCFS (first-come-first- serve) đến trước dùng trứơc. Mỗi khe thời

- - 35


gian GTS có thể đựợc giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và một khe thời gian GTS

có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bị chiếm hữu nó không dùng nữa.

Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản ly khe thời gian. Để quản ly

mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưu trữ khe bắt đầu, độ dài,

phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kết nối. Mỗi thiết bị trong mạng có thể

yêu cầu một khe thời gian phát hay một khe thời gian thu. Để chiếm hữu được một khe

thời gian thì thiết bị đó phải lưu trữ thông tin khe bắt đầu, độ dài và phương hướng.

Nếu một thiết bị đựơc cấp phát một khe thời gian GTS thu, nó sẽ có toàn quyền sử

dụng trọn vẹn khe thời gian đó để nhận dữ liệu.

Tương tự như vậy thiết bị điều phối mạng PAN cũng có thể có toàn quyền sử dụng

trọn vẹn khe thời gian đó để nhận đữ liệu khi có một thiết bị khác chiếm khe thời gian

phát. Một thiết bị yêu cầu chiếm hữu khe thời gian mới thông qua lệnh yêu cầu GTS

với các tính chất (độ dài, thu hay phát?,…) thiết lập theo yêu cầu ứng dụng. Để xác

nhận lệnh này thì thiết bị điều phối sẽ gửi một khung tin Ack. Sau khi phát khung tin

Ack thì thiết bị điều phối sẽ kiểm tra khả năng hiện thời của siêu khung dựa trên độ dài

của phần CAP và độ dài khe thời gian GTS được yêu cầu. Siêu khung sẽ sẵn sàng nếu

độ dài khe thời gian GTS không làm giảm độ dài của phần CAP đi quá độ dài nhỏ nhất

của CAP được qui đinh trong tham số aMinCAPLength. Thiết bị điều phối mạng PAN

thực hiện quyết định của nó bên trong siêu khung aGTSDescPersistenceTime. Trong

khi xác nhận gói tin Ack từ thiết bị điều phối thì thiết bị này vẫn tiếp tục theo dõi

thông tin báo hiệu và chờ siêu khung aGTSDescPersistenceTime. Khi thiết bị điều

phối quyết định xem xem nó có sẵn sàng cho yêu cầu GTS không, nó sẽ phát đi mô tả

về GTS với chi tiết yêu cầu và đoạn ngắn địa chỉ của thiết bị yêu cầu. Nó sẽ chỉ ra độ

dài và khe GTS đầu tiên trong siêu khung rồi thông báo cho tầng trên về việc cấp phát

khe GTS mới này. Nếu sau khi kiểm tra mà thấy khả năng của siêu khung là không đủ

để cấp phát theo yêu cầu về GTS, thì khe đầu tiên sẽ được đánh số 0 tới độ dài khe

GTS lớn nhất có thể cung cấp được hiện thời. Những mô tả về GTS sẽ đựơc giữ trong

khung tin báo hiệu beacon cho aGTSPersistenceTime. Trong khi xác nhận khung tin

báo hiệu beacon, thiết bị sẽ xử lý và thông báo lên tầng trên.

Tượng tự như khi yêu cầu cấp phát GTS, một thiết bị cho biết nó yêu cầu được giải

- - 36


phóng sự chiếm hữu GTS thông qua lệnh yêu cầu giải phóng với các thông số của

GTS đang tồn tại. Sau đó thì khe thời gian này sẽ được tự do. Thiết bị điều phối PAN

phải đảm bảo rằng không có khoảng trống nào xuất hiện trong CFP khi giải phóng khe

thời gian GTS, độ dài maximum CAP nhờ thế mà được tăng lên (độ tăng đúng bằng

độ dài của khe thời gian đựoc giải phóng). Thực thể quản lý tầng MAC (MLME) của

thiết bị điều phối mạng PAN có nhiệm vụ phát hiện khi một thiết bị dừng sử dụng khe

thời gian GTS. Công việc đó thực hiện bằng nguyên tắc sau. Đối với khe GTS phát,

MLME sẽ công nhận một khe thời gian GTS được giải phóng nếu khung dữ liệu

không được nhận trong tối thiểu 2*n siêu khung. Đối với khe GTS thu, MLME sẽ

công nhận thiết bị không còn sử dụng GTS nữa nếu khung tin xác nhận Ack không

được nhận trong tối thiểu 2*n siêu khung.

n= 28-macBeaconOrder

, nếu 0 ≤ macBeaconOrder ≤ 8;

n= 1 , nếu 9 ≤ macBeaconOrder ≤ 14;

2.3.6 Định dạng khung tin MAC

Mỗi khung bao gồm các thành phần sau:

• Đầu khung MHR(MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiển khung

tin, số chuỗi, và trường địa chỉ.

• Tải trọng khung (MAC payload) : chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung.

Khung tin của bản tin xác nhận Ack không có phần này.

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

sequence)

- - 37


Octets: 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 Biến

thiên

2

ID mạng

PAN

đích

Địa chỉ

đích

ID PAN

nguồn

Địa chỉ

nguồn

Điều

khiển

khung

Số

chuỗi

Trường địa chỉ

Tải

trọng

khung

Chuỗi

kiểm tra

khung

(FCS)

Phần đầu khung MHR

Tải

trọng

Cuối

khung

MFR

Bảng2.6 Định dạng khung MAC

2.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4

2.4.1 Dịch vụ mạng

Tầng vật lý trong mô hình của giao thức ZigBee được xây dựng trên nền của tầng

điều khiển dữ liệu, nhờ những đặc điểm của tầng MAC mà tầng vật lý có thể kéo dài

việc đưa tin, có thể mở rộng được qui mô mạng dễ dàng, một mạng có thể hoạt động

cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng như là:

• Thiết lập một mạng mới.

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

khi đang là thành viên của một mạng nào đó.

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

gia vào mạng.

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

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

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

• Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng đích mong muốn. Có thể nói

- - 38


rằng thuật toán của ZigBee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến

phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp.

2.4.2 Dịch vụ bảo mật

Khi khung tin tầng MAC cần được bảo mật, thì ZigBee sử dụng dịch vụ bảo mật

của tầng MAC để bảo vệ các khung lệnh MAC, các thông tin báo hiệu beacon, và các

khung tin xác nhận Ack. Đối với các bản tin chỉ phải chuyển qua một bước nhảy đơn,

tức là truyền trực tiếp từ nốt mạng này đến nốt mạng lân cận của nó, thì ZigBee chỉ

cần sử dụng khung tin bảo mật MAC để mã hóa bảo vệ thông tin. Nhưng đối với các

bản tin phải chuyển gián tiếp qua nhiều nốt mạng mới tới được đích thì nó cần phải

nhờ vào tầng mạng để làm công việc bảo mật này. Tầng điều khiển dữ liệu MAC sử

dụng thuật tóan AES (chuẩn mã hóa cao cấp). Nói chung thì tầng MAC là một quá

trình mã hóa, nhưng công việc thiết lập các khóa key, chỉ ra mức độ bảo mật, và điều

khiển quá trình mã hóa thì lại thuộc về các tầng trên. Khi tầng MAC phát hoặc nhận

một khung tin nào đó được bảo mật, đầu tiên nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích hoặc nguồn

của khung tin đó, tìm ra cái khóa kết hợp với địa chỉ đích hoặc địa chỉ nguồn, sau đó

sử dụng cái khóa này để xử lý khung tin theo qui trình bảo mật mà cái khóa đó qui

định. Mỗi khóa key được kết hợp với một qui trình bảo mật đơn lẻ. Ở đầu mỗi khung

tin của MAC luôn có 1 bit để chỉ rõ khung tin này có được bảo mật hay không. Khi

phát một khung tin, mà khung tin này yêu cầu cần được bảo toàn nguyên vẹn. Khi đó

phần đầu khung và phần tải trọng khung MAC sẽ tính tóan cân nhắc để tạo ra một

trường mã hóa tin nguyên vẹn (MIC- Message Integrity) phù hợp, MIC gồm khoảng

4,8 hoặc 16 octets. MIC sẽ được gán thêm vào bên phải phần tải trọng của MAC.

Phần thêm vào để mã hóa khung tin

Tải trọng MAC MIC Số chuỗi (1 byte)

Số khung (4 byte)

MAC

HDR

Hình 2.12: Khung tin mã hóa tầng MAC

- - 39


Khi khung tin phát đi đòi hỏi phải có độ tin cậy cao, thì biện pháp được sử dụng để

mã hóa thông tin là số chuỗi và số khung sẽ được gán thêm vào bên trái phần tải trọng

khung tin MAC. Trong khi nhận gói tin, nếu phát hiện thấy MIC thì lập tức nó sẽ kiểm

tra xem khung tin nào bị mã hóa để giải mã. Cứ mỗi khi có một bản tin gửi đi thì thiết

bị phát sẽ tăng số đếm khung lên và thiết bị nhận sẽ theo dõi căn cứ vào số này. Nhờ

vậy nếu như có một bản tin nào có số đếm khung tin đã bị nhận dạng một lần thì thiết

bị nhận sẽ bật cờ báo lỗi bảo mật. Bộ mã hóa của tầng MAC dựa trên ba trạng thái của

hệ thống.

• Để bảo đảm tính nguyên vẹn: Mã hóa sử dụng AES với bộ đếm CTR

• Để bảo đảm tính tinh cậy : Mã hóa sử dụng AES với chuỗi khối mã CBC-

MAC.

• Để đảm bảo tính tin cậy cũng như nguyên vẹn của bản tin thì kết hợp cả hai

trạng thái CTR và CBC-MAC trên thành trạng thái CCM.

Tầng mạng cũng sử dụng chuẩn mã hóa AES. Tuy nhiên khác với tầng điều khiển

dữ liệu MAC, bộ mã hóa của tầng mạng làm việc dựa trên trạng thái CCM* của hệ

thống. Trạng thái này thực chất là sự cải biên từ CCM của tầng MAC, nó thêm vào

chuẩn mã hóa này các chức năng là chỉ mã hóa tính tin cậy và chỉ mã hóa tính nguyên

vẹn. Sử dụng CCM* giúp làm đơn giản hóa quá trình mã hóa dữ liệu của tầng mạng,

các chuỗi mã hóa này có thể dùng lại khóa key của chuỗi mã hóa khác. Như vậy thì

khóa key này không hoàn toàn còn là ranh giới của các chuỗi mã hóa nữa. Khi tầng

mạng phát hoặc nhận một gói tin được mã hóa theo qui ước bởi nhà cung cấp dịch vụ,

nó sẽ kiểm tra địa chỉ nguồn hoặc đích của khung tin để tìm ra khóa key liên quan tới

địa chỉ đó, sau đó sẽ áp dụng bộ mã hóa này giải mã hoặc mã hóa cho khung tin.

Tương tự như quá trình mã hóa tầng MAC, việc điều khiển quá trình mã hóa này được

thực hiện bởi các tầng cao hơn, các số đếm khung và MIC cũng được thêm vào để mã

hóa khung tin.

- - 40


Phần thêm vào để mã hóa khung tin

MIC Tải trọng tầng mạng

NWK

HDR Số khung (4 byte)

MAC

HDR

Hình 2.13: Khung tin mã hóa tầng mạng

2.5 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4

Lớp ứng dụng của ZigBee/IEEE802.15.4 thực chất gồm các ba tầng như hình vẽ

trên, các tầng này tương ứng với các tầng phiên, trình diễn và ứng dụng trong mô

Hình 2.1 OSI 7 tầng.

Trong ZigBee/IEEE 802.15.4 thì chức năng của tầng Application Framework là:

• Dò tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng phủ

sóng của thiết bị đang hoạt động hay không.

• Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng.

Chức năng của tầng Application Profiles là:

• Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng. (thiết bị điều phối mạng, hay thiết

bị đầu cuối, FFD hay RFD….)

• Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.

• Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị mạng.

Chức năng của tầng Application là thực hiện các chức năng do nhà sản xuất qui

định (giao diện…) để bổ sung thêm vào các chức năng do ZigBee qui định.

- - 41


CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA

ZigBee/IEEE 802.15.4

Trong ZigBee/ IEEE802.15.4 sử dụng thuật toán chọn đường có phân cấp nhờ xét

các phương án tối ưu. Khởi điểm của thuật tóan định tuyến này chính là thuật toán

miền công cộng đã được nghiên cứu rất kỹ có tên là AODV (Ad hoc On Demand

Distance Vector) dùng cho những mạng có tính chất tự tổ chức và thuật toán hình cây

của Motorola.

3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand

Distance Vector)

AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) đơn thuần chỉ là thuật toán tìm

đường theo yêu cầu trong mạng ad hoc (một mạng tự tổ chức). Có thể hiểu như sau,

những nốt trong mạng khi mà không nằm trong tuyến đường truyền tin thì không duy

trì thông tin nào về tuyến đường truyền và cũng không tham gia vào quá trình định

tuyến theo chu kỳ. Nói kỹ hơn nữa, một nốt mạng không có chức năng tự định tuyến

và lưu trữ tuyến đường tới một nốt mạng khác cho đến khi cả hai nốt mạng trên liên

lạc với nhau, trừ trường hợp những nốt mạng cũ đề nghị dich vụ như là một trạm

chuyển tiếp để giữ liên lạc giữa hai nốt mạng khác.

Mục đích đầu tiên của thuật toán là chỉ phát quảng bá các gói tin dò đường khi cần

thiết hoặc khi có yêu cầu, việc làm này để phân biệt giữa việc quản lý liên lạc cục bộ

với việc bảo quản giao thức liên lạc chung và để phát quảng bá thông tin về sự thay

đổi trong liên kết cục bộ tới những nốt di động lân cận (là những nốt cần thông tin để

cập nhật). Khi một nốt nguồn cần để kết nối tới nốt khác, mà nốt nguồn không chứa

thông tin về thông tin tuyến đường tới nốt đó, như vậy một quá trình tìm đường được

thiết lập.

Để thiết lập quá trình tìm đường này thì mỗi nốt mạng đều lưu hai bộ đếm độc lập:

sequence number và broadcast id. Để bắt đầu quá trình tìm đường, nốt nguồn sẽ khởi

- - 42


tạo một gói tin tìm đường (RREQ) và phát quảng bá gói tin này tới tất cả các nốt mạng

lân cận, gói tin RREQ này chứa các thông tin về địa chỉ nguồn (source addr), số chuỗi

nguồn (source sequence number), số id quảng bá (broadcast id), địa chỉ đích (dest

addr), số chuỗi đích (dest sequence number), số đếm bước truyền (hop cnt).

Bởi mỗi khi nốt mạng nguồn phát ra một gói tin RREQ mới thì số id quảng bá sẽ

tăng lên, nên trong mỗi gói tin RREQ thì cặp địa chỉ nguồn và số id quảng bá luôn

luôn là duy nhất. Khi nốt mạng trung gian nhận được một gói tin RREQ mới, nó sẽ

đem so sánh địa chỉ nguồn và số id quảng bá với gói tin RREQ trước đó, nếu giống

nhau nốt mạng trung gian này sẽ tự động xóa RREQ dư thừa này và dừng việc phát gói

tin này lại. Nhưng nếu so sánh thấy khác nhau thí nốt mạng này sẽ tự động tăng số

đếm bước truyền (hop cnt) lện và tiếp tục phát quảng bá gói tin RREQ này tới các nốt

lân cận để tiếp tục quá trình tìm đường. Trong mỗi một nốt mạng đều lưu trữ các thông

tin về địa chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn, số id quảng bá, số chuỗi nốt nguồn, và thời

gian thời gian hạn định cho phép gói tin mang thông tin xác nhận được gửi trả lại nơi

phát Khi gói tin RREQ được truyền trên mạng từ nguồn tới đích, nó sẽ tự động thiết

lập con đường ngược lại từ các nốt mạng này quay trở lại nốt nguồn. Để thiết lập tuyến

đường ngược chiều, mỗi nốt phải lưu giữ bảng địa chỉ của các nốt bên cạnh mà nó sao

chép được trong gói tin RREQ đầu tiên. Tuyến đường ngược chiều được lưu giữ trong

thời gian tối thiểu để gói tin RREQ này vượt qua mạng và trở về nơi xuất phát ban

đầu.

Khi RREQ tới một nốt nào đấy mà có thể nốt mạng này là đích đến của nó, hoặc

nốt này nằm trên tưyến đường truyền từ nguồn tới đích, nốt nhận tin này đầu tiên sẽ

kiểm tra xem gói tin RREQ vừa nhận qua kết nối hai chiều. Nếu nốt mạng này chưa

phải là nốt mạng đích nhưng có lưu giữ tuyến đường tới nốt đích, khi đó nó sẽ quyết

định xem xem tuyến đường này có chính xác không bằng cách so sánh số chuỗi nguồn

chứa bên trong gói tin RREQ này với số chuỗi nguồn trong bảng định tuyến của nốt

mạng đó. Nếu số chuỗi đích của RREQ lớn hơn số chuỗi đích trong các nốt trung gian,

thì nốt trung gian đó không không nằm trên tuyến đừơng truyến ứng với gói tin RREQ

này.

Nếu tuyến đường này có số chuỗi đích lớn hơn hoặc bằng với số chuỗi đích trong

- - 43


RREQ nhưng có số bước truyền nhỏ hơn, thì nó có thể phát một gói tin RREP (route

reply packet) trở lại nốt mạng đã phát RREQ cho nó. Một gói tin RREP gồm có các

trường thông tin sau: trường địa chỉ nguồn, trường địa chỉ đích, số chuỗi đích, số đếm

bước truyền và thời gian sống. Khi mà gói tin RREP quay trở lại đựơc nốt nguồn, các

nốt mạng dọc theo tuyến đường của RREP sẽ thiết lập con chỏ hướng tới nốt mạng

RREP vừa đến, cập nhật thông tin timeout (timeout là khoảng thời gian mà một nốt

không còn hoạt động nữa và nằm trong trạng thái chờ) của nó cho bảng định tuyến

đường tới nguồn và đích, đồng thời sao lưu lại số chuỗi đích cuối của nốt đích cần tới.

Những nốt mạng nằm dọc theo tuyến đường xác định bởi RREP sẽ “chết” sau khi

hết thời gian yêu cầu định tuyến và con trỏ đảo bị xóa khi chúng không còn nằm trên

tuyến đường truyền từ nguồn tới đích. Thời gian “chết” này phụ thuộc vào kích cỡ của

mạng.

S

timeout

S

DD

Hình 3.1: Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV

Nốt nguồn có thể phát dữ liệu ngay khi nó nhận được gói tin RREP đầu tiên, đồng

thời cũng luôn cập nhật thông tin về tuyến đường nếu phát hiện ra tuyến đường tối ưu

hơn. Mỗi bảng định tuyến gồm các trường thông tin sau: trường thông tin về đích đến,

bước truyền kế tiếp, số bước truyền, số chuỗi đích, nút lân cận tích cực thuộc tuyến

đường, thời gian chết cho nhập liệu vào bảng định tuyến. Để duy trì đường truyền,

mỗi nốt mạng luôn phải có địa chỉ của các nốt mạng tích cực lân cận (một nốt mạng

- - 44


được coi là tích cực nếu nó có chức năng khởi phát hoặc chuyển tiếp tối thiểu một gói

tin đến đích trong thời gian cho phép). Khi mà bước truyền kế tiếp nằm trong tuyến

đường từ nguồn tới đích này không thực hiện đựơc (tức là thông tin yêu cầu không

được nhận trong một khoảng thời gian nào đó, thông tin yêu cầu này đảm bảo rằng chỉ

có những nốt mạng nào liên lạc hai chiều mới được coi là nốt mạng lân cận). Quá trình

này cứ tiếp diễn đến khi tất cả các nốt nguồn tích cực được thông báo. Nhờ vào việc

nhận những thông báo về gián đoạn đường truyền, mà các nốt nguồn có thể khởi động

lại quá trình tìm đường nếu chúng vẫn cần một tuyến đường tới đích cũ. Nếu nốt

nguồn lựa chọn việc xây dựng lại tuyến đường mới từ nguồn tới đích, nó cần phải

phân phát một gói tin RREQ mới với sô chuỗi đích mới lớn hơn số chuỗi đích cũ.

3.2 Thuật toán hình cây

Giao thức hình cây là giao thức của tầng mạng và tầng datalink, giao thức này sử

dụng gói tin “trạng thái kết nối” để định dạng một mạng hình cây đơn, cũng như một

mạng hình cây mở rộng. Loại mạng này cơ bản là một loại mạng có tính chất tự tổ

chức và tự hỗ trợ để hạn chế lỗi mạng một mức độ lỗi cho phép, đặc biệt hơn do đây

là một loại mạng có tính chất tự tổ chức nên nó cũng có thể tự sửa chữa khi gặp sự cố

ở một nốt mạng nào đó. Các nốt mạng chọn một nốt làm gốc cây và tạo các nhánh cây

một cách tự do. Sau đó cách nhánh cây tự phát triển kết nối tới những nhánh cây khác

nhờ vào thiết bị gốc (DD- Designated Device).

3.2.1 Thuật toán hình cây đơn nhánh

Quá trình hình thành nhánh cây bắt đầu bằng việc chọn gốc cây. Sau khi một nốt

gốc được chọn, nó sẽ mở rộng kết nối với các nốt khác để tạo thành một nhóm.

Sau khi một nốt được kích hoạt nó sẽ dò tìm HELLO message từ các nốt khác

(HELLO message tương tự như beacon trong tầng MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4).

Nếu trong một thời gian nhất định nào đó nó không nhận được bất kỳ một HELLO

message nào, thì nốt này sẽ tự trở thành nốt gốc và lại gửi HELLO message tới các nốt

- - 45


lân cận. Nốt gốc mới này sẽ chờ gói tin yêu cầu kết nối từ các nốt lân cận trong một

khoảng thời gian nào đó, nếu nó vẫn không nhận đựơc bất kỳ yêu cầu kết nối nào từ

các nốt lân cận thì nó sẽ trở lại thành một nốt bình thường và lại tiếp tục dò tìm

HELLO_MESSAGE. Nốt gốc cũng có thể được chọn lựa dựa trên tham số của mỗi nốt

mạng (ví dụ như phạm vi truyền, công suốt, vị trí, khả năng tính toán ).

Nốt A Nốt B

Quá trình kích

hoạt và dò tìm

HELLO_MESSAGE

Quá trình kích hoạt

Chuyển thành nốt gốc và dò tìm

(CH_cluster head) HELLO_MESSAGE HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối

Quá trình thiết lập kết nối

Hình 3.2 Quá trình chọn nốt gốc (CH)

Sau khi trở thành nốt gốc, nó sẽ phát quảng bá gói tin HELLO_MESSAGE theo

chu kỳ, gói tin HELLO_MESSAGE này gồm một phần địa chỉ MAC và địa chỉ ID của

nốt gốc. Những nốt mạng nhận đựợc gói tin này sẽ gửi trả lời lại bằng gói tin yêu cầu

kết nối (REQ) tới nốt gốc (nơi vừa phát đi). Khi nốt gốc nhận đựợc gói tin yêu cầu kết

nối, nó sẽ ngay lập tức gửi trả lại gói tin vừa đưa ra yêu cầu bằng một gói tin khác

CONNECTION_RESPONSE., gói tin này chứa địa chỉ ID cho nốt thành viên (nốt B),

địa chỉ ID này do nốt gốc qui định. Để xác nhận thông tin thì nốt thành viên B này sẽ

gửi lại nốt gốc gói tin Ack. Quá trình trao đổi tin này được mô tả qua hình3.3

- - 46


Nốt A Nốt B

(CH) (nốt thành viên)

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối (REQ)

Đáp ứng kết nối (RES)

ACK

Coi nốt B là nốt “con” Coi nốt A là nốt “gốc”

Thiết lập kết nối

Hình3.3 Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên

Nếu tất cả các nốt đều ở trong phạm vi phủ song của nốt gốc thì kiến trúc mạng là

kiến trúc hình sao, tất cả các nốt thành viên sẽ liên lạc trực tiếp với nốt gốc qua một

bước truyền (onehop). Một nhánh có thể phát triển thành cấu trúc mạng liên lạc qua

nhiều bước truyền (multihop).

- - 47


Nốt A Nốt B Nốt C

(CH) (nốt thành viên) (nốt thành viên)

HELLO_MESSAGE

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối (REQ)

Yêu cầu NID (nodeID)

Đáp ứng NID (nodeID)

Đáp ứng kết nối (RES)

ACK

ACK

Coi nốt C là “con” Nốt B coi nốt Coi nốt B là

của nốt B C là nốt “con” nốt gốc

Hình thành kết nối

Hình 3.4 Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc

Tất nhiên nốt gốc chỉ có thể quản lý được một số hữu hạn các nốt, và các nhánh

của mạng cũng chỉ có thể vươn tới những khoảng cách hạn chế… chính vị thế mà có

lúc nốt mạng cũng cần phải từ chối kết nối của những nốt mới. Việc từ chối này được

thực hiện nhờ vào việc chỉ định một ID đặc biệt cho nốt này. Bảng danh sách các nốt

lân cận và tuyến đường luôn luôn được cập nhật mới thông qua gói tin

HELLO_MESSAGE. Trong một thời gian nhất định, nếu vì một lý do nào đó mà một

nốt không đựợc cập nhật các thông tin trên thì nó sẽ bị loại bỏ.

Tất nhiên trong một mạng có tính chất tự do, tự tổ chức như loại mạng này thì

không thể tránh khỏi việc một nốt mạng thuộc nhánh này lại nhận đựợc gói tin

HELLO_MESSAGE của nhánh khác. Vậy trong trường hợp này nốt mạng này sẽ tự

động thêm địa chỉ ID của nhánh mới này (CID) vào danh sách các nốt lân cận và gửi

nó tới nốt gốc (CH) thông qua gói tin báo cáo tình trạng đường truyền, để từ đó nốt

gốc (CH) có thể biết được nhánh mạng nào tranh chấp để xử lý.

- - 48


Bản tin báo cáo tình trạng kết nối cũng chứa danh sách ID nốt lân cận của nốt đó,

điều này giúp cho nốt gốc biết đựợc trọn vẹn cấu trúc mạng để có thể đưa ra cấu trúc

tối ưu. Khi cấu trúc mạng cần thay đổi, nốt gốc (CH) sẽ phát đi bản tin cập nhật tới các

nốt thành viên. Nốt thành viện nào nhận đựợc bản tin cập nhật này lập tức thay đổi các

thông tin về nốt gốc như trong bản tin này, đồng thời cũng tiếp tục gửi đến các nốt ở

cấp thấp hơn trong nhánh cây tại thời điểm đó.

Khi một nốt thành viên có vấn đề, không thể kết nối được thì nốt gốc phải định

dạng lại tuyến đường. Thông qua bản tin báo cáo tình trạng đường truyền được gửi

theo chu kỳ thì nốt gốc có thể biết được vấn đề của nốt mạng đó. Nhưng khi nốt gốc

gặp phải vấn đề trong liên lạc thì việc phát bản tin HELLO_MESSAGE theo chu kỳ sẽ

bị gián đoạn, khi đó các nốt thành viên sẽ mất đi nốt gốc, và nhánh đó sẽ phải tự định

dạng lại từ đầu theo cách tương tự như quá trình định dạng nhánh cây

3.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh

Để tạo định dạng lên loại mạng này thì cần phải sử dụng thiết bị gốc (DD). Thiết bị

này có trách nhiệm gán địa chỉ ID nhóm (địa chỉ này là duy nhất) cho các nốt

gốc(CH). Địa chỉ ID nhóm này kết hợp với địa chỉ ID nốt (là địa chỉ NID mà nốt gốc

gán cho các nốt thành viên trong nhánh của mình) tạo ra địa chỉ logic và đựợc sử dụng

trong các gói tin tìm đường. Một vai trò quan trọng nữa của thiết bị gốc DD là tính

toán quãng đường ngắn nhất từ nhánh mạng tới DD và thông báo nó tới tất cả các nốt

mạng.

- - 49


DD CH

Nốt trung gian

HELLO_MESSAGE


Đáp ứng kết nối

ACK

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

HELLO_MESSAGE

DD

CH (CID 0) nhánh số 0

Hình3.5 Gán địa chỉ nhóm trực tiếp

Khi thiết bị gốc DD tham gia vào mạng, nó sẽ hoạt động như một nốt gốc của

nhánh số 0 (CID 0) và bắt đầu phát quảng bá HELLO_MESSAGE tới các nốt lân cận.

Nếu một nốt gốc (CH) nhận được bản tin này, nó sẽ gửi bản tin yêu cầu kết nối tới DD

để tham gia vào CID 0, sau đó nốt gốc này sẽ yêu cầu DD gán cho nó một ID nhánh

(CID). Như vậy thì nốt gốc này có hai địa chỉ logic, một là thành viên của CID 0, thứ

hai là địa chỉ của nốt gốc. Khi nốt gốc tạo ra một nhánh mới, (một CID mới), nó sẽ

thông báo đến các nốt thành viên của nó bằng bản tin HELLO_MESSAGE.

- - 50


DD Nốt trung gian CH

HELLO_MESSAGE

Thông báo danh sách

đính kèm CID0

Yêu cầu kết nối mạng Nhánh số 0

Ỵêu cầu kết nối DD Nốt trung gian


ACK

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

Đáp ứng kết nối mạng

HELLO_MESSAGE

HELLO_MESSAGE

CH

Hình 3.6: Gán địa chỉ nhóm qua nốt trung gian

Khi một thành viên nhận đựợc bản tin HELLO_MESSAGE từ thiết bị DD, nó sẽ

thêm địa chỉ ID của CID 0 vào danh sách thành viên rồi thông báo cho nốt gốc. Nốt

gốc đựợc thông báo này sẽ chọn nốt thành viên này như là một nốt trung gian giữa nó

với nốt gốc của nó, rồi gửi bản tin yêu cầu kết nối mạng tới các nốt thành viên để thiết

lập kết nối với thiết bị DD. Nốt trung gian này yêu cầu một kết nối và tham gia vào

thành viên của nhóm số 0. Sau đó nó sẽ gửi bản tin yêu cầu CID tới thiết bị DD. Đến

khi nhận đựợc đáp ứng CID, nốt trung gian này gửi bản tin đáp ứng liên kết mạng này

tới nốt CH, bản tin này chứa các thông tin về địa chỉ ID nhánh mới cho nốt gốc CH.

Sau khi nốt gốc có đựợc CID mới, thì cách thành viên trong nhánh của nốt gốc cũng sẽ

nhận đựợc thông qua HELLO_MESSAGE

- - 51


DD CH1 CH2

(CID assigned)

DD

CH2 CH1

HELLO_MESSAGE



ACK

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

HELLO_MESSAGE Nốt trung gian

Hình 3.7: Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc

DD CH1 Nốt trung gian CH2

(CID được DD gán)

HELLO_MESSAGE

Thông báo danh

sách kèm CID

Yêu cầu kết

nối mạng



ACK

Yêu cầu cấp CID

Đáp ứng CID

Đáp ứng kết

nối mạng

HELLO_MESSAGE Nốt trung gian

HELLO_MESSAGE

DD

CH1

CH2

Hình 3.8: Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc và nốt trung gian

- - 52


Trong mạng này thì việc tự tổ chức mạng là một tính chất khá mạnh mẽ, và mềm

dẻo. Cứ nhánh mạng liền trước sẽ có nhiệm vụ gán CID cho nhánh mạng sau. Quá

trình này được mô tả rõ nét hơn ở hình 3.5;3.6;3.7;3.8.

Mỗi một nốt thành viên của nhánh phải ghi lại thông tin về nhánh gốc và các nhánh

con của nó, hoặc cả ID của nốt trung gian nếu có. Thiết bị gốc phải có trách nhiệm lưu

giữ toàn bộ thông tin về cấu trúc cây mạng của các nhánh.

Cũng giống như các nốt thành viên của nhánh thì các nốt gốc CH cũng là thành

viên của thiết bị gốc và như vậy chúng cũng phải có trách nhiệm thông báo tình trạng

đường truyền đến DD. Để thực hiện thì nốt gốc phải gửi định kỳ bản tin thông báo tình

trạng đường truyền trong mạng tới DD, bản tin này chứa danh sách CID lân cận. DD

sau khi xử lý thông tin sẽ tính toán, chọn lựa ra đường truyền tối ưu nhất rồi thông báo

định kỳ tới các nhánh của nó thông qua bản tin cập nhật.

Như trên ta có thể thấy vai trò của thiết bị gốc này là rất quan trọng, chính vì thế

luôn cần có những thiết bị gốc dự phòng (BDD) sẵn sàng thay thế thiết bị chính khi

gặp sự cố. Hình 3.9 mô tả việc liên lạc trong nhánh. Các nốt trung gian vừa liên kết cá

nhánh mạng, vừa chuyển tiếp các gói tin giữa các nhánh mạng. Khi nốt trung gian

nhận đựợc một gói tin, nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích của gói tin đó, sau đó sẽ chuyển tới

địa chỉ đích của nó nếu địa chỉ đích nằm trong nhánh này hoặc là chuyển tiếp tới nốt

trung gian tiếp theo của nhánh liền kề nếu địa chỉ đích không nằm trong nhánh của nó.

- - 53


Nốt trung gian

Nốt trung gian

DD/CH0

CH1 CH3

Nốt trung gian

CH2

CH4

CH: nốt gốc DD: thiết bị định vị

Hình 3.9: Mạng cây đa nhánh và các nốt trung gian

Chỉ duy nhất thiết bị gốc mới có thể gửi bản tin tới tất cả các nốt trong mạng, bản

tin này đựợc chuyển dọc theo tuyến đường của các nhánh. Các nốt trung gian thì

chuyển tiếp các gói tin quảng bá từ nhánh gốc đến các nhánh con.

- - 54


PHẦN C: ỨNG DỤNG KẾT NỐI THIẾT BỊ PICDEM Z

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z

1.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu tổng quan những đặc điểm và những yêu cầu của bộ trình

diễn PICDEM Z. Những chủ đề cần được hiểu trong chương này gồm:

• Những việc mà bộ trình diễn PICDEM Z làm.

• Những thành phần của bộ trình diễn PICDEM Z.

• Tổng quan về bộ trình diễn PICDEM Z.

• Board mạch chủ PICDEM Z.

• Card RF PICDEM Z.

• Đĩa phần mềm PICDEM Z.

1.2 Ứng dụng

Bộ trình diễn PICDEM Z được thiết kế để cho phép những người phát triển đánh

giá và thử nghiệm với những giải pháp Microchip cho giao thức Zigbee. Bộ trình diễn

PICDEM Z cung cấp hai nút Zigbee để tạo một mạng hai nút đơn giản. Nếu có yêu

cầu, thêm nút mạng có thể mua để bổ sung thêm cho mạng. Vì chương trình ứng dụng

demo được lập trình trước cho phép nhiều cấu hình thao tác mà không có việc sửa đổi

một đường dây đơn của mã. Việc sử dụng mã nguồn Microchip Stack cho giao thức

Zigbee, thì sẵn có miễn phí và tích nạp từ trang web Microchip, người phát triển có thể

phát triển những ứng dụng cho riêng họ hoặc sửa những ứng dụng demo được cung

cấp.

- - 55


1.3 Thành phần của bộ trình diễn Picdem Z

Bộ trình diễn PICDEM Z gồm những món đồ sau:

• 2 board mạch chủ trình diễn PICDEM Z.

• 2 card RF PICDEM Z.

• 2 cục pin vuông 9V.

• Đĩa CD “The Microchip software CD for Zigbee CD-ROM”, trong đó giữ

chương chình demo và mã nguồn cho Microchip Stack.

• Tài liệu Manual (bao gồm trong đĩa CD-ROM định dạng Adobe)

• Một card đăng kí được chứng nhận.

1.4 Tổng quan về bộ trình diễn Picdem Z

Bộ trình diễn PICDEM Z (cũng có thể gọi tắt là bộ PICDEM Z) được thiết kế để

trình diễn cho giải pháp Microchip về giao thức Zigbee. Bộ PICDEM Z bao gồm 2 nốt

Zigbee, mỗi cái được lập trình sẵn với bộ phối hợp demo và chương trình giảm bớt

chức năng thiết bị (RFD). Mỗi nốt gồm có 2 board mạch một là board mạch chủ và

một card RF. Board mạch chủ PICDEM Z được thiết kế để tương thích những kiểu

khác nhau những bộ thu và phát RF. Microchip sẽ thêm vào hỗ trợ cho bộ phát nhận

RF mới cho mỗi tiến trình. Để hoàn thành danh sách hỗ trợ thiết bị thu phát RF, vui

lòng truy cập trang web Microchip.

Ngoài việc dùng để trình diễn chức năng chuẩn Zigbee, thì bộ PICDEM Z còn

được dùng để phát triển ứng dụng dựa vào giao thức Zigbee. Bộ này bao gồm mã

nguồn hoàn chỉnh cho Microchip Stack theo giao thức Zigbee. Ứng dụng Microchip

ghi chú ở tài liệu AN965 Microchip Stack For The Zigbee™ Protocol (DS00965) thảo

luận Microchip Stack thêm nhiều chi tiết hơn.

- - 56


1.5 Board mạch chủ Picdem Z

Board trình diễn PICDEM Z hay board chủ, thì có đầy đủ những đặc tính cần thiết

để bắt đầu phát triển những ứng dụng trên nền giao thức Zigbee sử dụng Microchip

PIC18 họ Vi điều khiển. Vi chương trình được lập trình sẵn cho phép người dùng bắt

đầu ước lượng cho board khi lấy ra khỏi hộp mà không cần lập trình bổ sung hay cấu

hình.

Hình 1.1: Bo mạch chủ Picdem Z

Những đặc điểm trên board mạch trình diễn PICDEM Z bao gồm:

• Microcontroller socket(U4): 40 và 28 chân DIP những chân này được cung

cấp cho lựa chọn người dùng về vi điều khiển Microchip PIC18. Board mạch

này thì được trang bị từ khi xuất xưởng với một PIC18LF4620 vi điều khiển

hiệu năng cao, được khóa ở tần số 4Mhz và được lập trình trước với vi chương

- - 57


trình ứng dụng demo dùng Microchip stack. Vi điều khiển trên mỗi board bao

gồm trong bộ trình diễn chứa một nhãn để nhận diện nó như là một Zigbee

Coordinator (hiểu như là trình phối hợp) hoặc Zigbee RFD (giảm bớt chức năng

thiết bị)

• Temperature sensor(U3: TC77) Đây là một cảm biến nhiệt 5 chân với một PSI

(per square inche = trên mỗi inche vuông) bề mặt của Microchip

• User-defined LEDs(D1,D2): Đây là 2 diode phát sáng được dẫn dắt điều khiển

bởi những chân tín hiệu số vào ra, và có thể được sử dụng để mô phỏng một tín

hiệu ngỏ ra tới thiết bị được gài vào. Những diode phát sáng này được dùng

hoặc tắt bằng bằng những chân nhảy JP2 và JP3. Mặc định, những diode phát

sáng này được cho phép bật bởi những chân nhảy ngắn cố định theo đường vệt

PCB. Nếu được yêu cầu, bạn có thể cắt vệt và cài chân nhảy theo ý mình.

• User-defined Push Buttons (S2,S3): Đây là những nút chuyển được kết nối

đến những chân tín hiệu vào ra trên bộ điều khiển, và có thể được sử dụng để

mô phỏng 1 tín hiệu ngỏ vào trong một ứng dụng đượ nhúng vào. Những nút

chuyển này thì không có cần gạt bên ngoài điện trở. Như vậy thì bạn phải kích

hoạt cho phép ở tùy chọn bật lên nằm trong PORTB để đọc đúng trạng thái

chuyển đổi

• Reset Push Button (S1): Nút chuyển này cố định đến chân MCLR trên bộ điều

khiển, và nó được dùng để reset lại cho board mạch

• RJ-11(6 dây) Modular Connector (J5) : Chỗ kết nối này cho phép board mạch

trình diễn kết nối đến Microchip MPLAB ICD 2 hệ thống cho việc lập trình và

gỡ lỗi nâng cao cho vi điều khiển

• RS-232 (DB9F) Connector (P1) : Chỗ kết nối này cho phép board mạch trình

diễn kết nối một board mach khác hay cổng PC Serial. Vi chương trình ứng

dụng demo được lập trình sẵn sử dụng kết nối này để giao tiếp với 1 PC và đề

xuất tùy chọn cấu hình ứng dụng. Nếu được yêu cầu, ban có thể ngưng kết nối

trên board RS-232 từ bộ điều khiển bằng cách làm gãy vệt PCB trên chân nhảy

J3

- - 58


• RF Card Connector (J2): Đây là đầu kết nối chung để kết nối tất cả được hổ

trợ những card RF. Đầu kết nối này được cung cấp nguồn DC +3.3V, mát, và 1

tuyến SPI, và một vài tín hiệu điều khiển tín hiệu số vào ra khác nhau.

• Prototype Area: Một vùng nguyên mẫu được cung cấp cho breadboard thêm

vào circuitry để phát triển.

• On-board Power: Một bộ điều phối theo board mạch cung cấp 9V DC đến

3.3V DC ở 100mA. Board mạch có thể được cấp nguồn theo đường khác một

nguồn 9V DC gắn ngoài vào(J1) hoặc cục pin 9V theo board mạch(B1). Board

mạch chứa 1 con diode để bảo vệ chống lại những rủi ro khi kết nối nguồn đảo

ngược. Khi sử dụng 1 pin 9V làm nguồn cho board, thì nút chuyển S7 phải

được bật lên ON. Jack 2.5mm cho 9V DC được cố định bằng khung kim loại để

mà khi đưa vào 9V DC được chèn vào, pin theo board mạch được tự động ngắt

đi trên mạch

• Measure Current(JP4): Chân nhảy này có thể được sử dụng để đo lường sự

kéo hiện tại những vùng trên board mạch. Mặc định, những chân nhảy này được

làm chạm bởi vệt PCB. Để đo hiện thời, cắt vệt JP4 và đưa vào một thiết bị đo

ampe giữa những thiết bị đầu cuối JP4. Bạn còn có thể đặt vào điện trở tại R9

và đo điện áp đi qua để xác định dòng.

• Node ID: Số hiệu duy nhất này được sử dụng bởi vi chương trình ứng dụng

trình diễn được lập trình trước để tạo 1 địa chỉ điều khiển truy nhập môi trường

mở rộng 64 bit duy nhất (MAC). Địa chỉ mở rộng MAC của board mạch có thể

bị thay đổi bởi 1 cấu hình số hiệu khác hoặc bằng cách sửa đổi vi chương trình.

1.6 Card RF Picdem Z

Board mạch chủ PICDEM Z được thiết kế để hổ trợ những card RF dùng những bộ

thu phát RF từ các nhà cung cấp khác nhau. Microchip lập kế hoạch thêm vào sự hỗ

trợ cho các bộ thu phát RF mới. Vui lòng truy cập trang web Microchip để biết thêm

danh sách đã hỗ trợ những bộ thu phát RF.

- - 59


Xem phụ lục B. “PICDEM Z 2.4 GHz RF Card” cho thông tin những card RF được

cung cấp trong bộ trình diễn PICDEM Z của bạn.

1.7 Đĩa phần mềm Picdem Z

CD cung cấp mã nguồn đầy đủ cho Microchip Stack theo giao thức ZigBee. Nó

cũng bao gồm 2 ứng dụng cơ sở demo cho Microchip Stack. Bạn cũng có thể tải về

phiên bản mới nhất cho Microchip Stack tại trang web Microchip.

- - 60


CHƯƠNG II: CÀI ĐẶT BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z

2.1 Giới thiệu

Những chủ đề được đề cập trong chương này gồm:

• Những yêu cầu của máy chủ.

• Việc sử dụng những board mạch PICDEM Z lần đầu.

• Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn.

2.2 Yêu cầu của máy chủ

Những ứng dụng demo được lập trình sẵn thì không yêu cầu máy chủ để quan sát

chức năng. Tuy nhiên , một máy chủ được yêu cầu nếu muốn thay đổi cấu hình ứng

dụng demo mặc định

Để thay đổi cấu hình ứng dụng demo, cần phải có một hệ thống nó gồm những yêu

cầu phần cứng và phần mềm sau đây:

• Bất kì hệ thống máy tính có sẵng một tiêu chuẩn cổng nối tiếp (DB9)

• Bất kì hệ điều hành mà cung cấp một chuẩn chương trình đầu cuối RS-232 sử

dụng phần cứng có sẵng cổng nối tiếp.

Bộ trình diễn PICDEM Z bao gồm 1 CD nó chứa mã nguồn đầy đủ cho cả những

ứng dụng demo và cả Microchip Stack. Để thấy nội dung của CD, thay đổi những ứng

dụng demo hoặc phát triển ứng dụng của riêng bạn bạn phải có một hệ thống đáp ứng

được yêu cầu của hệ thống Microchip MPLAB. Hãy truy cập trang web Microchip để

cập nhật những yêu cầu hệ thống mới và download về phần mềm mới cho Microchip

MPLAB.

2.3 Lắp ráp và cài đặt

- - 61


2.3.1 Lắp ráp các phần cho PICDEM Z

Bộ trình diễn PICDEM Z gồm có hai board mạch nút ZigBee. Mỗi nút ZigBee gồm

có một board mạch chủ và một card RF được đóng gói rời nhau. Ta phải lắp ráp từng

nút hoàn chỉnh trước khi cấp nguồn.

Hãy làm theo các bước sau đây để chuẩn bị cho mỗi nút:

• Mở hộp đựng và tháo bao đóng gói cho mỗi board mạch và đặt chúng trên một

bề mặt không dẫn điện.

• Cẩn thận cắm card RF vào chỗ kết nối J2 trên board mach chủ. Lưu ý rằng

những chỗ kết nối trên board mạch chủ và card RF đã được phân cực và sẽ

không cho phép sai khi cắm vào.

• Nếu cấp một nguồn điện DC 9V với đầu cắm là 2.5mm, board mạch sẽ bật

nguồn. Nếu không, thì cấp một cục pin vuông 9V vào chỗ cắm BT1 và đẩy

công tắc S7 lên vị trí ON. Quan sát những đèn Diode D1 và D2 đã sáng lên.

Điều này để xác thực rằng các board mạch đang hoạt động bình thường.

- - 62


2.3.2 Cài đặt các tập tin phần mềm PICDEM Z

Bộ trình diễn PICDEM Z chứa đầy đủ mã nguồn cho Microchip Stack theo giao

thức ZigBee và những ứng dụng demo. Microchip Stack theo giao thức ZigBee có thể

được nạp miễn phí cho khách hàng Microchip. Như một phần của quá trình cài đặt,

phải chấp nhận một thỏa thuận điện tử về bản quyền phần mềm để tiếp tục việc cài đặt.

Để cài đặt các tập tin thì theo các bước sau:

• Đưa CD phần mềm PICDEM Z vào ổ đĩa CD-ROM.

- - 63


• Sử dụng Windows Explorer để mở CD và bắt đầu quá trình cài đặt bằng cách

đúp click vào biểu tượng MpZBeev1.00.00.exe. Con số phiên bản 1.00.00 có

thể thay đổi bởi một phiên bản mới hơn.

• Thực hiện xong, xem lại thỏa thuận bản quyền phần mềm và click I accept để

chấp nhận thỏa thuận bản quyền và tiếp tục quá trình cài đặt. Nếu muốn hủy thì

click I do not accept cài đặt sẽ bị hủy.

• Sau khi hoàn tất quá trình cài đặt, một nhóm chương trình mới có tên là

“Microchip Stack for ZigBee” sẽ được tạo và tất cả những tập tin nguồn sẽ

được sao chép đến thư mục “MpZBee” tại thư mục gốc máy tính. Nhóm

chương trình này cung cấp các shortcut cho tất cả các tài liệu.

2.4 Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn

Để mà quan sát đầy đủ các chức năng của những ứng dụng demo, thì ta phải có

một node demo Coordinator và có một nốt DemoRFD với các card RF giống nhau. Ở

phần cuối của tài liệu này, ta có thể cấu hình lại các board mạch để có thể sử dụng

nhiều hơn một nốt RFD.

Hai ứng dụng demo Coordinator và RFD được lập trình sẵn thực hiện một thường

lệ điều khiển từ xa những ứng dụng LED và công tắc. Để hiểu thêm thông tin về các

ứng dụng demo đó, hãy tham khảo đến ghi chú AN965 Microchip application,

Microchip Stack for the ZigBee™ Protocol( DS00965)

Các ứng dụng demo thì hoàn toàn độc lập và không yêu cầu một giao diện cho một

máy tính chủ. Tuy nhiên, nếu đã vào một máy tính chủ, ta có thể sử dụng nó để theo

dõi các hoạt động nhật ký lại của những ứng dụng. Một giao diện cho một máy tính

chủ thì rất có ích cho việc hiểu và sửa chữa bất kì những vấn đề cài đặt mà ta mắc

phải.

Làm như sau để thực thi một ứng dụng demo được lập trình sẵng:

• Chắc chắn rằng ta đã ráp từng node bằng cách gài card RF vào board mạch chủ.

- - 64


• Cắt nguồn cung cấp cho cả hai board mach, nếu nó được cấp nguồn từ trước

• Tại vị trí nút Coordinator tìm kiếm nhãn “COORD…”trên bộ điều khiển.

• Không bắt buộc: kết nối nút Coordinator tới một cổng nối tiếp của máy tính

PC và bắt đầu chương trình Terminal, ví dụ hyerTerminal trong Windows XP.

Chọn cổng COM thích hợp và đặt tốc độ 19200 bps, 8-N-1, no flow control.

• Cấp nguồn cho nút Coordinator. Theo dõi cả hai đèn diode D1 và D2 sáng đồng

thời, sau đó đèn D2 sáng. Nếu kết nối được một PC, quan sát chương trình

Terminal sẽ hiển thị thông điệp “ New network successfully started ”.

• Bây giờ xác định vị trí nút RFD bằng cách tìm nhãn “RFD…” trên bộ điều

khiển.

• Không bắt buộc: kết nối nút RFD tới một cổng nối tiếp của máy tính PC và bắt

đầu chương trình Terminal. Chọn cổng COM thích hợp và đặt tốc độ 19200

bps, 8-N-1, no flow control.

• Trong khi giữ nút Coordinator cho đến khi có điện, cấp nguồn cho nút RFD.

Quan sát cả hai đèn Diode D1 và D2 sáng đồng thời, sau đó đèn D2 sáng. Nếu

kết nối được đến PC, quan sát đèn D2 trong vòng 1 đến 2 giây, thì chương trình

Terminal sẽ hiển thị thông điệp “Rejoin successful”. Nếu không thấy bất kì

thông điệp nào hoặc thấy thông điệp “Rejoint failed”, hãy chắc chắn rằng đã có

một node Coordinator được hỗ trợ và chạy tốt; xác lập lại nút RDF và thử lại

lần nữa.

• Tại thời điểm này, các node RFD đã liên kết thành công với các node

Coordinator.

• Nhấn S2 trên node RFD và quan sát rằng D1 trên node Cordinator công tắc

on/off.

• Nhấn S2 trên Coordinator và quan sát rằng D1 trên nút RFD công tắc on/off.

Khi nhấn S2 ở Coordinator, D1 trên node RDF sẽ thay đổi sau vài phút. Sự trì

hoãn này xảy ra do tần số mà ở đó node RFD thăm dò node Coordinator.

- - 65


Lưu ý : Trên thực tế phạm vi song vô tuyến cho các nút PICDEM Z phụ

thuộc vào loại card RF và anten sử dụng. Hãy tham khảo hướng dẫn sử dụng

về card RF để biết thông tin phạm vi

- - 66


CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ TRÌNH DIỄN

PICDEM - Z

3.1 Giới thiệu

Những chủ đề được đề cập trong chương này bao gồm:

• Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo.

• Kiểm tra hiệu suất RF

• Sửa đổi cấu hình phần cứng

• Phát triển phần mềm

• Tạo tập tin nguồn ứng dụng

3.2 Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo

Những ứng dụng demo được lập trình sẵn thì được cấu hình khi xuất sưởng với

một số cấu hình cụ thể như là node nhận dạng, liên kết mạng và ràng buộc thông tin.

Khi cần thiết, có thể dễ dàng thay đổi những cấu hình đó thông qua một PC đang chạy

chương trình Terminal RS-232.

Hai ứng dụng Demo Coordinator và Demo RFD sử dụng một giao diện terminal

tương tự với các phần nhỏ khác trong cấu hình tùy chon có sẵn. Một số tùy chọn yêu

cầu sử dụng theo tiêu chuẩn phần mềm Terminal, trong khi đó một số tùy chọn khác

được thực hiện bởi một chuỗi chuyển đổi tiến trình mà không cần phần mềm Terminal.

Để có thể thực hiện các bước phụ thuộc Terminal, cần phải có quyền truy cập tối thiểu

một cáp RS-232 (DB9, male-to-female), một máy tính chủ với tối thiểu một cổng nối

tiếp có sẵng và một chương trình Terminal chuẩn

- - 67


3.2.1 Thay đổi giá trị ID Node

Như xác định trong tiêu chuẩn kĩ thuật của IEEE 802.15.4, mỗi node ZigBee cần

phải chứa một địa chỉ MAC 64-bit duy nhất. Một phần của địa chỉ 64-bit bao gồm 24-

bit IEEE được giao bởi tổ chức Organization Unique Identifier (OUI) và còn 40-bit

còn lại do tổ chức sản xuất cấp. Những ứng dụng demo PICDEM Z tạo một địa chỉ

MAC hoàn chỉnh bằng cách kết hợp OUI Microchip là 00-04-a3 và không thêm vào

16-bits của giá trị nút ID nhãn tìm thấy trên board. Giá trị ID nút được lưu trữ trong

bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Các board mạch PICDEM Z thì được cấu hình lúc xuất

xưởng với giá trị ID node riêng biệt. Khi cần thiết, có thể dễ dàng thay đổi giá trị ID

node bằng cách làm theo các bước sau.

Chú Ý: Dưới đây là những thủ tục giả định rằng đang sử dụng của Microsoft

chương trình HyperTerminal. Ta có thể sử dụng bất kỳ chương trình Terminal

theo sự lựa chọn, cung cấp theo yêu cầu port cài đặt được thiết lập

Làm theo các bước sau để sửa đổi một giá trị ID nút:

• Kết nối một nút PICDEM Z tới một cổng nối tiếp có sẵn trên máy tính, sử dụng

một cáp nối DB9 RS-232 thẳng male-to-female.

• Chạy HyperTerminal (Start>Programs>Accessories>Communications).

• Trong hộp thoại “Connect To”, chọn cổng COM mà board mạch PICDEM Z

được kết nối đến. Nhấn OK.

• Cấu hình cổng nối tiếp đã kết nối đến nút PICDEM Z với các thông số cấu hình

như sau: 19200 bps, 8 data bits, 1 Stop bit, và no parity, no flow control.

• Nhấn OK để bắt đầu kết nối.

• Mở hộp thoại “Properties” bằng cách chọn File>Properties.

• Chọn thanh tab “Settings” và nhấn ASCII Setup…

• Đánh chọn “Echo typed characters locally”.

- - 68


• Nhấn OK để tắt tất cả các hộp thoại đang mở.

• Cấp nguồn cho Nút trong khi vẫn giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả Reset và

công tắc S3 và sau đó cắt điện công tắc Reset

Sau đây là menu cấu hình sẽ xuất hiện trong của sổ terminal (Tiêu đề văn bản

chính xác sẽ phụ thuộc vào loại node mà đã được cấu hình lại và ngày thiết lập):

***************************************************************************

ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0)

Built on Nov 12 2006

***************************************************************************

1. Set node ID...

2. Join a network.

3. Perform quick demo binding (Must perform #2 first)

4. Leave a previously joined network (Must perform #2 first)

5. Change to next channel.

6. Transmit unmodulated signal.

7. Transmit random modulated signal.

0. Save changes and exit.

Enter a menu choice:

• Đánh 1 để thay đổi giá trị Node ID.

• Theo các kiến trúc để nhập vào giá trị Node ID.

• Nhấn Reset ở trên node hoặc đánh 0 để thoát chế độ cấu hình và chạy ứng dụng

3.2.2 Thay đổi cấu hình Association và Binding

Những node PICDEM Z được cấu hình khi xuất xưởng gồm những cài đặt sau:

1. Node demo RDF thì được liên kết với node demo Coordinator.

- - 69


2. Công tắc S2 trên node demo RFD thì biễu diễn bởi LED D1 trên node demo

Coordinator.

3. Công tắc S2 trên node demo Coordinator thì biễu diễn bởi LED D1 trên node

demo RFD.

Nó là những cấu hình mà cho phép khi nhấn S2 trên mỗi node và điều khiển LED

D1 ở node còn lại. Khi cần thiết, có thể dễ dàng sửa đổi những cấu hình đó sử dụng

thủ tục binding thường lệ được bổ sung trong những ứng dụng demo. Ví dụ, ta có thể

ràng buộc S2 ở node RFD đến D1 trên node tương tự hoặc một node RFD khác (Chắc

chắn rằng đã có nhiều hơn một node RFD).

Mặc dù những thủ tục sau đây không cần yêu cầu một PC, nhưng có thể sử dụng

một PC để giám sát những thông điệp cài đặt được hiển thị bởi những ứng dụng demo.

Những thông điệp đó rất có ích để hiểu biết và sữa chữa cài đặt. Có thể quan sát thông

điệp cài đặt sử dụng một chương trình Terminal và đặt là 19200 bps, 8-N-1, no flow

control.

Làm theo sau để sửa đổi các cấu hình association và binking:

1. Cắt nguồn tất cả các node.

2. Cấp nguồn cho node Coordinator (là node có nhãn là “COORD…” trên bộ điều

khiển) tránh nhấn bất kì công tắc nào, hoặc nếu đã có nguồn sẵn, dễ dàng thiết

lập lại board mạch bằng cách nhấn công tắc Reset, điều này đưa node

Coordinator vào trạng thái hoạt động bình thường. Quan sát rằng D1 và D2

sáng sau ngay lập tức sau khi đèn D2 sáng trước. Nếu kết nối được với một

chương trình Terminal, thông báo rằng thông điệp “New network successfully

started” được hiển thị. Nếu nhìn thấy một thông điệp lỗi xuất hiện, nó có nghĩa

là demo Coordinator không tìm thấy một kênh RF trống nào.

3. Trong khi vẫn giữ node Coordinator được cấp điện, thì cấp nguồn cho node

RFD (một node với nhãn “RFD…” trên chip điều khiển ) trong khi giữ công tắc

S3, hoặc nhấn và giữ cả công tắc Reset và S3; sau đó thả công tắc Reset ra.

Quan sát rằng đèn D1 và D2 đều sáng. Nếu kết nối đến một chương trình

Terminal, thông báo là danh mục cấu hình được hiển thị.

- - 70


4. Nếu có nhiều hơn một node RFD, có thể tiếp tục lại bước 3 cho mỗi node RFD.

5. Nhấn S2 trên node RFD để bắt đầu chuỗi liên kết với Coordinator. Nếu được

kết nối với chương trình Terminal, thông điệp thông báo “Succesfully

associated” được hiển thị. Nếu thông điệp này không được hiển thị, thì ta kiểm

tra lại nguồn cho node Coordinator được cấp và nó hoạt động ở chế độ bình

thường. Nếu máy tính có hai cổng nối tiếp và node demo Coordinator đang kết

nối với máy tính, chú ý rằng Terminal hiển thị thông điệp “A new node has just

joined”.

6. Nếu có nhiều hơn một node RFD, nhấn S2 trên mỗi node RFD để liên kết

chúng với node Coordinator.

7. Từ đó có nhiều khác biệt liên kết của ràng ruộc một cấu hình có thể có. Bảng 3-

1 được sử dụng để mô tả chuỗi các bước cần thiết của mỗi sự kết hợp.

BẢNG 3-1: CÁC BƯỚC CHO RÀNG BUỘC CẤU HÌNH

Để ràng buộc Công

tắc S2 mở

Để ràng buộc LED D1

mở

Kết quả

RFD: Nhấn và giữ S3

trước sau đó nhấn S2 và

thả S2, thả S3

Coordinator: Nhấn và

giữ S3 trước sau đó nhấn

S2 và thả S3, thả S2

S3 trên RFD được ràng

buộc đến D1 trên

Coordinator

Coordinator: Nhấn và

giữ S3 trước sau đó nhấn

S2 và thả S2, thả S3



thả S3, thả S2

S3 trên Coordinator được

ràng buộc đến D1 trên

RFD



thả S2, thả S3



thả S3, thả S2

S3 trên RFD được ràng

buộc đến D1 trên RFD

còn lại

RFD1: Nhấn và giữ S3


RFD2: Nhấn và giữ S3


S3 trên RFD #1 được

ràng buộc đến D1 trên

- - 71


thả S2, thả S3 thả S3, thả S2 RFD #2

Coordinator: Không áp

dụng

Coordinator: Không áp

dụng

Không được phép

Chú ý: Như mỗi một bước khi thực hiện, đèn diode D1 va D2 trên các node

tương ứng sẽ thay đỗi giữa on và off, đến off và on. Còn cái node mà chương trình

terminal kết nối đến node RFD sẽ hiển thị thông điệp “Attempting to bind…” và

terminal kết nối đến node Coordinator sẽ hiển thị thông điệp “Received valid…”.

Để hoàn thành quá trình ràng buộc, phải thực hiện được cả hai “Để ràng buộc

Công tắc S2 mở” và “Để ràng buộc LED D1 mở” hoạt động.

8. Nhấn công tắc Reset trên mỗi node RFD để bắt đầu thực thi bình thường. Nếu

kết nối đến chương trình Terminal, thông điệp “Rejoin successful” được hiển

thị.

9. Phụ thuộc vào cách ràng buộc được thực hiện, nhấn S2 trên node để chắc chắn

rằng D1 trên node tương tự hoặc khác sẽ thay đổi

Lưu ý: Để hoàn thành quá trình điều khiển D1 trên node khác hoặc tương tự,

node Coordinator phải được hoạt động và chạy ở chế độ bình thường.

3.2.3 Giải phóng Entire Neighbor và Binding Table

Theo lý thuyết trong đặc điểm kĩ thuật của giao thức ZigBee, Coordinator lưu trữ

tất cả thông tin liên kết và ràng buộc trong những bảng riêng biệt tại bộ nhớ cục bộ của

nó. Ứng dụng The Microchip demo Coordinator sử dụng bộ nhớ Flash trong chip để

lưu trữ những thông tin đó.

- - 72


Có thể hoặc xóa một cá thể liên kết và ràng buộc đi vào hoặc xóa toàn bộ một

bảng. Để xóa toàn bộ bảng trên demo Coordinator, thực hiện những bước sau:

1. Cắt nguồn toàn bộ các node.

2. Kết nối node Coordinator đến một PC sử dụng 1 cáp chuẩn RS-232.

3. Mở một chương trình Terminal trên PC và mở cổng COM thích hợp với các cấu

hình: 19200 bps, 8-N-1, and no flow control.

4. Cấp nguồn cho node Coordinator trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ

cả hai Reset và S3, sau đó thả công tắc Reset ra. Quan sát rằng D1 và D2 thì

sáng lên. Chú ý rằng chương trình terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau:

***************************************************************************

ZigBee Demo Coordinator Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0)


***************************************************************************

1. Set node ID...

2. Clear Neighbor Table.

3. Clear Binding Table.






5. Để xóa bảng các liên kết, đánh 3. Lúc hoàn tất thành công, danh mục cấu hình

sẽ được hiển thị lại. Chú ý rằng việc giải phóng bảng liên kết sẽ tự động xóa

bảng ràng buộc liên kết.

6. Để xóa bảng ràng buộc, đánh 4. Lúc hoàn tất thành công, danh mục cấu hình sẽ

được hiển thị lại.

- - 73


3.2.4 Giải phóng Individual Association và Blinding Entry

Nếu muốn giải phóng một bảng cá thể liên quan đến một node RFD cụ thể. Phải

thực thi một lệnh cấu hình trên node RFD đó. Để làm được điều đó, thực hiện theo các

bước sau:

1. Tắt nguồn tất cả các node.

2. Bật nguồn node Coordinator cho ở chế độ hoạt động bình thường và chắc chắn

rằng đèn Diode D1 và D2 sáng một lần đi theo sau bởi một lần chớp sáng đơn

của D2.

3. Chọn node RFD mà liên kết và ràng buộc ngõ ra cần được giải phóng và sau đó

kết nối nó đến một PC sử dụng chuẩn cable RS-232

4. Chạy chương trình Terminal trên máy tính và mở cổng COM thích hợp với

những lựa chọn cấu hình sau: 19299 bps, 8-N-1 và no flow control.

5. Cấp nguồn cho node RFD trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai

công tắc Reset và S3, sau đó thả công tắc S3 ra. Quan sát D1 và D2 thì sáng.

Chú ý rằng chương trình Terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau:

***************************************************************************



***************************************************************************

1. Set node ID...

2. Join a network.








- - 74


6. Đánh 2 để đầu tiên tham gia nguồn sẵn sàng và chạy node demo Coordinator.

7. Đánh 4 để rời nguồn sẵn sàng và chạy node demo Coordinator. Lúc hoàn tất

thành công, danh mục cấu hình sẽ được hiển thị lại. Bước này sẽ tự động xóa tất

cả ràng buộc ngõ ra được liên kết với node này.

Luu ý: Sau khi hoàn tất những bước này, phải liên kết và ràng buộc node RFD

này với sự chọn lựa Coordinator vào lại thao tác ứng dụng bình thường. Tham

khảo lại đoạn 3.2.2 “Thay đổi cấu hình Association và Binding”.

3.3 Kiểm tra hiệu suất RF

Những ứng dụng demo PICDEM Z còn cung cấp 2 danh mục tùy chọn đặc biệt để

kiểm tra hiệu xuất RF. Danh mục tùy chọn 6 và 7 cho phép truyền hoặc một tín hiệu

không điều khiển liên tục hoặc tín hiệu được điều khiển.

Thực hiện theo những bước sau:

1. Tắt nguồn tất cả các node.

2. Kết nối node đến một PC sử dụng cable chuẩn RS-232.

3. Chạy chương trình Terminal trên PC và mở cổng COM thích hợp với những

cấu hình sau: 19200 bps, 8-N-1, và no flow control.

4. Bật nguồn cho node trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai công tắc

Reset và S3, sau đó thả công tắc S3. Quan sát D1 và D2 thì mở. Chú ý rằng

chương trình Terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau(tiêu đề văn bảng dưới

phụ thuộc vào loại của node mà ta cố gắng kiểm tra):

***************************************************************************



***************************************************************************

1. Set node ID...

- - 75


2. Join a network.








5. Bật nguồn lên, ứng dụng demo chọn kênh rất đầu tiên có sẵng trong dải băng

tần cụ thể bộ thu phát RF. Một ví dụ, cho băng tầng có tần sồ 2.4Ghz, bật nguốn

lên, kênh 11 được chọn. Có thể thay đổi đến kênh tiếp theo bằng cách chọn tùy

chọn “change to next channel” lập đi lập lại cho đến khi đọc được kênh mong

muốn. Chú ý đếm số lần danh mục tùy chọn được gõ.

6. Đánh 6 (hoặc 5 nếu kiểm tra demo Coordinator) để truyền một tín hiệu không

được điều khiển liên tiếp, hoặc đánh 7 (hoặc 6 nếu kiểm tra demo Coordinator)

để truyền một tín hiệu được điều khiển ngẫu nhiên liên tiếp. Bấy giờ có thể

dùng bất kì trình phân tích mạng RF chuẩn để đánh giá hiệu xuất RF.

7. Một lần chọn hoặc kiểm tra tùy chọn, phải reset lại board mạch để thực hiện bất

kì hoạt động khác.

3.4 Sửa đổi cấu hình phần cứng

Những board PICDEM Z được thiết kế để linh hoạt trong giới hạn của dùng/không

dùng các thành phần cấu thành trên board và thêm mạch mới vào.

Jumper Mục đích

J2 Để kết nối / cắt kết nối trên board RS-232 bộ điều khiển đến PICmicro(RC6 và

RC7 được nối bởi đường PCB lần lượt đến RX và TX )

- - 76


JP2 Để dùng / không dùng LED D1(nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn

PCB)

JP3 Để dùng / không dùng LED D2(nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn

PCB)

JP4 Để đo lường kéo hiện tại của toàn bộ board(sản xuất được nối đường vệt PCB)

3.5 Phát triển ứng dụng

Bộ PICDEM Z được cung cấp những tập tin nguồn đầy đủ cho Microchip Stack

theo giao thức ZigBee. Tham khảo ứng dụng Microchip tên là AN965 (DS00965) để

có thêm thông tin chi tiết. Microchip thì tận tụy trong việc tiếp tục cải tiến và thêm vào

những đặc tính mới vào phiên bản hiện tại của Microchip Stack. Hãy truy cập web

Microchip cho phiên bản mới nhất của tập tin mã nguồn Microchip Stack.

3.6 Tạo tập tin nguồn ứng dụng

Microchip Stack bao gồm những tập tin nguồn cho cả ứng dụng demo Coordinator

và RFD. Có thể hoặc sửa đổi một trong những ứng dụng demo để thích hợp với những

ứng dụng của ta hoặc dùng chúng như là một sự tham khảo để chúng ta tạo ứng dụng.

Trong AN965 (DS00965) sẽ cho chúng ta biết chi tiết cấu trúc và cách để ta tạo ứng

dụng cho riêng mình.

3.6.1 Lập trình ứng dụng

Để phát triển ứng dụng, phải lập trình ứng dụng đó vào trong một trong các node

PICDEM Z. Để thuận lợi dễ dàng nhận dạng node Coordinator và RFD, phần mềm

được khuyến cáo là nên lập trình cho ứng dụng Coordinator và RFD cho vào riêng

từng node. Tuy nhiên, node mà tất cả board mạch chủ PICDEM Z thì chính xác tương

tự và có thể được lập trình để chạy ứng dụng Coordinator, RFD hoặc FFD.

Bộ PICDEM Z không bao gồm những công cụ cho việc giải phóng và lập trình lại

cho vi xử lý. Để làm được điều này ta phải sử dụng một thiết bị lập trình thích hợp. Có

thể sử dụng MPLAB ICD 2 Development Sytem, cung cấp một bộ phát triển đầy đủ

- - 77


cho việc sửa lỗi và lập trình thiết bị. Boar mạch chủ PICDEM Z chứa một modular kết

nối để kết nối MPLAB ICD 2, PRO MATE và ngôn ngữ lập trình tương thích khác.

Sử dụng những tùy chọn cấu hình sau khi lập trình vi điều khiển:

1. HS-PLL (or HS) Oscillator Mode để phát triển yêu cầu ứng dụng

2. Watchdog Timer Disabled (những ứng dụng Demo dùng phần mềm được cho

dùng Watchdog)

3. Low-Voltage Programming Disabled

4. Tất cả những tùy chọn khác sẽ được thay đổi cho mỗi yêu cầu

3.6.2 Phục hồi Demo Firmware

Ta có thể phục hồi nguyên thủy vi chương trình demo bằng cách lập trình lại và

cấu hình lại cho node PICDEM Z. Ta có thể hoặc dùng tập tin hex của hãng hoặc xây

dựng lại tập tin hex để lập trình vi chip điều khiển. Tập tin hex của hãng thì có sẵn

trong đĩa CD phần mềm PICDEM Z.

Dùng tập tin DemoCoordApp.hex cho ứng dụng Demo Coordinator, và

DemoRFDApp.hex cho ứng dụng Demo RFD. Nếu muốn xây dựng lại vi chương

trình Demo, tham khảo thêm tài liệu AN965(DS00965) để có thêm chi tiết cấu trúc. Vi

chương trình demo được nhúng với tùy chọn cấu hình PICmicro cần thiết thích hợp

cho phần cứng PICDEM Z. Ta cần phải truy nhập vào một thiết bi lập trình PICmicro

thích hợp để lập trình vi chip điều khiển trên board.

Từ thông tin cấu hình như là node ID, thông tin liên kết và ràng buộc được lưu trữ

trong bộ nhớ Flash trên chip, lập trình lại một vi chip điều khiển yêu cầu ta cấu hình

lại cho mỗi node trước khi có thể giám sát chức năng ứng dụng demo. Một board mạch

được lập trình mới sẽ tự động vào chế độ cấu hình. Tham khảo đoạn 3.2 “Sửa đổi

những cấu hình ứng dụng Demo” để biết chi tiết quy tắc cho việc cấu hình lại ứng

dụng.

- - 78


CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ TRÌNH PHÂN TÍCH MẠNG

KHÔNG DÂY ZENA™

4.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu trình phân tích mạng không dây ZENA và mô tả ngắn gọn

khả năng của phần mềm. Trình phân tích miễn phí ZENA của microchip cung cấp 3

công cụ chính để phát triển giải pháp kết nối chuẩn IEEE 802.15.4 một cách nhanh

chóng và hiệu quả. Trình phân tích ZENA cho phép sửa đổi một cách nhanh chóng để

thích ứng các ứng dụng cho phù hợp với yêu cầu. Trình phân tích ZENA phân tích gói

giao thức Zigbee v1.0 và MIWI. ZENA cũng cung cấp hỗ trợ phân tích mạng lưới,

phân tích topo mạng và cho phép người sử dụng có thể quan sát, ghi lại giao dịch giữa

các gói và xem lại ở những tốc độ khác nhau. Có thể nói những công cụ này kết hợp

thành một công cụ mạnh mẽ trong việc phát triển chuẩn giao thức IEEE 802.15.4.

4.2 Tổng quan về trình phân tích ZENA™

Mạch phân tích mạng không dây ZENA được trình bày như hình 1.1 kết hợp với

chip PIC18LF2550 cho đầy đủ tốc độ. Trình phân tích ZENA sử dụng cáp USB mini-

B để kết nối tới pc và sử dụng một antenna để bắt gói gửi tới PC qua cổng USB.

- - 79


Hình 4.1: Mạch phân tích mạng không dây ZENA™

Bộ phân tích mạng không dây ZENA bao gồm:

- Phần mềm phân tích ZENA

- Cáp USB mini-B

- Đĩa CD-ROM

4.3 Cài đặt trình phân tích ZENA™

Giao diện chính:

Hình 4.2: Giao diện chính

- - 80


Cài đặt phần mềm ZENA có thể tải về tại trang http://www.microchip.com hoặc có

trong đĩa CD-ROM đi kèm thiết bị.

4.4 Công cụ cấu hình Microchip Stack

Microchip cung cấp miễn phí Stack có sẵn như một phần của lưu ý ứng dụng,

AN965, “Microchip Stack for the ZigbeeTM Protocol”. Lưu ý ứng dụng và mã nguồn

có thể tải về tại trang web www.microchip.com . Sau khi xem xét các lưu ý ứng dụng

và nghiên cứu các dự án, để có thể sẵn sàng bắt đầu phân tích giao thức ứng dụng

Zigbee. Trình phân tích ZENA sẽ hỗ trợ rất nhiều với cấu hình Microchip stack một

cách tự động tạo ra một phần của mã nguồn cho giao thức ứng dụng Zigbee. Từ giao

diện chính của ZENA chọn Zigbee™ Tools -> Stack Configuration. Giao diện cửa sổ

ZENA™ Stack Configuration sẽ được hiển thị như Hình 4.3.

4.4.1 Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee

Chọn bảng Zigbee Device.

- - 81

http://www.microchip.com/



Hình 4.3: Bảng Zigbee Device

Bảng 4.1: BảngLựa chọn cấu hình thiết bị giao thức Zigbee

CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN

MAC Address Mỗi thiết bị giao thức Zigbee đều có riêng một địa chỉ

MAC

Zigbee Device Type Giao thức Zigbee định nghĩa ba dạng khác nhau của thiết

bị

IEEE Device Type Lựa chọn loại thiết bị chuẩn IEEE

ZDO/APS/NWK/MAC Khi thay đổi loại thiết bị, trình phân tích ZENA sẽ tự

- - 82


Defaults for Device

Type

động thiết lập nhiều tùy chọn mặc định để cài đặt.

Transceiver Power Chọn hiển thị nguồn

Initial Power Source Chọn nguồn năng lượng ứng dụng

Available Power

Source

Chọn nguồn năng lượng có sẵn cho ứng dụng

Alternate PAN

Coordinator

Tùy chọn này không hỗ trợ cho giao thức Zigbee

Manufacture Code

(Hex)

Tất cả các nhà sản xuất thiết bị giao thức Zigbee được

chỉ định một mã nhà sản xuất. Được nhập bằng 4 giá trị

Hex

4.4.2 Xác định thông tin thu phát sóng

Chọn bảng Transceiver

- - 83


Hình 4.4: Bảng Transceiver

Bảng 4.2: Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng Zigbee


Transceiver Chọn chip hỗ trợ phát sóng

Frequency Band Hiển thị tần số phát sóng, nếu bộ phát sóng chỉ hỗ trợ

một băng tần số thì hộp hiển thị tần số sẽ bị vô hiệu hóa.

Output Power Chọn nguồn phát ban đầu

Pin Assignment Bảng điều khiển này thể hiện các pin yêu cầu cho các lựa

chọn phát. Stack cho phép thay đổi pin kết nối đến cổng

cụ thể.

PICDEM™ Z Pins Khôi phục lại pin kết nối trên mạch trình diễn Picdem Z

- - 84


Allowed Channels Bảng này cho thấy các kênh được hỗ trợ bởi các băng tần

số được lựa chọn. Lựa chọn các kênh trên sẽ tạo ra một

nhãn có thể được sử dụng để chỉ định việc cho phép kênh

mạng thông tin và network discovery.

Allow Shared SPI Nếu sử dụng một SPI EEPROM nối tiếp với kho lưu

trữ linh động bên ngoài, và EEPROM sử dụng cùng một

SPI ngoại vi, lựa chọn tùy chọn này để bổ sung các tùy

chọn trên PIC MCU

4.4.3 Xác định hiện trạng và thông tin đểm cuối

Chọn bảng Endpoint

- - 85


Hình 4.5: Bảng Endpoint

Bảng này dùng để xác định hiện trạng và cấu trúc điểm cuối của ứng dụng đang

được sử dụng. Các tùy chọn cấu hình được mô tả trong bảng 4.3

Bảng 4.3: Cấu hình Profile/Endpoint giao thức Zigbee


Profile Header

File

Bấm nút Brown để duyệt và lựa chọn tập tin tiêu đề cho hồ sơ

của các ứng dụng. Tập tin này có chứa hồ sơ thông tin cụ thể

mà trình phân tích ZENA sử dụng để cấu hình các mục bao

- - 86


gồm:

- Tên hồ sơ

- Danh sách thiết bị được hỗ trợ trong hồ sơ

- Cho phép nhập xuất các nhóm tập tin

- Phạm vi kiểm tra các tham số trên các bảng khác

Device Lựa chọn cấu hình thiết bị mô tả các ứng dụng

Endpoints Để xác định một điểm cuối:

- Nhập giá trị tính toán (1-240) của điểm cuối vào khung

Endpoint

- Trong khung Endpoint Name nhập tên điểm cuối

- Chọn tất cả các yếu tố đầu vào và đầu ra được hỗ trợ

- Nhấn Save Endpoint để lưu lại

Để định nghĩa một điểm cuối khác

- Nhấn New trong danh sách hộp Endpoint. Tất cả thôn tin

điểm cuối sẽ được xóa.

- Nhập vào thông tin điểm cuối mới và nhấn Save Endpoint

Để xem điểm cuối được xác định trước đó

- Nhấn vào số điểm cuối trên hộp Endpoint

Để xóa một điểm cuối được xác định

- Chọn điểm cần xóa trong hộp Endpoint và chọn Remove

Endpoint

4.4.4 Xác định thông tin bảo mật

- - 87


Hình 4.6: Bảng Security

Bảng 4.4: Cấu hình thiết bị giao thức Zigbee


Security Capable Lựa chọn tùy chọn này thì các thông điệp gửi/nhận của ứng

dụng sẽ được mã hóa

Security Mode Chỉ có chế độ “Residential” được hỗ trợ bởi stack

Trust Center Lựa chọn tùy chọn này nếu thiết bị là thiết bị trung tâm

Trust Center Address Nhập địa chỉ của thiết bị trung tâm

Network Key Nhập mã khóa mạng vào tùy chọn Sepuence Number

- - 88


Present

Key present in all

devices on the

network

Lựa chọn tùy chọn này nếu thiết bị là bộ điều phối Zigbee

hoặc bộ định tuyến Zigbee có chứa mã khóa mạng và tất cả

các thiết bị trên mạng đều chứa mã khóa mạng.

4.4.5 Xác định thông tin tầng ZDO và APS

Hình 4.7: Bảng ZDO

- - 89


Bảng 4.5: Cấu hình ZDO giao thức Zigbee


Include Optinal Service

Discovery Request

Nếu được chọn các ứng dụng sẽ hỗ trợ tùy chọn ZDO

dùng để phát hiện các yêu cầu dịch vụ. Chức năng này

chưa được hỗ trợ bởi Microchip Stack

Include Optional Node

Management Services

Hỗ trợ tùy chọn ZDO để quản lý dịch vụ. Chức năng

này chưa được hỗ trợ bởi Microchip Stack

Support End Device

Binding

Chức năng này chỉ có sẵn trên bộ điều phối giao thức

Zigbee

Hình 4.8: Bảng APS

- - 90


Bảng 4.6: Cấu hình bảng APS giao thức Zigbee

CẤU HÌNH MÔTẢ TÙY CHỌN

Max Frames From

APL Layer

Mỗi khung được gửi xuống từ tầng ứng dụng phải được

đệm khi truyền lại không thành công và truyền lại báo

cáo xác nhận tình trạng.

Nhập số khung có thể xử lý trong cùng một thời gian

truyền.

Max APS ACK

Frames Generated

Nếu nhận được thông điệp từ các nốt yêu cầu cấp độ của

tin báo nhận. Tầng APS sẽ tự động truyền tin báo nhận

tuy nhiên vẫn còn ký tự trắng chờ xác nhận thông tin từ

hàng đợi.

Nhập cấp độ tin báo nhận có thể có trong cùng một thời

gian truyền

Max APS Address Giao thức Zigbee cho phép tầng ứng dụng xác định điểm

đến của thông điệp bằng cách sử dụng địa chỉ MAC 64-

bit, thay vì 16-bit địa chỉ mạng. Nếu một địa chỉ MAC

64-bit được xác định, tầng APS sẽ tìm kiếm một bảng

ứng dụng duy trì tương ứng với 16-bit địa chỉ mạng.

Nhập kích thước của bảng trong mục này.

Binding Support

Max Groups Nếu multicasting được hỗ trợ khi đó thiết bị sẽ trở thành

thành viên của nhiều nhóm.

Nhập tối đa số nhóm mà thiết bị có thể làm thành viên.

Maximum Group

Endpoints

Giao thức Zigbee cho phép tầng ứng dụng chỉ định danh

sách điểm cuối có liên quan đến từng nhóm định danh, ví

dụ như GroupID. Thông điệp được gửi bằng cách dùng

- - 91


multicasting sẽ được gửi đến tất cả các điểm cuối có liên

quan đến nhóm định danh có trong địa chỉ của tin nhắn.

Nhập tối đa số điểm cuối có thể kết hợp với nhóm định

danh.

Group Processing

Buffers

Nếu multicasting được hỗ trợ, bên trong Microchip Stack

là bộ nhớ trung gian giữ các nhóm tin nhắn địa chỉ mà

sau đó sẽ được liên kết đến điểm cuối.

Nhập tối đa nhóm tin nhắn có thể lưu đồng thời trong bộ

nhớ đệm, trong khi chờ được liên kết tới điểm cuối thích

hợp.

4.4.6 Xác định thông tin tầng NWK và MAC

- - 92


Hình 4.9: Bảng NWK/MAC

Bảng 4.7: Cấu hình NWK giao thức Zigbee


Neighbor Table Size Tất cả các thiết bị giao thức Zigbee đều chứa một bảng lân

cận để lưu trữ thông tin về các nốt trong mạng

Max Buffered

Broadcast Messages

Khi một thiết bị giao thức Zigbee bắt đầu quảng bá một

thông điệp nó phải phát lại định kỳ thông điệp đó cho tới khi

nó nhận được thông điệp truyền lại từ các thiết bị lân cận.

Nhập số thông điệp quảng bá.

- - 93


Route Discovery

Table Size

Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có một bảng

route discovery

Routing Table Size Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có một bảng

định tuyến. Nhập kích thước bảng định tuyến

Reserved Routing

Table Entries

Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải dành riêng vài

mục trong bảng định tuyến để sửa chữa định tuyến.

Max Buffered

Routing Messages

Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có bộ nhớ

trung gian chứa thông điệp trong khi chờ được định tuyến.

Nhập số lượng thông điệp được lưu đồng thời trong bộ nhớ

đệm.

Bảng 4.8: Cấu hình MAC giao thức Zigbee


Channel Energy

Threshold

Tùy chọn này đã có sẵn cho bộ điều phối giao thức Zigbee.

Nhập tối đa lượng năng lượng cho phép một kênh được chọn

cho một mạng mới.

Minimum Join LQI Tùy chọn này chỉ có sẵn cho thiết bị khác bộ điều phối giao

thức Zigbee.

Receive Buffer

Size

Những byte dữ liệu nhận từ nguồn phát được lưu vào bộ nhớ

đệm cho đến khi ứng dụng xử lý xong những thông điệp

trước đó.

Nhập kích thước bộ nhớ đệm

Beacon Order Giá trị này được cố định cho mạng non-beacon

Superframe Order Giá trị này được cố định cho mạng non-beacon

- - 94


Superframe

Structure

Chỉ mạng non-beacon được hỗ trợ, do đó, giá trị

“Superframe Structure” là Non-slotted.

Battery Life

Extension Mode

Chức năng này chỉ sử dụng trong mạng beacon

4.4.7 Xác định thông tin PIC MCU

Hình 4.10: Bảng PIC

Bảng 4.9: Cấu hình PIC MCU giao thức Zigbee


- - 95


Target Device Chọn thiết bị PIC MCU được sử dụng bởi ứng dụng đích.

Nếu thiết bị yêu cầu thì không có sẵng, chọn một thiết bị

tương tự và tham khảo AN965, “Microchip Stack for the

ZigBee™ Protocol” thêm thông tin về sửa đổi kịch bản liên

kết cho thiết bị đích

Clock Frequency

(Hz)

Chỉ rõ khóa tần số ngỏ vào cho PIC MCU trong Hertz. Nó

rất quan trọng để giá trị này được đúng như tất cả điều phối

thời gian giao thức ZigBee bên trong sẽ được đặt cơ sở ra

khỏi giá trị này

UART Baud Rate Nếu đang sử dụng UART của thiết bị đích và đang sử dụng

mã giao diện được cung cấp trong AN965, “Microchip Stack

for the ZigBee™ Protocol”, chỉ rõ tốc độ bốt UART. Nếu

ứng dụng không phải sử dụng UART, giá trị này thì không

thích hợp

Heap Size (banks) Chỉ rõ số của những dãi được yêu cầu cho Stack phần mềm

C. Tham khảo AN965 cho thông tin trong việc cài đặt kích

thước Stack

Build Target Lựa chọn liệu có phải ta muốn kịch bản liên kết được phát

sinh cho một môi trường gỡ lỗi sử dụng MPLAB® ICD 2

hoặc cho một xây dựng sản xuất

Program Memory Hãy Lựa chọn nút rađiô này nếu tất cả các bảng không thay

đổi sẽ được cất giữ trong bộ nhớ chương trình. Tùy chọn này

có thể không sẵn có phụ thuộc vào dòng Thiết bị Đích và

xóa bỏ kích thước khối

SPI Serial

EEPROM

Hãy Lựa chọn nút rađiô này nếu tất cả các bảng không thay

đổi sẽ được cất giữ trong một EEPROM tuần tự SPI. Tùy

chọn này có thể không sẵn có phụ thuộc vào những cài đặt

bộ thu phát

- - 96


Serial EEPROM Lựa chọn tuần tự EEPROM mà sẽ được sử dụng. Nếu

EEPROM không được liệt kê, lựa chọn Other Và

chỉ rõ Number of Bytes và Page Size

nCS Lựa chọn chip của tuần tự EEPROM chọn pin

SPI Chọn các mô-đun SPI để sử dụng cho các EEPROM nối

tiếp. Tình trạng có sẵn của lựa chọn này

phụ thuộc vào sự lựa chọn bộ thu phát và chia sẻ SPI cho dù

đã được kích hoạt. Xem “Cho phép Chia sẻ SPI” trong bảng

3-2.

MAC Address

Stored Externally

Chọn tùy chọn này nếu địa chỉ MAC của thiết bị sẽ được lập

trình sẵng vào EEPROM nối tiếp.

Verify Chọn lựa chọn này để viết lên lưu trữ không linh động cho

đến khi các dữ liệu đọc quay lại tương tự nhau.

Điều này đảm bảo tính chính xác, nhưng có thể kết quả trong

một vòng lặp vô tận

4.5 Giám sát mạng

Phần cứng và phần mềm của trình phân tích mạng không dây ZENA cung cấp công

cụ giám sát mạng mạnh mẽ để sử dụng cho việc phát triển thông qua cài đặt.

Kết nối phần cứng của trình phân tích mạng không dây ZENA với PC sử dụng cáp

USB mini-B. Từ cửa sổ chính của phần mềm phân tích ZENA, chọn Zigbee™ Tools -

>Network Monitor. Cửa sổ sau sẽ được mở:

- - 97


Hình 4.11: Cửa sổ giám sát mạng giao thức Zigbee™

Một cửa sổ trống Packet Sniffer để giám sát mạng sẽ được mở. Nếu cửa sổ này bị

đóng, nó có thể mở lại được bằng cách nhấn nút Network Messenges, hoặc bằng cách

chọn tùy chọn trong mục View>Network Messages.

Cửa sổ giám sát mạng Zigbee được dùng để khởi động hoặc dừng quá trình phân tích

mạng, save và load dữ liệu, cấu hình hiển thị thông điệp.

4.5.1 Giám sát thời gian thực Real-Time

Trước khi khởi động giám sát thời gian thực, thiết lập những tùy chọn sau trên cửa

sổ Zigbee Network Monitor:

Bảng 4.10: Cấu hình lựa chọn giám sát thời gian thực


Real-Time Display Lựa chọn tùy chọn này để hiển thị thông điệp mà phần cứng

phân tích mạng nhận được.

Channel Lựa chọn kênh để giám sát. Lưu ý rằng nếu ứng dụng được

chỉ định nhiều hơn một kênh cho phép, để làm biểu mẫu

hoặc tham gia vào mạng thì ta phải thử nhiều kênh để tìm

- - 98


thấy mạng. Sự lựa chọn này có thể bị thay đổi chỉ khi giám

sát thời gian thực bị dừng lại.

Clear Messages on

Start

Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn tất cả những thông điệp đã

hiển thị trước đó được xóa khi bắt đầu giám sát. Nếu muốn

những thông điệp trước đó được giữ lại thì bỏ tùy chọn này.

Ignore Invalid

Packets

Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn những gói khi kiểm tra

không hợp lệ sẽ bị bỏ qua. Nếu muốn tất cả các đó được hiển

thị (kể cả tín hiệu nhiễu) thì bỏ tùy chọn này.

Auto Scroll Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn cửa sổ Packet Sniffer tự

động trượt xuống, để cho thông điệp mới nhất luôn luôn xuất

hiện ở dưới cùng của cửa sổ Packet Sniffer.

Nhấn nút Play hoặc chọn Operation>Start Sniffing/Playback để bắt đầu giám sát

thời gian thực. Những thông điệp đã nhận sẽ hiển thị trên cửa sổ Packet Sniffer.

Hình 4.12 cho thấy một ví dụ điển hình của một nốt mạng mới tham gia vào mạng

giao thức Zigbee.

- - 99


Hình 4.12: Yêu cầu liên kết và trả lời

- - 100


Bảng 4.11: Mã màu của bảng Packet Sniffer

VÙNG MÀU

MAC Header Trắng

MAC Commands and Beacons Đỏ

NWK Header Vôi

NWK Commands Fushia

APS Header Vàng

APS Playload/Decoding Nước

Security Header and Encrypted Data Xanh dương

Unknown Olive

Hình 4.13 cho thấy một thông điệp được định tuyến từ nơi gởi đến đích cuối và

một APS cấp độ Acknowledge được định tuyến ngược lại. Chú ý rằng sử dụng trình

phân tích ZENA, ta có thể thấy rằng thông điệp đầu tiên được định tuyến dọc theo cây

mạng, trong khi Acknowledge được định tuyến trực tiếp hơn.

- - 101


Hình 4.13: Thông điệp ứng dụng với APS level Acknowledge

- - 102


Mỗi thông báo có thể chứa đựng nhiều thông tin, làm cho nó trở nên khó để quan

sát trên màn ảnh. Cửa sổ Packet Sniffer có thể được trược, nhưng trình phân tích

ZENA cũng đưa ra ba cấp độ quan sát khác nhau MAC, thông tin mức NWK và APS.

Mỗi lớp có thể được cấu hình riêng rẽ trên cửa sổ Network Monitor bằng cách điều

chỉnh “Verboseness Level”. Có ba cấp độ quan sát được đưa ra (nhìn Bảng 4.12 sau).

Bảng 4.12 Giao thức ZigBee™ với chọn lựa cấu hình VERBOSENESS

Cấu Hình Mô Tả Tùy Chọn

Verbose Những Header cho mỗi vùng được cấp một mô tả giá trị tương

ứng dưới header. Hình 4.13 cho thấy tất cả các lớp khi cấu hình

“Verbose”

Numeric Những Header cho mỗi vực được cấp với giá trị số của vùng kia

ở dưới Header. Xem hình 4.14

Condensed Không có những vùng Header được cấp. Tất cả các Byte của

vùng được đại diện bằng số với

Byte giá trị nhỏ nhất đầu tiên. Xem hình 4.15

- - 103


Hình 4.14: Thông điệp ứng dụng với chế độ hiển thị NUMERIC

- - 104


Hình 4.15: Thông điệp ứng dựng với chế độ hiển thị CONDENSED

- - 105


Dữ liệu có thể quan sát và phân tích tới một mức nào đó trong khi giám sát thời

gian thực đang xử lý. Để dừng quá trình phân tích nhấn nút Stop hoặc chọn

Operation>Stop Sniffing/Playback và nhấn nút Save hoặc File>Save để lưu dữ liệu

phân tích cho lần sau.

4.5.2 Phân tích dữ liệu bắt được

Khi dừng việc giám sát, trình phân tích mạng không dây ZENA có thể được dùng

để thực hiện việc phân tích dữ liệu bắt được. Nếu giám sát thời gian thực đang được

xử lý, dừng việc xử lý bằng cách nhấn nút Stop hoặc chọn Operation>Start

Sniffing/Playback. Để xử lý dữ liệu bắt được trước đó, nhấn nút Open hoặc chọn

File>Open và chọn tập tin dữ liệu muón phân tích.

4.5.3 Sử dụng bộ lọc gói

Nhấp chuột vào nút Filter hoặc chọn Tools>Filter để mở rộng cửa sổ Network

Monitor và hiển thị những tùy chọn cho bộ lọc.

- - 106


Hình 4.16: Cấu hình bộ lọc gói

Bộ lọc rất có ích cho việc chỉ hiển thị những gói được lựa chọn trong cửa sổ

Packet Sniffer. Cho ví dụ, giả sử chúng ta muốn thấy tất cả những tín hiệu gói

MAC Beacon được hiển thị thì cài đặt cho bộ lọc như sau:

1. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “MAC” ngoại trừ “MAC Beacon”.

2. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “NWK”

3. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “APS”

4. Bỏ tất cả “Source Address” và “Destination Address”

5. Chọn tùy chọn “OR”

6. Nhấn Apply Filter

Cửa sổ Packet Sniffer sẽ hiển thị tất cả tín hiệu gói MAC Beacon và ẩn toàn bộ

tín hiệu khác.

- - 107


PHỤ LỤC

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Thông qua đề tài này chúng em đã có thể hiểu một cách rõ hơn về công nghệ

truyền dẫn không dây còn khá mới mẻ Zigbee 802.15.4, từ mô hình giao thức đến

thuật toán truyền tin và cơ bản về ứng dụng kết nối thiết bị. Zigbee có thể áp dụng cho

tất cả các hệ thống điều khiển và cảm biến với các ưu điểm vượt trội, giá thành thấp,

tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Từ đó có thể thấy

được tính ưu việt nổi trội của công nghệ mạng không dây Zigbee hiện nay.

Tuy nhiên do thời gian và thiết bị hạn chế nên chương trình vẫn còn nhiều thiếu sót

đó là chưa thay đổi được ID node do thiết bị cũ và firmware chưa hỗ trợ nên chưa

được hoàn thiện, và mô phỏng được thuật toán tìm đường tối ưu cho một nốt cụ thể

đến tất cả các nốt thành viên khác trong mạng, và tính toán được nhiễu xuyên kênh

đến các thành viên lân cận. Việc tìm đường tối ưu là một yêu cầu rất quan trọng trong

công nghệ zigbee vì nó giải quyết được vấn đề về hiệu quả năng lượng trong truyền tin

và vấn đề chống xung đột của mạng.

Hy vọng trong thời gian tới nếu có điều kiện em có thể tiếp tục hoàn thiện, phát

triển và mở rộng chương trình, phân tích thêm nhiều ứng dụng, mô phỏng các thuật

toán định tuyến trong Zigbee nhằm đưa ra phương pháp định tuyến tối ưu cho một nốt

cụ thể, lập trình ứng dụng và nhúng vào trong chip thiết bị.

- - 108


CÁC TỪ VIẾT TẮT

IEEE : Institute of Electrical and Electronic Engineers

WPAN : Wireless Personal Area Network

PAN ID : PAN identifier

QoS : Quality of Service

MAC : Medium Access Control

PHY : Physical Layer

GTS : Guaranteed Time Slot

CCA : Clear Channel Assessment

LQI : Link Quality Indication

ED : Energy Detection

FFD : Full Funtion Device

RFD : Reduced Function Device

CLH : Cluster Head

CID : Cluster Identifier

PLME : Physical Layer Management

PPDU : PHY Protocol Data Unit

SHR : Synchronization Header

PHR : PHY Header

Ack : Acknowledgment

MLMESAP : MAC sublayer management entity service access point

SAP : Service Access Point

MPDU : MAC Protocol Data Unit

- - 109


CAP : Contention Access Period

CFP : Contention Free Period

CSMA-CA : Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance

BI : Beacon Interval

BO : Beacon Order

SD : Superframe Duration

MHR : MAC Header

MFR : MAC Footer

FCS : Frame Check Sequence

MIC : Message Integrity

AES : Advance Encryption Standard

IFS : Inter-Frame Space

FCFS : First-come-first-server

CTR : Counter

CBC : Cipher Block Chaining

AODV : Ad hoc On Demand Distance Vector

RREP : Route Reply Packet

DD : Designated Deviece

RREQ : Route Request

AFG : Application Framework

ZDO : Zigbee™ Protocols Device Objects

APS : Applicatin Support Sublayer

NWK : Network Layer

SSP : Security Sevice Provider

- - 110


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Microchip Stack for ZigBee Protocol, ZENA Analyzer Users Guide, ZigBee2006

Application Note AN1232A, http://www.microchip.com , 2005

[2] Nilesh Rajbharti, AN965, http://www.microchip.com

[3] Samir R. Das, Charles E. Perkins, Elizabeth M. Royer, “Performance Comparison

of Two On-demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks”

[4] Chipcon, http://www.chipcon.com , 2005/03

[5] “IEEE Standards 802.15.4, IEEE 2003, ISBN 0-7381-3677-5 SS95127”

[6] “IEEE 802.15.4 Standard Specification”, http://www.standards.ieee.org

[7] “Figure 8 Wireless”, http://www._gure8wireless.com

[8] ZigBee Alliance, ZigBee 802.15.4 Summary http://www.zigbee.org, 2005/03

[9] Zigbee technical documents, www.zigbee.org

[10] Mã nguồn mở tại trang web http://www.koders.com/

[11] http://www.freescale.com

[12] http://www.metrowerks.com

- - 111


http://www.zigbee.org/

Documents

Cac Thuat Toan Dinh Tuyen Cua Zigbee Ieee 802 15 4 - T_i 123doc.vn