LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện
điện. Đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn
Quốc Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục
tiêu đề ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.
Hà Nội, Ngày 10 tháng 04 năm 2016
Người cam đoan

Đặng Văn Ngọc

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em được làm luận văn tôt nghiệp này.
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc miệt mài luận văn tốt nghiệp của em đến nay
cơ bản đã hoàn thành. Có được thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản
thân còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Quốc
Cường, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp tài liệu, kiến
thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian làm luận văn.
Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, kính chúc thầy luôn
mạnh khoẻ và công tác tốt.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện điện đã hết sức nhiệt tình
truyền đạt cho chúng em không chỉ những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh
nghiệm quí báu. Bên cạnh đó còn tạo những điều kiện hết sức thuận lợi để em có
thể hoàn thành luận văn của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn tới dự án “Exploring future university development

1.2.1. Giới thiệu về công nghệ ZigBee ................................................................... 15
1.2.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee ..................................................................... 17
1.2.3. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee ................................................... 19
1.2.4. Cấu trúc liên kết mạng ................................................................................. 19
1.2.5. PAN ID........................................................................................................ 21
1.2.6. Định địa chỉ ................................................................................................. 22
1.2.7. Truyền dẫn dữ liệu ....................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN ..................................... 30
KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE .............................................................. 30
2.1. Giới thiệu về mô hình ..................................................................................... 30
2.2. Thiết kế phần cứng ......................................................................................... 32
iii


2.2.1. Sơ đồ khối của các nút trong mạng .............................................................. 32
2.2.2. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................... 33
2.2.3. Giới thiệu các linh kiện được sử dụng .......................................................... 35
2.3.2. Lưu đồ thuật toán cho Router ....................................................................... 54
2.4. Thiết kế giao diện ........................................................................................... 58
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................. 59
3.1. Kiểm nghiệm hoạt động của mạng ZigBee ..................................................... 59
3.1.1. Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách và mở rộng tầm hoạt động của mạng...... 59
3.1.2. Thí nghiệm khả năng khôi phục liên kết hỏng trong định tuyến mạng .......... 62
3.1.3. Kiểm nghiệm chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin .............. 63
3.2. Đánh giá năng lượng tiêu thụ và dự đoán tuổi thọ pin ..................................... 66
3.3. Kiểm nghiệm hoạt động của toàn bộ mô hình mạng ứng dụng trong nhà kính tại
khu nông nghiệp công nghệ cao của trường Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền thông. ........................................................................................................ 71
Sơ đồ bố chí các nút cảm biến trong khu vực nhà kính. ......................................... 71
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 75

PHY

Physical layer

RF

Radio frequency

WLAN

Wireless Local Area Network

WPAN

Wireless Personal Area Network

WSN

Wireless Sensor Network

ZDO

ZigBee Device Object

APS

Application Support Sublayer

PAN



DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu ..................................................................... 16
Bảng 1.2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee ................................................... 16
Bảng 1.3: Bảng so sánh giữa chuẩn ZigBee với chuẩn Bluetooth........................... 17
Bảng 3.1. Bảng kết quả đo trong không gian không có vật cản .............................. 60
Bảng 3.2. Bảng kết quả đo trong không gian có vật cản ......................................... 60
Bảng 3.3: Phép đo hiện tại của một end device ...................................................... 68

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. ZigBee ứng dụng trong smart home ............................................................ 1
Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây ......................................................... 4
Hình 1.2. Cấu trúc nút cảm biến. ............................................................................. 5
Hình 1.3. Kiến trúc mạng đơn bước ......................................................................... 9
Hình 1.4. Kiến trúc mạng đa bước ........................................................................... 9
Hình 1.5. Kiến trúc mạng hỗn hợp ......................................................................... 10
Hình 1.6. Ứng dụng trong nông nghiệp .................................................................. 14
Hình 1.7. Băng tần của chuẩn ZigBee. ................................................................... 15
Hình 1.8. Cấu trúc giao thức .................................................................................. 18
Hình 1.9. Cấu trúc mạng hình sao .......................................................................... 20
Hình 1.10. Cấu trúc mạng hình lưới. ...................................................................... 20
Hình 1.11. Cấu trúc mạng hình cây. ....................................................................... 21
Hình 1.12. Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá. ............................................................. 24
Hình 1.13. Sơ đồ truyền unicast. ............................................................................ 25
Hình 2.1. Mô hình hệ thống mạng không dây theo chuẩn ZigBee được đặt trong khu
nông nghiệp công nghệ cao. .................................................................................. 30
Hình 2.2. Quang cảnh bên trong nhà kính .............................................................. 31

Hình 2.29. Lưu đồ thuật toán cho End Device ....................................................... 53
Hình 2.30. Lưu đồ thuật toán cho Router ............................................................... 54
Hình 2.31. Lưu đồ thuật toán cho Coordinator ....................................................... 55
Hình 2.32. Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ XBee trên vi điều khiển ................... 56
Hình 2.33. Lưu đồ thuật toán giao diện trương trình trên máy tính......................... 57
Hình 2.34. Giao diện hiển thị trên máy tính ........................................................... 58
Hình 3.1. Khoảng cách hoạt động của 2 nút trong mạng ........................................ 59
Hình 3.2. Tòa nhà C1 - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông ..... 59
Hình 3.3. Cấu trúc truyền thông qua một router ..................................................... 61
Hình 3.4. Mô hình truyền giữa hai nút khi có vật cản ............................................ 62
Hình 3.5. Cấu trúc mạng phục hồi link hỏng.......................................................... 63
Hình 3.6. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 40m không có vật cản ....................................................................... 64
viii


Hình 3.7. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 25m không có vật cản ....................................................................... 65
Hình 3.8. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 15m trong môi trường có vật cản....................................................... 66
Hình 3.9. Cấu hình thí nghiệm phép đo.................................................................. 67
Hình 3.10. Đo điện áp cung cấp trong việc truyền khung dữ liệu ........................... 68
trong các giai đoạn khác nhau. ............................................................................... 68
Hình 3.11. Dự đoán tuổi thọ pin của nút cảm biến. ................................................ 70
Hình 3.12. Sơ đồ bố trị các nút cảm biến ............................................................... 71
Hình 3.13. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ trong khu vực trồng rau bằng ............. 72
Hình 3.14. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng rau bằng giá thể ...... 72
Hình 3.15. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng dâu tây.................... 72
Hình 3.16. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ môi trường. ........................................ 73
Hình 3.17. Thiết lập kết nối cổng COM ................................................................. 73

vé, thanh toán qua điện thoại di động, các dịch vụ đa phương tiện và các loại hình
mạng xã hội. Một điện thoại di động có gắn sim ZigBee có thể nhận các thông tin từ
nhà khai thác mạng và thanh toán các dịch vụ. Dịch vụ ZigBee viễn thông cho phép
các thiết bị di động có thể liên lạc với nhau qua mạng ZigBee, có thể kết nối với các
nút hoặc thiết bị khác như các máy bán vé hay thiết bị đầu cuối v.v…
Ở Việt Nam, mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee được
nghiên cứu và sử dụng trong mô hình nhà thông minh, đi đầu trong phát triển hệ
thống này là Bkav. Bkav Smart Home cung cấp tính năng như thiết kế nhỏ gọn,
truyền dữ liệu với độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng kết nối các thiết bị
để mở rộng số lượng cảm biến cũng như các thiết bị điều khiển khác trong mạng.
Ngoài ra một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như: Đại học
Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Bách Khoa Tp.HCM,
vv… đang tích cực nghiên cứu về lĩnh vực mạng cảm biến không dây, cũng như
nghiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mạng cảm biến không dây như hệ
thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an ninh chống trộm và cảnh báo
cháy, một số ứng dụng trong nông nghiệp.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee trở nên đơn
giản, tiết kiệm năng lượng, linh động để có thể dễ dàng triển khai với các loại mô
hình mạng khác nhau như: hình sao, hình lưới. Từ đó triển khai việc thiết kế, chế
tạo một mạng cảm biến không dây ứng dụng vào khu nông nghiệp công nghệ cao
tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.

2


3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn được chia làm ba chương:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
CÔNG NGHỆ ZIGBEE

thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được
phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm
vi hoạt động rộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt
động lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…).

Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây.
1.1.2. Cấu trúc của nút cảm biến
Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến
riêng lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý. Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất
nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Các
nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm [3].
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản:
 Đơn vị cảm biến (sensing unit).
4


 Đơn vị xử lý (processing unit).
 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit).
 Bộ nguồn (power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ
xử lý.

Hình 1.2. Cấu trúc nút cảm biến [3].
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết

môi trường…
Dễ triển khai (Deployment): Là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm
biến không dây. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế
truyền thông khi làm việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN
cần phải tự cấu hình.Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng
trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng
cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.
6


Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến,
hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được
triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1feet = 30.48 cm). Mật độ các nút
lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một
cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không
dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng
giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực
hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào
thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một
nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài
nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định
tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng
lượng đóng một vai trò quan trọng.
Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát
môi trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng. Các
hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về
nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể được sử dụng để
sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ
bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên

thiết bị nguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích. Thiết bị đích và thiết
bị nguồn luôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau.

8


Hình 1.3. Kiến trúc mạng đơn bước [5].
1.1.4.2. Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)
Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết
mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai
trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một
hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với cai trò như một tram trung gian, chuyển
tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết
bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác.

Hình 1.4. Kiến trúc mạng đa bước.

9


1.1.4.3. Kiến trúc mạng hỗn hợp
Tổ hợp cả hai kiểu kiên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến
cho kiến trúc mạng WSN linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp. Khi
đó ta có kiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source).

Hình 1.5. Kiến trúc mạng hỗn hợp.
1.1.5. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây
1.1.5.1. Lớp vật lý (physical layer)
Lớp vật lý là lớp có liên quan chủ yếu nhất tới việc điều chế - giải điều chế
của tín hiệu số và qui định tần số sóng mang. Tín hiệu số (dạng nhị phân) được điều

một nút khác trong mạng hay thậm chí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút
trên mạng (broadcast, multicast). Hai nhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của
lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi và điều khiển luồng thông tin. Điều khiển
lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúng đắn của quá trình truyền thông tin, và
đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin
hay hủy bản tin. Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của việc

11


truyền dữ liệu để tránh trường hợp việc nhận dữ liệu ở thiết bị nhận chậm hơn, có
thể khiến thông tin bị ghi đè mất
Có rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chúng ta đã biết như
CDMA, CSMA, TDMA…, phần này chỉ tập trung vào giao thức truy nhập đường
truyền MAC trong WSN. Giao thức MAC trong WSN ngoài các nhiệm vụ và đặc
tính nói chung, còn có thêm một số yêu cầu dành riêng cho ứng dụng trong mạng
cảm biến không dây. Yêu cầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiển truy nhập
đường truyền với mục tiêu tiêu thụ ít năng lượng nhất. Việc thực hiện yêu cầu này
khiến cho giao thức MAC trong WSN trở nên tương đối mới so với các giao thức
MAC kinh điển đã biết như CSMA, các giao thức nói trên không bao gồm điều
khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Một yêu cầu nữa cho giao thức
MAC đó là tính kinh tế và tính bền vững khi kiến trúc mạng thay đổi thường xuyên
(sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay bớt đi nút cảm biến trong mạng, do nút cảm
biến chuyển trạng thái hoạt động, bị chết hoặc bị hết pin) Với các yêu cầu riêng biệt
dành cho WSN, hầu hết các giao thức MAC trong WSN đều có thêm khả năng giải
quyết các vấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe trộm (overhearing),
protocol overhead, nghe trong khi ngủ (idle listening).
Collision: Vấn đề xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho dữ liệu nếu có nhận
được cũng không còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại dữ liệu do đó gây tiêu tốn
năng lượng. Giao thức MAC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng cách sử

- Giám sát hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí của các toà nhà.
1.1.6.2. Y tế và giám sát sức khoẻ
- Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả
năng giao tiếp cho người khuyết tật
- Giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
1.1.6.3. Ứng dụng trong dân dụng
- Hệ thống nhà thông minh, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh.
- Hệ thống giao thông thông minh.

13


1.1.6.4. Ứng dụng trong quân sự
- Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính
xác khi ném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch.
- Cảm biến môi trường: phát hiện mìn, chất độc.
- Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự.
1.1.6.5. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng
rộng lớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể kiểm tra độ ẩm trong đất, sự
tăng trưởng của cây.

Hình 1.6. Ứng dụng trong nông nghiệp.
Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để
cảnh báo cháy rừng.

14



868

1

0

915

10

1 – 10

2450

16

11 – 26

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE
802.15.4 MAC/PHY. ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của
802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới. Chuẩn ZigBee 1.0
được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee
Alliance. Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm.
ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home
automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và
giám sát y tế.
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều
khiển từ xa và tự động hóa. 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