ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN ĐỨC MINH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU VÔ TUYẾN THEO CHUẨN
GIAO TIẾP ZIGBEE
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Huế - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN ĐỨC MINH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU VÔ TUYẾN THEO CHUẨN
GIAO TIẾP ZIGBEE
Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Trần Đức Minh
3
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................................. 7
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 8
Chương 1. Giới thiệu chung về mạng WPAN và chuẩn ZigBee. ....................................... 9
1.1.
Giới thiệu về mạng không dây cá nhân (wireless peasonal are network - WPAN) ...............9
1.1.1. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây .......................................................9
1.1.2. Giới thiệu chung về mạng WPAN ..................................................................................10
1.1.3. Phân loại mạng WPAN...................................................................................................11
1.2.
Khái quát về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 ........................................11
1.2.1. Giới thiệu ........................................................................................................................11
1.2.2. Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN. ....................................................................12
Chương 2. Chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4. ....................................... 16
2.1.
Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 .....................................................................16
2.2.
Tầng vật lý ...........................................................................................................................17
2.2.1. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4.................................18
2.2.2. Định dạng khung tin PPDU. ...........................................................................................19
3.2.5.
Ngắt ................................................................................................................................40
Chọn kênh truyền............................................................................................................41
Truyền nhận dữ liệu ........................................................................................................42
Chương 4. Thiết kế hệ thống truyền nhận dữ liệu không dây sử dụng theo chuẩn
ZigBee.
44
4.1.
Giới thiệu ............................................................................................................................44
4.2.
Mô tả phần cứng..................................................................................................................45
4.2.1. Khối điều khiển chính.....................................................................................................45
4.2.2. Khối hiển thị ...................................................................................................................47
4.2.3. Khối chuyển đổi giao tiếp USB – COM .........................................................................47
4.2.4. Khối nguồn .....................................................................................................................48
4.2.5. Khối thu phát không dây ................................................................................................49
4.2.6. Khối các nút nhấn điều khiển .........................................................................................49
4.3.
Thiết kế phần mềm...............................................................................................................50
4.3.1. Phần mềm cho máy tính .................................................................................................51
4.3.2. Phần mềm cho board điều khiển .....................................................................................53
4.4.
Kết quả ................................................................................................................................56
KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 60
FFD
Full – Function Device
GTSs
Guaranteed Time Slots
LAN
Local Area Network
LQI
Line Quality Indentify
MAC
Media Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
PAN
Personal Area Network
PLME
Bảng 2.3. Định dạng khung PPDU ....................................................................................................................19
Bảng 2.4. Định dạng khung MAC .....................................................................................................................29
Bảng 3.1. Sơ đồ địa chỉ các thanh ghi điều khiển có địa chỉ ngắn ....................................................................39
Bảng 3.2. Sơ đồ địa chỉ các thanh ghi điều khiển có địa chỉ dài. ......................................................................39
Bảng 3.3. Cấu trúc các thanh ghi phục vụ reset ...............................................................................................40
Bảng 3.4. Cấu trúc các thanh ghi phục vụ ngắt ................................................................................................41
Bảng 3.5. Các thanh ghi lựa chọn kênh truyền. ...............................................................................................41
Bảng 3.6. Giá trị tần số và kênh truyền tương ứng. ........................................................................................42
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các giao thức truyền thông không dây. ............................................................................................. 9
Hình 1.2. Cấu trúc liên kết mạng. ....................................................................................................................13
Hình 1.3. Cấu trúc mạng hình sao....................................................................................................................14
Hình 1.4. Cấu trúc mạng mắt lưới. ..................................................................................................................14
Hình 1.5. Cấu trúc mạng hình cây. ...................................................................................................................15
Hình 2.1. Mô hình giao thức mạng ZigBee. .....................................................................................................17
Hình 2.2. Cấu trúc siêu khung. ........................................................................................................................20
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán tránh xung đột đa truy nhập. .............................................................................23
Hình 2.4. Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon. .......................................................................................25
Hình 2.5. Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. .............................................................................................25
Hình 2.6. Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon. ..................................................................................................26
Hình 2.7. Kết nối trong mạng không hỗ trợ beacon. .......................................................................................26
Hình 2.8. Khung tin mã hóa tầng MAC. ...........................................................................................................30
Hình 2.9. Khung tin mã hóa tầng mạng. ..........................................................................................................31
Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát của MRF24J40 trong một node mạng. ............................................................33
Hình 3.2. Sơ đồ chân của MRF24J40. ..............................................................................................................34
Hiện nay có rất nhiều chuẩn giao tiếp không dây cho phép truyền dữ liệu với
tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như bluetooth, wifi... Tuy nhiên đối với mạng
sensor trong những ứng dụng điều khiển - tự động hóa thì các chuẩn wifi hay
bluetooth lại không phù hợp. Mặc dù cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, nhưng
chúng cũng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều
năng lượng, phạm vi kết nối nhỏ, độ trễ lớn, cơ chế bảo mật đơn giản (Bluetooth), yêu
cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn.
Để giải quyết những khuyết điểm đó, chuẩn giao tiếp ZigBee đã ra đời. ZigBee
là một tiêu chuẩn công nghệ truyền thông vô tuyến được tiêu chuẩn hóa cho các ứng
dụng như mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), hỗ trợ các hoạt
động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care), cơ chế
quản lý năng lượng hiệu quả hơn cho phép ZigBee hỗ trợ xây dựng các mạng không
dây tiêu thụ năng lượng một cách thông minh (Smart Energy)… Tiêu chuẩn ZigBee
được tạo ra với mục đích cung cấp một giải pháp mạng không giây chi phí thấp, độ trễ
truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, thời gian sử dụng pin dài, có khả năng hỗ trợ
truyền tốc độ thấp, nhưng có độ bảo mật và độ tin cậy cao.
Hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều nhóm nghiên cứu về chuẩn này, tuy nhiên
việc phát triển các ứng dụng dành cho chuẩn giao tiếp này vẫn còn nhiều vấn đề cần
nghiên cứu. Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là tìm hiểu, nghiên cứu về chuẩn giao
tiếp không dây ZigBee. Từ đó sẽ thiết kế và xây dựng một hệ thống điện tử sử dụng
chuẩn giao tiếp này, cho phép giao tiếp với một số thiết bị khác để thu nhận các dữ
liệu đo được (các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, các máy đo đang được thiết kế tại phòng
TN chất rắn…). Dữ liệu thu nhận được sẽ được gửi về máy tính chủ hoặc bộ điều
khiển trung tâm để lưu trữ và xử lý dữ liệu đo đạc. Các máy tính chủ hoặc bộ điều
khiển thông qua mạng không dây cũng có thể gửi ngược lại các dữ liệu điều khiển để
điều khiển hoạt động của các thiết bị được kết nối. Với mục tiêu đặt ra, tôi đã lựa chọn
đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền nhận dữ liệu vô tuyến theo
chuẩn giao tiếp ZigBee" để làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình.
vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học...) mà vẫn kết nối được với
mạng. Mạng Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có
802.11a/b/g/n.
10
Metropolitan Area Network (MAN)
Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc trên
chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là WiMAX). Nó
được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết bị cố định hoặc di động
thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến
mạng lõi.
WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương đối rẻ
trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16 km, tuy nhiên ở
khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể. Trong hầu hết mọi trường hợp,
các điểm truy cập được thêm vào để duy trì chất lượng của dịch vụ.
Wide Area Network (WAN)
WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN, LAN
hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ điển hình nhất
của WAN chính là mạng Internet.
WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế
người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và máy tính
trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng cho các tổ chức
đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thì có
nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên
gọi cho các mạng truyền thông dữ liệu di động như GSM, GPRS và 3G.
1.1.2.
Giới thiệu chung về mạng WPAN
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 máy điện thoại di động, 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 thiết bị công
nghiệp hoặc 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.
1.2. Khái quát về chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4
1.2.1.
Giới thiệu
ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn
truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân
PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc
độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động
dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ
những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không
phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn
ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance.
Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường Zig-zag của ong mật
(honey Bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị
trí của hoa và nguồn nước.
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...
a) 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
13
(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, 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.
b) 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 1.2 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp:
tôpô sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây.
Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)
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 bộ điều phối và
cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các bộ điều phối khác vì thế mà cấu trúc
mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.
Hình 1.5. Cấu trúc mạng hình cây.
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 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 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
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,...(Hình 1.5).
16
CHƯƠNG 2.
CHUẨN GIAO TIẾP KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE
802.15.4.
2.1. Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4
Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.
18
Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu
Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau được mô tả như trong
Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Kênh truyền và tần số
2.2.1.
Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của chuẩn IEEE
802.15.4
a) Chỉ số ED (energy detection)
Chỉ số ED được đo 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 (bằng 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.
19
b) Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)
Chỉ số chất lượng đường truyền LQI là đặc trưng cho chất lượng gói tin nhận
SFD (bắt đầu
phân định
khung)
1
Độ dài khung
(7 bits)
SHR
PHR
Variable
Phần giành
riêng (1 bit)
PSDU
PHY payload
2.3. Tầng điều khiển dữ liệu
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
20
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.
21
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 mạng 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 trịcủa macSuperFrameOrdercho 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 ởphần “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 ởkhe số 0 mà không cần sử dụng CSMA.
a) Khung CAP
CAP được phát ngay sau mốc beaconvà 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
chỉnh linh động tăng hay giảm kíchthước 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 cần một 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.
b) Khung CFP
xung đột bằng cách là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyền
thật sự.
23
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán tránh xung đột đa truy nhập.
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 được sử dụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA
gán khe thời gian được dùng, ngược lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian
sẽ được sử dụng. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp thuật toán đều được bổ sung bằng
Copyright: Tài liệu đại học ©