Page | iii

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại hiện nay thì truyền dẫn không dây dần trở thành một phần không thể thiếu của cuộc

sống. Ta có thể thấy sự hiện diện của truyền dẫn không dây ở mọi nơi, nó xuất hiện ở trong từng gia đình,

trong trường học, doanh nghiệp, khu giải trí…Với sự tiện lợi của mình, truyền dẫn không dây đang dần

thay thế truyền dẫn, truyền thông có dây.

Các loại mạng không dây phổ biến ta thường gặp là Wifi, BlueTooth, mạng di động GSM… Mỗi

giao thức mạng đều có một đặc điểm riêng và được ứng dụng tùy vào mục đích. Trong đề tài này sẽ tìm

hiểu về giao thức ZigBee, đây là một giao thức còn khá mới, hướng tới việc kết nối cảm biến không dây

và điều khiển hay đơn giản là điều khiển không dây, ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp vì vậy tiêu tốn

năng lượng rất ít, một node mạng trong mạng ZigBee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với

nguồn 2 pin AA.

Ưu điểm là giá thành thấp, mức độ tiêu hao năng lượng thấp, trễ truyền tin nhỏ, dễ dàng mở rộng

khiến ZigBee trở thành một lựa chọn tuyệt vời đối với các ứng dụng điều khiển không dây, ứng dụng nhà

thông minh. Ngoài ra ZigBee là 1 chuẩn mở, hiện nay có nhiều mã nguồn của giao thức ZigBee có thể tìm

thấy chẳng hạn như ZigBee Protocol Stack của Microchip, Z-Stack của TI…Trong đề tài này sử dụng

ZigBee Stack Protocol của Microchip, mã nguồn này có thể download miễn phí từ trang chủ Microchip.

Page | iv

MỤC LỤC

Trang bìa…………………………………………………………………………………..i

Lời cảm ơn………………………………………………………………………………..ii

Lời mở đầu……………………………………………………………………………….iii

Mục lục…………………………………………………………………………………...iv

Danh mục hình vẽ……………………………………………………………………….vii

Danh mục bảng biểu…………………………………………………………………...viii

Danh sách các từ viết tắt…………………………………………………………………ix

Page | v

MỤC LỤC 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY VÀ ZIGBEE ............................................................................. 1

1.1 Giới thiệu chung về các loại mạng không dây ............................................................................................... 1

1.2 Giới thiệu về mạng ZigBee. ............................................................................................................................. 4

1.2.1 Sơ lược về mạng ZigBee ............................................................................................................................. 4

1.2.2 Ứng dụng của mạng ZigBee. ....................................................................................................................... 6

2. TÌM HIỂU VỀ MẠNG ZIGBEE ................................................................................................................................. 7

2.1 Thành phần của mạng ZigBee ........................................................................................................................... 7

2.2 Kiến trúc liên kết mạng ZigBee ......................................................................................................................... 7

2.3 Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE802.15 ...................................................................................................... 9

2.3.1 Lớp vật lý (PHY) ......................................................................................................................................... 10

2.3.2 Lớp MAC (Medium Access Control) .......................................................................................................... 13

2.3.3 Lớp Network ................................................................................................................................................ 15

2.3.4 Lớp Application ........................................................................................................................................... 15

3. ZIGBEE PROTOCOL STACK CỦA MICROCHIP .............................................................................................. 16

3.1 Các thuật ngữ trong ZigBee Protocol ........................................................................................................... 16

3.2 Giao tiếp bằng Messages................................................................................................................................ 17

3.3 Cấu trúc của 1 Message trong Zigbee Protocol ........................................................................................... 17

3.4 Cơ cấu truyền dữ liệu .................................................................................................................................... 19

3.4.1 Beacon và non-beacon. ............................................................................................................................... 19

3.4.2 Routing ........................................................................................................................................................ 19

3.5 Khởi tạo và tham gia vào 1 network............................................................................................................. 19

3.5.1 Khởi tạo network. ........................................................................................................................................ 19

3.5.2 Liên kết Network. ....................................................................................................................................... 20

3.5.3 Network Orphaning ..................................................................................................................................... 20

3.5.4 Gia nhập lại network (Network Rejoin) ...................................................................................................... 20

4. HIỆN THỰC ............................................................................................................................................................... 21

4.1 Chuẩn bị phần cứng: ..................................................................................................................................... 21

4.1.1 Module ZigBee MRF24J40MA ................................................................................................................. 21

4.1.2 Vi điều khiển PIC18F4620 ........................................................................................................................ 24

4.1.3 Cảm biến nhiệt độ LM35 ........................................................................................................................... 25

Page | vi

4.2 Sơ đồ kết nối phần cứng ............................................................................................................................... 25

5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................................................... 27

5.1 KẾT QUẢ ....................................................................................................................................................... 27

5.1.1 Những mặt đạt được ................................................................................................................................... 27

5.1.2 Những thiếu sót .......................................................................................................................................... 27

5.2 Hướng phát triển ............................................................................................................................................ 27

Tài liệu tham khảo ...................................................................................................................................................... 28

Page | vii

Danh mục hình vẽ

Hình 1: Tổng quan về mạng không dây…………………………………………........................................1

Hình 2: Các mô hình liên kết trong mạng ZigBee………………………………………………………….7

Hình 3: Mô hình liên kết mạng dạng hình sao……………………………………………………………...8

Hình 4: Mô hình liên kết mạng ZigBee dạng mắt lưới……………………………………………………..9

Hình 5: Mô hình liên kết mạng ZigBee dạng cây ………………………………………………….............9

Hình 6: Mô hình giao thức mạng ZigBee…………………………………………………………………10

Hình 7: Sơ đồ điều chế tín hiệu ở tầng PHY tại tần số 2,4GHz……………………………………............11

Hình 8: Sơ đồ điều chế tín hiệu ở tầng PHY tại tần số 868/915 MHz……………………..........................12

Hình 9: Định dạng khung tin PPDU……………………………………………………....…….….. ……12

Hình 10: Cấu trúc superframe…………………………………………………………………………….13

Hình 11: Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon………………………………………………………14

Hình 12: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon……………………………………………………...........14

Hình 13: Định dạng khung MAC…………………………………………………………………………15

Hình 14: Mối liên hệ giữa các thuật ngữ đã nêu…………………………………………………… ……..17

Hình 15: Module ZigBee MRF24J40MA………………………………………………………………...21

Hình 16: Sơ đồ khối của Module ZigBee MRF24J40MA. ………………..……………………………...22

Hình 17: Sơ đồ các chân của module MRF24J40MA………………..…………………………………...23

Hình 18: Hình dạng của vi điều khiển PIC18F4620………………..………………………………..........24

Hình 19: Hình dạng của cảm biến nhiệt độ LM35………………..……………………………………….25

Hình 20: Giao tiếp SPI giữa MRF24J40MA và PIC MCU………………..……………………………...25

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý phía phát………………..………………..……………………………………26

Hình 22: Sơ đồ nguyên lý phía thu………………..………………..………………………………..........26

Page | viii

Danh mục bảng biểu

Bảng 1: Bảng so sánh mạng ZigBee, BlueTooth và Wifi………………..………………..………………..5

Bảng 2: Đặc tính hoạt động của ZigBee ở các tần số khác nhau………………..………………..………..10

Bảng 3: Bảng mô tả các kênh truyền theo tần số của ZigBee………………..………………..…………...11

Bảng 4: Mô tả các chân của module MRF24J40MA………………..………………..…………………...23

Bảng 5: Điều kiện hoạt động của Module MRF24J40MA………………..………………..……………..24

Bảng 6: Thông số tiêu thụ dòng điện của MRF24J40MA………………..………………..……………...24

Page | ix

Danh sách các từ viết tắt

ZC ZigBee Coordinator ZR ZiBee Router

ZED ZigBee End Device CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance O-QPSK Offset-Quadrature Phase-Shift Keying

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum WPAN Wireless Personal Area Network WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WWAN Wireless Wide Area Network

WRAN Wireless Regional Area Network FFD Full Function Devices RFD Reduced Function Devices

PPDU PHY protocol data unit PAN Personal Area Network ID CID Cluster Identifier FCS Frame Check Sequence CAP Contention Access Period CFP Contention Free Period GTS Guarantee Time Slot

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 1

SVTH: Phan Trần

1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY VÀ ZIGBEE

1.1 Giới thiệu chung về các loại mạng không dây

Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua

sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây. Mạng không dây có thể triển khai chủ yếu là trong

mô hình mạng nhỏ và trung bình, ở những nơi không thuận tiện về địa hình, không ổn định, không thể

triển khai mạng có dây. Với những mô hình lớn thì phải kết hợp với mạng có dây.

Ngày nay mạng không dây (Wireless) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống khi nó

xuất hiện trong các doanh nghiệp, trường học, các địa điểm giải trí và ngay cả tại từng hộ gia đình. Nhờ sự

tiện lợi của mình, mạng không dây đã dần thay thế kết nối bằng cáp truyền thống.

Về độ tin cậy: Mạng không dây bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như môi trường truyền sóng,

do thời tiết, can nhiễu. Chịu nhiều cuộc tấn công đa dạng, phức tạp, nguy hiểm của những kẻ phá hoại vô

tình và cố tình nên nguy cơ cao hơn mạng có dây.

Mạng không dây lắp đặt, triển khai dễ dàng, đơn giản, nhanh chóng hơn mạng có dây. Vì là hệ thống

kết nối di động nên rất linh hoạt, dễ dàng hơn trong thay đổi, nâng cấp và phát triển.

Mạng không dây được chia thành 5 loại:

WPAN: Mạng vô tuyến cá nhân.

WLAN: Mạng vô tuyến cục bộ.

WMAN: Mạng vô tuyến đô thị.

WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng.

WRAN: Mạng vô tuyến khu vực.

Hình 1: Tổng quan về mạng không dây

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 2

SVTH: Phan Trần

WPAN (Wireless Personal Area Network): Mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ sóng nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ... với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean... Đa phần các công nghệ này được chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm 802.15. Do vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3... Hai dạng WPAN phổ biến nhất là Bluetooth và hồng ngoại (Infrared Data Association – IrDA) tạo ra một kênh giao tiếp trực tiếp giữa hai thiết bị, không qua các thiết bị mạng trung gian, giống như khi nối cáp trực tiếp từ máy in vào PC vậy. Vì vậy các sự cố xảy ra trên các kết nối này không liên quan gì tới các thiết bị quản lí hệ thống WLAN như wireless repeater, access point cả. Không giống như WLAN, 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 quả cao, nhất là trong một băng tần eo hẹp. IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, phân biệt dựa vào tốc độ truyền tải, mức độ tiêu hao năng lượng, 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 mạng điện thoại tế bào 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-WAN) 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. Tốc độ truyền dữ liệu thấp cho phép IEEE 802.15.4/LR-WAN tiêu hao ít năng lượng. Trong chuẩn này ZigBee/IEEE 802.15.4 là 1 ví dụ điển hình.

WLAN: Mạng vô tuyến cục bộ. Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài trăm mét. Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi đã gặt hái được những thành công to lớn. Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên ít nghe đến như HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi được chuẩn hóa bởi ETSI. Mạng 802.11 linh hoạt về thiết kế, gồm 3 mô hình mạng sau Mô hình mạng độc lập (IBSSs) hay còn gọi là mạng Ad hoc

Mô hình mạng Ad hoc: Có các nút di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập

trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng.

Các nút di động có card mạng wireless, chúng có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không

cần phải có quản trị mạng. Vì các mạng ad-hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên chúng

thường được thiết lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt nào vì vậy nó rất thích hợp

để sử dụng trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng

có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nghe được

lẫn nhau.

Mô hình mạng cơ sở (BSSs)

Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 3

SVTH: Phan Trần

và điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP. Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % cho phép các trạm di động có thể di chuyển mà không bị mất kết nối vô tuyến và cung cấp vùng phủ sóng với chi phí thấp nhất. Các trạm di động sẽ chọn AP tốt nhất để kết nối. Một điểm truy nhập nằm ở trung tâm có thể điều khiển và phân phối truy nhập cho các nút tranh chấp, cung cấp truy nhập phù hợp với mạng đường trục, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý chuyển đi các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng. Tuy nhiên giao thức đa truy nhập tập trung không cho phép các nút di động truyền trực tiếp tới nút khác nằm trong cùng vùng với điểm truy nhập như trong cấu hình mạng WLAN độc lập. Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ nút phát gốc và sau đó là điểm truy nhập) trước khi nó tới nút đích, quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ truyền dẫn.

Mô hình mạng mở rộng (ESSs)

Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động tới một phạm vi bất kì thông qua ESS. Một ESSs

là một tập hợp các BSSs nơi mà các Access Point giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một

BSS này đến một BSS khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng giữa các BSS, Access Point thực

hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối. Hệ thống phân phối là một lớp mỏng trong mỗi

Access Point mà nó xác định đích đến cho một lưu lượng được nhận từ một BSS. Hệ thống phân

phối được tiếp sóng trở lại một đích trong cùng một BSS, chuyển tiếp trên hệ thống phân phối tới

một Access Point khác, hoặc gởi tới một mạng có dây tới đích không nằm trong ESS. Các thông

tin nhận bởi Access Point từ hệ thống phân phối được truyền tới BSS sẽ được nhận bởi trạm đích.

WMAN (Mạng vô tuyến đô thị): Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là WiMAX. Ngoài ra còn

có công nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của nó sẽ tầm vài km (tầm 4-5km tối đa).

WiMAX (viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn. WiMAX tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi dữ liệu tốc độ cao qua mạng không dây ở các đô thị (WMANs). Với những lợi thế như triển khai nhanh, tính chuyển đổi cao, chi phí nâng cấp thấp, Wimax góp phần giải quyết vấn đề nghẽn cổ chai. WiMAX là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào. Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN. WiMAX cho phép người dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch.

WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di động như UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm vài km đến tầm chục km.

Sơ lược về 1 số công nghệ mạng thông tin di động:

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications) GSM: Là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 4

SVTH: Phan Trần

có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được ở nhiều nơi trên thế giới.

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới.

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào (cell) do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và 1800 MHz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước.

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS): Là 1 trong các công nghệ di động 3G. UMTS dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA), được chuẩn hóa bởi Tổ chức các đối tác phát triển 3G (3GPP). UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM, để chỉ sự kết hợp về bản chất công nghệ 3G của UMTS và chuẩn GSM truyền thống.

WRAN: Mạng vô tuyến khu vực. Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22 đang được nghiên cứu

và phát triển bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40-100km. Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác.

1.2 Giới thiệu về mạng ZigBee.

1.2.1 Sơ lược về mạng ZigBee

Vì mạng Zigbee có ưu điểm là giá thành thấp, giải quyết hiệu quả vấn đề liên lạc trong dải băng tần eo hẹp, mức độ tiêu hao năng lượng thấp, trễ truyền tin nhỏ, dễ dàng mở rộng…và đây cũng là 1 công nghệ khá mới mẻ, vì vậy em sẽ chọn mạng ZigBee để tìm hiểu.

Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ

liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2,4GHz. Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu “zig-zag” của loài ong “honey-Bee”. Cái tên Zigbee cũng được ghép từ 2 từ này.

Chuẩn Zigbee được phát triển và xúc tiến bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200

công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON....

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 5

SVTH: Phan Trần

Về bản chất Zigbee cũng một chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác: UWB, 3G, IrDA, Wifi, Bluetooth...nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng dụng nhất định.

ZigBee có những đặc điểm chính sau đây:

Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps. Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng. Thời gian sử dụng pin rất dài. Cài đặt, bảo trì dễ dàng. Độ tin cậy cao. Có thể mở rộng đến 65000 node. Chi phí đầu tư thấp.

Dưới đây là bảng so sánh đặc tính của 3 chuẩn Zigbee, BlueTooth và Wifi.

Bảng 1: Bảng so sánh mạng ZigBee, BlueTooth và Wifi

Có thể thấy Zigbee cũng tương tự BlueTooth nhưng đơn giản hơn, ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp, 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 2 pin AA.

Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10-75m trong khi của BlueTooth chỉ là 10m Zigbee xếp sau

BlueTooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2,4 GHz (quốc tế), 40 kbps ở dải tần 915 MHz (Mỹ, Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu).

ZigBee sử dụng cấu hình master-slave 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 chỉ cho phép tối đa 254 nút. So sánh với chuẩn BlueTooth thì BlueTooth phức tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh và thoại trong các mạng ad-hoc.

Nút mạng ZigBee vận hành ít tốn năng lượng, có thể gửi và nhận gói tin trong khoảng 15msec

trong khi BlueTooth là 3sec.

ZigBee bảo mật cao, cho việc bảo mật mạng, ZigBee dùng National Institute of Standards and

Technology (NIST) Advanced Encryption Standard (AES). Chuẩn này, là một mã hóa khối (block cipher)

mà mã hóa và giải mã các packets trong một phương thức khó có thể bẽ khóa. Đây là một trong những

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 6

SVTH: Phan Trần

chuẩn nổi tiếng. Nguyên nhân mà nó được dùng bởi ZigBee là: Chuẩn được xác thực quốc tế, miễn phí,

có thể hiện thực trên một vi điều khiển 8-bit.

ZigBee là một chuẩn mở, có nhiều nhà cung cấp ZigBee stack, trong đề tài này sử dụng ZigBee

Stack Protocol của MicroChip cung cấp, có thể được tải miễn phí từ http://www.microchip.com.

1.2.2 Ứng dụng của mạng ZigBee.

ZigBee năng lượng thông minh: Là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm tương thích mà theo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng lượng nước. Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách cho người tiêu dùng những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền.Tiêu chuẩn này hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất sản phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và nước trong tương lai.

ZigBee điều khiển từ xa: Cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử dụng điều khiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử dụng và tuổi thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các hộp set-top, thiết bị âm thanh khác. Điều khiển từ xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng từ chỉ điều khiển từ xa ở các thiết bị. Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểm soát các thiết bị từ phòng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất cứ nơi nào, bao gồm cả phía sau gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy tinh.

Zigbee nhà thông minh: ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho các sản

phẩm tương thích cho phép nhà thông minh có thể kiểm soát thiết bị, chiếu sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee.Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì. Zigbee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng của các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà sản xuất sản phẩm khi họ phát minh ra sản phẩm cần thiết để tạo ra ngôi nhà thông minh. Những sản phẩm này là lý tưởng để xây dựng mới thêm các thị trường, và rất dễ sử dụng, duy trì và cài đặt.

Zigbee chăm sóc sức khỏe: Là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và nhịp tim của một

bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang một thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp tim. Sau đó dữ liệu được truyền không dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một máy tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực hiện. Cuối cùng, thông tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân viên vật lý trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn. Các công ty đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức khỏe bao gồm Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Awarepoint…

Ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác của ZigBee như ZigBee về dịch vụ viễn thông, ZigBee giao

tiếp với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột máy tính, giao tiếp với smartphone…

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 7

SVTH: Phan Trần

2. TÌM HIỂU VỀ MẠNG ZIGBEE

2.1 Thành phần của mạng ZigBee Trước hết chúng ta tìm hiểu các thuật ngữ:

Full-function devices (FFDs): Là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức năng theo chuẩn của IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất cứ vai trò nào trong hệ thống. FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN, hay là điều phối viên của một mạng con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng, bổ sung bộ nhớ và sức mạnh tính toán làm cho nó trở thành lý tưởng trong chức năng router mạng.

Reduced-function devices (RFDs): Là những thiết bị giới hạn một số chức năng (chỉ giao tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu như tắt, mở đèn) với chi phí thấp hơn và phức tạp hơn.

Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

Trong mạng Zigbee cho phép 3 kiểu thiết bị:

Zigbee Coordinator (ZC): Chỉ có duy nhất 1 ZC trong bất kỳ mạng Zigbee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp. Đồng thời nó điều khiển và giám sát mạng, lưu trữ các thông tin về mạng. Nó là thiết bị FFD.

Zigbee Router (ZR): Là một thành phần của hệ thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong mạng. Nó thực hiện các bảng kết nối cũng như định vị địa chỉ cho các ZED của nó. Nó có thể kết nối với ZC, ZR và cả ZED. Nó cũng là thiết bị FFD.

Zigbee End Device (ZED): Là một thành phần của hệ thống mạng nhưng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin. Nó được tối ưu sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật "sleep". Nó có thể nhận tin nhưng không thể chuyển tiếp tin, kết nối được với ZC và ZR nhưng không thể kết nối với nhau. Nó có thể là FFD hoặc RFD.

2.2 Kiến trúc liên kết mạng ZigBee

Hình 2: Các mô hình liên kết trong mạng ZigBee

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 8

SVTH: Phan Trần

Trong truyền thông dùng giao thức Zigbee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: Mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới. Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi.

Cấu trúc mạng hình sao (Star topology): Còn được gọi là point-to-point (one-hop). Đối với loại mạng này một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị được lập trình để 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 điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân được gọi là PAN ID (PAN identifier), chỉ số này là duy nhất mà không được sử dụng bởi bất kỳ mạng khác trong phạm vi ảnh hưởng của nó, khu vực xung quanh thiết bị mà sóng radio của nó có thể giao tiếp thành công với các thiết bị phát radio khác. Nói cách khác nó đảm bảo rằng PAN ID mà nó chọn không được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào gần đấy, cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối với bộ điều phối mạng PAN. Các node trong mạng PAN chỉ có thể kết nối với bộ điều phối mạng PAN vì thế mạng này là mạng tập trung, mọi node mạng đều phải thông qua ZC nên ZC sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các node mạng khác và mạng có tầm phủ sóng nhỏ (trong vòng bán kính 100m). Nên sử dụng cấu trúc hình sao này cho các ứng dụng có tầm nhỏ như tự động hóa nhà, thiết bị ngoại vi cho máy tính, đồ chơi và game.

Hình 3: Mô hình liên kết mạng dạng hình sao

Cấu trúc mạng lưới (Mesh topology): Còn được gọi là peer-to-peer (multi-hop). Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là kết hợp của hai 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 bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Mạng mắt lưới không tập trung cao độ như mạng hình sao, thay vào đó là các kết nối điểm - điểm nằm trong tầm phủ sóng của các điểm mạng. Mạng hoạt động theo chế độ ad-hoc cho phép chuyển tiếp nhiều chặng qua trung gian là các ZR, điều này đồng nghĩa với việc phải có thuật toán định tuyến để tìm ra các đường dẫn tối ưu nhất. Mạng này có thể hoạt động trong tầm rất rộng lớn, tuy nhiên rất khó khăn để giảm thiểu phức tạp trong việc liên kết bất cứ điểm - điểm nào trong mạng do đó khó có thể đảm bảo thời gian truyền tối thiểu được. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể ứng dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng)... ZR hoạt động như một điều phối viên trong khu vực hoạt động của nó để mở rộng giao tiếp ở cấp độ mạng. Trong mạng ngang hàng, mỗi thiết bị có thể giao tiếp với thiết bị khác nếu các thiết bị được đặt đủ gần để tạo thành công đường dẫn liên kết. Bất kỳ FFD nào trong mạng ngang hàng có thể đóng vai trò là một điều phối mạng PAN. Một cách để quyết định thiết bị nào sẽ là điều phối mạng PAN là lựa ra thiết bị FFD đầu tiên bắt đầu việc giao tiếp như là một điều phối mạng PAN. Một RFD có thể là một phần của mạng và chỉ giao tiếp với một thiết bị đặc biệt trong mạng (ZC hoặc ZR).

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 9

SVTH: Phan Trần

Hình 4: Mô hình liên kết mạng ZigBee dạng mắt lưới

Cấu trúc mạng hình cây (Cluster Tree topology): 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 hình cây như một node rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mô phủ sóng và tầm 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. Các ZR định hình các nhánh và tiếp nhận tin. Các ZED hoạt động như những chiếc lá và không tham gia vào việc định tuyến. Bộ điều phối mạng PAN tạo ra nhóm đầu tiên bằng cách tự bầu ra người lãnh đạo cho nhóm của mình và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đăc biệt gọi là CID-0 (cluster identifier) bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0. 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 CLH. Nếu bộ điều phối viên mạng PAN 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 hình thành được các CLH1, CLH2... Mạng hình cây hứa hẹn sẽ đem về ưu điểm của hai mạng trên: mạng hình sao (khả năng đồng bộ, đường truyền tin cậy nhờ vào chế độ GTS) và mạng mắt lưới (co giãn về khoảng cách địa lý, tầm hoạt động rất rộng).

Hình 5: Mô hình liên kết mạng ZigBee dạng cây

2.3 Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE802.15

Cũng giống như trong truyền thông công nghiệp, khi thực hiện một giao thức truyền thông, người ta thường phải dựa trên một mô hình kiến trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 10

SVTH: Phan Trần

qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của kiến trúc tương ứng. Trong truyền thông công nghiệp ta đã biết đến đó là mô hình qui chiếu OSI 7 lớp.

Trong giao thức Zigbee, người ta cũng định nghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là kiến trúc ZigBee. Kiến trúc này cũng tương tự như kiến trúc OSI 7 lớp trong truyền thông công nghiệp.

Đây là công nghệ xây dựng và phát triển các lớp ứng dụng và lớp mạng trên nền tảng là 2 tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4. Nó thừa hưởng được tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với môi trường mạng.

Hình 6: Mô hình giao thức mạng ZigBee

2.3.1 Lớp vật lý (PHY)

Điều chế tín hiệu ở tầng PHY.

Cung cấp 2 dịch vụ chính là dịch vụ dữ liệu (PHY) và dịch vụ quản lý (PHY). Dịch vụ dữ liệu (PHY)

điều khiển việc thu phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.

Các tính năng của tầng vật lý là: Sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận phát và 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 3 dải tần số khác nhau.

Bảng 2: Đặc tính hoạt động của ZigBee ở các tần số khác nhau

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 11

SVTH: Phan Trần

Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau theo bảng mô tả sau:

Bảng 3: Bảng mô tả các kênh truyền theo tần số của ZigBee

Ở tần số 2,4Ghz tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee là 250Kbps. Dưới đây là sơ đồ điều chế ở tần số 2,4Ghz.

Hình 7: Sơ đồ điều chế tín hiệu ở tầng PHY tại tần số 2,4GHz

Bộ Bit to Symbol có nhiệm vụ chuyển chuỗi nhị phân thành chưỡi kí tự, mỗi byte được chia thành các kí tự. 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 lúc đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước.

Bộ Symbol to chip có nhiệm vụ chuyễn 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 2 Mchip/s.

Bộ điều chế số O-QPSK: Phương pháp điều chế được dùng ở đây là phương pháp điều chế khóa dịch pha góc ¼ có chọn gốc dịch pha ban đầu O-QPSK (Offset-Quadrature Phase Shift Keying) tương đương với phương pháp điều chế khóa dịch pha tối thiểu MSK (Minimum Shift Keying). QPSK là phương pháp hiệu quả đối với dải tần hạn chế. Mỗi phần tử tín hiệu biễu diễn cho 2 bit. Bằng việc sử dụng độ dịch offset trong O-QPSK, thay đổi pha trong tín hiệu tổng hợp tối đa là 90 độ, cũng trong trường hợp này mà dùng QPSK thì độ lệch pha tối đa là 180 độ. Như vậy O-QPSK cung cấp một phương pháp tốt hơn QPSK khi kênh truyền có các thành phần không tuyến tính.

Còn ở tần số 868/915 MHz tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee là 20kbps ở 868 MHz và, 40kbps ở 915 MHz. Dưới đây là sơ đồ điều chế ở 2 tần số này.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 12

SVTH: Phan Trần

Hình 8: Sơ đồ điều chế tín hiệu ở tầng PHY tại tần số 868/915 MHz

Các thông số kỹ thuật ở tầng PHY

ED (Energy Detection): Đo đạc được bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ được tầng Network 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.

Chất lượng đường truyền (LQI): Đặc trưng chất lượng gói tin nhận được. Số đo này có thể bổ sung vào ED thu được, đánh giá tỉ số SNR, giá trị kết quả LQI được giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng xử lý.

Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA): Được sử dụng để xác định khi nào một kênh truyền rỗi hay bận. Có ba phương pháp:

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.

Định dạng khung tin PPDU (PHY protocol data unit):

Hình 9: Định dạng khung tin PPDU

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.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 13

SVTH: Phan Trần

2.3.2 Lớp MAC (Medium Access Control)

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.

Cấu trúc Superframe.

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 superframe.

Hình 10: Cấu trúc superframe

Superframe 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. Còn CFP gồm có các GTSs, các khe thời gian GTS

này thường xuất hiện ở ngay sau CAP. PAN co-oridinator có thể định vị được bảy trong số các GTSs, và

mỗi một GTS chiếm nhiều hơn một khe thời gian.

Khung CAP: CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP, các lệnh điều

khiển MAC sẽ được phát trong phần CAP. Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung

dữ liệu phát ngay sau khung ACK trong lệnh yêu cầu sẽ được phát trong CAP sử dụng CSMA-CA

để truy nhập kênh.

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 GTS nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng PAN, chúng sẽ được

đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau. Bởi vậy nên kích thước của phần

CFP sẽ do tổng độ dài các khe GTS này quyết định. CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để

truy nhập kênh.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 14

SVTH: Phan Trần

Truyền dữ liệu theo kiểu Beacon hoặc Non-beacon:

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

hình sau.

Hình 11: 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 beacon, nó

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

dụng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian và kết thúc quá trình truyền tin bằng

khung tin xác nhận ACK.

Hình 12: liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon.

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).

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 15

SVTH: Phan Trần

Hình 13: Định dạng khung MAC

2.3.3 Lớp Network

Lớp Network trong mô hình của giao thức ZigBee được xây dựng trên nền của tầng điều khiển dữ

liệu, nhờ những đặc điểm của lớp MAC mà lớp Network có thể mở rộng được qui mô mạng dễ dàng, một

mạng có thể hoạt động cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Lớp Network phải đảm nhận các chức năng

như:

Thiết lập một mạng mới.

Tham gia làm thành viên của một mạng 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, đồng bộ

hóa được thực hiện 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.

2.3.4 Lớp Application

Lớp ứng dụng của ZigBee/IEEE802.15.4 có các chức năng sau: Dò tìm ra xem có node 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 node mạng. 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.

Lớp Application thực hiện các chức năng do nhà sản xuất qui định. Các nhà sản xuất bổ sung

thêm vào các chức năng do Alliance qui định.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 16

SVTH: Phan Trần

3. ZIGBEE PROTOCOL STACK CỦA MICROCHIP

Microchip ZigBee–2006 Residental Stack Protocol là chuẩn mở và có thể download mã nguồn miễn phí từ http://www.microchip.com/wireless.

Trong bản stack protocol này người dùng có thể thay đổi 1 số phần để phù hợp với ứng dụng của mình, nhưng phải tuân theo qui định của Alliance.

3.1 Các thuật ngữ trong ZigBee Protocol

Application Profiles: Application Profiles cho phép chương trình ứng dụng của người dùng gửi các

lệnh, yêu cầu dữ liệu, xử lý lệnh và yêu cầu từ các thiết bị khác. Application Profiles đơn giản là cách mô

tả của 1 thiết bị trong network cũng như giao diện và báo hiệu kết nối giữa các thiết bị.

Có 2 dạng Application Profiles là Public Profiles và Private Profiles.

Public Profiles được định nghĩa bởi ZigBee Alliance. Cho phép xây dụng các sản phẩm dựa trên public profiles cụ thể. Bằng cách này thì các thiết bị sử dụng chung public profiles nên chúng chia sẻ các message thông báo giống nhau cũng như cơ chế kết nối như nhau.

Private Profiles: Định nghĩa bởi 1 công ty hoặc 1 cá nhân nào đó. Chúng được dùng trong 1 hệ thống “đóng”.

Attributes: Attribute là một phần của dữ liệu được gửi giữa 2 thiết bị, chẳng hạn như trạng thái của 1

công tác (On/Off). Trong 1 Profiles thì 1 Attribute được gán cho 1 số định danh gọi là Attribute ID.

Clusters: Một Clusters là 1 nhóm các Attribute, mỗi Clusters được gán 1 ID gọi là Cluster ID.

Endpoints: Một thiết bị cho trước có thể phục vụ nhiều ứng dụng. Ví dụ: Một thiết bị có thể đồng

thời hỗ trợ hệ thống an ninh, cảnh báo cũng như là điều khiển hệ thống ánh sáng. Mỗi ứng dụng cụ thể

trong ví dụ trên là ứng dụng an ninh và ứng dụng điều khiển ánh sáng, mỗi ứng dụng được gán 1 ID cụ

thể được gọi là endpoint. Có thể có đến 240 endpoint riêng biệt được định nghĩa trong 1 thiết bị.

Trong 1 Profile thì định nghĩa các giá trị của attribute IDs các Cluster IDs cũng như định dạng của mỗi Attribute.

Ví dụ trong 1 Profile điều khiển nhà thông minh có Cluster OnOffDRC của dimmer điều khiển từ xa, Cluster này chứa 1 attribute OnOff, được gán 8 bit giá trị, khi giá trị là 0xFF thì On, khi giá trị là 0x00 thì Off, khi giá trị là 0x0F thì đảo trạng thái ngõ ra.

Các thiết bị khác nhau thì giao tiếp thông qua Endpoints và Clusters mà nó hỗ trợ.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 17

SVTH: Phan Trần

Hình 14: Mối liên hệ giữa các thuật ngữ đã nêu

Theo sơ đồ trên ta thấy trong thiết bị Switch Remote Control có chứa Endpoint, trong Endpoint

chứa Cluster, trong Cluster là các Attribute.

3.2 Giao tiếp bằng Messages

Có 2 cách: là Direct Addressing và Indirect Addressing.

Các thiết bị trong mạng giao tiếp với nhau bằng các messages. Nếu 1 thiết bị biết địa chỉ của

thiết bị khác thì nó giao tiếp với thiết bị đó bằng 1 message với địa chỉ đích là địa chỉ thiết bị đó. Giao tiếp theo cách này gọi là Direct Addressing.

Zigbee Protocol còn cung cấp 1 cơ chế khác đó là trong thiết bị có 1 bảng gọi là Binding Table, bảng này lưu địa chỉ của các thiết bị đích, endpoint đích.

Binding Table

Khi 1 thiết bị muốn giao tiếp với 1 thiết bị khác nó tìm trong Binding Table nếu địa chỉ đích và

endpoint trùng thì địa chỉ đích và endpoint đó sẽ được thêm vào message và phát đi.

3.3 Cấu trúc của 1 Message trong Zigbee Protocol

Một message trong Zigbee Protocol bao gồm 127 bytes, có 3 kiểu message là Unicast, Multicast và

Broadcast.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 18

SVTH: Phan Trần

Cấu trúc 1 message gồm các phần sau:

Mac Header: Mac Header bao gồm Mac frame control fields, Beacon Sequence Number (BSN) và phần định địa chỉ của message khi nó đang được truyền đi, địa chỉ này có thể không phải là địa chỉ nguồn và địa chỉ đích thật sự, vì message đang trên đường truyền đi nên nó có thể là của các thiết bị trung gian. Quá trình tạo ra và sử dụng header này trong suốt với mã chương trình ứng dụng.

Network Layer Header (NWK): Header này chứa thông tin địa chỉ nguồn và địa chỉ đích thật sự

của message. Sự tạo ra và sử dụng của header này trong suốt với mã chương trình ứng dụng.

Application Support Sub-Layer Header (APS): Header này bao gồm Profile ID, Cluster ID và

địa chỉ Endpoint đích của message hiện tại. Sự tạo ra và sử dụng của header này trong suốt với mã chương trình ứng dụng.

APS Payload: Trường này chứa Zigbee Protocol frame cho quá trình ứng dụng. Các đoạn mã

chương trình ứng dụng được chứa trong Payload này.

Mỗi node trong mạng sẽ có 2 địa chỉ là 64- bit địa chỉ MAC và 16 địa chỉ mạng. Trước khi gia nhập mạng thì thiết bị dùng địa chỉ MAC để giao tiếp với các thiết bị khác, sau khi gia nhập mạng thiết bị sẽ được gán địa chỉ mạng, thiết bị dùng địa chỉ mạng để liên lạc và giao tiếp trong mạng.

Các kiểu truyền message:

Unicast: Trong 1 unicast message, địa chỉ của nút đích được cung cấp trong header của lớp Mac .Chỉ có thiết bị có địa chỉ đích mới nhận được message còn các thiết bị khác không nhận được.

Broadcast: Trong 1 broadcast message, địa chỉ trong header lớp Mac là 0xFFFF. Tất cả các thiết bị có bộ thu phát dữ liệu nào có phần thu dữ liệu được kích hoạt đều nhận được message. Kiểu truyền này thường được dùng khi một thiết bị muốn gia nhập một network, nó dò tìm các router trong network và thực hiện 1 số hàm dò tìm trong ZigBee Protocol Stack. Khi 1 thiết bị truyền đi lần đầu hoặc gửi lại broadcast message thì nó sẽ lắng nghe tất cả các neighbor của nó xem chúng có gửi lại phản hồi không. Nếu nó không nhận lại được message nào trong khoảng thời gian nwkPassiveAckTimeout giây, nó sẽ tiếp tục gửi lại packet cho tới khi nó nhận lại được phản hồi từ tất cả các neighbor của nó.

Multicast: Một ứng dụng có thể chọn 1 tập hợp các thiết bị với endpoint cụ thể, để tạo thành 1 nhóm. Nhóm các thiết bị này có thể được định địa chỉ 1 cách đồng thời và gán 1 địa chỉ nhóm gọi là Group ID.

Một ví dụ của multicast: Ta tạo 1 nhóm tất cả các bóng đèn trong căn phòng thành 1 nhóm multicast và gán cho chúng 1 Group ID. Sau đó gửi message ‘on’ để bật tất cả các đèn cùng 1 lúc.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 19

SVTH: Phan Trần

3.4 Cơ cấu truyền dữ liệu

3.4.1 Beacon và non-beacon.

Trong một mạng ZigBee có chế độ non-beacon được kích hoạt, khi thiết bị muốn truyền 1 frame dữ liệu đơn giản là nó sẽ chờ cho đến khi kênh truyền rảnh, sau khi phát hiện kênh truyền rảnh thiết bị sẽ phát frame dữ liệu đi.

Còn trong chế độ beacon, các nút được truyền dữ liệu trong các time slots đã định sẵn. Coordinator sẽ định kỳ truyền các superframe còn được gọi là beacon frame. Tất cả các nút trong mạng sẽ chờ để được đồng bộ với frame này. Mỗi nút sẽ được gán 1 slot cụ thể trong superframe.

3.4.2 Routing

Microchip Stack có khả năng định tuyến các messages. Việc định tuyến có thể thực hiện 1 cách tự

động nhờ Microchip Stack mà không có sự can thiệp nào từ ứng dụng đầu cuối. Định tuyến cho

phép mở rộng tầm của mạng, có 3 lựa chọn định tuyến:

Suppess: Nếu 1 mạng mesh được phát hiện, message sẽ được truyền dọc theo đường này.

Ngược lại nếu không có, message sẽ được truyền dọc theo tree.

Enable: Nếu 1 mạng mesh được phát hiện, message sẽ được truyền dọc theo đường này. Nếu không xác định được mesh nào, router sẽ bắt đầu dò đường. Sau khi quá trình dò kết thúc, message sẽ được truyền theo tuyến đường đã được tính toán. Nếu router không có khả năng dò tìm thì messages sẽ được truyền theo tuyến tree.

Force: Nếu router có khả năng dò tuyến đường, router sẽ bắt đầu dò đường, (kể cả khi đã có sẵn tuyền đường). Messages sẽ được truyền dọc theo tuyến đường đã được tính toán. Nếu router không có khả năng dò đường, messages sẽ được truyền dọc theo tree. Cách này ít được dùng vì nó tạo ra 1 lưu lượng lớn trong mạng. Nó được ưu tiên dùng khi sửa các tuyến bị lỗi.

3.5 Khởi tạo và tham gia vào 1 network

3.5.1 Khởi tạo network.

Một mạng Zigbee được khởi tạo đầu tiên bởi ZigBee Protocol Coordinator. Khi khởi tạo, ZigBee Protocol Coordinator sẽ tìm xem có ZigBee Protocol Coordinator nào đang hoạt động trong kênh của nó không. Dựa trên năng lượng kênh và số network tìm thấy, nó sẽ tạo 1 mạng riêng của nó và chọn 1 ID 16 bit gọi là 16-bit Personal Area Network ID (PAN). Khi mạng được khởi tạo xong, ZigBee Protocol Router và thiết bị đầu cuối sẽ được phép gia nhập mạng.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 20

SVTH: Phan Trần

Khi một network được tạo ra thì có thể sẽ có những thay đổi, chẳng hạn như 1 hoặc nhiều mạng bị trùng PAN ID xảy ra. Trong trường hợp này, Coordinator sẽ giải quyết bằng cách thay đổi PAN ID của nó và hướng dẫn các thiết bị trong mạng của nó những thay đổi cần thiết. Trong phiên bản Microchip Stack em sử dụng không có hỗ trợ giải quyết xung đột PAN ID.

3.5.2 Liên kết Network.

Một quan hệ parent - child sẽ được tạo ra khi có 1 thiết bị mới gia nhập mạng, khi đó thiết bị mới gia nhập sẽ là thiết bị child và thiết bị trước đó là thiết bị parent. Một cách để 1 thiết bị mới gia nhập mạng đó là sử dụng những thủ tục của ZigBee Protocol.

Thiết bị child bắt đầu thủ tục liên kết Network bằng cách thực hiện dò kênh. Các thiết bị parent có khả năng sẽ lắng nghe kênh truyền đang được dò bởi thiết bị child và trả lời bằng 1 beacon frame, frame này chứa đựng thông tin, dữ liệu để thông báo cho thiết bị child biết nó có được chấp nhận liên kết vào network hay không. Các beacon frame này sẽ được lưu trong neightbor table của thiết bị mới này. Khi quá trình dò kết thúc, thiết bị mới này sẽ kiểm tra và thiết bị parent tốt nhất sẽ được chọn. Thiết bị child lúc này sẽ gửi yêu cầu được gia nhập network cho thiết bị parent mà nó chọn, nếu thành công thiết bị parent sẽ gửi cho thiết bị child xác nhận gia nhập thành công. Cuối cùng thiết bị parent sẽ gán cho thiết bị child mới gia nhập địa chỉ mạng 16 bit.

3.5.3 Network Orphaning

Thiết bị trong mạng ZigBee sẽ lưu các thông tin về các nút trong mạng, thông tin về các thiết bị parent, thiết bị child của nó trong vùng nhớ gọi là Neighbor Table. Khi cấp nguồn, nếu thiết bị kiểm tra trong Neighbor Table của nó và xác định nó là 1 thành viên của 1 network, nó sẽ gửi thông báo orphan để xác định network trước đó của nó. Thiết bị nhận được thông báo orphan sẽ kiểm tra trong Neighbor Table của nó và xem thiết bị gửi thông báo orphan có phải thiết bị child của nó không, nếu đúng nó sẽ thông báo cho thiết bị đã gửi thông báo orphan vị trí của nó trong network. Nếu thông báo orphan bị lỗi, hoặc thiết bị child không có thông tin gì về thiết bị parent của nó trước đó thì nó sẽ gia nhập mạng như 1 thành viên mới.

3.5.4 Gia nhập lại network (Network Rejoin)

Khi 1 thiết bị đầu cuối mất kết nối với thiết bị parent của nó hoặc nó yêu cầu rời network với “rejoin bit” được set. Nó sẽ bắt đầu thủ tục để gia nhập lại.

Không giống thủ tục của network orphaning là thiết bị child tìm cách kết nối lại network với thiết bị parent cũ, thủ tục network rejoin bắt đầu bằng quá trình dò kênh và thiết bị parent sẽ được chọn ra từ 1 danh sách beacon frame mà nó nhận được. Sau khi chọn được thiết bị parent, nó sẽ gửi 1 unicast message đến thiết bị parent để yêu cầu được gia nhập. Sau khi nhận được phản hồi từ thiết bị parent thì thiết bị child sẽ được gia nhập trở lại mạng với 1 địa chỉ mạng mới và thiết bị parent mới.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 21

SVTH: Phan Trần

Bằng cách xin rời mạng và sau đó xin gia nhập lại với một địa chỉ mạng mới, một thiết bị parent mới thì đây là 1 cách hiệu quả để sắp xếp lại thiết bị trong mạng và giúp thiết bị gia nhập lại mạng khi nó bị mất kết nối vì 1 nguyên nhân nào đó.

Router không tự động gia nhập lại mạng vì nó không có 1 cách trực tiếp để xác định thiết bị parent của nó không có trong network, không như thiết bị RFD thì chúng có thể hỏi thiết bị cha của chúng.

4. HIỆN THỰC Trong đề tài này để tìm hiểu về giao thức ZigBee em sẽ sử dụng 2 Module thu phát cao tần hỗ trợ chuẩn ZigBee để thực hiện. Mỗi module thu phát cao tần sẽ tạo thành 1 node, node phía phát kết nối với cảm biến nhiệt độ LM35, thu thập dữ liệu nhiệt độ để vi điều khiển xử lý rồi phát dữ liệu sang node còn lại. Node này đóng vai trò là Coordinator, nhận dữ liệu xử lý và hiển thị lên màn hình LCD.

4.1 Chuẩn bị phần cứng:

1. MODULE ZIGBEE MRF24J40MA. 2. VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4620. 3. CẢM BIẾN NHIÊT ĐỘ LM35.

4.1.1 Module ZigBee MRF24J40MA

Hình 15: Module ZigBee MRF24J40MA.

MRF24J40MA là 1 sản phẩm của công ty Microchip, hoạt động ở 2.4GHz theo chuẩn 802.15.4

của IEEE, hỗ trợ Zigbee, Miwi, Miwi P2P, và các giao thức mạng không dây, tốc độ truyền dữ liệu 250kbps, Tương thích với nhiều loại vi điều khiển (PIC16F, PIC18F, PIC24F/H,PIC32…).

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 22

SVTH: Phan Trần

Hình 16: Sơ đồ khối của Module ZigBee MRF24J40MA.

Theo sơ đồ khối của MRF24J40 ở trên thì MRF24J40 giao tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp SPI, 2 phần Physical và MAC làm nhiệm vụ tương ứng với 2 tầng PHY và MAC trong giao thức ZigBee. Dữ liệu được đưa ra PCB antenna đã được phối hợp trở kháng và phát đi.

a. Các tính năng chính và thông số kĩ thuật của modul MRF24J40MA IEEE Std. 802.15.4™ Compliant RF Transceive. Hỗ trợ ZigBee®, MiWi™, MiWi™ P2P và Proprietary Wireless Networking Protocols Kích thước nhỏ gọn: 0.7” x 1.1” (17.8 mm x 27.9 mm). Tích hợp thạnh anh, ổn áp trong. Dễ tích hợp vào phát triển sản phẩm. Chứng nhận Radio Regulation Certification cho United States (FCC), Canada (IC) and

Europe (ETSI). Thích hợp với Microchip Microcontroller Families (PIC16F, PIC18F, PIC24F/H, dsPIC33 và

PIC32). Phạm vi truyền sóng khoảng 75m-100m.

b. Điều kiện hoạt động

• Điện áp cung cấp: 2.4-3.6V (chuẩn là 3.3V). • Dải nhiệt độ: -40°C to +85°C công nghiệp. • Đơn giản với giao tiếp SPI 4 dây. • Dòng tiêu thụ nhỏ:

- RX mode: 19 mA (chuẩn). - TX mode: 23 mA (chuẩn). - Sleep: 2 μA (chuẩn).

c. Các tính năng RF/Analog

• Dải tần hoạt động ISM Band 2.405-2.48 GHz. • Tốc độ dữ liệu: 250 kbps. • Độ nhạy thông thường -94 dBm với mức đầu vào lớn nhất +5 dBm. • Công suất ra +0 dBm với dải điều khiển công xuất TX 36 dB. • Tích hợp Low Phase Noise VCO, Đồng bộ tần số và bộ lọc lặp PLL Filter.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 23

SVTH: Phan Trần

• Digital VCO và Filter Calibration. • Tích hợp RSSI ADC and I/Q DACs. • Tích hợp LDO. • High Receiver and RSSI Dynamic Range. •

d. Các tính năng MAC/Baseband • Hardware CSMA-CA Mechanism, tự động đáp ứng ACK và kiểm tra FCS. • Independent Beacon, Transmit and GTS FIFO. • Hỗ trợ tất cả các chế độ CCA và RSS/LQI. • Có khả năng gửi lại gói tin tự động. • Bảo mật phần cứng (AES-128) với các chế độ CTR, CCM và CBC-MAC. • Hỗ trợ Mã hoá và giải mã cho MAC Sublayer và Upper Layer.

e. Cấu tạo Module

Hình 17: Sơ đồ các chân của module MRF24J40MA

Bảng 4: Mô tả các chân của module MRF24J40MA

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 24

SVTH: Phan Trần

Điều kiện hoạt động của Module

Bảng 5: Điều kiện hoạt động của Module MRF24J40MA

Tiêu thụ dòng điện

Bảng 6: Thông số tiêu thụ dòng điện của MRF24J40MA

4.1.2 Vi điều khiển PIC18F4620

Vì Module MRF24J40MA là sản phẩm của Microchip, và ZigBee Protocol Stack cũng là 1 sản phẩm của Microchip hỗ trợ thực hiện mạng ZigBee.Vì vậy trong đề tài này em sử dụng vi điều khiển Pic của Microchip để làm vi điều khiển cho mạch.

PIC18F4620 là vi điều khiển họ PIC18F, hỗ trợ giao tiếp SPI, tốc độ 40MHz, bộ nhớ chương trình 64KB(FLASH). Điện áp cung cấp 4.2-5.5V, nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 80 độ C.

Hình 18: Hình dạng của vi điều khiển PIC18F4620

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 25

SVTH: Phan Trần

4.1.3 Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 19: Hình dạng của cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog. Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35. Đơn vị nhiệt độ: °C. Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C. Đặc điểm chính của cảm biến LM35

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V. + Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC. + Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C. + Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C -> 150 C với các mức điện áp ra khác nhau. Xét một số mức điện áp sau:

Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV. Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV. Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV.

4.2 Sơ đồ kết nối phần cứng

Sơ đồ giao tiếp giữa Module và vi điều khiển thông qua giao tiếp SPI.

Hình 20: Giao tiếp SPI giữa MRF24J40MA và PIC MCU

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 26

SVTH: Phan Trần

Phía phát: Phần cứng chính gồm có PIC18F4620, module MRF24J40MA, cảm biến nhiệt độ LM35.

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý phía phát

Phía thu: Phần cứng chính gồm PIC18F4620, module MRF24J40MA, LCD 16X2 LM016L.

Hình 22: Sơ đồ nguyên lý phía thu

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 27

SVTH: Phan Trần

5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1 KẾT QUẢ

5.1.1 Những mặt đạt được

Hiểu được về giao thức ZigBee và thực hiện được mạch thu phát dữ liệu sử dụng module cao tần

hỗ trợ ZigBee.

Có thể thiết kế 1 node đơn giản trong mạng ZigBee.

Đo đạc được nhiệt độ.

Tìm hiểu về thu phát dữ liệu sử dụng module MRF24J40MA.

5.1.2 Những thiếu sót

ZigBee Protocol Stack của Microchip là mã nguồn có dung lượng lớn, nó hỗ trợ gần như đầy đủ

tất cả các chức năng của ZigBee. Vì vậy trong thời gian ngắn em chưa thể tìm hiểu hết được tất

cả các chức năng của nó

Hai node ZigBee được thiết kế trong đề tài truyền dữ liệu theo chuẩn ZigBee, nhưng do phần

cứng chưa hỗ trợ đầy đủ nên chỉ thấy dữ liệu truyền đi và hiển thị lên LCD chứ chưa quan sát

được đầy đủ quá trình gia nhập mạng, khởi tạo mạng… mà giao thức ZigBee có.

5.2 Hướng phát triển

Trong đề tài này em sử dụng cảm biến nhiệt độ đơn giản để tìm hiểu cơ bản về ZigBee. Ngoài ra

ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác, tùy vào mục đích sử dụng sẽ có rất nhiều hướng phát triển cho

ZigBee. Trong đề tài này chỉ đơn thuần là truyền dữ liệu giữa 2 node, chưa thấy rõ được giao thức truyền

dữ liệu, thiết lập mạng, gia nhập mạng của ZigBee như đã nêu trong phần tìm hiểu lý thuyết. Muốn thấy

rõ được điều này ta có thể giao tiếp Coordinator với máy vi tính qua cổng RS232 hoặc USB. Bằng phần

mềm trên máy vi tính ta có thể quan sát rõ được quá trình gửi nhận các gói tin, thiết lập mạng, gia nhập

mạng, từ đó có thể hiểu rõ giao thức ZigBee hơn.

Mô hình trên có thể mở rộng thành nhiều node, mỗi node dùng 1 module MRF24J40MA, lúc này

ngoài coordinator và end device thì cần phải có thêm các router, router sẽ giúp mở rộng mạng ra nhờ khả

năng định tuyến và trung gian cho phép các node khác gia nhập mạng. Nhiều end device nhiều router sẽ

tạo 1 mạng lớn và phức tạp hơn. Lúc này các thiết bị sẽ thực hiện tất cả các chức năng mà ZigBee Protocol

hỗ trợ.

Tìm hiểu về mạng ZigBee

Page | 28

SVTH: Phan Trần

Tài liệu tham khảo

[1] “IEEE 802.15.4 Standard Specification”, http://www.standards.ieee.org

[2] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org

[3] “IEEE Standards 802.15.4, IEEE 2003, ISBN 0-7381-3677-5 SS95127”, 2004

[4] “ZigBee2006 Application Note AN1232A”, http://www.microchip.com

[5] “MRF24J40MA Datasheet”, http://www.microchip.com

[6] “PIC18F4620 Datasheet”, http://www.microchip.com

[7] Fred Eady, “Hands-On ZigBee: Implementing 802.15.4 with Microcontrollers”