TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ
VÀ PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI PHÁP
MICROCHIP CHO GIAO THỨC ZIGBEE
Sinh viên thực hiện:

LÊ HỒNG KỲ

Lớp 48K ĐTVT
Niên khóa:

2007-2012

Giảng viên hướng dẫn: Th.S. NGUYỄN THỊ KIM THU

NGHỆ AN, 01-2012

1


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến không
dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm biến được ứng
dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh, nhà tự động hóa…

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 đồ án này, em muốn trình bày một số tìm hiểu chung về công
nghệ ZigBee và thử nghiệm,đánh giá các và phát triển giải pháp Microchip
cho giao thức Zigbee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này. Đồ án sẽ sử
dụng bộ trình diễn PICDEM Z và trình phân tích mạng không dây ZENA do
Microchip cung cấp. Mặc dù đã có những bước tìm hiểu và phân tích song
trong quá trình thực hiện còn mắc một số vấn đề chưa giải quyết được, mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn.

SUMMARY PROJECT
ZigBee technology is a technology that is applied to the control systems
and sensors have low speed transmission operating cycle length. ZigBee
technology operating at 868/915 MHz band and 2.4 GHz, with the advantage
of low latency communications, less energy consumption, lower costs, fewer
errors, scalable, compatible high.
In this project, I would like to present some general to learn of ZigBee
technology and testing, evaluating and developing solutions for Microchip
Zigbee protocol in order to learn more about this technology. Project will use
the PICDEM Z demonstration and Zena wireless network analyzer by
Microchip

provider. Despite these steps to understand and analyze the

implementation process but also having some issues unresolved, would be the
comments of the teachers and friends.

3

Hình 3.8. Bảng cấu hình NWK..................................................................... 69
Hình 3.9. Bảng PIC....................................................................................... 72
Hình 3.10. Cửa sổ giám sát mạng giao thức Zigbee™.................................. 74
Hình 3.11. Yêu cầu liên kết và trả lời............................................................ 76
Hình 3.12. Thông điệp ứng dụng với APS level Acknowledge.................... 78
Hình 3.13. Thông điệp ứng dụng bằng hiển thị dạng số........................... 80
Hình 3.14. Thông điệp ứng dụng bằng hiện thị cô đọng............................. 80
Hình 3.15. Cửa sổ Network monitor sử dụng bộ lọc..................................... 81
Hình 3.16. Filtered beacons........................................................................... 83
Hình 3.17. Security and decrypted............................................................. 84

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và các công nghệ khác......................................... 14
Bảng 1.2. Băng tần và tốc độ dữ liệu............................................................ 16
Bảng 1.3. Kênh truyền và tần số................................................................... 17
Bảng 1.4. Định dạng khung PPDU................................................................ 18
Bảng 1.5. Định dạng khung tin MAC........................................................... 30
Bảng 2.1. Các bước ràng buộc cấu hình........................................................ 52
Bảng 2.2. Sửa đổi cấu hình phần cứng.......................................................... 57
Bảng 3.1. Lựa chọn cấu hình thiết bị giao thức Zigbee................................ 63
Bảng 3.2. Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng Zigbee...................... 64
Bảng 3.3. Cấu hình Profile/Endpoint giao thức Zigbee................................ 66
Bảng 3.4. Cấu hình thiết bị giao thức Zigbee................................................ 67
Bảng 3.5. Cấu hình ZDO giao thức Zigbee................................................... 68
Bảng 3.6. Cấu hình NWK giao thức Zigbee................................................. 70
Bảng 3.7. Cấu hình MAC giao thức Zigbee.................................................. 71
Bảng 3.8. Cấu hình PIC MCU giao thức Zigbee........................................... 73


Khung ứng dụng

AODV

Ad hoc On Demand

Giao thức định tuyến vector

Distance Vector

khoảng cách theo yêu cầu

Application Support

Lớp ứng dụng hỗ

Sublayer Protocol Data

giao thức dữ liệu.

APL

Application
Layer
Unit

Lớp ứng dụng

APS

Cipher Block Chaining

Tạo khối chuỗi mật mã

CCA

Clear Channel Assessment

Ước định kênh truyền trống

CCM

Counter with Cipher Block Mã nhận thực bản tin chuỗi bộ
Chaining of Message

đếm và bộ lập mã

CCM*

CCM
(extendedCode
version)
Authentication

CCM (phiên bản mở rộng)

CFP

Contention Free Period



Sẵn sàng nhận

DD

Designated Device

Thiết bị mẫu

ED

Energy Detection

Phát hiện năng lượng

FCFS

First-come-first-server

Đến trước được phục vụ trước

FCS

Frame Check Sequence

Khung kiểm tra trình tự

FFD

Full Funtion Device


Mạng WPAN tốc độ thấp

Personal Area Network
MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi
trường

MFR

MAC Footer

Chân MAC

MHR

MAC Header

Mào đầu MAC

MIC

Message Integrity Check

Kiểm tra tính nguyên vẹn của
tin báo



Thực thể dữ liệu lớp mạng

Entity
NLDE-SAP

Network Layer Data

Điểm truy cập dịch vụ thực

Entity Service Access

thể dữ liệu tầng mạng

Point

8


NLME

Network Layer

Thực thể quản lý tầng mạng

Management Entity
NLME-SAP
NPDU
NSDU


PAN

Personal Area Network

Mạng cá nhân

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PD

PHY Data

Dữ liệu vật lý

PD-SAP

PHY Data Service Access Điểm truy cập dịch vụ dữ liệu
Point

PHY

PER

Packet Error Rate

Tỷ lệ lỗi gói


Điểm truy cập dịch vụ thực

Management Entity

thể quản lý tầng vật lý

PPDU

PHY
Protocol
Unit
Service
AccessData
Point

Đơn vị dữ liệu giao thức PHY

PSDU

PHY Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp vật

QoS

Quality of Service

lý lượng dịch vụ
Chất

Receiver

Phía thu

SAP

Service Access Point

Điểm truy cập dịch vụ

SD

Superframe Duration

Thời gian siêu khung

SHR

Synchronization Header

Đồng bộ mào đầu

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu / nhiễu

SSP


ZDO

ZigBee Device Object

10

Đối tượng thiết bị ZigBee


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY
ZIGBEE/IEEE 802.15.4
1.1. Giới thiệu chương

Trong chương này ta sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về chuẩn kết nối
không dây Zigbee / IEEE 802.14.5. Một số chủ đề cần tìm hiểu đó là:
• Giới thiệu về mạng WPAN
• Đặc điểm chung của Zigbee/IEEE 802.15.4
• Mô hình giao thức Zigbee
1.2. Giới thiệu về mạng WPAN

WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô
tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa, sử dụng băng
tần hẹp nhưng vẫn đem lại hiệu quả cao. Không giống như mạng WLAN
(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi
hỏi nhiều về cớ sở hạ tầng. 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...
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

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 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 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.
Với những ưu điểm chính :
− Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
12


− 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.
Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz (toàn cầu), 40 kbps ở dải
tần 915 MHz (Mỹ, Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu)
1.3.2. Đặc điểm
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

ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công
nghệ mới này. Tháng 10 năm 2004, Liên minh Zigbee ra đời. Đây là hiệp hội
các công ty làm việc cùng nhau để cho phép và kiểm soát các sản phẩm mạng
không dây tốc độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật
cao. Là một tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận. Nó tạo ra các tiêu chuẩn
kỹ thuật cho Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thị trường.
Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời từ đó đến nay:
− Ngày 11/12/2004, phiên bản đầu tiên ra đời: Zigbee 1.0. Cũng trong
thời gian này điện thoại Zigbee đầu tiên trên thế giới được giới thiệu với
những tính năng như điều khiển các thiết bị điện gia dụng, theo dõi nhiệt độ,
độ ẩm và hệ thống báo động.
− Tháng 12/2006, Zigbee 2006 ra đời.
− Năm 2007, Zigbee PRO ra đời với những tính năng vượt trội hơn.
1.3.4. So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi
14


Ngày nay khi mà Wifi và Bluetooth đã hết sức thông dụng với chúng ta
thì Zigbee cũng đã cho thấy những ưu điểm đáng ghi nhận.
Bảng 1.1 So sánh Zigbee và các công nghệ khác [1]
Công nghệ

ZIGBEE

WIFI

BLUE TOOTH

Tiêu chuẩn



1-100 Mbps

1-3 Mbps

Khoảng cách

10-100 m

30-100 m

2-10 m

Kích cỡ mạng

65536

32

7

Tuổi thọ pin

100 đến 1000

1 đến 5

1 đến 7

50 đến 60 Kbytes

15


1.3.5. Ứng dụng
Công nghệ Zigbee được phát triển và ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh
vực:







Năng lượng thông minh
Zigbee điều khiển từ xa
Zigbee nhà thông minh
Zigbee chăm sóc sức khỏe
Zigbee xây dựng tự động
Zigbee dịch vụ viễn thông
 ZigBee 3D Sync
 Dịch vụ bán lẻ ZigBee
 ZigBee thiết bị đầu vào [2]
1.4. Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE802.15
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 1.1 Mô hình giao thức của ZigBee [3]
1.5. Tầng vật lý

Tốc độ ký

chip

độ

tự

(kchips/s

bit

(ksymbol/s

20

)
20

)
300

Điều chế

BPSK

Ký tự

Nhị
phân

2486.5
Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau được mô tả như
bảng dưới đây :
Bảng 1.3. Kênh truyền và tần số [4]
Tần số trung tâm Số lượng kênh (N)

Kênh

(MHz)

Tần số kênh trung
tâm (MHz)

868

1

0

868.3

915

10

1-10

906+2(k-1)

2450



− CCA2: “Cảm biến sóng mang”, CCA sẽ thông báo kênh truyền bận khi
nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE 802.15.4.
− CCA3: “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt ngưỡng”,
CCA sẽ thông báo kênh truyền bận khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và
điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.
1.5.2.4. Khung tin PPDU
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin:
Bảng 1.4. Định dạng khung PPDU [5]
Octets: 4

1

Đầu khung

SFD

(đồng bộ)

(bắt đầu

1

Variable

Độ dài khung Phần giành
(7 bits)

riêng (1 bit)

− Cyclic sleep
− Cin sleep.

1.5.3.1. Cyclic sleep
Cyclic sleep là một trong những cách mà trong đó thiết bị có thể bảo tồn
năng lượng bằng cách sử dụng giấc ngủ định kỳ và chu kỳ thức
tỉnh. Trong chu kỳ giấc ngủ, một nút mẹ sẽ đệm tin nhắn cho thiết bị ngủ. Khi
thiết bị bị đánh thức, nó sẽ gửi một yêu cầu thăm dò ý kiến nút mẹ. Tại thời
điểm đó, thiết bị nhận được bất kỳ tin nhắn được lưu trữ trong nút mẹ, hoặc
có thể truyền tải một tin nhắn. Sau khi làm như vậy, thiết bị trở về chế độ ngủ.
Hoạt động này được quản lý bởi một bộ đếm thời gian đó là sự thiết lập
lại mỗi mô-đun đi vào sleep mode. Khi các hết thời gian đếm, mô-đun thức
dậy và gửi các yêu cầu thăm dò ý kiến để thiết bị mẹ kiểm tra xem có bất kỳ
thông điệp unicast đã được đệm trong khi nó đã ở chế độ ngủ (Thiết bị mẹ
không lưu trữ truyền phát sóng cho thiết bị con).
Node mẹ sẽ chấp nhận một tin nhắn gửi đến mạng của thiết bị đang
ngủ hoặc địa chỉ MAC và giữ nó trong một bộ đệm cho đến khi thiết bị được
đánh thức và yêu cầu thông tin.
Các thông điệp này được gọi là thông điệp gián tiếp. Node mẹ sẽ chỉ
đệm vào hàng đợi một thông điệp gián tiếp tại một thời điểm. Gián tiếp gửi
tin nhắn không làm việc với tin nhắn quảng bá.
Thời gian hẹn giờ được liên kết với một bộ đếm thời gian được nút mẹ
gọi là bộ đệm thời gian chờ thời gian. Khi thời gian này hết hạn, bất kỳ tin
nhắn được lưu trữ trong thiết bị mẹ sẽ bị xóa. Nếu tin nhắn không được thu
thập trong chu kỳ thời gian chờ sau đó các thiết bị mẹ biết rằng có một vấn đề
với các thiết bị kết thúc. Vấn đề này sau đó có thể đăng nhập và được sử dụng
để cảnh báo rằng một nút đã không được báo thức.
1.5.3.2. Pin sleep
20



Beacon

Beacon
CAP

CFP

GTS

GTS

0 1

2 3

4

5

6

7

8

Phần ngừng hoạt động

9 10 11 12 13 14 15


− Khung CAP
Khung 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.
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 được sử
dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh. Khung chứa lệnh điều khiển
MAC sẽ được phát trong phần CAP.
− 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.
− Khoảng cách giữa 2 khung (IFS)

Là khoảng thời gian IFS cần thiết để tầng PHY xử lý 1 gói tin nhận
được. Khung tin được truyền theo chù kỳ IFS, độ dài của nó 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

23


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


năng là có hai trạm tìm cách truy cập mạng đồng thời. Trên các mạng lớn,
thời gian truyền từ đầu cáp nầy 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 là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới
truyền thật sự.

24


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, ngược 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,