Thiết Kế và Thi Công Mạng Điều Khiển MiWi Dùng Module MRF24J40MA

Ngày nay, các mạng không dây như WiFi, WiMax, 3G đã trở nên phổ biến. 122 trang · Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải · 2011.

• Tác giả: Nguyễn Đình Minh
• Người hướng dẫn: Th.S Phan Văn Đức
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mạng Điều Khiển MiWi Dùng Module MRF24J40MA
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIAO THỨC KẾT NỐI MẠNG KHÔNG DÂY – MiWi ( MICROCHIP WIRELESS)
• 1.1. Tổng quan về giao thức MiWi
• 1.2. Giao thức MiWi
• 1.3. Cấu hình mạng giao thức MiWi
• 1.3.1. Cấu hình hệ thống mạng hình sao (Star)
• 1.3.2. Cấu hình hệ thống mạng dạng Cluster – tree
• 1.3.3. Cấu hình hệ thống mạng dạng mắt lưới
• 1.3.4. Cấu hình Peer – to – peer (P2P)
• 1.4. Định địa chỉ
• 1.4.1. Bộ nhận dạng mở rộng đơn nhất về mặt tổ chức (EUI - Extended Organizationally Unique Identifier)
• 1.5. Giao thức truyền tin của MiWi
• 1.5.1. Quảng bá các thông điệp
• 1.5.2. Tìm hiểu các node trong hệ thống mạng bởi EUI
• 1.5.3. Mở Socket cho một thiết bị
• 1.5.4. Các hàm trong giao thức MiWi
• 2. CHƯƠNG 2: GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG KHÔNG DÂY – MiApp (MICROCHIP – APPLICATION)
• 2.1. Tổng quan MiApp
• 2.2. Cấu hình file MiApp
• 2.3. Giao diện hàm MiApp
• 2.3.1. Gởi thông điệp
• 2.3.2. Nhận thông điệp
• 2.4. Chức năng đặc biệt
• 2.4.1. Quét phát hiện nhiễu
• 2.4.2. Trạng thái năng lượng của bộ thu phát
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐA TRUY CẬP MẠNG KHÔNG DÂY – MiMAC (MICROCHIP WIRELESS MEDIA ACCESS CONTROLL)
• 3.1. Tổng quan về MiMAC
• 3.2. Định dạng Frame MiMAC
• 3.3. Module bảo mật MiMAC
• 3.4. Giao diện lập trình MiMAC
• 3.4.1. Định dạng khung MiMAC
• 3.4.2. Module bảo mật MiMAC
• 3.4.3. Lựa chọn cơ cấu bảo mật MiMAC
• 3.4.4. Bảo mật chi phí thấp
• 3.4.5. Tăng cường sức mạnh bảo mật
• 3.4.6. Mật mã khối XTEA
• 3.4.7. Chỉnh sửa mật mã khối XTEA
• 3.4.8. Các chế độ bảo mật
• 3.4.9. Định dạng gói tin bảo mật
• 3.4.10. Giao diện lập trình MiMAC
• 3.4.11. Cấu hình MiMAC
• 3.5. Tính năng đặc biệt
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠNG ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Thiết kế mạng điều khiển
• 4.2. Giới thiệu Vi điều khiển dsPIC30F4011
• 4.3. Module MRF24J40MA
• 4.3.1. Thông số hoạt động
• 4.3.2. Các đặc điểm RF / Analog
• 4.3.3. Các đặc điểm MAC / Baseband
• 4.4. Tổng quan về thiết bị
• 4.4.1. Mô tả giao diện
• 4.4.2. Các chi tiết lắp đặt
• 4.5. Thiết kế phần cứng
• 4.5.1. Vi điều khiển
• 4.5.2. Module MRF24J40MA
• 4.5.3. Kết nối PC bằng RS232
• 4.5.4. Thiết bị trung tâm và các thiết bị thành viên
• 4.6. Thiết kế phần mềm
• 4.6.1. Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển
• 4.6.2. Thiết kế phần mềm trên PC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những kết quả đạy được
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mạng MiWi và Module MRF24J40MA Giới Thiệu

Ngày nay, các mạng không dây như WiFi, WiMax, 3G đã trở nên phổ biến. Xu hướng phát triển hiện tại hướng tới việc kết nối các thiết bị gia dụng và các bộ phận chức năng trong nhà để điều chỉnh và kiểm soát từ xa các hệ thống điện, nước, ánh sáng. Chuẩn kết nối không dây IEEE 802.15.4 ra đời để thiết lập các mạng cá nhân không dây (WPAN) phục vụ truyền thông tin trong khoảng cách ngắn. Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều cơ sở hạ tầng, giá thành rẻ, nhỏ gọn, ít tiêu hao năng lượng mà vẫn đem lại hiệu quả cao. Đề tài này nghiên cứu về Giao Thức Kết Nối Mạng Không Dây MiWi (một phiên bản thu gọn của Zigbee) sử dụng bộ thu phát MRF24J40 2.4 GHz của Microchip cho các mạng dùng chuẩn IEEE 802.15.4 để truyền, nhận thông tin trong hệ thống mạng.

1.1. Giới Thiệu Giao Thức MiWi và Ứng Dụng Thực Tế

Giao thức MiWi là một giao thức đơn giản được thiết kế cho tốc độ truyền dữ liệu thấp, khoảng cách ngắn và các mạng giá thành rẻ. Dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 cho các mạng khu vực cá nhân không dây (WPANs), giao thức MiWi cung cấp một sự lựa chọn khác tiện dụng hơn cho việc liên lạc không dây. Đặc biệt, nó nhắm tới các ứng dụng các hệ thống mạng tương đối nhỏ, sử dụng bộ thu phát MRF24J40 2.4 GHz của Microchip cho các mạng dùng chuẩn IEEE 802.15.4. Các ứng dụng thực tế bao gồm điều khiển ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, và các hệ thống an ninh gia đình.

1.2. Ưu Điểm Nổi Bật Của Module MRF24J40MA Trong Mạng MiWi

Module MRF24J40MA hỗ trợ phổ tần 2.4GHz, tương thích với các loại thiết bị IEEE 802.15.4, và hỗ trợ nhiều loại vi điều khiển PIC (PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC30, dsPIC33,…). Nó có khả năng hoạt động trong hệ thống thời gian thực (RTOS) và ứng dụng độc lập. Hệ thống mạng sử dụng giao thức MiWi có khả năng có tối đa 1024 điểm nút trên hệ thống. Mỗi Coordinator có thể có 127 children, với tối đa là 8 Coordinators trên một hệ thống mạng.

II. Thách Thức và Giải Pháp Thiết Kế Mạng MiWi với MRF24J40MA

Việc thiết kế mạng MiWi với MRF24J40MA đối mặt với một số thách thức, bao gồm đảm bảo phạm vi hoạt động, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, và bảo mật dữ liệu. Giải pháp bao gồm lựa chọn cấu trúc mạng phù hợp (Star, Cluster-Tree, Mesh), tối ưu hóa giao thức truyền tin, và sử dụng các tính năng bảo mật của MRF24J40MA. Theo tài liệu gốc, giao thức MiWi được dựa trên các layers MAC và PHY, dùng các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.15.4 và được điều chỉnh cho việc phát triển hệ thống mạng một cách đơn giản trong dải tần 2.4GHz.

2.1. Vấn Đề Tiêu Thụ Năng Lượng Trong Mạng Điều Khiển Không Dây

Một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế mạng MiWi là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các thiết bị cảm biến và điều khiển thường hoạt động bằng pin, do đó thời gian hoạt động là yếu tố quan trọng. Giải pháp bao gồm sử dụng chế độ ngủ (sleep mode) khi không truyền dữ liệu, tối ưu hóa tốc độ truyền, và giảm thiểu số lượng gói tin truyền đi. MRF24J40MA cung cấp các chế độ tiết kiệm năng lượng để hỗ trợ việc này.

2.2. Đảm Bảo Phạm Vi Hoạt Động và Độ Tin Cậy Của Mạng MiWi

Phạm vi hoạt động và độ tin cậy là yếu tố quan trọng khác. Môi trường truyền dẫn có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu và vật cản. Giải pháp bao gồm sử dụng cấu trúc mạng Mesh để tăng độ tin cậy, tăng công suất phát (trong giới hạn cho phép), và sử dụng các kỹ thuật chống nhiễu. MRF24J40MA hỗ trợ các kênh truyền khác nhau để giảm thiểu nhiễu.

2.3. Bảo Mật Dữ Liệu Trong Mạng MiWi Sử Dụng Module MRF24J40MA

Bảo mật dữ liệu là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng điều khiển và giám sát. Dữ liệu có thể bị đánh cắp hoặc thay đổi bởi kẻ tấn công. Giải pháp bao gồm sử dụng các thuật toán mã hóa mạnh, xác thực thiết bị, và bảo vệ khóa mã hóa. MRF24J40MA hỗ trợ các tính năng bảo mật như AES để bảo vệ dữ liệu.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế Mạng MiWi P2P Dùng Module MRF24J40MA

Thiết kế mạng MiWi Peer-to-Peer (P2P) với MRF24J40MA là một giải pháp đơn giản cho các ứng dụng yêu cầu kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị. Quá trình thiết kế bao gồm cấu hình MRF24J40MA cho chế độ P2P, thiết lập địa chỉ, và lập trình giao thức truyền tin. Cấu hình Peer-to-Peer là dạng giao tiếp đơn giản nhất, với chỉ duy nhất một thiết bị nói chuyện trực tiếp với một thiết bị khác. Trong đó, không có sự phân biệt giữa parent hay child, cũng như không có việc định tuyến tới các điểm nút khác.

3.1. Cấu Hình Module MRF24J40MA Cho Chế Độ MiWi P2P

Để cấu hình MRF24J40MA cho chế độ MiWi P2P, cần thiết lập các thanh ghi điều khiển phù hợp. Điều này bao gồm chọn kênh truyền, thiết lập công suất phát, và cấu hình địa chỉ. Tham khảo MRF24J40MA datasheet để biết chi tiết về các thanh ghi này. Cần đảm bảo rằng cả hai thiết bị đều được cấu hình với cùng kênh truyền và PAN ID.

3.2. Lập Trình Giao Thức Truyền Tin Đơn Giản Cho MiWi P2P

Giao thức truyền tin trong mạng MiWi P2P có thể đơn giản hơn so với các cấu trúc mạng khác. Chỉ cần thiết lập kết nối, truyền dữ liệu, và đóng kết nối khi hoàn thành. Có thể sử dụng các hàm trong thư viện MiWi để thực hiện các thao tác này. Cần xử lý các trường hợp lỗi như mất kết nối hoặc dữ liệu bị hỏng.

3.3. Ví Dụ Dự Án MiWi P2P Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa

Một ví dụ về ứng dụng MiWi P2P là điều khiển thiết bị từ xa. Ví dụ, một thiết bị có thể được sử dụng để bật/tắt đèn hoặc điều chỉnh nhiệt độ. Thiết bị điều khiển sẽ gửi lệnh đến thiết bị được điều khiển thông qua kết nối MiWi P2P. Cần thiết kế giao diện người dùng đơn giản để điều khiển thiết bị.

IV. Ứng Dụng Mạng MiWi Star Topology với Module MRF24J40MA

Mạng MiWi Star Topology là một cấu trúc mạng phổ biến, trong đó tất cả các thiết bị kết nối trực tiếp với một trung tâm (PAN Coordinator). Cấu trúc này đơn giản và dễ quản lý, phù hợp cho các ứng dụng như thu thập dữ liệu cảm biến và điều khiển thiết bị. Một hệ thống mạng hình sao bao gồm một PAN Coordinator node và một hay nhiều thiết bị cuối End Device. Trong một mạng lưới hình sao, tất cả các thiết bị cuối đều giao tiếp duy nhất với PAN Coordinator. Nếu một thiết bị cuối cần truyền thông tin tới một thiết bị cuối khác thì nó gửi dữ liệu của nó cho PAN Coordinator. Còn PAN Coordinator sau đó chuyển tiếp dữ liệu đến nơi tiếp nhận được mong đợi.

4.1. Thiết Lập PAN Coordinator Trong Mạng MiWi Star

PAN Coordinator là trung tâm của mạng MiWi Star. Nó chịu trách nhiệm khởi tạo mạng, phân phối địa chỉ, và quản lý các thiết bị. Cần cấu hình MRF24J40MA cho vai trò PAN Coordinator và thiết lập các thông số mạng như PAN ID và kênh truyền.

4.2. Kết Nối Các Thiết Bị Thành Viên Vào Mạng MiWi Star

Các thiết bị thành viên (End Devices) cần được cấu hình để kết nối với PAN Coordinator. Điều này bao gồm tìm kiếm mạng, xác thực, và nhận địa chỉ. Cần đảm bảo rằng các thiết bị thành viên sử dụng cùng PAN ID và kênh truyền với PAN Coordinator.

4.3. Ứng Dụng Thực Tế Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Với MiWi Star

Mạng MiWi Star phù hợp cho các ứng dụng mạng cảm biến không dây (WSN). Các cảm biến có thể thu thập dữ liệu (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) và gửi về PAN Coordinator. PAN Coordinator có thể xử lý dữ liệu và hiển thị thông tin hoặc gửi đến một hệ thống khác.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Mạng Điều Khiển MiWi

Việc thiết kế mạng điều khiển MiWi sử dụng module MRF24J40MA mang lại nhiều lợi ích, bao gồm chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, và dễ dàng triển khai. Tuy nhiên, cần xem xét các thách thức về phạm vi hoạt động, độ tin cậy, và bảo mật. Hướng phát triển bao gồm nghiên cứu các giao thức truyền tin hiệu quả hơn, tích hợp các tính năng bảo mật nâng cao, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Theo tài liệu gốc, giao thức MiWi dùng các địa chỉ được cho bởi IEEE 802.15.4. Có ba địa chỉ khác nhau được định nghĩa bởi các đặc điểm sau: EUI, PAN ID, Short Address.

5.1. Tổng Kết Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Mạng MiWi

Ưu điểm của MiWi bao gồm chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ dàng triển khai, và hỗ trợ nhiều loại vi điều khiển. Nhược điểm của MiWi bao gồm phạm vi hoạt động hạn chế, tốc độ truyền dữ liệu thấp, và bảo mật cơ bản. Cần cân nhắc các yếu tố này khi lựa chọn MiWi cho một ứng dụng cụ thể.

5.2. Hướng Phát Triển Mạng MiWi Trong Tương Lai

Hướng phát triển của mạng MiWi bao gồm cải thiện phạm vi hoạt động, tăng tốc độ truyền dữ liệu, và nâng cao bảo mật. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc sử dụng các kỹ thuật anten mới, tối ưu hóa giao thức truyền tin, và tích hợp các thuật toán mã hóa mạnh hơn. Ngoài ra, việc tích hợp MiWi với các công nghệ khác như IoT và mạng 5G cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của các công nghệ vô tuyến như WiFi, WiMAX và 3G đã thúc đẩy xu hướng kết nối không dây cho các hệ sinh thái thiết bị gia dụng và tự động hóa tòa nhà. Nhu cầu đặt ra trong thực tiễn là giám sát và điều khiển từ xa các hệ thống chiếu sáng, năng lượng, điện, nước và khí đốt mà không cần triển khai hạ tầng cáp truyền tải phức tạp. Chuẩn truyền thông mạng cá nhân không dây cự ly ngắn (WPAN) IEEE 802.15.4 (trong văn bản đồ án được ghi tắt là IEEE 802.4) ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ thấp, kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp và mức tiêu thụ năng lượng tối ưu.

Mặc dù giao thức ZigBee xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 được ứng dụng rộng rãi, độ phức tạp của ngăn xếp ngăn cản việc triển khai trên các hệ thống nhúng có tài nguyên hạn chế. Trước thách thức lựa chọn giải pháp mạng không dây hiệu quả kinh tế, tập đoàn Microchip đã giới thiệu giao thức MiWi – phiên bản thu gọn của ZigBee, tối ưu hóa cho các vi điều khiển họ PIC và dsPIC kết hợp cùng module thu phát sóng vô tuyến dải tần 2.4 GHz MRF24J40.

Đề tài "Thiết kế và thi công mạng điều khiển MiWi dùng module MRF24J40MA" được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của ngăn xếp giao thức mạng không dây MiWi, bao gồm kiến trúc ba tầng: tầng ứng dụng MiApp, tầng mạng MiWi và tầng truy nhập môi trường MiMAC.
2. Tìm hiểu thông số kỹ thuật, cấu hình phần cứng và phương thức giao tiếp SPI của module thu phát RF MRF24J40MA cùng vi điều khiển 16-bit dsPIC30F4011.
3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và chế tạo bo mạch phần cứng cho thiết bị trung tâm (PAN Coordinator) và các thiết bị thành viên (End Devices).
4. Lập trình firmware điều khiển cho vi điều khiển dsPIC30F4011 bằng trình biên dịch MPLAB C30 và xây dựng giao diện phần mềm quản trị trên máy tính kết nối qua cổng RS232.

Đối tượng nghiên cứu là ngăn xếp giao thức MiWi và giải pháp kết nối mạng cảm biến, điều khiển không dây. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc hiện thực hóa mô hình mạng truyền thông cự ly ngắn ở dải tần vô tuyến 2.4 GHz, thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Viễn thông vào tháng 9 năm 2011.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên khung lý thuyết chuẩn hóa của chuẩn truyền thông mạng cá nhân không dây IEEE 802.15.4 định nghĩa cho hai tầng vật lý (PHY) và liên kết dữ liệu (MAC), kết hợp ngăn xếp phần mềm Microchip Wireless Protocol Stack.

Thành phần lý thuyết / Mô hình	Đặc tả kỹ thuật trong nghiên cứu
Chuẩn mạng cơ sở	IEEE 802.15.4 (WPAN), dải tần 2.4 GHz, tốc độ dữ liệu 250 kbps, kích thước khung MAC tối đa 127 bytes kèm 16-bit CRC.
Ngăn xếp giao thức Microchip	Kiến trúc phân tầng gồm MiApp (lớp giao diện ứng dụng), MiWi (lớp mạng, định tuyến) và MiMAC (lớp điều khiển truy nhập phần cứng RF).
Mô hình địa chỉ	Địa chỉ toàn cầu mở rộng EUI (8 bytes), mã định danh mạng PAN ID (16-bit), địa chỉ ngắn Short Address (16-bit).
Thuật toán bảo mật	Mã hóa khối XTEA (eXtended Tiny Encryption Algorithm) với các chế độ hoạt động CBC-MAC, CTR và ECB tích hợp trong MiMAC.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa cấu trúc ngăn xếp giao thức MiWi, nguyên lý định tuyến dạng cây (tree-routing), cơ chế quét kênh tìm mạng (Active Scan, Energy Detection Scan), và giao thức bắt tay (handshaking).
• Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Tính toán, thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho hệ thống nhúng dùng vi điều khiển dsPIC30F4011; đấu nối module thu phát vô tuyến MRF24J40MA qua giao tiếp ngoại vi SPI; thiết kế mạch chuyển đổi mức tín hiệu MAX232 để giao tiếp máy tính.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Nạp firmware viết bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch C30; kiểm tra khả năng quét kênh vô tuyến, quá trình gia nhập mạng của các node, truyền dữ liệu từ node thành viên về node trung tâm và hiển thị giám sát trên phần mềm máy tính.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu trích xuất từ tài liệu kỹ thuật chính hãng của Microchip Technology (datasheet dsPIC30F4011, datasheet MRF24J40MA, các tài liệu hướng dẫn MiWi Application Programming Interface) và dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ mô hình phần cứng đã thi công.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Đồ án là công trình kỹ thuật thiết kế phần cứng kết hợp phần mềm nhúng và phần mềm ứng dụng trên máy tính. Hệ thống phân chia thành hai khối thiết bị vật lý chính: Thiết bị trung tâm (PAN Coordinator) và Thiết bị thành viên (Member Devices / End Devices).

Thiết kế phần cứng

1. Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 16-bit dsPIC30F4011 kiến trúc RISC hiệu năng cao, tích hợp bộ điều khiển tín hiệu số (DSC), bộ nhớ Flash 48 KB, RAM 2 KB, EEPROM 1024 bytes, tích hợp các bộ định thời, module chuyển đổi tương tự - số (ADC 10-bit), module truyền thông nối tiếp UART và giao tiếp ngoại vi SPI tốc độ cao.
2. Khối thu phát vô tuyến MRF24J40MA: Module sóng ngắn tích hợp sẵn ăng-ten mạch in PCB trên bo, tương thích chuẩn IEEE 802.15.4, hoạt động ở điện áp 2.4V – 3.6V, giao tiếp với vi điều khiển qua các đường tín hiệu SPI (SDI, SDO, SCK, CS) cùng các chân ngắt phần cứng (INT) và điều khiển chế độ (WAKE, RESET).
3. Khối giao tiếp máy tính: Mạch giao tiếp chuẩn RS232 sử dụng IC MAX232 kết nối cổng UART của dsPIC30F4011 với cổng COM của máy tính cá nhân để truyền nhận chuỗi dữ liệu trạng thái mạng.

Thiết kế phần mềm

1. Firmware cho vi điều khiển: Được tổ chức theo các file mã nguồn của ngăn xếp MiWi. Chương trình điều khiển thiết bị trung tâm thực hiện khởi tạo stack (MiApp_ProtocolInit), quét phổ tần chọn kênh sạch nhất, thiết lập mạng (START_CONN_ENERGY_SCN), cấp phát địa chỉ mạng cho các node con và lắng nghe dữ liệu định kỳ. Chương trình thiết bị thành viên thực hiện tìm kiếm mạng lân cận (MiApp_SearchConnection), gửi yêu cầu gia nhập mạng (JoinNetwork), thu thập tín hiệu và đóng gói gửi về thiết bị trung tâm bằng hàm SendReportByShortAddress.
2. Phần mềm quản trị trên máy tính: Xây dựng giao diện hiển thị đồ họa gồm các bảng điều khiển: cửa sổ giám sát mức độ sử dụng các kênh vô tuyến (từ kênh 11 đến 26), danh sách trạng thái các user thành viên kết nối vào mạng, và cửa sổ hiển thị dữ liệu thời gian thực do các node gửi về.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giao thức kết nối mạng không dây – MiWi (Microchip Wireless)

Chương 1 trình bày chi tiết về giao thức MiWi được Microchip thiết kế trên nền tảng IEEE 802.15.4 cho các mạng WPAN quy mô nhỏ đến trung bình. Hệ thống mạng MiWi hỗ trợ tối đa 1024 nút mạng, trong đó một mạng có tối đa 8 Coordinator, mỗi Coordinator quản lý tối đa 127 nút con (children).

Về mặt cấu hình mạng, giao thức hỗ trợ 4 cấu trúc liên kết:

• Cấu hình hình sao (Star): Các End Device giao tiếp trực tiếp và duy nhất thông qua PAN Coordinator.
• Cấu hình dạng cây (Cluster-Tree): Mạng gồm một PAN Coordinator đóng vai trò nút gốc (root), các Coordinator đóng vai trò cành cây và các End Device là lá cây; dữ liệu truyền theo phân cấp tuyến tính.
• Cấu hình mắt lưới (Mesh): Các thiết bị đầy đủ chức năng (FFD) có thể định tuyến trực tiếp cho nhau không cần qua nút gốc, giúp giảm độ trễ và tăng tính ổn định của đường truyền.
• Cấu hình điểm - điểm (Peer-to-Peer - P2P): Giao tiếp trực tiếp giữa hai thiết bị mà không phân biệt quan hệ nút cha - nút con.

Chương này cũng phân tích quy tắc cấu trúc địa chỉ ngắn (Short Address) 16-bit của MiWi:

• Bit 15 - 11: Luôn giữ giá trị 0.
• Bit 10 - 8: Trường số hiệu nút cha (Parent's Number), giới hạn tối đa 8 Coordinator trong hệ thống.
• Bit 7: Trường RxOffWhenIdle quy định trạng thái tắt bộ thu khi rảnh rỗi để tiết kiệm năng lượng.
• Bit 6 - 0: Trường số hiệu nút con (Child's Number), nhận giá trị 00h nếu thiết bị đó là một Coordinator.

Phần cuối chương phân tích định dạng tiêu đề (header) của gói tin MiWi (gồm Hops counter, Frame control, Dest/Source PAN ID, Dest/Source Short Address, Sequence Number, Report Type, Report ID), nguyên lý định tuyến dạng cây, cơ chế tìm kiếm nút thông qua địa chỉ cố định toàn cầu EUI (bằng cặp thông điệp EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST và EUI_ADDRESS_SEARCH_RESPONSE), cơ chế mở socket ảo (Cluster Socket và P2P Socket) và hệ thống tập lệnh API của ngăn xếp (DiscoverNetworks, JoinNetwork, OpenSocket, RxPacket, WriteData...).

Chương 2: Giao diện lập trình ứng dụng không dây – MiApp (Microchip - Application)

Chương 2 mô tả tầng MiApp – giao diện lập trình trừu tượng hóa liên kết giữa tầng ứng dụng người dùng và các tầng giao thức truyền thông thấp hơn. MiApp giúp lập trình viên kiểm soát hoạt động mạng thông qua hai phương thức: cấu hình tiền biên dịch trong tệp tiêu đề và các hàm chức năng điều khiển thời gian chạy.

Nội dung chương tổng hợp hệ thống tham số cấu hình phần mềm cốt lõi:

• Lựa chọn giao thức và phần cứng: #define PROTOCOL_MIWI, #define MRF24J40.
• Quản lý kích thước bộ đệm và bảng liên kết: TX_BUFFER_SIZE (mặc định 40 bytes), RX_BUFFER_SIZE (40 bytes), CONNECTION_SIZE (10 kết nối).
• Bật tắt các tính năng nâng cao: ENABLE_PA_LNA, ENABLE_HAND_SHAKE, ENABLE_SLEEP, ENABLE_ED_SCAN, ENABLE_ACTIVE_SCAN, ENABLE_SECURITY, ENABLE_INDIRECT_MESSAGE, RFD_WAKEUP_INTERVAL, HARDWARE_SPI, TARGET_SMALL, ENABLE_NETWORK_FREEZER (lưu trữ thông số mạng vào EEPROM khi mất điện).

Chương 2 trình bày chi tiết các hàm API của MiApp: nhóm hàm khởi tạo và chuyển kênh (MiApp_ProtocolInit, MiApp_SetChannel), nhóm hàm thiết lập kết nối và bắt tay (MiApp_StartConnection với các chế độ START_CONN_DIRECT, START_CONN_ENERGY_SCN, START_CONN_CS_SCN; MiApp_SearchConnection lưu kết quả vào cấu trúc ACTIVE_SCAN_RESULT), cùng các hàm phục vụ gửi/nhận thông điệp và quét phát hiện nhiễu vô tuyến.

Chương 3: Điều khiển đa truy cập mạng không dây – MiMAC (Microchip Wireless Media Access Controller)

Chương 3 trình bày tầng MiMAC có vai trò chuẩn hóa giao diện phần cứng giữa các ngăn xếp giao thức (MiWi, P2P) và các bộ thu phát RF của Microchip (MRF24J40, MRF49XA). Tầng này cho phép hoán đổi phần cứng thu phát mà không làm thay đổi tầng ứng dụng MiApp.

Trọng tâm của chương là phân tích định dạng khung truyền MiMAC và module bảo mật dữ liệu:

• Định dạng khung MiMAC: Khung gói tin bổ sung trường Extra Control nhằm định rõ cơ chế bảo mật và cấu trúc khung.
• Cơ chế mật mã: Sử dụng thuật toán mật mã khối XTEA (eXtended Tiny Encryption Algorithm) với chiều dài khóa 128-bit, thực hiện 32 chu kỳ xử lý Feistel để bảo mật dữ liệu với chi phí xử lý và dung lượng bộ nhớ tối thiểu.
• Các chế độ bảo mật: Hỗ trợ mã hóa khối Electronic CodeBook (ECB), mã hóa dòng Counter (CTR), và tạo mã xác thực toàn vẹn thông điệp Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CBC-MAC / MIC).
• Giao diện lập trình MiMAC cung cấp các hàm API nền tảng để truyền frame thô, quản lý trạng thái nghỉ (Sleep) và kích hoạt cơ chế bảo vệ chống ghi đè dữ liệu.

Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển

Chương 4 là phần hiện thực hóa kỹ thuật của đồ án tốt nghiệp, trình bày toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo hệ thống:

• Giới thiệu cấu trúc bên trong của bộ vi điều khiển dsPIC30F4011 (kiến trúc Harvard, sơ đồ chân cắm 40 chân và chân dán 44 chân, cấu trúc ALU và tập thanh ghi DSP).
• Đặc tính kỹ thuật của module MRF24J40MA: Tích hợp bộ dao động thạch anh, bộ điều chỉnh điện áp LDO nội, sơ đồ chân kết nối, giao diện vật lý tương thích chuẩn IEEE 802.15.4 PHY/MAC dải tần 2.4 GHz.
• Thiết kế mạch in phần cứng cho Thiết bị trung tâm (kết nối dsPIC30F4011, MRF24J40MA, IC MAX232, bộ nguồn 3.3V và 5V, mạch nạp ICSP) và các Thiết bị thành viên (tối ưu hóa diện tích mạch, tích hợp các ngõ vào/ra điều khiển).
• Xây dựng thuật toán firmware: Lưu đồ thuật toán thiết bị trung tâm thực hiện quét năng lượng phổ tần, khởi tạo PAN ID, nhận dạng thiết bị mới và chuyển tiếp dữ liệu qua UART; lưu đồ thuật toán thiết bị thành viên thực hiện quét mạng, đồng bộ, đóng gói dữ liệu và đi vào chế độ ngủ tiết kiệm điện.
• Xây dựng phần mềm giao diện máy tính: Giao diện quản lý hiển thị đồ thị mức độ bận rộn của các kênh truyền sóng vô tuyến, trạng thái kết nối của từng nút người dùng (users) và bảng theo dõi dữ liệu truyền nhận.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được sau quá trình thi công và đề xuất các giải pháp nâng cấp đề tài trong tương lai. Tác giả khẳng định tính đúng đắn của việc lựa chọn giao thức MiWi cho các ứng dụng giám sát vô tuyến cự ly ngắn và đánh giá khả năng vận hành ổn định của hệ thống mạch phần cứng tự chế tạo.

Kết quả và đóng góp của đồ án

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Đã thiết kế và thi công thành công các bo mạch vi điều khiển dsPIC30F4011 ghép nối hoạt động tương thích với module sóng MRF24J40MA và mạch giao tiếp máy tính RS232.
2. Hiện thực hóa thành công ngăn xếp MiWi: Cấu hình và nạp thành công bộ thư viện Microchip Wireless (gồm MiApp, MiWi, MiMAC) vào vi điều khiển dsPIC30F4011 bằng trình biên dịch MPLAB C30.
3. Vận hành hệ thống mạng vô tuyến đa điểm: Hệ thống thực hiện được việc quét kênh năng lượng (Energy Detection Scan), tự động chọn kênh truyền tối ưu, cấp phát địa chỉ mạng Short Address và kết nối ổn định giữa thiết bị trung tâm với các nút thành viên.
4. Phần mềm giám sát trực quan: Phần mềm trên máy tính hiển thị chính xác đồ thị mức độ sử dụng các kênh tần số, phát hiện sự gia nhập của các node thành viên và cập nhật liên tục dữ liệu từ các node gửi về trung tâm.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh bằng tiếng Việt về nguyên lý, cấu trúc gói tin và tập lệnh API của giao thức MiWi độc quyền từ Microchip tại thời điểm năm 2011.
• Minh chứng tính khả thi của giải pháp mạng không dây thay thế ZigBee với chi phí thấp hơn, cấu hình đơn giản hơn, dung lượng mã nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng mạng cá nhân không dây (WPAN).
• Đưa ra bản thiết kế phần cứng và mã nguồn mẫu ứng dụng dòng vi điều khiển 16-bit dsPIC30F kết nối ngoại vi RF chuẩn IEEE 802.15.4 phục vụ học tập và nghiên cứu thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Hạn chế được ghi nhận

• Cấu hình mạng bị giới hạn bởi đặc tả giao thức MiWi: Hệ thống chỉ hỗ trợ tối đa 8 Coordinator và tối đa 1024 điểm nút toàn mạng.
• Thử nghiệm thực tế dừng lại ở mô hình mạng nhỏ với số lượng nút hạn chế trong môi trường phòng thí nghiệm, chưa đánh giá ảnh hưởng của vật cản phức tạp hoặc khoảng cách truyền xa ngoài trời.
• Giao tiếp giữa thiết bị trung tâm và máy tính vẫn sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 truyền thống, chưa tích hợp giao diện USB hoặc kết nối mạng Ethernet/IP.

Hướng phát triển đề tài

• Mở rộng số lượng node thành viên trên hệ thống mạng và kiểm thử định tuyến đa bước (multi-hop routing) trên mô hình Cluster-Tree hoặc Mesh thực tế.
• Tích hợp các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành chuyên dụng để ứng dụng mạng MiWi vào hệ thống tự động hóa nhà thông minh: Tự động ngắt gas khi có rò rỉ, điều khiển mạng chiếu sáng, điều hòa không khí và quản lý điện nước từ xa.
• Nâng cấp phần mềm trung tâm lên nền tảng web hoặc ứng dụng di động để cho phép người dùng giám sát hệ thống qua mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa: Phục vụ làm tài liệu tham khảo cho các môn học Mạng truyền thông công nghiệp, Vi điều khiển nâng cao, Thiết kế hệ thống nhúng và thực hiện các đồ án tốt nghiệp về mạng cảm biến không dây (WSN).
• Kỹ sư phát triển sản phẩm nhúng không dây: Cung cấp thông tin chi tiết về thanh ghi, tệp cấu hình MiApp, cơ chế bảo mật XTEA trên tầng MiMAC và thiết kế phần cứng vi điều khiển dsPIC giao tiếp module RF qua bus SPI.

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao nhất trong văn bản gồm: Chương 1 (cấu trúc trường địa chỉ Short Address và sơ đồ định tuyến), Chương 2 (bảng định nghĩa các macro cấu hình firmware MiApp) và Chương 4 (sơ đồ nguyên lý ghép nối phần cứng giữa dsPIC30F4011 và MRF24J40MA).

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức MiWi khác biệt như thế nào so với giao thức ZigBee theo phân tích của tác giả?
MiWi là một phiên bản giao thức không dây thu gọn của ZigBee do Microchip phát triển độc quyền dựa trên tầng PHY và MAC của chuẩn IEEE 802.15.4. MiWi loại bỏ bớt các tầng ứng dụng phức tạp của ZigBee nhằm giảm thiểu dung lượng mã (code footprint) và yêu cầu tài nguyên vi điều khiển, hướng tới các mạng không dây quy mô nhỏ đến trung bình, cự ly ngắn, chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng.

2. Cấu trúc địa chỉ ngắn (Short Address) trong mạng MiWi giới hạn số lượng thiết bị như thế nào?
Short Address có độ dài 16-bit. Trong đó, trường Parent's Number chiếm 3-bit (từ bit 8 đến bit 10), giới hạn số lượng Coordinator trong một mạng là tối đa 8 (bao gồm cả PAN Coordinator). Trường Child's Number chiếm 7-bit (từ bit 0 đến bit 6), cho phép mỗi Coordinator quản lý tối đa 127 nút con. Toàn mạng hỗ trợ tối đa 1024 điểm nút. PAN Coordinator luôn mang địa chỉ cố định là 0000h.

3. Cơ chế bảo mật trong tầng MiMAC sử dụng thuật toán nào?
Tầng MiMAC sử dụng thuật toán mật mã khối XTEA (eXtended Tiny Encryption Algorithm) với độ dài khóa 128-bit chạy qua 32 chu kỳ xử lý. Giao thức hỗ trợ các chế độ bảo mật như Electronic CodeBook (ECB), Counter (CTR) và tạo mã toàn vẹn thông điệp Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CBC-MAC).

4. Module MRF24J40MA giao tiếp với vi điều khiển dsPIC30F4011 qua những tín hiệu vật lý nào?
Module MRF24J40MA giao tiếp với dsPIC30F4011 thông qua giao tiếp nối tiếp ngoại vi SPI gồm các đường tín hiệu truyền nhận dữ liệu và xung nhịp (SDI, SDO, SCK, CS), kết hợp cùng các chân điều khiển chuyên dụng gồm chân ngắt phần cứng INT, chân đánh thức WAKE và chân tái lập RESET.

5. Khối phần mềm máy tính trong đồ án thực hiện những chức năng giám sát nào?
Phần mềm trên máy tính nhận dữ liệu từ PAN Coordinator qua cổng RS232, có chức năng hiển thị mức độ bận rộn và chất lượng của các kênh truyền vô tuyến 2.4 GHz, nhận dạng và hiển thị danh sách các nút thành viên tham gia mạng, đồng thời ghi nhận và trình diễn dữ liệu truyền về từ các nút thành viên theo thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạng điều khiển MiWi dùng module MRF24J40MA" của sinh viên Nguyễn Đình Minh và Võ Văn Triều đã nghiên cứu thành công ngăn xếp giao thức không dây MiWi của Microchip dựa trên nền tảng chuẩn IEEE 802.15.4. Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh phần cứng bo mạch vi điều khiển dsPIC30F4011 kết hợp module vô tuyến 2.4 GHz MRF24J40MA và xây dựng thành công phần mềm giám sát qua cổng RS232. Kết quả thực nghiệm khẳng định mạng truyền thông hoạt động ổn định, cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi, chi phí thấp cho các bài toán điều khiển và thu thập dữ liệu không dây cự ly ngắn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Giao thức kết nối mạng GVHD : Ths. PHAN VĂN ĐỨC Khi một hệ thống mạng được hình thành, mối quan tâm lớn kế tiếp chính là là thế nào để chuyển các thông điệp trong mạng. Bất cứ thiết bị nào là thành viên của hệ thống giao thức MiWi đều sử dụng Short Address của nó để liên lạc xuyên suốt trong mạng. Short Address này giúp các thiết bị khác trong mạng quyết định vị trí của node và và làm thế nào để định tuyến tới thiết bị đó.1 Định dạng gói Giao thức MiWi sử dụng định dạng gói của MAC layer của IEEE 802.4 cho tất cả các gói tin của nó.

Các node tham gia vào hệ thống mạng sẽ sử dụng mode Short Address được cung cấp trong thông số kỹ thuật của IEEE. Các gói nên được dựng theo Section 7.2 của thông số kỹ thuật IEEE 802. Phía trên của layer này là header của giao thức MiWi, chứa thông tin cần thiết cho quá trình định tuyến và đóng gói. Định dạng của header này được cho trong hình 1.6, bao gồm các thành phần sau: Hình 1.6 Định dạng của header trong gói tin dùng giao thức MiWi  Hops: số lượng các hop mà gói tin cho phép được truyền lại (00h nghĩa là không phát lại gói này – 1 byte).

 Frame control: đây là 1 ảnh nhị phân định nghĩa động thái của gói tin này. Các bit riêng biệt được định nghĩa trong bảng 4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 1 : Giao thức kết nối mạng GVHD : Ths. PHAN VĂN ĐỨC  Dest PAN ID: PAN ID của điểm đích node cuối cùng (2 bytes trong giao thức MiWi).

 Dest Short Address: Short Address của điểm đích cuối cùng (2 bytes).  Source PAN ID: PAN ID của node gốc đã truyền gói tin đi.  Source Short Address: Short Address của điểm node gốc đã truyền gói tin đi (2 bytes).  Sequence Number: một số thứ tự có thể được dùng để lần theo trạng thái của các gói tin khi chúng di chuyển xuyên suốt hệ thống mạng.

 Report Type: việc tập hợp thông tin đã bao gồm trong gói tin này. Tất cả các stack tạo nên các gói tin này đều có Report Type là 00h. Tất cả các bản báo cáo do người dùng quy định nằm trong khoảng 01h tới FFh.  Report ID: loại của thông điệp đã bao gồm trong gói tin này (1 byte).4 Trường bit Frame Control  Bit 7-3: được để dành sẵn: giữ giá trị ‘0’ trong việc thực thi này.

 Bit 2: ACKREQ: bit Acknowledge Request, khi được set, thiết bị gốc yêu cầu layer lớp trên chứng nhận Acknowledgement từ thiết bị đích.  Bit 1: INTRCLST: bit Intra Cluster, được để dành trong việc thực thi này, giữ giá trị là ‘1’.  Bit 0: ENCRYPT: bit Encrypt, khi được set, dữ liệu gói tin được mã hóa tại tầng ứng dụng. Các tên bit viết tắt là để thuận tiện cho việc trình bày, nó không phải là phần chính thức của IEEE 802.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 1 : Giao thức kết nối mạng GVHD : Ths.2 Định tuyến Việc định tuyến hệ thống mạng không dây có thể là một nhiệm vụ rất khó khăn và cần tập trung nhiều nguồn tài nguyên. Giao thức MiWi đã giải quyết vần đề này bằng cách sử dụng sự phân phối địa chỉ để chỉ ra parent của thiết bị mà ta muốn gửi gói tin đến, và bằng cách sử dụng các dịch vụ đã được cung cấp sẵn của IEEE để giúp cho việc trao đổi và chuyển tiếp thông tin định tuyến trong hệ thống mạng.