Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực viễn thông và tự động hóa, nhu cầu giám sát và thu thập dữ liệu môi trường từ xa ngày càng trở nên thiết thiết thực. Tại các địa hình hiểm trở, hẻo lánh hoặc môi trường nguy hiểm như rừng sâu (cảnh báo cháy rừng) hay khu vực miệng núi lửa (đo đạc nhiệt độ, độ rung chấn), việc con người trực tiếp đo đạc và điều khiển thiết bị tại chỗ gặp nhiều trở ngại và rủi ro. Mặc dù các công nghệ vô tuyến băng rộng như Wi-Fi và Bluetooth rất phổ biến, chúng bộc lộ nhiều nhược điểm khi áp dụng vào mạng cảm biến: tiêu hao nhiều năng lượng, phụ thuộc nguồn điện trực tiếp, độ trễ truyền dữ liệu cao, cấu trúc bảo mật đơn giản (ở Bluetooth), chi phí thiết bị lớn và phạm vi kết nối bị giới hạn.

Để giải quyết các bài toán trên, công nghệ mạng không dây ZigBee dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được lựa chọn nhờ các đặc tính: hoạt động ở dải tần công nghiệp (868/915 MHz và 2,4 GHz), tiêu thụ công suất thấp, độ trễ truyền tin nhỏ, khả năng mở rộng quy mô linh hoạt và chi phí triển khai tối ưu. Đề tài "Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và mô phỏng qua ứng dụng mạng ZigBee" được thực hiện bởi nhóm tác giả Đặng Phúc Đạt và Vũ Hoàng dưới sự hướng dẫn của thầy Phan Văn Ca tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Khoa Đào tạo Chất lượng cao, ngành Điện tử Viễn thông) từ ngày 15/09/2015 đến ngày 14/01/2016.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Cấu hình và thiết lập thông số cho từng thành viên trong mạng ZigBee.
  2. Thiết lập giao thức truyền nhận dữ liệu giữa các thành viên trong mạng.
  3. Cấu hình và điều khiển module GSM/GPRS SIM900.
  4. Thiết kế các khối chức năng phục vụ việc truyền nhận dữ liệu từ mạch thu thập dữ liệu cảm biến.
  5. Thiết kế, thi công mạch phần cứng điều khiển trực tiếp các thiết bị ngoại vi thông qua tin nhắn SMS.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: tập lệnh AT Commands và giao thức truyền thông của module SIM900; phần mềm biên dịch IAR cùng phương thức lập trình trên vi điều khiển tích hợp RF CC2530; cảm biến nhiệt độ LM35; cùng các cấu trúc mạng và chuẩn truyền thông ZigBee/IEEE 802.15.4. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế hệ thống phần cứng thực nghiệm quy mô nhỏ gồm 03 bộ thu thập dữ liệu (End Device) và 01 bộ điều phối trung tâm (Coordinator) kết hợp module di động, đồng thời đánh giá chất lượng mạng thông qua công cụ mô phỏng NS-2 trên hệ điều hành Linux.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng kiến trúc ngăn xếp mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 và các giải pháp truyền thông di động GSM/GPRS:

  • Ngăn xếp giao thức ZigBee: Kế thừa tầng Vật lý (PHY) và tầng Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) của chuẩn IEEE 802.15.4, đồng thời phát triển tầng Mạng (Network Layer) và tầng Ứng dụng (Application Layer). Tầng PHY chịu trách nhiệm kích hoạt, phát hiện năng lượng (Energy Detection - ED), chỉ số chất lượng đường truyền (Link Quality Indication - LQI), đánh giá kênh rỗi (Clear Channel Assessment - CCA với 3 chế độ) và cấu trúc khung PPDU. Tầng MAC quản lý cấu trúc siêu khung (Superframe) chia làm 16 khe thời gian với giai đoạn tranh chấp CAP (sử dụng giải thuật CSMA-CA) và giai đoạn tranh chấp tự do CFP (gồm tối đa 7 khe thời gian bảo đảm GTS). Tầng mạng hỗ trợ cơ chế bảo mật mã hóa nâng cao AES 128-bit và quản lý không gian địa chỉ (địa chỉ MAC 64-bit toàn cầu và địa chỉ mạng 16-bit nội bộ).
  • Thuật toán định tuyến: Đề tài nghiên cứu hai thuật toán định tuyến cốt lõi là giải thuật định tuyến theo yêu cầu AODV (sử dụng các bản tin dò đường RREQ và phản hồi RREP) và giải thuật định tuyến phân cấp hình cây (Cluster Tree Routing của Motorola thông qua cơ chế chọn nút gốc DD, gán Cluster Identifier - CID và thông điệp HELLO_MESSAGE).
  • Phần cứng tích hợp: Vi mạch hệ thống trên chip (SoC) TI CC2530 tích hợp lõi vi điều khiển 8051 và bộ thu phát vô tuyến 2,4 GHz; cảm biến nhiệt độ tương tự LM35 (độ nhạy tuyến tính $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$); module viễn thông SIM900/SIM900A hoạt động trên 4 băng tần GSM/EGSM/DCS/PCS với tập lệnh chuẩn AT Commands.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được triển khai phối hợp:

  1. Thiết kế phần cứng và nhúng firmware: Sử dụng ngôn ngữ lập trình C trên môi trường phát triển IAR Embedded Workbench for 8051 để biên dịch và nạp mã nguồn cho SoC CC2530; thiết kế mạch in cho khối thu thập và khối trung tâm; cấu hình giao tiếp nối tiếp UART giữa vi điều khiển và module SIM900.
  2. Phương pháp mô phỏng mạng: Ứng dụng phần mềm mô phỏng mạng hướng đối tượng NS-2 (Network Simulator 2) chạy trên nền Linux, kết hợp giữa ngôn ngữ C++ (xử lý giao thức tầng dưới) và OTcl (kịch bản cấu hình nút, liên kết và luồng lưu lượng) để phân tích độ trễ truyền gói tin trong cấu hình mạng ZigBee.
  3. Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật ZigBee Datasheet, Z-Stack Developer’s Guide của Texas Instruments, tập lệnh chuẩn SIM900 AT Command Set, các thông số kỹ thuật chuẩn IEEE 802.15.4 và dữ liệu đo đạc thực tế từ mạch cảm biến.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được phân chia thành hai khối chức năng chính với cấu trúc phần cứng và lưu đồ điều khiển riêng biệt:

1. Khối thu thập dữ liệu (Sensor Node / ZigBee End Device)

  • Cấu tạo phần cứng: Bao gồm cảm biến nhiệt độ LM35 kết nối tới chân chuyển đổi tương tự - số (ADC) của vi điều khiển CC2530, mạch nguồn cấp và module ăng-ten truyền sóng vô tuyến.
  • Nguyên lý hoạt động: Cảm biến LM35 thu nhận nhiệt độ môi trường, chuyển đổi thành điện áp tương ứng và đưa vào bộ ADC của CC2530 để tính toán giá trị nhiệt độ thực tế. Vi điều khiển đóng gói giá trị này vào định dạng bản tin ZigBee và định kỳ gửi không dây về nút điều phối trung tâm. Để tiết kiệm năng lượng, các nút này duy trì chế độ nghỉ (sleep mode) và chỉ kích hoạt khi thực hiện chu kỳ đo đạc hoặc gửi dữ liệu.

2. Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit / ZigBee Coordinator)

  • Cấu tạo phần cứng: Bao gồm vi điều khiển CC2530 đóng vai trò ZigBee Coordinator (ZC), module truyền thông di động SIM900A, cổng kết nối UART với máy tính và khối chuyển đổi nguồn.
  • Nguyên lý hoạt động: CC2530 Coordinator khởi tạo mạng PAN (được cấp địa chỉ cố định 0x0000), thu nhận các bản tin dữ liệu nhiệt độ từ các nút cảm biến qua sóng ZigBee. Dữ liệu sau khi giải mã sẽ được truyền lên phần mềm Terminal trên máy tính qua cổng nối tiếp để hiển thị. Đồng thời, CC2530 giao tiếp với module SIM900A thông qua tập lệnh AT để phân tích các tin nhắn SMS yêu cầu từ số điện thoại người quản trị hoặc tự động phát tin nhắn cảnh báo khi giá trị nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
+------------------+         ZigBee 2.4 GHz         +-----------------------+
|  Node cảm biến   | -----------------------------> | Node trung tâm (ZC)   |
| (LM35 + CC2530)  |                                | (CC2530 Coordinator)  |
+------------------+                                +-----------+-----------+
                                                                |
                                             +------------------+------------------+
                                             | UART                                | UART
                                             v                                     v
                                    +-----------------+                   +-----------------+
                                    | Module SIM900A  |                   | Máy tính cá nhân|
                                    |  (Mạng GSM/SMS) |                   |   (Terminal)    |
                                    +-----------------+                   +-----------------+

3. Quy trình điều khiển phần mềm và cấu hình tập lệnh AT

Quy trình giao tiếp giữa vi điều khiển trung tâm và module SIM900A được thực hiện thông qua các bước khởi tạo và quản lý bộ nhớ:

  • ATZ: Khởi tạo lại modem và kiểm tra trạng thái hoạt động cho đến khi nhận chuỗi OK.
  • ATE0: Tắt chế độ phản hồi lệnh (echo) để giảm tải dữ liệu trên đường truyền UART.
  • AT+CLIP=1: Kích hoạt chế độ hiển thị thông tin nhận diện thuê bao gọi đến (Caller Line Identification).
  • AT&W: Lưu lại cấu hình cài đặt vào bộ nhớ không bay hơi của modem.
  • AT+CNMI=0,2,0,0,0: Cấu hình cho phép tin nhắn mới nhận được lưu trực tiếp vào SIM mà không tự động đẩy thông báo ngắt về vi điều khiển, giúp vi điều khiển chủ động truy xuất khi cần.
  • Quản lý ngăn nhớ tin nhắn: Để tránh tình trạng tràn bộ nhớ SIM dẫn đến việc tin nhắn mới bị nghẽn trên tổng đài, phần mềm thực hiện cơ chế đọc và giải phóng ngay ô nhớ. Vi điều khiển định kỳ kiểm tra ngăn nhớ số 1 và số 2 bằng lệnh AT+CMGR=1 (hoặc AT+CMGR=2). Sau khi trích xuất số điện thoại, thời gian và nội dung điều khiển, hệ thống thực thi lệnh xóa AT+CMGD=1 (hoặc AT+CMGD=2) để đảm bảo các tin nhắn tiếp theo luôn được xếp vào các ngăn nhớ đầu tiên này.
  • Gửi tin nhắn SMS: Sử dụng lệnh AT+CMGS="số_điện_thoại", truyền nội dung cảnh báo và kết thúc gói tin bằng ký tự mã ASCII <0x1A> (Ctrl+Z) hoặc hủy thao tác bằng phím ESC (mã ASCII 27).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương mở đầu trình bày tổng quan về xu hướng phát triển của mạng thông tin vô tuyến, phân tích các hạn chế của chuẩn Wi-Fi và Bluetooth trong mạng cảm biến công nghiệp, nêu bật tính cấp thiết của việc tự động hóa thu thập dữ liệu tại các vị trí nguy hiểm. Tác giả xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, giới hạn kỹ thuật của đề tài (tập trung vào chuẩn IEEE 802.15.4, chip CC2530, SIM900, mô phỏng NS-2) và các bước phương pháp luận từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng đến chạy thử nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý luận

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về mạng ZigBee, chuẩn IEEE 802.15.4, module SIM900 và các linh kiện phần cứng:

  • Phân tích ưu thế của ZigBee trong các lĩnh vực: Nhà thông minh (SmartHome), Năng lượng thông minh (Smart Energy), Chăm sóc sức khỏe (Health Care) và Điều khiển từ xa.
  • So sánh các thông số kỹ thuật then chốt giữa ZigBee, Bluetooth và Wi-Fi:
Thông số cơ bản ZigBee (IEEE 802.15.4) Bluetooth (IEEE 802.15.1) Wi-Fi (IEEE 802.11b/g/n)
Tầm hoạt động (m) 1 – 100 1 – 10 1 – 100
Thời gian sống dùng pin (ngày) 100 – 1000 1 – 7 0,5 – 5
Số lượng node cực đại > 64.000 (lý thuyết ~65.000) 7 32
Kích thước ngăn xếp (KB) 4 – 32 250 1000
Tốc độ truyền dữ liệu 20 – 250 kb/s 720 kb/s 11.000 kb/s (11 Mb/s)
Mục đích ứng dụng chính Giám sát và điều khiển Thay thế cáp nối ngoại vi Truyền tải Web, email, video
  • Phân loại 3 thiết bị mạng (Coordinator - ZC, Router - ZR, End Device - ZED) và 2 mô hình chức năng phần cứng (FFD, RFD).
  • Trình bày 3 cấu trúc mạng: Hình sao (Star Topology), Hình lưới (Mesh Topology) và Hình cây (Cluster Tree Topology).
  • Trình bày cơ chế thuật toán định tuyến AODV (cặp số nhận dạng duy nhất địa chỉ nguồn - broadcast ID, bản tin RREQ, RREP, bảng định tuyến) và giải thuật hình cây đa nhánh (vai trò của thiết bị gốc DD, gán mã nhận diện nhánh CID và mã nút NID).
  • Chi tiết các tầng giao thức IEEE 802.15.4: Tầng PHY (27 kênh truyền gồm 1 kênh tại 868 MHz tốc độ 20 kb/s, 10 kênh tại 915 MHz tốc độ 40 kb/s, 16 kênh tại 2,4 GHz tốc độ 250 kb/s; cấu trúc PPDU gồm SHR, PHR, PSDU); Tầng MAC (siêu khung 16 khe, thuật toán CSMA-CA, cấu trúc MPDU gồm MHR, Payload, FCS); Tầng mạng và tầng ứng dụng.
  • Khảo sát module SIM900: Điện áp hoạt động đơn 3,4V – 4,5V, dòng tiêu thụ chế độ ngủ 1,5 mA (hoặc 2,5 mA theo thông số tải), tốc độ truyền GPRS hướng xuống tối đa 85,6 kbps và hướng lên 42,8 kbps, tích hợp giao thức TCP/IP, cấu hình chi tiết tập lệnh AT cho các chế độ SMS, cuộc gọi và quản lý bộ nhớ.

Chương 3: Phân tích, tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế kỹ thuật của hệ thống thu thập dữ liệu:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể hệ thống gồm: Khối nguồn, Khối cảm biến LM35, Khối vi xử lý và truyền nhận vô tuyến CC2530, Khối truyền thông GSM SIM900 và Khối giao tiếp máy tính.
  • Phân tích chức năng chi tiết của từng khối: khối thu thập chịu trách nhiệm chuyển đổi ADC và truyền số liệu; khối trung tâm điều phối mạng, xử lý tín hiệu và chuyển tiếp dữ liệu qua SMS hoặc cổng UART.
  • Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in phần cứng cho nút trung tâm và các nút cảm biến đầu cuối.
  • Quy trình lập trình nhúng trên phần mềm IAR Information Center for 8051, quy trình nạp mã nguồn cho CC2530, thiết lập giao tiếp máy tính qua phần mềm Terminal với tốc độ baud xác định.
  • Xây dựng hệ thống lưu đồ thuật toán chi tiết cho: toàn bộ hệ thống, module trung tâm (quản lý nhận dữ liệu vô tuyến, quét ngăn nhớ SMS) và module thu thập dữ liệu (đọc ADC định kỳ và gửi gói tin ZigBee).

Chương 4: Kiểm tra hoạt động của hệ thống

Chương 4 ghi nhận kết quả chạy thử nghiệm và kiểm tra thực nghiệm:

  • Đánh giá khoảng cách truyền nhận thực tế giữa các nút ZigBee CC2530 trong môi trường có vật cản và không gian mở.
  • Kiểm tra tính ổn định của mạch phần cứng khi thu thập nhiệt độ từ cảm biến LM35 và gửi cảnh báo qua mạng di động GSM.
  • Chỉ ra một số khuyết điểm tồn tại của hệ thống phần cứng trong quá trình thực nghiệm (sự suy hao tín hiệu khi khoảng cách tăng, độ trễ phản hồi của mạng di động phụ thuộc vào chất lượng sóng nhà mạng).

Chương 5: Mô phỏng hệ thống qua NS-2

Chương này trình bày việc thiết lập và chạy kịch bản mô phỏng mạng trên phần mềm NS-2:

  • Tổng quan kiến trúc NS-2, cấu trúc phân tầng giữa lớp biên dịch C++ và lớp thông dịch OTcl, cấu trúc thư mục cài đặt trên hệ điều hành Linux.
  • Trình bày quy trình các bước mô phỏng: khởi tạo đối tượng Simulator, định nghĩa nút mạng (Node), thiết lập liên kết (Link - Duplex/Simplex), gán các tác nhân mạng (Network Agents như TCP, UDP, AODV), tạo luồng lưu lượng (Traffic Sources như CBR, FTP), chèn đối tượng theo dõi (Trace/Nam Trace).
  • Chạy chương trình mô phỏng kịch bản mạng hình sao (Star Topology) qua file kịch bản Tcl và trích xuất kết quả đồ thị biểu diễn độ trễ gói tin theo thời gian.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương cuối tổng kết toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Dựa trên các nội dung thực nghiệm và mô phỏng, đề tài đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Chế tạo thành công phần cứng: Hoàn thiện 03 bộ mạch phần cứng thu thập dữ liệu nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35 kết hợp SoC CC2530 và 01 bộ mạch điều phối trung tâm tích hợp vi điều khiển CC2530 cùng module GSM SIM900A.
  • Hoạt động truyền thông ổn định: Hệ thống thực hiện việc đo và truyền dữ liệu nhiệt độ không dây ở dải tần 2,4 GHz về nút trung tâm; nút trung tâm hiển thị chính xác dữ liệu lên máy tính thông qua phần mềm Terminal qua giao tiếp UART.
  • Tích hợp cảnh báo di động: Thiết lập thành công quy trình điều khiển modem SIM900A qua tập lệnh AT, cho phép gửi tin nhắn SMS cảnh báo nhiệt độ đến số điện thoại di động của người dùng và nhận lệnh điều khiển thiết bị ngoại vi thông qua SMS.
  • Mô phỏng mạng trên NS-2: Xây dựng thành công kịch bản mô phỏng mạng ZigBee hình sao trên phần mềm NS-2, trích xuất biểu đồ phân tích độ trễ gói tin trong quá trình truyền truyền thông, làm cơ sở đánh giá hiệu năng mạng trước khi triển khai mở rộng.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đề tài đã xây dựng một mô hình hệ thống thu thập dữ liệu từ xa kết hợp giữa mạng cảm biến không dây công suất thấp (ZigBee) và mạng di động công cộng (GSM/SMS), đưa ra giải pháp thay thế hiệu quả cho việc giám sát trực tiếp tại các địa bàn nguy hiểm, khó tiếp cận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu, đề tài vẫn tồn tại một số hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận:

  • Phạm vi truyền nhận vô tuyến giữa các nút CC2530 còn bị hạn chế khi gặp vật cản trong nhà hoặc địa hình phức tạp.
  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm với 03 nút cảm biến thu thập nhiệt độ đơn lẻ, chưa triển khai thử nghiệm thực tế mạng hình lưới (Mesh) đa chặng trên diện rộng.
  • Tốc độ và độ tin cậy của việc gửi tin nhắn cảnh báo SMS còn phụ thuộc vào chất lượng vùng phủ sóng và độ trễ của mạng viễn thông di động.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm:

  • Mở rộng số lượng nút cảm biến trong mạng và tích hợp thêm nhiều loại cảm biến môi trường khác như cảm biến độ ẩm, cảm biến khói, cảm biến rung chấn.
  • Tối ưu hóa thuật toán định tuyến Mesh và Cluster Tree trên phần cứng thực tế để tăng cự ly truyền thông thông qua cơ chế chuyển tiếp đa bước nhảy (multi-hop).
  • Thiết kế giao diện phần mềm giám sát đồ họa trực quan (GUI) trên máy tính hoặc nền tảng web/di động để lưu trữ cơ sở dữ liệu và theo dõi biến thiên thông số môi trường theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên: Chuyên ngành Điện tử Viễn thông, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng/IoT đang thực hiện các đề tài về mạng cảm biến không dây (WSN), truyền thông M2M và thiết bị giám sát từ xa.
  • Nội dung tham khảo hữu ích:
    • Quy trình cấu hình và điều khiển module GSM/GPRS SIM900 bằng tập lệnh AT, đặc biệt là kỹ thuật quản lý và xóa ngăn nhớ tin nhắn SMS để chống tràn bộ nhớ.
    • Hướng dẫn thiết lập, tạo dự án và lập trình vi điều khiển SoC CC2530 trên môi trường IAR Embedded Workbench for 8051.
    • Phương pháp xây dựng kịch bản, định nghĩa nút và phân tích luồng dữ liệu mạng không dây trên công cụ mô phỏng mạng NS-2.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phải thực hiện lệnh xóa tin nhắn ở ngăn 1 và ngăn 2 (AT+CMGD=1, AT+CMGD=2) sau khi đọc xong?
Bộ nhớ lưu trữ tin nhắn trên thẻ SIM có giới hạn (ví dụ Super SIM có khoảng 50 ngăn). Khi bộ nhớ đầy, module không thể tiếp nhận thêm tin nhắn mới từ tổng đài. Bằng cách luôn đọc và xóa ngay nội dung tại hai ngăn nhớ đầu tiên, tin nhắn mới nhận sẽ luôn được tự động lưu vào các ngăn trống có số thứ tự nhỏ nhất này, giúp vi điều khiển dễ dàng định vị vị trí lưu tin nhắn, tránh thất lạc và ngăn chặn tình trạng tràn bộ nhớ.

2. Ba chế độ đánh giá kênh truyền rỗi (CCA) trong tầng vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 được quy định như thế nào?
Tầng PHY hỗ trợ 3 phương pháp CCA để kiểm tra kênh truyền bận hay rỗi:

  • CCA 1 (Năng lượng vượt ngưỡng): Báo kênh bận khi phát hiện bất kỳ mức năng lượng nào vượt quá ngưỡng phát hiện năng lượng (ED).
  • CCA 2 (Cảm biến sóng mang): Báo kênh bận chỉ khi phát hiện tín hiệu mang đúng đặc tính trải phổ và điều chế của chuẩn IEEE 802.15.4 (không phân biệt mức năng lượng cao hay thấp hơn ngưỡng ED).
  • CCA 3 (Cảm biến sóng mang kết hợp năng lượng vượt ngưỡng): Báo kênh bận khi phát hiện tín hiệu vừa có đặc tính điều chế của chuẩn vừa có mức năng lượng vượt ngưỡng ED.

3. Mạng ZigBee trong đồ án hoạt động trên những dải tần số nào và có số lượng kênh truyền ra sao?
Chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần với tổng cộng 27 kênh truyền:

  • Dải tần 868 MHz: Gồm 1 kênh truyền (kênh 0), tốc độ bit 20 kb/s.
  • Dải tần 915 MHz: Gồm 10 kênh truyền (kênh 1 đến kênh 10), tốc độ bit 40 kb/s.
  • Dải tần 2,4 GHz: Gồm 16 kênh truyền (kênh 11 đến kênh 26, mỗi kênh cách nhau 5 MHz), tốc độ truyền dữ liệu cực đại đạt 250 kb/s.

4. Khối xử lý trung tâm (Coordinator) đảm nhiệm những chức năng gì trong hệ thống?
Khối xử lý trung tâm sử dụng chip CC2530 giữ vai trò là ZigBee Coordinator (ZC) với địa chỉ cố định 0x0000. Khối này có nhiệm vụ khởi tạo và duy trì mạng PAN, tiếp nhận và giải mã các gói tin nhiệt độ gửi từ các nút cảm biến qua sóng vô tuyến, truyền dữ liệu lên máy tính qua cổng nối tiếp (Terminal) và điều khiển module SIM900A để phát tin nhắn SMS cảnh báo hoặc nhận lệnh điều khiển từ xa.

5. Cấu trúc siêu khung (Superframe) ở tầng MAC của ZigBee được phân chia như thế nào?
Siêu khung được giới hạn bởi mốc báo hiệu (beacon) phát ra từ Coordinator và được chia thành 16 khe thời gian bằng nhau. Cấu trúc gồm phần nghỉ (nút hoạt động ở chế độ công suất thấp) và phần hoạt động. Phần hoạt động gồm hai giai đoạn: giai đoạn tranh chấp truy cập (CAP) sử dụng thuật toán CSMA-CA để cạnh tranh kênh truyền, và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP) gồm tối đa 7 khe thời gian bảo đảm (GTS) được cấp phát cố định cho các truyền thông ưu tiên mà không cần dùng CSMA-CA.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và mô phỏng qua ứng dụng mạng ZigBee" đã giải quyết thành công bài toán giám sát môi trường từ xa bằng việc kết hợp công nghệ mạng cảm biến không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 và mạng thông tin di động GSM/GPRS. Nhóm tác giả đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo 03 bộ thu thập dữ liệu cảm biến nhiệt độ LM35 cùng 01 bộ điều phối trung tâm giao tiếp SIM900A, đồng thời mô phỏng đánh giá độ trễ mạng trên phần mềm NS-2. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao trong việc theo dõi, cảnh báo thiên tai tại các khu vực nguy hiểm và là tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng và mạng cảm biến không dây.