Luận văn thạc sĩ tiếp cận các ứng dụng giao thức truyền thông không dây miwi pro luận văn ths công nghệ điện tử viễn thông 60 52 70

Khám phá luận văn thạc sĩ về ứng dụng giao thức truyền thông không dây MiWi Pro trong công nghệ điện tử viễn thông. Tìm hiểu chi tiết và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Đỗ Hữu Đĩnh
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Diên Tập
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử-Viễn Thông
• Đề tài: Ứng Dụng Giao Thức Truyền Thông Không Dây MiWi Pro
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY ZIGBEE
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE
• 1.3. TÌM HIỂU GIAO THỨC ZIGBEE
• 1.4. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ ZIGBEE
• 1.5. CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY MIWI
• 1.5.1. TỔNG QUAN VỀ MIWI
• 1.5.2. TÌM HIỂU VỀ GIAO THỨC MIWI PRO
• 1.6. GIAO DIỆN LẬP TRÌNH CHO GIAO THỨC MIWI PRO
• 1.6.1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ CẤU HÌNH GIẢI PHÁP KHÔNG DÂY CỦA MICROCHIP
• 1.6.2. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CHUẨN HÓA MIMAC
• 1.6.3. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CHUẨN HÓA MIAPP
• 2. PHẦN 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY MIWI PRO
• 2.1.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY MIWI PRO
• 2.1.2. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG MẠNG MIWI PRO THỬ NGHIỆM
• 2.1.3. SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ THÔNG BÁO TRẠNG THÁI TRONG MẠNG
• 2.1.4. SƠ ĐỒ CHI TIẾT VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC NÚT TRONG MẠNG
• 2.1.5. CHƯƠNG TRÌNH CHI TIẾT TRÊN CÁC NÚT MẠNG MIWI PRO
• 3. KẾT QUẢ VÀ MỞ RỘNG ĐỀ TÀI
• 3.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 3.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giao thức Truyền thông Không dây MiWi Pro

Giao thức MiWi Pro là một trong những giải pháp mạng không dây tiên tiến, được phát triển bởi Microchip. Nó được thiết kế để cung cấp khả năng truyền thông hiệu quả trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ thấp và tiêu thụ năng lượng tối thiểu. MiWi Pro hoạt động trên các băng tần ISM, cho phép thiết lập mạng không dây linh hoạt và dễ dàng. Giao thức này hỗ trợ nhiều kiểu cấu hình mạng, từ mạng hình sao đến mạng hình lưới, giúp mở rộng khả năng kết nối giữa các thiết bị. Việc áp dụng MiWi Pro trong các dự án nghiên cứu và phát triển công nghệ điện tử viễn thông đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa và nhà thông minh.

1.1. Tính năng nổi bật của MiWi Pro

Một trong những điểm mạnh của MiWi Pro là khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị cùng lúc mà không làm giảm hiệu suất truyền tải. Giao thức này cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau một cách hiệu quả, nhờ vào cơ chế định tuyến thông minh. MiWi Pro cũng cung cấp khả năng bảo mật cao, giúp bảo vệ thông tin trong quá trình truyền tải. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu tính bảo mật như hệ thống giám sát và điều khiển từ xa. Hơn nữa, MiWi Pro có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác, tạo ra một hệ sinh thái mạng không dây đồng bộ và hiệu quả.

II. Ứng dụng của MiWi Pro trong Luận văn Thạc sĩ Công nghệ Điện tử Viễn thông

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng sử dụng MiWi Pro trong lĩnh vực công nghệ điện tử viễn thông. Các ứng dụng này bao gồm việc tự động hóa thiết bị gia đình, điều khiển từ xa và giám sát thông minh. Việc áp dụng MiWi Pro giúp giảm thiểu chi phí và thời gian triển khai các giải pháp không dây, đồng thời nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng MiWi Pro không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về các giải pháp công nghệ hiện đại.

2.1. Tính khả thi và hiệu quả của ứng dụng

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các ứng dụng dựa trên MiWi Pro có thể hoạt động ổn định trong môi trường thực tế. Các thiết bị được kết nối qua MiWi Pro có khả năng truyền tải dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống cũng cho phép người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát các thiết bị từ xa thông qua ứng dụng di động. Điều này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ thông minh trong tương lai.

III. Đánh giá và triển vọng phát triển

Nghiên cứu về MiWi Pro trong luận văn thạc sĩ đã chỉ ra rằng giao thức này có tiềm năng lớn trong việc phát triển các ứng dụng không dây trong tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, MiWi Pro có thể được cải tiến để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường. Việc áp dụng MiWi Pro trong các lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, nhà thông minh và các ứng dụng IoT sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu và phát triển. Hơn nữa, sự kết hợp giữa MiWi Pro và các công nghệ mới như AI và Big Data có thể tạo ra những giải pháp đột phá trong việc quản lý và tối ưu hóa hệ thống.

3.1. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng dựa trên MiWi Pro sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nhà nghiên cứu có thể tìm kiếm các giải pháp mới để cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của giao thức này. Đồng thời, việc tích hợp MiWi Pro với các công nghệ tiên tiến khác sẽ tạo ra những sản phẩm và dịch vụ mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Sự phát triển này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghệ mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và nhu cầu tự động hóa ngày càng tăng, các ứng dụng mạng không dây đã trở thành xu hướng thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ điện tử - viễn thông. Theo ước tính, việc sử dụng các thiết bị không dây trong các hệ thống tự động hóa gia đình và công nghiệp đã tăng trưởng đáng kể trong thập kỷ qua, với nhu cầu về các giải pháp mạng không dây có chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng cao. Tuy nhiên, các giải pháp hiện có như Zigbee, Bluetooth hay Wi-Fi vẫn còn tồn tại những hạn chế về chi phí, độ phức tạp và khả năng tương thích thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu và ứng dụng giao thức mạng không dây MiWi PRO của Microchip, một giải pháp mạng không dây mới, đơn giản hóa so với Zigbee nhưng vẫn giữ được các ưu điểm về hiệu suất và khả năng mở rộng. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một giải pháp mạng không dây dễ tiếp cận, chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế tại Việt Nam, đồng thời thực thi thành công các ý tưởng tự động hóa thiết bị gia đình dựa trên giao thức MiWi PRO.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích, thiết kế và triển khai mạng không dây MiWi PRO trong môi trường thực nghiệm tại Việt Nam, với các thiết bị vi xử lý PIC và bộ thu phát sóng vô tuyến Microchip. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp một giải pháp mạng không dây hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, có khả năng mở rộng lên đến hơn 8000 thiết bị và hỗ trợ tối đa 65 bước nhảy, góp phần thúc đẩy phát triển các ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ mạng không dây Zigbee và giao thức MiWi PRO của Microchip.

• Công nghệ Zigbee: Là giao thức mạng không dây tiêu chuẩn dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, Zigbee hỗ trợ các mạng cá nhân với tốc độ dữ liệu thấp (tối đa 250 Kb/s), tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng mạng lên đến 65.535 thiết bị. Zigbee sử dụng các cấu hình mạng hình sao, hình khóm cây và mạng lưới (mesh), với các loại thiết bị gồm nút điều phối (Coordinator), bộ định tuyến (Router) và thiết bị cuối (End Device). Zigbee có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp và bảo mật, nhưng gặp hạn chế về tương thích thiết bị và chi phí phát triển.

• Giao thức MiWi PRO: Là phiên bản đơn giản hóa và nâng cao của giao thức MiWi, kế thừa nhiều ưu điểm của Zigbee nhưng giảm thiểu sự phức tạp và vấn đề tương thích. MiWi PRO hỗ trợ tối đa 64 nút điều phối, mỗi nút điều phối có thể kết nối với 127 thiết bị con, tổng cộng hơn 8000 thiết bị trong mạng, với khả năng truyền dữ liệu qua 65 bước nhảy. Giao thức này sử dụng cơ chế định tuyến kết hợp giữa định tuyến theo cây và định tuyến theo mạng lưới, đồng thời hỗ trợ tính năng linh hoạt tần số để tối ưu hóa hiệu suất mạng trong môi trường có nhiễu.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

• Định tuyến đa bước (Multi-hop routing): cho phép truyền dữ liệu qua nhiều nút trung gian để mở rộng phạm vi mạng.
• Linh hoạt tần số (Frequency Agility): cơ chế thay đổi kênh tần số hoạt động để tránh nhiễu và duy trì chất lượng truyền thông.
• Bảng cây gia phả (Family Tree Table): cấu trúc dữ liệu lưu trữ cấu hình mạng và quan hệ cha-con giữa các nút điều phối, phục vụ cho việc định tuyến hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu kỹ thuật của Microchip, các tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, tài liệu hướng dẫn phát triển phần mềm MiWi PRO, cùng các kết quả thực nghiệm triển khai mạng không dây tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: nghiên cứu chi tiết các đặc điểm kỹ thuật, cấu trúc giao thức, định dạng bản tin và cơ chế hoạt động của Zigbee và MiWi PRO.
• Thiết kế và triển khai thực nghiệm: xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng vi xử lý PIC18F46J50 và bộ thu phát MRF24J40, lập trình giao thức MiWi PRO, thiết kế sơ đồ khối và mạch in cho các nút mạng.
• Phân tích kết quả: đo lường hiệu suất mạng, khả năng định tuyến, độ trễ truyền tin và tiêu thụ năng lượng, so sánh với các giải pháp mạng không dây khác.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 10-15 thiết bị mạng không dây được cấu hình với vai trò khác nhau (nút chủ mạng, nút điều phối, thiết bị cuối). Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn thiết bị tiêu chuẩn Microchip phù hợp với yêu cầu nghiên cứu. Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ mô phỏng và đo đạc thực tế, kết hợp phân tích định tính và định lượng.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu (3 tháng), thiết kế và lập trình (4 tháng), triển khai thực nghiệm (3 tháng), phân tích và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng mở rộng mạng vượt trội: Mạng MiWi PRO hỗ trợ tối đa 64 nút điều phối và hơn 8000 thiết bị, với khả năng truyền dữ liệu qua 65 bước nhảy. Thực nghiệm cho thấy mạng có thể duy trì kết nối ổn định với 12 thiết bị trong phạm vi 100 mét, với độ trễ trung bình dưới 50 ms, vượt trội so với Zigbee giới hạn 4 bước nhảy và 255 thiết bị.

2. Tiêu thụ năng lượng thấp: Thiết bị sử dụng giao thức MiWi PRO tiêu thụ điện năng trung bình khoảng 5 mW trong chế độ hoạt động, thấp hơn 30% so với các thiết bị Zigbee tương đương. Thời gian sử dụng pin có thể kéo dài đến vài tháng với pin AA tiêu chuẩn.

3. Khả năng định tuyến linh hoạt và ổn định: Cơ chế định tuyến kết hợp giữa định tuyến theo cây và định tuyến theo mạng lưới giúp mạng tự động điều chỉnh đường đi dữ liệu khi có nút bị lỗi hoặc mất kết nối. Tỷ lệ thành công truyền gói tin đạt trên 98% trong các thử nghiệm mô phỏng môi trường có nhiễu.

4. Tính năng linh hoạt tần số hiệu quả: Quá trình chuyển đổi kênh tần số dựa trên cơ chế bỏ phiếu giữa các nút điều phối giúp mạng tránh được các kênh nhiễu cao, duy trì chất lượng truyền thông ổn định. Thời gian chuyển đổi kênh trung bình dưới 2 giây, không gây gián đoạn đáng kể cho ứng dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do thiết kế giao thức MiWi PRO tập trung vào sự đơn giản hóa cấu trúc mạng, giảm thiểu tài nguyên phần cứng cần thiết, đồng thời tăng cường khả năng định tuyến và quản lý mạng lớn. So với Zigbee, MiWi PRO loại bỏ các quy định nghiêm ngặt về tương thích thiết bị, giúp giảm chi phí phát triển và bảo trì.

Kết quả tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp với các ứng dụng IoT và nhà thông minh, nơi yêu cầu thiết bị hoạt động lâu dài trên nguồn pin nhỏ. Cơ chế định tuyến kết hợp giúp mạng có độ tin cậy cao, giảm thiểu mất mát dữ liệu trong môi trường thực tế có nhiều nhiễu và vật cản.

So sánh với các nghiên cứu khác về mạng không dây công suất thấp, MiWi PRO thể hiện ưu thế về khả năng mở rộng và linh hoạt tần số, điều mà các giao thức như Bluetooth hay Wi-Fi không tập trung phát triển cho các mạng cảm biến nhỏ và trung bình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ thành công truyền gói tin theo số bước nhảy, biểu đồ tiêu thụ năng lượng theo thời gian hoạt động và bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa Zigbee và MiWi PRO.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi giải pháp MiWi PRO trong các hệ thống nhà thông minh: Khuyến nghị các doanh nghiệp và nhà phát triển ứng dụng tự động hóa gia đình áp dụng giao thức MiWi PRO để tận dụng ưu điểm về chi phí và hiệu suất. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12 tháng.

2. Phát triển các module thiết bị đầu cuối tương thích MiWi PRO đa dạng: Động viên các nhà sản xuất thiết bị điện tử phát triển các module cảm biến, điều khiển sử dụng giao thức MiWi PRO nhằm tăng tính đa dạng và khả năng ứng dụng. Mục tiêu tăng số lượng thiết bị hỗ trợ lên 50% trong 2 năm.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư Việt Nam: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về giao thức MiWi PRO và lập trình vi xử lý PIC để nâng cao năng lực phát triển sản phẩm trong nước. Thời gian triển khai 6-9 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng linh hoạt tần số trong môi trường đô thị phức tạp: Khuyến nghị các trung tâm nghiên cứu tiếp tục phát triển và tối ưu hóa cơ chế linh hoạt tần số để nâng cao hiệu quả mạng trong các khu vực có nhiều nhiễu sóng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về giao thức mạng không dây MiWi PRO, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây.

2. Kỹ sư phát triển sản phẩm IoT và nhà thông minh: Tài liệu chi tiết về thiết kế, triển khai và tối ưu mạng không dây giúp kỹ sư phát triển các giải pháp tự động hóa gia đình và công nghiệp hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử và viễn thông: Tham khảo để lựa chọn công nghệ mạng không dây phù hợp, giảm chi phí phát triển và bảo trì sản phẩm, đồng thời nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

4. Các tổ chức đào tạo và trung tâm nghiên cứu công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu, hỗ trợ đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực mạng không dây và tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức MiWi PRO khác gì so với Zigbee?
   MiWi PRO đơn giản hóa cấu trúc mạng, hỗ trợ tối đa 64 nút điều phối và hơn 8000 thiết bị, với khả năng truyền qua 65 bước nhảy, trong khi Zigbee giới hạn 255 thiết bị và 4 bước nhảy. MiWi PRO cũng loại bỏ vấn đề tương thích phức tạp và giảm chi phí phát triển.

2. MiWi PRO có phù hợp cho ứng dụng nhà thông minh không?
   Có. Với tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng mở rộng cao và chi phí hợp lý, MiWi PRO rất phù hợp cho các hệ thống nhà thông minh, giúp điều khiển thiết bị từ xa hiệu quả và ổn định.

3. Làm thế nào để thiết bị gia nhập mạng MiWi PRO?
   Thiết bị gia nhập mạng thông qua quá trình quét chủ động, chọn nút cha phù hợp và nhận địa chỉ rút gọn từ nút chủ mạng. Quá trình này đảm bảo thiết bị có thể tham gia mạng với cấu hình định tuyến đầy đủ.

4. MiWi PRO xử lý nhiễu sóng như thế nào?
   Giao thức sử dụng cơ chế linh hoạt tần số với quá trình bỏ phiếu giữa các nút điều phối để chọn kênh hoạt động tối ưu, tránh các kênh nhiễu cao, duy trì chất lượng truyền thông ổn định.

5. Yêu cầu phần cứng cho triển khai MiWi PRO là gì?
   Thường sử dụng vi xử lý PIC18F46J50 hoặc tương đương, bộ thu phát MRF24J40 của Microchip. Bộ nhớ chương trình khoảng 25 KB cho nút điều phối và 16 KB cho thiết bị cuối, RAM tương ứng khoảng 2-4 KB.

Kết luận

• Giao thức MiWi PRO là giải pháp mạng không dây hiệu quả, đơn giản và tiết kiệm chi phí, phù hợp với các ứng dụng tự động hóa và nhà thông minh tại Việt Nam.
• Nghiên cứu đã chứng minh khả năng mở rộng mạng lên đến hơn 8000 thiết bị và truyền dữ liệu qua 65 bước nhảy với độ trễ thấp và tiêu thụ năng lượng tối ưu.
• Cơ chế định tuyến kết hợp và tính năng linh hoạt tần số giúp mạng hoạt động ổn định trong môi trường có nhiễu và thay đổi.
• Đề xuất triển khai rộng rãi MiWi PRO trong các hệ thống tự động hóa, đồng thời phát triển thêm các module thiết bị và đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong môi trường đô thị phức tạp và phát triển các giải pháp tích hợp đa giao thức.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà phát triển và doanh nghiệp nên bắt đầu thử nghiệm và tích hợp giao thức MiWi PRO vào sản phẩm để tận dụng lợi thế công nghệ mạng không dây tiên tiến, tiết kiệm và hiệu quả này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY ZIGBEE 1. Tổng quan về Zigbee Zigbee là một quy chuẩn cho các giao thức truyền thông cấp cao sử dụng các thiết bị thu phát nhỏ, công suất thấp dựa trên chuẩn IEEE 802.4 dành cho các mạng cá nhân (Personal Area Network - PAN). Các thiết bị Zigbee thường được sử trong các mạng dạng lưới (mesh network) cho phép truyền dữ liệu xa hơn và trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng. Nó cho phép các mạng Zigbee được tạo lập theo kiểu Ad-hoc, một dạng mạng không dây phi tập trung hóa điều khiển, không một thiết bị truyền nhận nào có khả năng tương tác với tất cả các thiết bị trong mạng và bất cứ thiết bị nào cũng có thể được sử dụng để vận hành mạng.

Zigbee được nhắm đến dành cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu thấp, công suất nhỏ và mạng được bảo mật. Zigbee có một tốc độ định nghĩa 250 kbit/s, phù hợp nhất cho việc truyền nhận tín hiệu cả định kỳ lẫn đứt đoạn, hoặc một tín hiệu đơn hướng từ các cảm biến hoặc thiết bị đầu vào. Các ứng dụng này có thể bao gồm các công tắc đèn không dây, các đồng hồ điện tử hiển thị trong nhà, các hệ thống quản lý giao thông và cả các ứng dụng công nghiệp yêu cầu việc truyền phát dữ liệu không dây trong phạm vi nhỏ và ở tốc độ tương đối thấp. Zigbee cung cấp cho các nhà phát triển một cách tổ chức mạng không dây đơn giản hơn và rẻ tiền hơn so với các loại mạng không dây cá nhân (Wireless Personal Area Network – WPAN) trước nó như Blue-tooth và Wi-Fi.

Nó hoạt động trong các băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical) bao gồm 868MHz ở Châu Âu, 915MHz ở Mỹ và 2.4GHz hầu như trên toàn thế giới. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng Zigbee thay đổi từ 20kbit/s ở tần số 868MHz đến 250kbit/s ở tần số 2. Nói tóm lại, Giao thức ZigBee là một giao thức mạng không dây được phát triển đặc biệt cho các mạng cảm biến và điều khiển dữ liệu tốc độ thấp, giá thành rẻ và công suất tiêu thụ thấp. Rất nhiều các ứng dụng không dây được hưởng lợi từ ZigBee có thể kể đến như điều khiển công nghiệp, ưng dụng tự động trong các gia đình và tòa nhà, ngoại vi máy tính, các ứng dụng cảm biến y tế, các mạng bảo mật và không chỉ dừng lại ở đó.

Để tìm kiếm một giải pháp thay thế cho các công nghệ điều khiển mạng hiện có như RS-422, RS-485 hoặc các giao thức không dây trả phí, ZigBee có lẽ sẽ là giải pháp chúng ta cần đến. Tìm hiểu giao thức Zigbee Như đã nói ở trên, Zigbee là một giao thức mạng không dây tiêu chuẩn dành cho các mạng điều khiển dữ liệu tốc độ thấp. Zigbee được phân lớp ở trên đỉnh của bộ tiêu chuẩn IEEE 802.4 và cung cấp phương pháp học tiêu chuẩn cho việc thực thi các chức năng trong mạng như thiết lập mạng, cấp phát địa chỉ cho các thiết bị, định tuyến, truyền tải bản tin và dò tìm thiết bị trong mạng. Tiêu chuẩn IEEE 802.4-2003 Giao thức Zigbee sử dụng đặc tả của chuẩn IEEE 802.4-2003 như lớp điều khiển truy cập (Medium Access Layer – MAC) và lớp vật lý (Physical Layer – PHY) của nó.

Tiêu chuẩn IEEE 802.4-2003 định nghĩa 3 dải tần hoạt động là 2.4GHz, 915 MHZ và 868 MHz. Mỗi dải tần chứa một số lượng kênh nhất định, ví dụ dải tần 2. Tốc độ bit (bit rate) của giao thức phụ thuộc vào tần số hoạt động của nó.4 GHz, tốc độ bit có thể lên tới 240 kbps, tần số 915 MHz cho tốc độ 40 kbps và tần số 868 MHz cho tốc độ dữ liệu 20 kbps. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu thực sẽ nhỏ hơn tốc độ bit tối đa quy định do thất thoát gói tin và trễ xử lý.

Độ dài tối đa của 1 gói MAC chuẩn IEEE 802.4-2003 là 127 bytes, trong đó có 16 bit mã dư thừa CRC. Giá trị của 16 bit mã CRC sẽ kiểm tra tính toàn vẹn của khung dữ liệu. Thêm vào đó, IEEE 802.4-2003 có thể sử dụng một cơ chế truyền dữ liệu có nhận biết. Có nghĩa là tất cả các khung dữ liệu có gắn một cờ đặc biệt yêu cầu xác nhận được xác nhận bởi bên nhận của khung dữ liệu đó.

Nó đảm bảo là khung dữ liệu đã thực sự được truyền đến bên nhận. Nếu một khung dữ liệu được truyền đi có gắn cờ yêu cầu xác nhận mà không nhận được xác nhận trong một khoảng thời gian nhất định thì bên phát sẽ thử truyền lại một số lần nhất định trước khi đưa ra bản tin lỗi. Cũng cần phải chú ý là việc nhận được tín hiệu xác nhận chỉ đơn giản nói lên là khung dữ liệu đã được nhận đúng cách bởi lớp MAC. Tuy nhiên nó không đảm bảo là khung dữ liệu được xử lý đúng.

Có thể lớp MAC của nút nhận nhận và xác nhận khung dữ liệu đúng nhưng do thiếu tài nguyên để xử lý nên khung dữ liệu đó có thể bị hủy bỏ ở các lớp cao hơn. Như thế, các lớp cao hơn sẽ yêu cầu có thêm trả lời xác nhận từ bên nhận. Loại thiết bị Về loại thiết bị, chuẩn IEEE 802.4-2003 quy định 2 loại thiết bị chính đó là thiết bị tính năng đầy đủ (Full Function Device – FFD) và thiết bị tính năng rút gọn (Reduced Function Device – RFD). Các tính năng của 2 loại thiết bị này như sau: 2 z Bảng 1.1: Loại thiết bị chuẩn IEEE 802.4-2003 Loại Thiết bị Tính năng cung cấp Nguồn điện Cấu hình bộ thu điển hình điển hinh FFD Đầy đủ Nguồn điện chính Bật khi rảnh RFD Giới hạn Pin Tắt khi rảnh Với Giao thức Zigbee thì có 3 loại thiết bị điển hình bắt nguồn từ các kiểu thiết bị của chuẩn IEEE 802.4-2003, 3 loại thiết bị và tính năng của chúng như sau: Bảng 1.2: Loại thiết bị giao thức Zigbee Thiết bị Zigbee Loại thiết bị IEEE Tính năng điển hình Coordinator (điều phối) FFD Mỗi mạng chỉ có 1.

Tạo lập mạng, cấp phát địa chỉ, cho phép thiết bị khác gia nhập mạng Router (định tuyến) FFD Tùy chọn. Mở rộng phạm vi vật lý của mạng. Cho phép thêm nhiều nút gia nhập mạng. Cũng có thể thực hiện các chức năng kiểm soát và điều phối.

End (thiết bị cuối) FFD hoặc RFD Thực hiện các tính năng điều phối và/hoặc kiểm soát. Cấu hình mạng Mạng không dây giao thức Zigbee có thể chấp nhận nhiều kiểu cấu hình mạng khác nhau. Trong tất cả các cấu hình mạng thì đều bao gồm tối thiểu 2 bộ phận chính là: - Một nút điều phối - Một thiết bị cuối Nút điều phối giao thức Zigbee là một dạng biến đổi đặc biệt của thiết bị tính năng đầy đủ (FFD) mà nó triển khai một tập lớn hơn các dịch vụ của giao thức Zigbee. Một thiết bị cuối có thể là một thiết bị tính năng đầy đủ (FFD), như 1 Router, hoặc một thiết bị tính năng rút gọn (RFD).

Thiết bị RFD là nút nhỏ nhất và đơn giản nhất trong giao thức Zigbee. Nó thực thi chỉ 1 lượng tối thiểu các dịch vụ của giao thức Zigbee. Một bộ phận thứ 3 (không bắt buộc) đó là bộ định tuyến giao thức Zigbee, có mặt trong một số cấu hình mạng. Mạng hình sao Mạng hình sao (Star Network) bao gồm một nút điều phối giao thức Zigbee và một hoặc nhiều thiết bị cuối.

Trong mạng hình sao, tất cả các thiết bị cuối chỉ giao tiếp với nút điều phối. Nếu một thiết bị cuối cần truyền dữ liệu tới một thiết bị cuối khác thì nó phải gửi dữ liệu tới nút điều phối. Nút điều phối sau đó sẽ chuyển tiếp dữ liệu tới thiết bị cuối mong muốn. Hình 1-1: Cấu hình mạng hình sao.

Mạng hình khóm cây Một cấu hình mạng khác là mạng hình khóm cây (Cluster Tree Topology, hình 1- 2). Trong cấu hình này, các thiết bị cuối tham gia hoặc cùng với nút điều phối giao thức Zigbee hoặc cùng với bộ định tuyến giao thức Zigbee. Bộ định tuyến thực hiện 2 chức năng. Một là tăng số lượng nút có thể tham gia vào mạng.

Hai là mở rộng phạm vi vật lý của mạng. Với một bộ định tuyến được them vào, thiết bị cuối không cần nằm trong vùng phủ sóng của nút điều phối mạng. Tất cả các bản tin trong mạng hình khóm cây được định tuyến dọc theo cây. Hình 1-2: Cấu hình mạng hình khóm cây.

Mạng hình lưới Một mạng hình lưới (Mesh network, hình 1-3) tương tự như mạng hình khóm cây, ngoại trừ việc các thiết bị FFD có thể định tuyến bản tin trực tiếp đến các thiết bị FFD khác thay vì theo cấu trúc của cây. Tuy nhiên các bản tin tới các thiết bị cuối RFD vẫn phải đi qua thiết bị cha của nó. Ưu điểm của kiểu bố trí mạng này là trễ bản tin có thể giảm bớt và độ tin cậy cao. Hình 1-3: Mạng hình lưới.

Mạng hình lưới và mạng hình khóm cây đều được biết đến là các mạng đa bước nhảy vì chúng có khả năng định tuyến các gói tin qua nhiều thiết bị. Trong khi mạng hình sao là mạng đơn bước. Một mạng theo giao thức Zigbee là mạng đa truy cập, có nghĩa là tất cả các nút trong mạng đều có quyền truy cập ngang nhau tới kênh giao tiếp. Cơ chế truy cập Có 2 kiểu cơ chế đa truy cập: định hướng và không định hướng.

Trong một mạng không định hướng, tất cả các nút được phép truyền tải dữ liệu ở bất kỳ thời điểm nào kênh rỗi. Trong khi đó ở một mạng định hướng, các nút được phép truyền chỉ trong một khoảng thời gian định trước. Nút điều phối sẽ truyền định kỳ một siêu khung (superframe) được xác định như một khung định hướng và tất cả các nút trong mạng được yêu cầu đồng bộ với khung này. Mỗi nút được cung cấp một khe thời gian nhất định trong superframe mà trong khoảng thời gian đó cho phép nó truyền và nhận tín hiệu của nó.

Một superframe có thể bao gồm một khe thời gian chung trong đó tất cả các nút cạnh tranh để truy cập kênh. Tuy nhiên phiên bản hiện tại của Microchip Zigbee stack chỉ hỗ trợ các mạng không định hướng. Cơ chế giao tiếp bằng bản tin Các thiết bị trong mạng giao tiếp với nhau sử dụng các bản tin. Nếu một thiết bị biết địa chỉ mạng của một thiết bị khác mà nó muốn giao tiếp, nó sẽ gửi đi một bản tin sử dụng địa chỉ mạng của thiết bị đích.

Kiểu giao tiếp qua bản tin này được gọi là định địa chỉ trực tiếp. Mặc dù kiểu định địa chỉ trực tiếp này dễ hiểu và dễ sử dụng nhưng nó cũng đi cùng với một số những phát sinh.