CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Mạng viễn thông ngày nay không ngừng mở rộng và phát triển. Có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như Bluetooth hay Wifi. Nhưng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay Bluetooth lại không thể đáp ứng được vì chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (Bluetooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu để đưa ra một giải pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của các chuẩn không dây nói trên.
Và một giải pháp được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số. Công nghệ mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả cao là công nghệ ZigBee. Công nghệ ZigBee được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải tần 868/915MHz và 2,4GHz với những ưu điểm nổi bật là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao và giá thành thiết bị thấp.
Tất cả những ưu điểm đó đang khiến cho công nghệ ZigBee trở thành một trong những xu hướng phát triển trong tương lai. Vì vậy, nhóm quyết định thiết kế một ứng dụng dựa trên công nghệ ZigBee đồng thời mô phỏng trên máy tính qua phần mềm NS2 để cho chúng ta có một cái nhìn tổng quan hơn về công nghệ ZigBee thông qua đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE”. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thời đại khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày như hiện nay, việc xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng vô tuyến thay cho việc con người phải thu thập dữ liệu và điều khiển trực tiếp thiết bị tại nơi lắp đặt là một yêu cầu rất cấp bách và thiết thực. Vì việc thu thập các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm,… tại một số khu vực hoặc địa điểm hẻo lánh ít người lui tới như rừng, núi để có thể kiểm soát và cảnh báo hiện tượng cháy rừng; hay việc thu thập nhiệt độ, độ rung chấn tại các miệng núi lửa để có thể phát hiện sớm và cảnh báo hoạt động của núi lửa cho con người biết đều rất khó khăn.
Với yêu cầu lấy dữ liệu tại các khu vực nguy hiểm như trên thì việc sử dụng một mạng vô tuyến để kết nối các module cập nhật dữ liệu sau đó truyền thông tin về để con người có thể xử lý, phát 1 do an hiện và đưa ra cảnh báo để hạn chế tối đa các tai nạn xảy ra là một trong những bước tiến khá quan trọng trong việc ứng dụng mạng vô tuyến vào phục vụ các nhu cầu cần thiết của con người. Mặt khác, hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng vô tuyến cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: Hoạt động ổn định. Độ chính xác truyền nhận dữ liệu cao. Tiêu hao ít năng lượng.
Có thể mở rộng thệ thống một cách dễ dàng bằng cách lắp đặt thêm thiết bị mà không cần phải thiết kế lại mạng. Linh động, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa. Với các yêu cầu trên thì việc xây dụng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng ZigBee là một giải pháp tối ưu nhất so với các chuẩn không dây hiện tại nhờ các ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, độ chính xác truyền nhận dữ liệu cao, hoạt động ổn định, mở rộng mạng dễ dàng của mạng ZigBee. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Các mục tiêu cần nghiên cứu trong đề tài: Cấu hình và thiết lập cho từng thành viên trong mạng.
Giao thức truyền nhận dữ liệu giữa các thành viên trong mạng. Cấu hình module SIM900. Thiết kế các đối tượng phục vụ cho việc truyền nhận dữ liệu từ mạch thu thập dữ liệu. Thiết kế và thi công mạch phần cứng điều khiển trực tiếp các thiết bị ngoại vi thông qua tin nhắn SMS.
ĐỐI TƯỢNG - KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU Tập lệnh AT Commands và phương thức giao tiếp Sim900. Phần mềm IAR và phương thức lập trình Zigbee GB2530. Các thiết bị liên quan đến việc thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Lý thuyết về mạng ZigBee.
Các đối tượng liên quan tới SIM 900. Các đối tượng liên quan tới Zigbee GB2530. Các đối tượng liên quan tới lập trình. 2 do an Chuẩn không dây ZigBee/IEEE 802.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Nhóm sinh viên chỉ thực hiện thiết kế chương trình trên nền tảng mạng ZigBee theo chuẩn IEEE 802. Vì lý do giới hạn về thời gian nghiên cứu đề tài, cũng như có những giới hạn nhất định về kiến thức chuyên ngành, nhóm sinh viên thực hiện đề tài tốt nghiệp chỉ tập trung nghiên cứu một số vấn đề chính: Đặc điểm của mạng Zigbee. Các ưu, khuyết điểm của mạng ZigBee so với mạng Wifi, Bluetooth…. Biết cách cài đặt, cấu hình và sử dụng các bộ công cụ dùng cho việc lập trình, phát triển phần mềm ứng dụng.
Biết cách tạo mới một project, biên dịch và đóng gói project. Biết cách cấu hình cho từng thiết bị trong mạng. Lập trình các chức năng tương thích với từng thành viên trong mạng. Lập trình cho các hoạt động như nhận tin nhắn SMS hay gửi tin nhắn SMS.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sau khi được sự chấp nhận đề tài nghiên cứu của giáo viên hướng dẫn, nhóm sinh viên đã từng bước tiến hành đề tài như sau: Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C. Tìm hiểu các tập lệnh AT Commands của module SIM900. Tiến hành nghiên cứu phương thức truyền nhận dữ liệu giữa các ZigBee Gb2530. Tìm hiểu các thông tin cơ bản về mạng ZigBee như: lịch sử hình thành và phát triển, đặc điểm… Tìm kiếm, tải và tham khảo các tài liệu về mạng ZigBee.
Phác thảo về giao diện, tính năng, các đối tượng sẽ được sử dụng để lập trình cho phần ứng dụng. Thiết kế và chỉnh sửa sao cho hoàn chỉnh ứng dụng. Tiến hành chạy thử nghiệm mô phỏng trên máy tính để phát hiện các lỗi cú pháp và lỗi logic của bộ chương trình. Thi công mạch phần cứng.
Sau khi đã chạy mô phỏng và thi công mạch phần cứng hoàn chỉnh, tiến hành cài đặt chương trình chạy thực tế kiểm nghiệm tính tương thích của phần mềm. Tiến hành viết báo cáo. 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE Giới thiệu chung ZigBee là một tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn, có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Các thiết bị không dây dựa trên tiêu chuẩn ZigBee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915MHz và 2. Bộ tiêu chuẩn ZigBee chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance vào năm 2004 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Đối tượng mà ZigBee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (Smarthome), trong các quá trình tự động hóa (Home Automation, Building Automation), các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care) và phương thức quản lý năng lượng hiệu quả (Smart Energy)… Khi được sử dụng trong các hệ thống này, ZigBee có khả năng phát huy tất cả các điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài (một cặp pin AA có thể hoạt động trong vòng hai năm). Khái niệm ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (Personal Area Network) nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu về giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng.
Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zigzag của loài 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. Đặc điểm Về bản chất ZigBee cũng là một chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác: UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth. nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng. Vì vậy ZigBee sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng dụng nhất định.
Tín hiệu truyền trong giao thức ZigBee thực chất là tín hiệu radio. Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức ZigBee ở dải tần 2. Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với ZigBee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất 250kb/s.
Các đặc điểm chính của mạng ZigBee: 4 do an Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps. Công suất tiêu thụ thấp, ít hao phí điện năng. Thời gian sử dụng pin rất dài. Cài đặt và bảo trì dễ dàng.
Độ tin cậy cao. Có thể mở rộng đến 65000 node. Chi phí đầu tư thấp. So sánh giải pháp ZigBee với các giải pháp không dây khác ZigBee chủ yếu được nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp, chi phí nhỏ và thời gian sử dụng pin dài.
Trong nhiều ứng dụng của ZigBee, tổng thời gian mà thiết bị không dây này thực sự hoạt động rất ít, thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó ở chế độ tiết kiệm năng lượng hay chế độ ngủ (sleep mode). ZigBee có tầm hoạt động xa, điện năng tiêu thụ thấp và khả năng mở rộng mạng lưới cao hơn so với Bluetooth và Wifi, tuy nhiên tốc độ truyền nhận dữ liệu của Bluetooth cao hơn hẳn so với ZigBee So sánh các thông số cơ bản của mạng ZigBee với Bluetooth và Wifi.11/Wifi Tầm hoạt động 1 – 100 1 – 10 1 – 100 Thời gian sống 100 – 1000 1–7 0.