CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Chương 4: Thi công hệ thống - Cấu hình chế độ hoạt động cho các mô-đun Xbee S2 bằng phần mền XCTU. - Lập trình cho hệ thống. - Thi công các mạch đã được thiết kế và ghép các mô-đun với nhau. Chương 5: Kết quả và đánh giá.
- Trình bày kết quả đạt được. - Đánh giá sự ổn định của hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển - Hướng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về mạng Zigbee 2.1 Tổng quan Zigbee là một giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.
Giao thức này được tạo ra nhằm đáp ứng yêu cầu cho một mạng kết nối các thiết bị với giá thành thấp, công suất thấp và các ứng dụng yêu cầu phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng. Zigbee là một công nghệ không dây cung cấp một giải pháp truyền dữ liệu không dây với yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu thấp, hiệu quả năng lượng và kết nối mạng an toàn. Nhờ vào kiểu thiết kế truyền thông đặc thù theo hình Zigzag tương tự như tổ ong mà ZigBee có khả năng cho phép nhiều nhóm thiết bị truyền thông tin với nhau trong cùng một khoảng thời gian. Giao thức Zigbee được xây dựng và phê chuẩn bởi các thành viên của Zigbee Alliance (hơn 300 nhà sản xuất bán dẫn hàng đầu, các công ty công nghệ, công ty dịch vụ).2 Cấu trúc mạng Zigbee Giao thức mạng Zigbee bao gồm 5 lớp mạng: Lớp vật lý: Đây là lớp giao thức thấp nhất và chịu trách nhiệm kiểm soát và kích hoạt bộ thu phát vô tuyến và cũng để chọn tần số kênh và giám sát kênh.
Nó cũng chịu trách nhiệm liên lạc với các thiết bị radio. Truyền thông dữ liệu hoặc lệnh được thực hiện bằng cách sử dụng gói. Mỗi gói PHY bao gồm tiêu đề đồng bộ hóa (SHR) (chịu trách nhiệm đồng bộ hóa máy thu), tiêu đề vật lý (PHR) (chứa thông tin về độ dài khung) và tải trọng PHY (được cung cấp bởi các lớp trên dưới dạng khung và bao gồm dữ liệu hoặc lệnh). Kiểm soát truy cập trung bình hoặc lớp MAC: Nó hoạt động như một giao diện giữa lớp vật lý và các lớp mạng.
Nó chịu trách nhiệm đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng. Khung MAC (được điều phối viên sử dụng để truyền Beacons), khung dữ liệu, khung xác nhận hoặc khung lệnh. Nó bao gồm MAC Header (chứa thông tin về bảo mật và địa chỉ), MAC Payload có kích thước chiều dài thay đổi (chứa dữ liệu hoặc lệnh) và Footer MAC (chứa chuỗi kiểm tra khung 16 bit để xác minh dữ liệu) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lớp mạng: Lớp này kết nối lớp ứng dụng với lớp MAC. Nó quản lý sự hình thành và định tuyến mạng.
Nó thiết lập một mạng mới và chọn cấu trúc liên kết mạng. Khung NWK bao gồm tiêu đề NWK và tải trọng NWK. Tiêu đề chứa thông tin liên quan đến việc kiểm soát địa chỉ cấp mạng. Tải trọng NWK chứa khung lớp con ứng dụng.
Lớp phụ hỗ trợ ứng dụng: Nó cung cấp một tập hợp các dịch vụ thông qua hai thực thể - Thực thể ứng dụng Support Data và thực thể quản lý hỗ trợ ứng dụng, cho các lớp ứng dụng và mạng. Các thực thể này được truy cập thông qua điểm truy cập dịch vụ tương ứng (SAP) Lớp ứng dụng: Đây là lớp cao nhất trong mạng và chịu trách nhiệm lưu trữ các đối tượng ứng dụng chứa các ứng dụng người dùng và đối tượng thiết bị ZigBee (ZDOs). Một thiết bị ZigBee có thể chứa tới 240 đối tượng ứng dụng điều khiển và quản lý các lớp giao thức. Mỗi đối tượng ứng dụng có thể bao gồm một hồ sơ hoặc chương trình ứng dụng, được phát triển bởi người dùng hoặc liên minh ZigBee.
Hồ sơ ứng dụng chịu trách nhiệm truyền và nhận dữ liệu trong mạng. Loại thiết bị và chức năng của từng thiết bị được xác định trong hồ sơ ứng dụng. Các đối tượng thiết bị ZigBee hoạt động như một giao diện giữa các đối tượng ứng dụng, cấu hình thiết bị và lớp phụ ứng dụng.2 Mô hình mạng Zigbee Mạng Zigbee chia thành 3 loại chính: Mạng hình sao (Star Network): Gồm một nút trung tâm, tất cả các nút khác đều được kết nối với nút trung tâm này, mạng hình sao bị hạn chế khoảng cách và sự mở rộng. Mạng hình cây (Cluster Tree Network): Gồm một nút trung tâm, các nút khác được liên kết với nhau theo mô hình giống một cái dễ cây, mạng này có khả năng mở rộng cao, tăng khoảng cách và quy mô của hệ thống.
Mạng hình lưới (Mesh Network): Gồm một nút trung tâm, các nút trong mạng đều có thể kết nối với nhau (trừ các ZED chỉ có thể kết nối với ZR của nó). Khi một đường truyền bị lỗi, sẽ tự động tìm ra một đường truyền khác, tăng tính tin cậy và kết nối trong mạng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Các dạng mô hình Zigbee Trong đó: Coordinator (ZC): Chỉ có duy nhất một coordinator trong một mạng, phụ trách việc thiết lập mạng. Routers (ZR): Có thể có nhiều router, các router có thể chuyển tiếp tín hiệu với nhau.
Device (ZED): Có thể có nhiều ZED, các ZED không thể chuyển tiếp tín hiệu cho nhau. Có thể kích hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.3 Các dải tầng sóng hoạt động của Zigbee ZigBee hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng: Dải 915 MHz cho khu vực Bắc Mỹ: Trong giải này chỉ có 1 kênh (kênh số 0) và tốc độ truyền khá thấp chỉ khoảng 20kb/s Dải 868 MHz cho châu Âu, Nhật: Trong giải này chỉ có 1 kênh (kênh số 0) và tốc độ truyền khá thấp chỉ khoảng 20kb/s Và dải 2.4 GHz cho các nước khác: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao tới 250kb/s 2.4 Ưu và nhược điểm của giao thức Zigbee Ưu và nhược điểm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: Ưu điểm và nhược điểm của mạng Zigbee Ưu điểm Nhược điểm - Giá thành thấp - Lỗi ở một điểm chính có thể gây - Tiêu thụ công suất nhỏ, giúp tiết lỗi hệ thống. kiệm năng lượng - Tốc độ truyền thấp - Kiến trúc mạng linh hoạt, có thể mở - Chưa có đầy đủ các thiết bị rộng dễ dàng để phát triển - Số lượng các nút lớn (65000) - Độ trễ thấp - Tính bảo mật cao nhờ sử dụng mà hóa AES-128 Mỗi chuẩn không dây đều có ưu điểm và nhược điểm khác nhau, tùy vào mục đích sử dụng mà ta chọn chuẩn phù hợp để tiết kiệm chi phí hơn. Để cho rõ ràng hơn, ta hãy làm một phép so sánh giữa chuẩn Zigbee và một chuẩn không dây cũng khá phổ biến khác: Bảng 2.2: So sánh giao thức Zigbee, Wifi và Bluetooth Đặc tính Zigbee Wi-Fi Bluetooth Tiêu chuẩn IEEE 802.1 Tốc độ truyền 250 Kbits/s 11 – 105 Mbits/s 723 Kbits/s Phạm vi làm việc 0 - 3200m 0 - 50m 0 - 10m 915 MHz (Bắc mỹ) 868 MHz (Châu Âu, Tần số hoạt dộng 2.4 GHz các nước khác Độ phức tạp Thấp Cao Cao Năng lượng tiêu Rất thấp Cao Cao thụ 64-128 bit mã Độ an toàn 128 bit mã hóa Xác thực SSID hóa Nút mạng 65000 32 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nhìn vào bảng 2.2 chúng ta có thể thấy rằng chuẩn Zigbee phù hợp hơn với những ứng dụng cho nhiều phần tử, yêu cầu độ linh hoạt cao, tiêu thụ công suất nhỏ so với mạng Wi-Fi và Bluetooth.
Các ứng dụng của công nghệ Zigbee Công nghệ Zigbee rất phù hợp triển khai các hệ thống mạng không dây diện rộng với chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng, có khả năng hoạt động trong thời gian dài. Hiện nay công nghệ Zigbee đã được áp dụng rất phổ biến trong các ứng dụng như: - Tự động hóa nhà: Công nghệ ZigBee chứng tỏ là công nghệ đáng tin cậy nhất trong việc hiện thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome). Các ứng dụng khác nhau như kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ năng lượng, quản lý nước, kiểm soát ánh sáng, vv đã được thực hiện dễ dàng hơn thông qua tự động hóa bằng công nghệ ZigBee. - Tự động hóa công nghiệp: Các thiết bị RFID dựa trên ZigBee giúp cung cấp quản lý truy cập đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp.
Các ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình, quản lý năng lượng, theo dõi nhân sự, v. - Tự động hóa chăm sóc sức khỏe: Một ví dụ phổ biến của tự động hóa chăm sóc sức khỏe là theo dõi sức khỏe từ xa. Một người đeo thiết bị ZigBee với cảm biến đo thông số cơ thể thu thập thông tin sức khỏe. Thông tin này được truyền trên mạng ZigBee đến mạng giao thức Internet (IP) và sau đó đến nhân viên chăm sóc sức khỏe (bác sĩ hoặc y tá), người sau đó sẽ kê đơn thuốc phù hợp dựa trên thông tin nhận được.
- Đo sáng thông minh: Các hoạt động từ xa của Zigbee trong đo sáng thông minh bao gồm phản ứng tiêu thụ năng lượng, hỗ trợ giá, bảo mật đối với hành vi trộm cắp điện, v. - Giám sát lưới điện thông minh: Các hoạt động của Zigbee trong lưới điện thông minh này bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa, định vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Các ứng dụng của giao thức Zigbee 2.2 Các chuẩn giao tiếp.1 Chuẩn giao tiếp UART UART có tên đầy đủ là Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. Nó là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi.
UART có chức năng chính là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai phương thức là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.3: Truyền dữ liệu nối tiếp UART Giao tiếp dữ liệu nối tiếp có nghĩa là dữ liệu có thể được truyền qua một cáp hoặc một đường dây ở dạng bit-bit và nó chỉ cần hai cáp. Nó yêu cầu số lượng mạch cũng như dây rất ít. Giao tiếp này rất hữu ích trong các mạch ghép hơn giao tiếp song song.