I. Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu Zigbee
Phần này tập trung vào khía cạnh thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu dựa trên mạng Zigbee. Đồ án tốt nghiệp đề cập đến việc xây dựng hệ thống này, bao gồm việc tìm hiểu cấu trúc mạng Zigbee, lựa chọn các thiết bị thu thập dữ liệu phù hợp (như CC2530, LM35), và thiết kế phần cứng và phần mềm cần thiết. Thiết kế phần cứng bao gồm mạch thu thập dữ liệu và node trung tâm. Thiết kế phần mềm tập trung vào việc lập trình firmware cho các node Zigbee sử dụng ngôn ngữ C, đảm bảo khả năng thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu qua mạng Zigbee, và giao tiếp với máy tính. Kiến trúc hệ thống được mô tả chi tiết, bao gồm các module thu thập dữ liệu, module xử lý trung tâm và cơ chế truyền nhận dữ liệu. Giao thức Zigbee được sử dụng để truyền dữ liệu từ các cảm biến đến node trung tâm. Thu thập dữ liệu thời gian thực Zigbee được nhấn mạnh như một yêu cầu quan trọng của hệ thống. Đồ án cũng đề cập đến việc kiểm tra khoảng cách truyền nhận và hoạt động của hệ thống. Lập trình phần mềm Zigbee là một khía cạnh quan trọng trong phần này, liên quan đến việc sử dụng Z-Stack Developer’s Guide và các kiến thức lập trình C. Thu thập dữ liệu IoT cũng được xem xét như một phần mở rộng tiềm năng của hệ thống.
1.1. Thiết kế phần cứng Zigbee
Thiết kế phần cứng tập trung vào hai thành phần chính: khối thu thập dữ liệu và khối xử lý trung tâm. Khối thu thập dữ liệu sử dụng các cảm biến như LM35 để thu thập dữ liệu về nhiệt độ. Thiết kế phần cứng Zigbee được thực hiện dựa trên các yêu cầu cụ thể của hệ thống, bao gồm khả năng hoạt động ổn định, độ chính xác cao, và tiêu thụ năng lượng thấp. Khối xử lý trung tâm đóng vai trò như một node trung tâm trong mạng Zigbee, chịu trách nhiệm thu nhận dữ liệu từ các node thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu đến máy tính. Thiết kế node trung tâm bao gồm việc lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp và thiết kế mạch điện tử cần thiết. Kiến trúc hệ thống Zigbee được thiết kế để tối ưu hiệu suất và độ tin cậy. Phần cứng Zigbee được lựa chọn để đảm bảo khả năng tương thích và hiệu quả hoạt động. Thiết kế phẩn cứng khối thu thập dữ liệu tập trung vào việc lựa chọn các cảm biến phù hợp, và thiết kế mạch điện tử để đảm bảo khả năng thu thập dữ liệu chính xác và hiệu quả. Thiết kế phẩn cứng khối xử lý trung tâm tập trung vào việc lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp, và thiết kế mạch điện tử để đảm bảo khả năng xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu hiệu quả.
1.2. Thiết kế phần mềm Zigbee
Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ C, tập trung vào việc thiết kế các chức năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu qua mạng Zigbee. Lập trình phần mềm Zigbee bao gồm việc viết code cho cả node trung tâm và các node thu thập dữ liệu. Giao tiếp máy tính được thực hiện thông qua cổng nối tiếp. Việc nạp code cho chương trình Zigbee được thực hiện bằng phần mềm IAR. Thuật toán được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống. Lưu đồ thuật toán cho cả hệ thống, node trung tâm và node thu thập dữ liệu được trình bày chi tiết. Phần mềm mô phỏng NS2 được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Thiết kế phần mềm Zigbee được thực hiện dựa trên Z-Stack Developer’s Guide. Kiến trúc phần mềm được thiết kế để đảm bảo tính mở rộng và khả năng bảo trì. Thiết kế phần mềm đảm bảo khả năng tương thích với các thiết bị Zigbee khác nhau trong mạng. Ứng dụng mạng Zigbee trong trường hợp này là thu thập và truyền dữ liệu từ các cảm biến.
II. Mô phỏng mạng Zigbee
Phần này tập trung vào việc mô phỏng mạng Zigbee sử dụng phần mềm NS2. Việc mô phỏng mạng không dây cho phép đánh giá hiệu suất của hệ thống trong điều kiện thực tế, bao gồm độ trễ, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Mô hình hóa mạng Zigbee trong NS2 giúp phân tích các thông số quan trọng của hệ thống. Mô phỏng hệ thống thu thập dữ liệu giúp xác định các điểm yếu và cải thiện thiết kế hệ thống. Mô phỏng mạng IoT có thể được coi là một phần mở rộng của mô phỏng này. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống và xác định các vấn đề cần giải quyết. Mô phỏng mạng Zigbee trong môi trường NS2 cho phép đánh giá hiệu suất của giao thức Zigbee và tối ưu hóa thiết kế hệ thống. An ninh mạng Zigbee không được đề cập trong phần mô phỏng này.
2.1. Mô phỏng và phân tích hệ thống
Phần này trình bày chi tiết quá trình mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm NS2. Kiến trúc NS2 được sử dụng để xây dựng mô hình mạng Zigbee. Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các bước cơ bản mô phỏng kịch bản trong NS2 được trình bày rõ ràng, bao gồm việc khởi tạo các node, link và network agents. Kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống, bao gồm độ trễ, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Phân tích dữ liệu Zigbee thu được từ mô phỏng giúp xác định các điểm mạnh và yếu của thiết kế hệ thống. Mô phỏng mạng lưới Zigbee cung cấp một phương pháp hiệu quả để đánh giá hiệu suất hệ thống trước khi triển khai thực tế. Mô phỏng mạng khổng dây cho phép thử nghiệm các cấu hình khác nhau và tối ưu hóa hệ thống. Quản lý năng lượng Zigbee không được đề cập rõ ràng trong phần mô phỏng này.
III. Ứng dụng và kết luận
Đồ án này có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như IoT Zigbee, ứng dụng Zigbee trong nông nghiệp, ứng dụng Zigbee trong y tế, và ứng dụng Zigbee trong nhà thông minh. Hệ thống nhúng Zigbee là một ứng dụng tiềm năng khác. Kết luận tóm tắt những kết quả chính của đồ án, bao gồm thiết kế hệ thống, kết quả mô phỏng và những hạn chế. Hướng phát triển của đề tài đề xuất các cải tiến và mở rộng hệ thống trong tương lai. Đồ án tốt nghiệp này đóng góp vào nghiên cứu Zigbee tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE). Dự án tốt nghiệp HCMUTE này là một ví dụ về ứng dụng thực tiễn của công nghệ thông tin HCMUTE.
3.1. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển
Hệ thống được thiết kế có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các hệ thống giám sát và điều khiển từ xa. Ứng dụng Zigbee trong nhà thông minh là một ví dụ điển hình. Việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm... và truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển cho phép người dùng giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà một cách hiệu quả. Ứng dụng Zigbee trong nông nghiệp có thể được sử dụng để giám sát điều kiện môi trường trong nhà kính, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất nông sản. Ứng dụng Zigbee trong y tế có thể được sử dụng để giám sát các thông số sức khỏe của bệnh nhân, giúp bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân từ xa. Hệ thống nhúng Zigbee có thể được tích hợp vào các thiết bị khác nhau để cải thiện hiệu quả hoạt động. Hướng phát triển của hệ thống bao gồm việc tích hợp thêm các loại cảm biến khác nhau, nâng cao khả năng xử lý dữ liệu và tích hợp với các hệ thống khác. Nghiên cứu khoa học HCMUTE có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống này để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường.
