Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf

i
LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện
điện. Đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn
Quốc Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục
tiêu đề ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.
Hà Nội, Ngày 10 tháng 04 năm 2016
Người cam đoan
Đặng Văn Ngọc

ii
LỜI CẢM ƠN
L u c g i l i c i B Giám hi u T
ời đầ tiên em xin đượ ử ờ ảm ơn tớ an ệ rường Đại
h Bách Khoa Hà N i u ki c làm
ọc ộ đã tạo điề ện cho em đượ luậ văn ệ
n tôt nghi p này.
Sau th i gian nghiên c u và làm vi c mi t mài t t nghi p c n nay
ờ ứ ệ ệ luận văn ố ệ ủa em đế
cơ bản đã hoàn thành. Có đượ ả đó, ngoài sự ố ắ ỗ ự ủ ả
c thành qu c g ng n l c c a b n
thân còn ph i k n s r t l n t y giáo PGS.TS. Nguy n Qu
ả ể đế ự giúp đỡ ấ ớ ừ thầ ễ ốc
Cường, c ti ng d n, ch b o t n tình và cung c p tài li u, ki
người đã trự ếp hướ ẫ ỉ ả ậ ấ ệ ến
thức cũng như kinh nghiệ ố ờ ận văn
m quý báu cho em trong su t th i gian làm lu .
Qua đây em xin đượ ỏ ết ơn sâu sắ ớ ầ ầ
c bày t lòng bi c t i th y, kính chúc th y luôn
m nh kho và công tác t
ạ ẻ ốt.
Em xin chân thành c y cô c n h t s c nhi t tình
ảm ơn các thầ ủa Viện điệ đã ế ứ ệ
truyền đạt cho chúng em không ch nh ng ki n th c chuyên môn mà c nh ng kinh
ỉ ữ ế ứ ả ữ
nghi m quí báu. Bên c o nh u ki n h t s c thu n l em có
ệ ạnh đó còn tạ ững điề ệ ế ứ ậ ợi để
th thành lu
ể hoàn ận văn ủ
c a mình.
Em xin g i l i c
ử ờ ảm ơn tớ ự “Exploring future university development
i d án
cooperation in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest
and seed approach”- mã s ZEIN2011Z099.
ố
Cuố ử ờ ảm ơn chân thành tớ đình và bạ
i cùng em xin g i l i c i gia n bè. Chính
gia đình và bạn bè đã là nguồn độ ỗ ợ
ng viên h tr vô cùng to l n giúp em có thêm
ớ
độ ự ự
ng l c và s kích l hoàn thành
ệ để luận văn này.
H c viên
ọ
c
Đặng Văn Ngọ

iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
L I C
Ờ ẢM ƠN .........................................................................................................ii
M C L C
Ụ Ụ .............................................................................................................iii
DANH M C CÁC CH
Ụ Ữ VIẾ Ắ
T T T ......................................................................v
DANH M C B
Ụ ẢNG ..............................................................................................vi
DANH M C HÌNH V
Ụ Ẽ ........................................................................................vii
M U 1
Ở ĐẦ ................................................................................................................
CHƯƠNG 1. TỔ Ề Ạ Ả
NG QUAN V M NG C M BIẾN.............................................4
KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGH ZIGBEE
Ệ ............................................................4
1.1. T ng quan v m ng c m bi n không dây
ổ ề ạ ả ế ..........................................................4
1.1.1. Gi i thi u v m ng c m bi n không dây
ớ ệ ề ạ ả ế ........................................................4
1.1.2. C u trúc c a nút c m bi n
ấ ủ ả ế ..............................................................................4
1.1.3. m c u trúc m
Đặc điể ấ ạng c m bi n .6
ả ế ................................................................
1.1.4. Các ki n trúc m ng trong m ng c m bi n không dây
ế ạ ạ ả ế .....................................8
1.1.5. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây 10
...........
1.1.6. ng d ng c a m ng c m bi n không dây
Ứ ụ ủ ạ ả ế .....................................................13
1.2. T ng quan v công ngh ZigBee
ổ ề ệ .....................................................................15
1.2.1. Gi i thi u v công ngh ZigBee
ớ ệ ề ệ ...................................................................15
1.2.2. C u trúc c a giao th c ZigBee
ấ ủ ứ .....................................................................17
1.2.3. Nh ng ph n t n trong m ng ZigBee
ữ ầ ử cơ bả ạ ...................................................19
1.2.4. C u trúc liên k t m
ấ ế ạng.................................................................................19
1.2.5. PAN ID 21
........................................................................................................
1.2.6. Định đị ỉ
a ch .................................................................................................22
1.2.7. Truy n d n d u
ề ẫ ữ liệ .......................................................................................23
CHƯƠNG 2. THIẾ Ế
T K MÔ HÌNH M NG C M BI N
Ạ Ả Ế .....................................30
KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE..............................................................30
2.1. Gi i thi u v mô hình
ớ ệ ề .....................................................................................30
2.2. Thi t k ph n c ng
ế ế ầ ứ .........................................................................................32

iv
2.2.1. Sơ đồ kh i c a các nút trong m
ố ủ ạng ..............................................................32
2.2.2. Sơ đồ nguyên lý...........................................................................................33
2.2.3. Gi i thi u các linh ki c s d ng
ớ ệ ện đượ ử ụ ..........................................................35
2.3.2. Lưu đồ ậ
thu t toán cho Router.......................................................................54
2.4. Thi t k giao di n
ế ế ệ ...........................................................................................58
CHƯƠNG 3. KẾ Ả Ự ỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
T QU TH C NGHI .................................59
3.1. m nghi m ho ng c a m
Kiể ệ ạt độ ủ ạng ZigBee 59
.....................................................
3.1.1. Th nghi m ki m tra kho ng cách và m r ng t m ho ng c a m
ử ệ ể ả ở ộ ầ ạt độ ủ ạng......59
3.1.2. Thí nghi m kh c liên k
ệ ả năng khôi phụ ế ỏng trong đị ế ạ
t h nh tuy n m ng..........62
3.1.3. Ki m nghi m ch s tín hi u và t l n nh n gói tin
ể ệ ỉ ố cường độ ệ ỷ ệ truyề ậ ..............63
3.2. Đánh giá năng lượ ụ
ng tiêu th và d i th pin
ự đoán tuổ ọ .....................................66
3.3. Ki m nghi m ho ng c a toàn b mô hình m
ể ệ ạt độ ủ ộ ạ ứ ụ
ng ng d ng trong nhà kính tại
khu nông nghi p công ngh cao c i h c Công ngh Thông tin và
ệ ệ ủa trường Đạ ọ ệ
Truyền thông.........................................................................................................71
Sơ đồ ố ả ế ự
b chí các nút c m bi n trong khu v c nhà kính. 71
.........................................
K T LU N
Ế Ậ ...........................................................................................................75
TÀI LI U THAM KH
Ệ ẢO .....................................................................................76

v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AODV -hoc On - demand Distance Vector
Ad
BLE Bluetooth Low Energy
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP Internet Protocol
LR-WPAN Low Rate – Wireless Personal Area Network
MAC Media Access Control layer
PHY Physical layer
RF Radio frequency
WLAN Wireless Local Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WSN Wireless Sensor Network
ZDO ZigBee Device Object
APS Application Support Sublayer
PAN Personal Area Network
API Application Programming Interface
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Ack Acknowledgment
OUI Organizationally Unique Identifier
OSI Open Systems Interconnection
CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
RSSI Received Signal Strength Indicator.

vi
DANH MỤC BẢNG
B n và t d u
ảng 1.1: Băng tầ ốc độ ữ liệ .....................................................................16
B ng 1.2: Các kênh truy n và t n s c a ZigBee
ả ề ầ ố ủ ...................................................16
B ng 1.3: B ng so sánh gi a chu n ZigBee v i chu n Bluetooth 17
ả ả ữ ẩ ớ ẩ ...........................
B ng 3.1. B ng k t qu
ả ả ế ả đo trong không gian không có vậ ả
t c n ..............................60
B ng 3.2. B ng k t qu
ả ả ế ả đo trong kh ậ ả
ông gian có v t c n.........................................60
B n t i c a m
ảng 3.3: Phép đo hiệ ạ ủ ột end device......................................................68

vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. ZigBee ng d ng trong smart home
ứ ụ ............................................................1
Hình 1.1. Mô hình m ng c m bi n không dây 4
ạ ả ế .........................................................
Hình 1.2. C u trúc nút c m bi n.
ấ ả ế .............................................................................5
Hình 1.3. Ki n trúc m c
ế ạng đơn bướ .........................................................................9
ế ạng đa bướ ...........................................................................9
Hình 1.5. Ki n trúc m ng h n h p
ế ạ ỗ ợ .........................................................................10
Hình 1.6. ng d ng trong nông nghi p
Ứ ụ ệ ..................................................................14
Hình 1.7. Băng tầ ủ ẩ
n c a chu n ZigBee....................................................................15
Hình 1.8. C u trúc giao th c
ấ ứ ..................................................................................18
Hình 1.9. C u trúc m ng hình sao
ấ ạ ..........................................................................20
Hình 1.10. C u trúc m
ấ ạng hình lưới.......................................................................20
Hình 1.11. C u trúc m ng hình cây.
ấ ạ .......................................................................21
Hình 1.12. Sơ đồ ề ữ ệ ả
truy n d li u qu ng bá..............................................................24
Hình 1.13. Sơ đồ ề
truy n unicast.............................................................................25
Hình 2.1. Mô hình h ng m
ệ thố ạng không dây theo chu t trong khu
ẩn ZigBee được đặ
nông nghi p công ngh
ệ ệ cao. ..................................................................................30
Hình 2.2. Quang c nh bên trong nhà kính
ả ..............................................................31
Hình 2.3. Sơ đồ ố
kh i ghép n i ph n c ng c a nút router và end device.
ố ầ ứ ủ ................32
Hình 2.4. Sơ đồ ố
kh i ghép n i ph n c ng c a nút coordinator.
ố ầ ứ ủ ..............................33
Hình 2.5. Sơ đồ ủ
nguyên lý c a các nút router và end device. .33
................................
Hình 2.6. M ch ph n c ng c a các nút router và end device sau khi hoàn thành
ạ ầ ứ ủ ....34
Hình 2.7. Sơ đồ ạ
m ch nguyên lý nút coordinator ...................................................34
Hình 2.8. M ch ph n c ng c a nút
ạ ầ ứ ủ coordinator sau khi hoàn thành 35
.......................
Hình 2.9. Module XBee ZB Series 2. 36
....................................................................
Hình 2.10. M t truy n d
ộ ề ẫn đơn trong mạng lưới....................................................38
Hình 2.11. Yêu cầu đường đi mẫu truyền khi R3 đang thử tìm ra một tuyến đường tới R6
..............................................................................................................................39
Hình 2.12. Tr l i tuy ng m u khi R6 g i m t tuy ng tr l i t i R3
ả ờ ến đườ ẫ ử ộ ến đườ ả ờ ớ ....39

viii
Hình 2.13. Mô hình đị ế – –
nh tuy n many to one. ...................................................40
Hình 2.14. Mô hình đị ế
nh tuy n source...................................................................42
Hình 2.15. Khung d u UART và c u trúc API c
ữ liệ ấ ụ thể .......................................43
Hình 2.16. C u trúc c a khung ch s Rx m u d u IO ZigBee.
ấ ủ ỉ ố ẫ ữ liệ .........................45
Hình 2.17. Arduino Nano ......................................................................................46
Hình 2.18. C bi n nhi TMP 36.
ảm ế ệt độ .................................................................47
Hình 2.19. Điệ ệt độ ủ ả ế
n áp ra và nhi c a c m bi n TMP 36 .......................................47
Hình 2.20. Hàm truy n tính toán giá tr nhi
ề ị ệt độ....................................................48
Hình 2.21. Giao di n ph n m m X- 48
ệ ầ ề CTU. ..............................................................
Hình 2.22. Module XBee k t n i v
ế ố ớ ả
i máy tính qua b ng giao di n XBee
ệ ..............49
Hình 2.23. Thi t l p ch
ế ậ ức năng ZigBee Coordinator API cho module XBee.........50
Hình 2.24. Thi t l p các thông s s d ng cho coordinator
ế ậ ố ử ụ ....................................50
Hình 2.25. C u hình ch 51
ấ ức năng router cho module XBee ......................................
Hình 2.26. Thi t l p các thông s cho router
ế ậ ố ..........................................................51
Hình 2.27. C u hình ch
ấ ức năng end device cho module XBee. ..............................52
Hình 2.28. Thi t l p các thông s cho end device.
ế ậ ố .................................................52
Hình 2.29. Lưu đồ ậ
thu t toán cho End Device .......................................................53
thu t toán cho Router...............................................................54
thu t toán cho Coordinator.......................................................55
Hình 2.32. Lưu đồ ậ ậ ữ
thu t toán nh n d u t
liệ ừ XBee trên vi điề ể
u khi n...................56
Hình 2.33. Lưu đồ ậ ện trương trình trên máy tính
thu t toán giao di .........................57
Hình 2.34. Giao di n hi n th trên máy tính
ệ ể ị ...........................................................58
Hình 3.1. Kho ng cách ho ng c a 2 nút trong m
ả ạt độ ủ ạng........................................59
Hình 3.2. Tòa nhà C1 - Trường Đạ ọ ệ
i h c Công ngh thông tin và Truy n thông
ề .....59
Hình 3.3. C u trúc truy n thông qua m t router
ấ ề ộ .....................................................61
Hình 3.4. Mô hình truy n gi a hai nút khi có v t c n
ề ữ ậ ả ............................................62
Hình 3.5. C u trúc m ng ph c h i link h
ấ ạ ụ ồ ỏng..........................................................63
Hình 3.6. Th nghi s tín hi u và t l n nh n gói tin
ử ệm đo chỉ ố cường độ ệ ỷ ệ truyề ậ ở
kho ng cách 40m không có v t c n
ả ậ ả .......................................................................64

ix
kho ng cách 25m không có v t c n
ả ậ ả .......................................................................65
khoảng cách 15m trong môi trường có vậ ả
t c n.......................................................66
Hình 3.9. C u hình thí nghi
ấ ệm phép đo..................................................................67
Hình 3.10. Đo điệ ấ
n áp cung c p trong vi c truy n khung d u
ệ ề ữ liệ ...........................68
trong các giai đoạn khác nhau................................................................................68
Hình 3.11. D i th pin c a nút c m bi n.
ự đoán tuổ ọ ủ ả ế ................................................70
Hình 3.12. Sơ đồ ố ị ả ế
b tr các nút c m bi n ...............................................................71
Hình 3.13. Nút c m bi nhi trong khu v
ả ến đo giá trị ệt độ ự ồ
c tr ng rau b ng
ằ .............72
Hình 3.14. Nút c m bi nhi t i khu v
ả ến đo giá trị ệt độ ạ ự ồ ằ
c tr ng rau b ng giá thể......72
Hình 3.15. Nút c m bi nhi t i khu v
ả ến đo giá trị ệt độ ạ ự ồ
c tr ng dâu tây 72
....................
Hình 3.16. Nút c m bi nhi
ả ến đo giá trị ệt độ môi trường.........................................73
Hình 3.17. Thi t l p k t n i c ng COM
ế ậ ế ố ổ .................................................................73
Hình 3.18. Giá tr nhi hi n th trên giao di n máy tính. 74
ị ệt độ ể ị ệ ...................................

1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong b i c nh ngày nay, v i s phát tri t b c c a công ngh n t
ố ả ớ ự ển vượ ậ ủ ệ điệ ử,
công ngh thông tin và truy n thông, xu th
ệ ề ế IoT (Internet of Things) đã tạo độ ự
ng l c
thúc đẩ ạ
y m nh mẽ cho vi c ch t o nhi u n n t ng ph n c ng cho phép phát tri n h
ệ ế ạ ề ề ả ầ ứ ể ệ
thố ạ
ng m ng c m bi n không dây vào h u h
ả ế ầ ết các lĩnh vực c a xã h
ủ ội như quốc
phòng, công nghi p, nông nghi p, lâm nghi p và th y s n.
ệ ệ ệ ủ ả
Trên th i nhi
ế giớ ều trường đạ ọc đã thành lậ
i h p trung tâm nghiên c u, phòng
ứ
thí nghi m v c m
ệ ề lĩnh vự ạ ả
ng c m biến như:
- Trung tâm công ngh c m bi n tiên ti n (Center for Advanced Sensor
ệ ả ế ế
Technology) của University of Maryland .
[1]
- Phòng thí nghi m WSNLab (Wireless Sensor Networks Lab) c i h
ệ ủa đạ ọc
Stanford University .
[2]
Bên c ng c m bi n không dây s d ng chu n ZigBee IEEE
ạnh đó mạ ả ế ử ụ ẩ
802.15.4 đượ ứ ệ vào năm đã khẳng định được ưu thế
c chính th c phê duy t 2004 và
c a mình trong các ng d ng trong công nghi p, nông nghi p, qu
ủ ứ ụ ệ ệ ốc phòng và đặc
bi t là ngôi nhà thông minh.
ệ
Hình 1 ZigBee
. ứng d ng trong smart home.
ụ

2
Các thành viên trong liên minh ZigBee v a cho ra m t s n ph m dành cho
ừ ắ ả ẩ
các ứ ụ ễ
ng d ng vi n thông (ZigBee Telecom Services) ng d ng cho thi t b
như là: ứ ụ ế ị
di động như dị ụ ử ụ
ch v s d ng vị ị
trí trong nhà, d ch vụ ấ ị ụ
truy v n thông tin, d ch v bán
vé, thanh n tho ng, các d ch v
toán qua điệ ại di độ ị ụ đa phương tiệ ạ
n và các lo i hình
m ng xã h i. M n tho ng có g
ạ ộ ột điệ ại di độ ắn sim ZigBee có th nh n các thông tin t
ể ậ ừ
nhà khai thác m ng và thanh toán các d ch v
ạ ị ụ ị
. D ch vụ ZigBee n thông cho phép
viễ
các thi t b ng có th liên l c v i nhau qua m ng ZigBee, có k t n i v i các
ế ị di độ ể ạ ớ ạ thể ế ố ớ
nút ho c thi t b t b u cu
ặ ế ị khác như các máy bán vé hay thiế ị đầ ối v.v…
Ở ệ
Vi t Nam, m ng c m bi n không dây s d ng công ngh ZigBee
ạ ả ế ử ụ ệ được
nghiên c u và s d ng trong mô hình
ứ ử ụ nhà thông minh, đi đầ ể ệ
u trong phát tri n h
thống này là Bkav. Bkav Smart Home cung c t k nh g n,
ấp tính năng như thiế ế ỏ ọ
truy li
ề ữ
n d ệ ới độ ậ ế ệm năng lượ
u v tin c y cao, ti t ki ng, d dàng k t n i các thi t b
ễ ế ố ế ị
để mở ộ
r ng số lượ ả ến cũng như các thiế ị điề
ng c m bi t b u khi n khác trong m ng.
ể ạ
Ngoài ra m t s nhóm nghiên c u
ộ ố ứ ở các trường đạ ọc trong nước như: Đạ ọ
i h i h c
Bách Khoa Hà N i h c Công ngh - c Gia Hà N i, Bách Khoa Tp.HCM,
ội, Đạ ọ ệ Quố ộ
vv… đang tích cự ứ ề lĩnh vự ạ ả
c nghiên c u v c m ng c m biến không dây, cũng như
nghiên c u tri n khai m t s s n ph ng d ng m ng c m bi
ứ ể ộ ố ả ẩm ứ ụ ạ ả ến không dây như hệ
thố ả
ng c nh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thố ố ộ ả
ng an ninh ch ng tr m và c nh báo
cháy, mộ ố ứ ụ
t s ng d ng trong nông nghi p.
ệ
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Thiết kế ả ế
nút c m bi n không dây s d ng công ngh ZigBee
ử ụ ệ trở nên đơn
giả ế ệm năng lượ
n, ti t ki ng, có th d dàng tri n khai v i các lo i mô
linh động để ể ễ ể ớ ạ
hình m ng kh i. T n khai vi c thi t k
ạ ác nhau như: hình sao, hình lướ ừ đó triể ệ ế ế ế
, ch
t o m
ạ ộ ạ ả
t m ng c m bi n không dây ng d ng vào khu nông nghi p công ngh cao
ế ứ ụ ệ ệ
t ng i h c Công ngh Thông tin và Truy n thông.
ại Trườ Đạ ọ ệ ề

3
3. B C C C
Ố Ụ ỦA LUẬN VĂN
N i dung chính c a lu
ộ ủ ận văn đượ ba chương:
c chia làm
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN V M NG C M BI N KHÔNG DÂY VÀ
Ề Ạ Ả Ế
CÔNG NGH ZIGBEE
Ệ
Giớ ệ ổ
i thi u t ng quan về ạ ả
m ng c m bi n không dây, c u trúc nút c m bi n,
ế ấ ả ế
các ki n trúc m ng, m
ế ạ ộ ố
t s dich vụ và giao th c truy n thông không dây.
ứ ề
Giớ ệ ổ
i thi u t ng quan v ZigBee bao g
ề chuẩn ồm định nghĩa, cấu trúc giao
thứ ẩ ử cơ bả ạ
c, các ph n t n trong m ng và c u trúc liên k t m
ấ ế ạng trong chu n ZigBee.
ẩ
CHƯƠNG 2. THIẾ Ế Ạ Ả Ế
T K MÔ HÌNH M NG C M BI N KHÔNG DÂY
THEO CHU ZIGBEE
ẨN
Phân tích yêu c u c a h ng t
ầ ủ ệ thố ừ đó đưa ra được sơ đồ khối và sơ đồ
nguyên lý m t k ph n c ng, các công c và ph n m m h trong quá
ạch. Thiế ế ầ ứ ụ ầ ề ỗ trợ
trình xây dựng và thi t k ph n c
ế ế ầ ứng, ph n m
ầ ềm.
CHƯƠNG 3. KẾ Ả Ự
T QU TH C NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Đưa ra đượ ị ản để đánh giá khả năng đị ế ủ ạng, đo và
c các k ch b nh tuy n c a m
đánh giá đượ ứ ụ năng lượ
c m c tiêu th ng c a các nút c m bi n. Ngoài ra còn tri n
ủ ả ế ể
khai ng d ng các nút c m bi n s d ng chu n ZigBee vào trong khu nông nghi
ứ ụ ả ế ử ụ ẩ ệp
công ngh cao t i
ệ ạ Trường Đạ ọ
i h c Công ngh Thông tin và Truy n thông.
ệ ề
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên c u lý lu n: T ng h p các tài li u k
ứ ậ ổ ợ ệ ỹ ậ
thu t, công ngh , phân tích và
ệ
đá ội dung liên quan đến đề
nh giá n tài.
- Phương pháp thự ệ ả ế ế và đánh giá nộ
c nghi m: Kh o sát, phân tích, thi t k i
dung nghiên c u trong quá trình ch t o các nút c m bi n không dây s d ng công
ứ ế ạ ả ế ử ụ
nghệ ZigBee. Từ đó đưa ra phương án chế tạo các nút cảm biến không dây cho phù hợp.

4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE
1.1. Tổng quan v m ng c m bi n không dây
ề ạ ả ế
1.1.1. Gi i thi u v m
ớ ệ ề ạng c m bi n không dây
ả ế
M ng c m bi n ô
ạ ả ế kh ng dây (WSN) có hi u n m
thể ể đơn giả là ạng k t các
liên ế
node vớ ằ
i nhau b ng k t n i sóng tuy
ế ố vô ế đ ạ
n connection) trong
(RF ó node m
các ng
thườ ế ị đ ả ỏ
ng là các thi t b ơn gi n, nh gọn, giá thành thấp… và ố
s
có lượ ớn, đượ
ng l c
phân b m t khô
ố ộ cách ng h n-topology) trên m t di n r ng m
có ệ thống (no ộ ệ tích ộ (phạ
vi hoạt động r ng), s d ng nguôn
ộ ử ụ năng lượng h n ch có th i g ho t
ạ ế (pin), ờ ian ạ
động dài( vài tháng n vài n ho t ng trong m
lâu đế ăm) và có thể ạ độ ôi trường khắc
nhi t (ch t ô nhi m, nhi t ).
ệ ấ độc, ễ ệ độ…
Hình 1.1. Mô hình m ng c m bi n không dây.
ạ ả ế
1.1.2. C u trúc c
ấ ủa nút c m bi n
ả ế
M ng c m bi
ạ ả ến không dây đượ ừ ộ ố ợ
c hình thành t m t s lư ng l n nút c m bi
ớ ả ến
riêng l phân b bao ph trong m
ẻ ố ủ ột vùng đị ỗ ộ
a lý. Trên m i nút là các b vi x lý r
ử ất
nh , b nh i h n, b ph n c m bi n, b thu phát không dây, ngu n nuôi. Các
ỏ ộ ớ giớ ạ ộ ậ ả ế ộ ồ
nút có kh c vô tuy n v i nút lân c n d u v trung tâm .
ả năng liên lạ ế ớ ận để truyề ữ liệ ề [3]
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản:
 Đơn vị cảm biến (sensing unit).

5
 Đơn vị xử lý (processing unit).
 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit).
 Bộ nguồn (power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
-
nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ
xử lý.
Hình 1.2. C u trúc nút c m bi n
ấ ả ế [3].
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết
định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
M t trong các ph n quan tr ng nh t c a m t nútm ng c m bi n là b ngu n.
ộ ầ ọ ấ ủ ộ ạ ả ế ộ ồ
B ngu n có th là m
ộ ồ ể ộ ố ại pin. Để ờ ố ộ ồ ấ
t s lo các nút có th i gian s ng lâu thì b ngu n r t
quan tr ng, nó ph i có kh
ọ ả ả năng nạp điệ ừ môi trường như năng lượ
n t ng mặ ờ
t tr i.

6
Ngoài ra cũng có những thành ph n ph khác ph c vào t ng ng d ng.
ầ ụ ụ thuộ ừ ứ ụ
H u h t các k
ầ ế ỹ ật đị ế ệ
thu nh tuy n và các nhi m vụ ả
c m bi n c a m u yêu c u có
ế ủ ạng đề ầ
độ ề ị ộ ận di động đôi lúc cầ ả ị ể
chính xác cao v v Các b
trí. ph n ph i d ch chuy n các nút
c m bi n khi c n thi c hi n các nhi m v nh. T t c nh ng thành
ả ế ầ ết để thự ệ ệ ụ đã ấn đị ấ ả ữ
ph n này c n ph i phù h p v i kích c t ng module.
ầ ầ ả ợ ớ ỡ ừ
Ngoài kích c , các nút c m bi n còn m t s ràng bu c nghiêm ng t khác,
ỡ ả ế ộ ố ộ ặ
như là phả ụ ất ít năng lượ ạt độ
i tiêu th r ng, ho ng m cao, có giá thành th p, có
ở ật độ ấ
thể ự ạt độ
t ho ng, và thích nghi vớ ự ến đổ ủa môi trườ
i s bi i c ng.
1.1.3. m c u trúc m ng c m bi n
Đặc điể ấ ạ ả ế
Đặc điể ủ ạ ả
m c a m ng c m bi n là bao g m m t s ng l n các nút c m bi n,
ế ồ ộ ố lượ ớ ả ế
các nút c m bi n có gi i h n và ràng bu c v c bi ng r
ả ế ớ ạ ộ ề tài nguyên đặ ệt là năng lượ ất
khắc khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống :
[4]
Chi phí s n xu t (production costs):
ả ấ Vì các m ng c m bi n bao g
ạ ả ế ồm một
c ng l n các nút c m bi n nên chi phí c a m i nút r t quan tr ng trong vi
ố lượ ớ ả ế ủ ỗ ấ ọ ệc
điề ỉ ủ ạ
u ch nh chi phí c a toàn m ng. N u chi phí c a toàn m
ế ủ ạng đắt hơn chi phí triển
khai nút c m bi ntheo ki u truy n th
ả ế ể ề ống, như vậ ạ ợ
y m ng không có giá thành h p lý.
Do v y, chi phí c a m i nút c m bi n ph i gi m c th p.
ậ ủ ỗ ả ế ả ữ ở ứ ấ
Nhữ ộ
ng ràng bu c v n c ng (hardware constraints):
ề phầ ứ Vì trong m ng
ạ
có m t s ng l n các nút c m bi n nên chúng ph i có s ràng bu c v i nhau v
ộ ố lượ ớ ả ế ả ự ộ ớ ề
ph n c
ầ ứng: kích thướ ả ỏ ụ ít năng lượ ả năng hoạt độ ở
c ph i nh , tiêu th ng, có kh ng
nh cao, ho ng không c i ki m soát, thích nghi v
ững nơi có mật độ ạt độ ần có ngườ ể ới
môi trường…
D n khai (Deployment):
ễ triể Là m m quan tr ng c a m
ột ưu điể ọ ủ ạng cảm
bi i s d ng không c n ph i hi u v m
ến không dây. Ngườ ử ụ ầ ả ể ề ạng cũng như cơ chế
truyền thông khi làm vi c v i WSN.B n khai h ng thành công, WSN
ệ ớ ởi để triể ệ thố
c n ph i t
ầ ả ự cấu hình.Thêm vào đó, sự n thông gi a hai nút có th b ng
truyề ữ ể ị ảnh hưở
trong su t th i gian s ng do s i v ng l n.Lúc này, m ng
ố ờ ố ự thay đổ ị trí hay các đối tượ ớ ạ
c n có kh c u hình l c ph c nh
ầ ả năng tự ấ ại để khắ ụ ững điều này.

7
C u hình m ng c m bi n (Network topology):
ấ ạ ả ế Trong m ng c m bi n,
ạ ả ế
hàng trăm đến hàng nghìn nút đượ ển khai trên trườ ả
c tri ng c m biến. Chúng được
triển khai trong vòng hàng ch c feet c a m i nút (1feet = 30.48 cm). M các nút
ụ ủ ỗ ật độ
lên t i 20 nút/m3. Do s ng các nút c m bi n r t l n nên c n ph i thi t l p m
ớ ố lượ ả ế ấ ớ ầ ả ế ậ ột
c u hình nh.
ấ ổn đị
S tiêu th
ự ụ ng (power consumption):
năng lượ Các nút c m bi n không
ả ế
dây, có th coi là m t thi t b n t có th c trang b ngu
ể ộ ế ị vi điệ ử chỉ ể đượ ị ồn năng lượng
giớ ạ
i h n. Trong m t s ng d ng, vi c b sung ngu ng không th
ộ ố ứ ụ ệ ổ ồn năng lượ ể thực
hi c. Vì th kho ng th i gian s ng c a các nút c m bi n ph thu c m nh vào
ện đượ ế ả ờ ố ủ ả ế ụ ộ ạ
th i gian s ng c a pin. m ng c m bi n truy ng Ad hoc, m i m
ờ ố ủ Ở ạ ả ế ền thông đa chặ ỗ ột
nút đóng vai trò kép vừa kh i t o v nh tuy n d u.S c tr c c a m t vài
ở ạ ừa đị ế ữ liệ ự trụ ặ ủ ộ
nút c m bi n có th gây ra nh trong c u hình và yêu c nh
ả ế ể ững thay đổi đáng kể ấ ầu đị
tuyế ạ
n t i các gói và t c l i m ng.Vì v
ổ chứ ạ ạ ậy, vi c duy trì và qu n lý ngu
ệ ả ồn năng
lượng đóng mộ ọ
t vai trò quan tr ng.
B o m t (security):
ả ậ Các thông tin v nhi i v ng d ng giám sát
ề ệt độ đố ới ứ ụ
môi trường dường như vô hại nhưng việc gi bí m t thông tin là r t quan tr ng. Các
ữ ậ ấ ọ
ho ng c a m t tòa nhà có th thu th c d dàng b ng cách l y thông tin v
ạt độ ủ ộ ể ập đượ ễ ằ ấ ề
nhi và ánh sáng c ng thông tin này có th c s d
ệt độ ủa tòa nhà đó. Nhữ ể đượ ử ụng để
s p x p m t k ho ch t n công vào m
ắ ế ộ ế ạ ấ ột công ty. Do đó, WSN cầ ả năng giữ
n có kh
bí mậ ập đượ ứ ụ
t các thông tin thu th c. Trong các ng d ng an ninh, d b o m
ữ ả ậ ở
t tr nên
r t quan tr ng. Không ch duy trì tính bí m t, nó còn ph i có kh c d
ấ ọ ỉ ậ ả ả năng xác thự ữ
liệ ề
u truy n. Sự kế ợ ậ ự ầ ầ ế ủ ả ạ
t h p tính bí m t và xác th c là yêu c u c n thi t c a c ba d ng
ứ ụ ệ ử ụ ả
ng d ng. Vi c s d ng mã hóa và gi i mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và
băng thông. Dữ ệ
li u mã hóa và gi i mã c c truy n cùng v i m
ả ần đượ ề ớ ỗi gói tin. Điều
đó ảnh hưở ớ ệ ấ ứ
ng t i hi u su t ng d ng do gi m s ng d u l y t
ụ ả ố lượ ữ liệ ấ ừ m ng và th
ạ ời
gian sống mong đợi.

8
1.1.4. Các ki trúc m
ến ạng trong m ng c m bi n không dây
ạ ả ế
M nh c m bi n không dây bao g m các nút c m bi n, k t n i v i nhau b ng
ạ ả ế ồ ả ế ế ố ớ ằ
sóng vô tuy n. Vi c k t n c qu u khi n theo nh ng ki n trúc m ng
ế ệ ế ối đượ ản lý và điề ể ữ ế ạ
nh vào quá trình truy n nh n thông tin trong WSN, có th nh n th
ất định. Căn cứ ề ậ ể ậ ấy
các thi t b
ế ị tham gia trao đổ ạ
i thông tin trong m ng luôn ho ng m t trong hai
ạt độ ở ộ
vai trò:
+ Thiế ị ấ ế ị
t b cung c p thông tin (thi t b ngu n
ồ –sources).
+ Thiế ị ậ ế ị đích –
t b nh n thông tin (thi t b sink)
Các nút c m bi n trong WSN có th ho ng v i vai trò là thi t b Sources
ả ế ể ạt độ ớ ế ị
ho c thi t b Sink tùy vào t
ặ ế ị ừng ki n trúc c a m ng. Ngoài ra, thi t b sink còn có th
ế ủ ạ ế ị ể
là nh ng thi t b không tham gia trong WSN mà ch có ch t m ng
ữ ế ị ỉ ức năng liên kế ạ
WSN này v i m
ớ ạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thi t b
ế ị có
chức năng như bộ ặ ệ ể ế ệu như gateway để ề ề
l p tín hi u hay chuy n ti p tín hi truy n tin v
phòng trung tâm.
Có hai lo i ki n trúc m n trong WSN: ki n trúc m
ạ ế ạng cơ bả ế ạng đơn bước
single-hop và ki n trúc m c (multi-hop). M t WSN có th s d ng m
ế ạng đa bướ ộ ể ử ụ ột
trong hai ki u c u trúc ho c s d ng k t h p c
ể ấ ặ ử ụ ế ợ ả hai .
[5]
1.1 .1. Ki
.4 ến trúc đơn bước (single-hop)
Kiế ạng đơn bướ ế ạ ồ
n trúc m c (single-hop) là ki n trúc m ng bao g m các liên
k t mà trong m i liên k có hai nút c m bi n, m
ế ỗ ết đó chỉ ả ế ộ ả ến đóng
t nút c m bi vai trò
thiế ị
t b ngu n, nút c m bi n còn l
ồ ả ế ại đóng vai trò thiế ị đích. Thiế ị đích và thiế
t b t b t
b ngu i tr c ti p toàn b thông tin v i nhau.
ị ồn luôn trao đổ ự ế ộ ớ

9
ế ạng đơn bướ [5].
1.1 .2. Ki n trúc m c (Multi-hop)
.4 ế ạng đa bướ
Kiế ạ
n trúc m ng c (Multi-hop) là ki n trúc m ng bao g m các liên k
đa bướ ế ạ ồ ết
mà trong m i liên k m bi n, m t nút c m bi
ỗ ết đó có nhiều hơn 2 nút cả ế ộ ả ến đóng vai
trò thi t b ngu n, m t nút c m bi
ế ị ồ ộ ả ến đóng vai trò thiế ị đích, ngoài ra còn có mộ
t b t
hay nhi u nút c m bi n khác ho ng v
ề ả ế ạt độ ới cai trò như một tram trung gian, chuyển
tiế ộ thông tin đả ả ệ ế ữ ế ị ồ ế
p toàn b m b o cho vi c giao ti p thông tin gi a thi t b ngu n, thi t
b i nhau m
ị đích vớ ột cách đầy đủ và chính xác.
Hình 1.4. Ki n trúc m c.
ế ạng đa bướ

10
1.1 .3. Ki n trúc m ng h n h p
.4 ế ạ ỗ ợ
T h p c hai ki u kiên k c trong cùng m t m ng khi
ổ ợ ả ể ết đơn bước và đa bướ ộ ạ ến
cho ki n trúc m
ế ạng WSN linh động hơn, dễ ứ ụ ều trườ ợ
ng d ng trong nhi ng h p Khi
.
đó ta có kiế ạ
n trúc m ng h n h p (multi-sink, multi-source).
ỗ ợ
Hình 1.5. Ki n trúc m ng h n h p.
ế ạ ỗ ợ
1.1.5. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây
1.1.5.1. L p v t lý (physical layer)
ớ ậ
L p v t lý là l p có liên quan ch y u nh t t i vi u ch - u ch
ớ ậ ớ ủ ế ấ ớ ệc điề ế giải điề ế
c a tín hi u s nh t n s sóng mang. Tín hi u s ng nh ph
ủ ệ ố và qui đị ầ ố ệ ố (dạ ị ân) được điều
chế ải điề ế ộ ậ ề ậ
và gi u ch thông qua các b ph n truy n/nh n (transceiver) sóng vô tuy n.
ế
L p v t lý quy u ch /gi
ớ ậ ết định phương pháp mã hóa tín hiệu (FSK hay PSK), điề ế ải
điề ế ệu (điề ế ầ ố hay điề ế biên độ
u ch tín hi u ch t n s u ch vào sóng m ng), t n s sóng
ạ ầ ố
vô tuy n, t n s n/nh n sóng vô tuy n, t n s n nh tin c
ế ầ ố truyề ậ ế ầ ố truyề ận, độ ậy, độ an
toàn và chính xác c a d u ph c r t nhi u vào các y u t nói trên.
ủ ữ liệ ụ thuộ ấ ề ế ố

11
Ngoài ra, m t v c n sô sóng mang, giá tr t n sô sóng mang
ộ ấn đề ần lưu ý là tầ ị ầ
ph c vào công ngh c s d ng trong l p v t lý. T n s sóng
ụ thuộ ệ không dây đượ ử ụ ớ ậ ầ ố
mang có n kh ng truy n thông tin và
ảnh hưởng đế ả năng lan truyền sóng, lưu lượ ề
khả năng xuyên qua các chướ ạ
ng ng i vật như tườ ỗ …
ng, g
Việ ự ọ
c l a ch n công ngh không dây s d ng l p v t lý có nh h ng tr
ệ ử ụ ở ớ ậ ả ưở ực
tiế ề năng lượ ử ụ
p v ng s d ng và giá thành c a m t nút c m bi n trong m
ủ ộ ả ế ạng c m bi
ả ến
không dây cũng như độ ậy, độ ề ữ
tin c b n v ng thông tin c a quá trình truy n và nh
ủ ề ận
d u.
ữ liệ
1.1.5.2. L p
ớ MAC
Giao th c truy c ng truy n Medium Access Control (MAC) là giao
ứ ập đườ ề –
thứ ằ
c n m ở ớ ủ ớ ậ ậ
l p phía trên c a l p v t lý, và vì v y giao thức MAC có ng r
ảnh hưở ất
l n và r t quan tr ng b i nh c tính c a nó. Nhi m v c a giao th c MAC là
ớ ấ ọ ở ững đặ ủ ệ ụ ủ ứ
điề ỉ
u ch nh vi c truy c ng truy n d u dùng chung c a các nút, sao cho
ệ ập vào đườ ề ữ liệ ủ
các nút có th truy c ng dùng chung m t cách h ng
ể ập đườ ộ ợp lý và đúng lúc đườ
truy th
ề ả ỗ ất để
n r nh r i nh ự ệ
c hi n vi c truy n thành
ệ ề công.
Trong mô hình tham chi u OSI, giao th
ế ức MAC đượ ết đến như là mộ
c bi t
ph n n l p liên k t d u Data link layer (DLL). Tuy nhiên, có s phân chia
ầ ằm ở ớ ế ữ liệ – ự
công vi c m t cách rõ ràng gi a MAC và các ph n còn l i c a l p DLL. Giao th
ệ ộ ữ ầ ạ ủ ớ ức
MAC xác đị ộ ạ ời điể ợ ời điểm đườ
nh cho m t nút trong m ng các th m h p lý (th ng
truyền chung r nh r
ả ỗi) mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể ậ đườ
truy c p ng
truy th li li
ền để ự ệ ệ ậ ữ
c hi n vi c nh n d ệu, điề ể ặ ả ữ
u khi n ho c qu n lý các gói d ệ ớ
u t i
m t nút khác trong m ng hay th m chí là truy n b ng lo t t i t t c các nút
ộ ạ ậ ề ản tin đồ ạ ớ ấ ả
trên m ng (broadcast, multicast). Hai nhi m v quan tr ng mà các ph n còn l i c
ạ ệ ụ ọ ầ ạ ủa
l p DLL ph i th c hi u khi n l
ớ ả ự ện là điề ể ỗi và điề ể ồng thông tin. Điề ể
u khi n lu u khi n
l c s d c ch n v
ỗi đượ ử ụng để chắ ắ ề tính đúng đắ ủ ề
n c a quá trình truy n thông tin, và
đưa ra thao tác xử lý trong trường h p vi c truy n d u b l i: truy n l i b n tin
ợ ệ ề ữ liệ ị ỗ ề ạ ả
hay h y b u khi n lu
ủ ản tin. Điề ể ồng thông tin có nhi m v u ch nh t c a vi
ệ ụ điề ỉ ốc độ ủ ệc

12
truy li thi
ề ữ ệu để tránh trườ ợ ệ ậ ữ
n d li ng h p vi c nh n d ệ ở
u ế ị ậ ậm hơn, có
t b nh n ch
thể ế ị ghi đè mấ
khi n thông tin b t
Có r t nhi ng truy i
ấ ều phương pháp truy cập đườ ền mà chúng ta đã b ết như
CDMA, CSMA, TDMA…, phầ ỉ ậ
n này ch t p trung vào giao th c truy nh ng
ứ ập đườ
truyề ứ
n MAC trong WSN. Giao th c MAC trong WSN ngoài các nhi m v
ệ ụ và đặc
tính nói chung, còn có thêm m t s yêu c u dành riêng cho ng d ng trong m ng
ộ ố ầ ứ ụ ạ
c m bi n không dây. Yêu c u ph u khi n truy nh
ả ế ầ ải nói đến trước tiên đó là điề ể ập
đườ ề ớ ụ ụ ít năng lượ
ng truy n v i m c tiêu tiêu th ng nh t. Vi c th c hi n yêu c u này
ấ ệ ự ệ ầ
khi n cho giao th c MAC trong WSN tr i m i so v i các giao th
ế ứ ở nên tương đố ớ ớ ức
MAC kinh điển đã biết như CSMA, các giao thứ ồm điề
c nói trên không bao g u
kho ng v m
ản nào hướ ề ụ ế ệm năng lượ ộ ầ ữ ứ
c tiêu ti t ki ng. M t yêu c u n a cho giao th c
MAC đó là tính kinh tế ề ữ
và tính b n v ng khi ki n trúc m
ế ạng thay đổi thường xuyên
(sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay b m bi n trong m
ớt đi nút cả ế ạ ả
ng, do nút c m
bi n chuy n tr ng thái ho ng, b t ho c b h t pin) V i các yêu c u riêng bi
ế ể ạ ạt độ ị chế ặ ị ế ớ ầ ệt
dành cho WSN, h u h t các giao th
ầ ế ức MAC trong WSN đề ả năng giả
u có thêm kh i
quy t các v
ế ấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe tr m (overhearing),
ộ
protocol overhead, nghe trong khi ng (idle listening).
ủ
Collision: Vấn đề xung độ ữ
t d u x y ra khi n cho d u n u có nh
liệ ả ế ữ liệ ế ận
được cũng không còn ý nghĩa, vì vậ ầ ả ề ạ ữ ệu do đó gây tiêu tố
y c n ph i truy n l i d li n
năng lượ ứ ầ ả ơ chế tránh xung độ ữ
ng. Giao th c MAC c n ph i có c t d u b ng cách s
liệ ằ ử
d ng k t h p các thu t toán truy c ng truy n phù h p.
ụ ế ợ ậ ập đườ ề ợ
Overhearning: Khi d c truy n t nút ngu
ữ liệu đượ ề ừ ồn đến nút đích trong một
liên kế ữ ệ ỉ có ý nghĩa đố ới nút đích. Tuy nhiên vấn đề ặ ả ấ
t, d li u ch i v g p ph i là do t t
c các thi t b trong cùng m t m u có chung t n s sóng vô tuy
ả ế ị ộ ạng đề ầ ố ến và trao đổi
v i nhau trong m t vùng không gian dùng chung, d ng h p không ch nút
ớ ộ ẫn đến trườ ợ ỉ
đích mớ ận đượ ữ ệ ậ
i nh c d li u mà các nút lân c n trong mạng cũng có thể ận đượ
nh c
d u n ng tiêu t n cho quá trình nh n d . Vì v
ữ liệ ày. Năng lượ ố ậ ữ liệu là đáng kể ậy để

13
tránh trường h p nh n nh m d
ợ ậ ầ ữ liệu không có ý nghĩa, mỗ ế ị
i thi t b trong mạng có
m a ch truy c ng n, g a ch MAC.
ột đị ỉ ập đườ truyề ọi là đị ỉ
Protocol Overhead: s d d u b n tin, ho
ử ụng thêm các byte để đánh ấ ả ặc đánh
d u vi c truy n d u, ví d d ng các gói RTS, CTS ho c các gói yêu c
ấ ệ ề ữ liệ ụ như sử ụ ặ ầu
hay các ph u c a các gói d u.
ần đánh dấu đầ ủ ữ liệ
Idle listening: m t nút m
ộ ặ ở ạ
c dù tr ng thái ng v
ủ ẫ ẵn sàng để ậ
n luôn s nh n các
gói d u, tuy nhiên nút này không th nh n d u ngay t i th
ữ liệ ể ậ ữ liệ ạ ời điểm nút đang
được ngủ ố ậ ữ ệ ả ứ ậ
. Mu n nh n d li u, nút ph i th c d y ra kh i tr ng thái ng . Vì v y, n
ỏ ạ ủ ậ ếu
có b n tin g
ả ửi đế ở ời điểm nút đan ạ
n nút th g trong tr ng thái ng thì nút có th không
ủ ể
nh c b n tin này chính xác
ận đượ ả . Thông thườ ớ ộ điề ế
ng, v i các b u ch /gi u ch
ải điề ế
sóng vô tuy n, tr ng thái ng
ế ạ ủ ẫ ốn năng lượ ột cách đáng kế ả
v n tiêu t ng m . Gi i pháp
đưa ra cho trường h p này là t t b n/nh
ợ ắ ộ truyề ận, tuy nhiên cũng phả ố ộ ầ
i t n m t ph n
năng lượng khi thay đổ ạ ạt độ ừ
i tr ng thái ho ng (t b t thành t
ậ ắt hay ngượ ạ ủ
c l i) c a các
b n/nh n. T n s sóng vô tuy n c a các b n/nh c gi
ộ truyề ậ ầ ố ế ủ ộ truyề ận cũng phải đượ ữ
l m
ại ở ức “hợp lý” khi tiế ắ ộ
n hành t t các b truy n/nh n.
ề ậ
1.1.6 ng d ng c a m ng c m bi n không dây
. Ứ ụ ủ ạ ả ế
1.1.6.1. ng d ng trong công nghi p
Ứ ụ ệ
- Giám sát tr ng thái ho ng c a h ng thái các van, tr ng
ạ ạt độ ủ ệ thống, như trạ ạ
thái thi t b , nhi và áp su t
ế ị ệt độ ấ
- Giám sát hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí của các toà nhà.
1.1.6.2. Y t và giám sát s c kho
ế ứ ẻ
- M t s ng d ng trong y t c a m ng c m bi n không dây là cung c p kh
ộ ố ứ ụ ế ủ ạ ả ế ấ ả
năng giao tiếp cho người khuy t t t
ế ậ
- Giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong b nh vi n.
ệ ệ
1.1.6.3. ng d ng trong dân d ng
Ứ ụ ụ
- H ng nhà thông minh, giao ti
ệ thố ếp và điề ể ế ị
u khi n các thi t b thông minh.
- H ng giao thông thông minh.
ệ thố

14
1.1.6.4. ng d ng trong quân s
Ứ ụ ự
- Theo dõi, giám sát và định vị ự xác đị ị ủa địch để tăng độ
: s nh v trí c chính
xác khi ném bom, hay tấn công, định vị ự ị ể ủa quân đị
theo dõi s
và d ch chuy n c ch.
- C m bi ng: phát hi n mìn, ch c.
ả ến môi trườ ệ ất độ
- u khi n: s kích ho t thi t b
Điề ể ự ạ ế ị, vũ khí quân sự.
1.1.6.5. ng d ng trong nông nghi p,
Ứ ụ ệ lâm nghi p
ệ
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng
rộng lớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể kiểm tra độ ẩm trong đất, sự
tăng trưởng của cây.
Hình 1.6 ng d ng trong nông nghi p.
. Ứ ụ ệ
Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để
cảnh báo cháy rừng.

15
Các nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám
sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng.
1.2. Tổng quan v công ngh ZigBee
ề ệ
1.2.1. i thi u v công ngh ZigBee
Giớ ệ ề ệ
Tên g i ZigBee xu t phát t
ọ được ấ ừ mà các ong m t uy n nh
cách con ậ tr ề ững
thông tr
tin quan ọng v i ành viên khác o t ong. u li l c
ớ các th tr ng ổ Đó là kiể ên ạ
“Zi Zag” ủ “hon ” ủ ệ này đượ ừ
g- c a loài ong e Bee
y . Tên c a công ngh c hình t
thành
việ ữ cái đầ
c ghép hai ch u vớ ệ đờ ự ả ế
i nhau. ng ngh
Cô này ra i nh s
chí là gi i quy t
cho các
v n
ấ đề t b r i có th làm c cùng nhau i quy t m
thiế ị tách ờ ể việ để giả ế ộ ấ đề
t v n
nào ó.
đ
Công ngh ZigBee là công ngh n tin s d ng sóng vô tuy n d i t
ệ ệ truyề ử ụ ế ở ả ần
không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng
d ng công nghi p, khoa h c và y t . T n s 2.4GHz h u h t các qu c gia trên th
ụ ệ ọ ế ầ ố ầ ế ố ế
giớ ầ ố ở ỹ ậ ầ ố ở ốc độ ữ ệu đạ
i, t n s 915MHz M và Nh t, t n s 868MHz châu Âu. T d li t
250Kbps 2.4GHz, 40kbps 915MHz và 20kbps 868MHz .
ở ở ở [6]
Hình 1.7. Băng tầ ủ ẩ
n c a chu n ZigBee [6].

16
B ng 1 n và t
ả .1: Băng tầ ốc độ d u
ữ liệ
B ng 1.2: Các kênh truy n và t n s
ả ề ầ ố c a ZigBee
ủ
T n s trung tâm (MHz)
ầ ố S ng kênh (N)
ố lượ Kênh
868 1 0
915 10 1 10
–
2450 16 11 26
–
ZigBee là mộ ẩ ở ầu đượ ự ẩ
t tiêu chu n m toàn c c xây d ng trên chu n IEEE
802.15.4 MAC/PHY. ZigBee t l p m
định nghĩa mộ ớ ạng trên nh ng l p c
ở ữ ớ ủa
802.15.4 để ỗ ợ ả năng nâng cao đị ế ạng lướ ẩ
h tr kh nh tuy n m i. Chu n ZigBee 1.0
đượ ẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở
c phê chu thành thành viên c ZigBee
ủa
Alliance. Đến nay thì các đặ ỹ ậ ủ
c tính k thu t c a ZigBee thì vẫn đượ ổ
c b sung thêm.
ZigBee ra đời và đượ ể ứ ụng trong các lĩnh vự ự
c phát tri n ng d c: nhà t ng (home
độ
automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ng d ng vi n thông và
ứ ụ ễ
giám sát y t .
ế
Đặ điể ủ
c m c a công ngh ZigBee t c t y
ệ là ố độ ru ề ấ năng
n tin th p, hao
tiêu ít
lượng, chi c
phí p, và giao th
thấ là ứ mạng không dâ ng t i d n u
y hướ ớ các ứng ụ g điề
khi n t xa và t
ể ừ ự động hóa. M c c a công ngh ZigBee nh t i vi c uy
ụ tiêu ủ ệ là ắm ớ ệ tr ền
tin v i m
ớ ức hao ng
tiêu năng lượ nh công t p nh
ỏ và suấ thấ cho ững t b
thiế ị chỉ có
th i gian s ng t vài tháng n vài n m mà khô
ờ ố ừ đế ă ng yêu ao
c u c
ầ v t c uy
ề ố độ tr ền tin
như Bluetooth. B ng so sánh gi a chu n ZigBee v i chu n Bluetooth :
ả ữ ẩ ớ ẩ như sau [7]

17
B ng 1.3: B ng so sánh gi a chu
ả ả ữ ẩn ZigBee v i chu n Bluetooth
ớ ẩ
Đặc tính ZigBee Bluetooth
T n s
ầ ố 868 Mhz/ 915 Mhz/ 2.4 GHz 2.4 Ghz/ 5 Ghz
Tiêu th công su t
ụ ấ 10mA 100mA
T n
ốc độ truyề 20-250Kbps 1-3Mbps
Vùng làm vi c
ệ Hiệ ả ở
u qu 10 - 75m Hiệ ả ở
u qu < 10m
Độ ạ
linh ho t 65536 nút
(trong mạng sao)
7 nút
(trong m ng
ạ sao)
Độ an toàn 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa
Giá thành (năm 2005) 1,1 $ 3 $
M t u n i b t ZigBee th dùng c m
ộ điề ổ ậ là có ể đượ trong các ạng mắt lưới
(mesh network). Các thi t b không dây s d ng công ngh ZigBee d dàng
ế ị ử ụ ệ có thể ễ
truy n o
ề tin trong kh ảng 10-75m tùy thu c môi ng truy
cách ộ và trườ ề ứ
n m
và c công
suấ t đượ
t phá c êu
y c u v i m i
ầ ớ ỗ ứng d ng. V n, các module
ụ ề khả năng tiêu thụ điệ
s d ng chu n ZigBee s có tu i th t
ử ụ ẩ ẽ ổ ọ ừ 6 tháng đến 2 năm nế ử
u s dụng đôi pin AA.
ZigBee có khả năng kế ố
t n i với hơn 65000 nút.
1.2.2. C u trúc c
ấ ủa giao thức ZigBee
IEEE 802.15.4 và liên ZigBee t ch t ch nh m t b
minh đã liên kế ặ ẽ để xác đị ộ ộ
giao th c stack. IEEE 802.15.4 t
ứ ập trung vào các đặc điểm kỹ ậ ủ ớ ấ
thu t c a hai l p th p
hơn (lớ ậ ớ ữ ệ
p v t lý và l p d li u) dành cho các ng d ng WPAN t p. IEEE
ứ ụ ốc độ thấ
802.15.4 s n chi ti t v m k c a l p PHY và MAC b ng
ẽ đi sâu phầ ế ề đặc điể ỹ thuật ủ ớ ằ
cách xây d ng các ki n trúc kh i cho các lo i mô hình m
ự ế ố ạ ạng khác nhau như sao, cây
và hình lướ ỹ ật đị ế
i. Các k thu nh tuy n trong mạng đượ ế ế ải đả
c thi t k sao cho ph m
b c ngu
ảo duy trì đượ ồn năng lượng lâu dài, độ tr th
ễ ấp.

18
Hình 1.8. Cấ ứ
u trúc giao th c .
[8]
Ngăn xếp ZigBee bao g m nhi u l p g m PHY, MAC, M ng, l p ng d ng
ồ ề ớ ồ ạ ớ ứ ụ
m ng (APS), và l
ạ ớp đối tượng thi t b ZigBee
ế ị (ZDO). Lớp ZigBee c th hi
thì đượ ể ện
trong b n i.
ả bên dướ
L ZigBee
ớp Miêu tả
PHY Định nghĩa hoạt động l p v t lý c a thi b ZigBee bao g
ớ ậ ủ ết ị ồm cả
nh nh y, t i kênh, công su u ra, s u ch
ận độ ạ ừ chố ất đầ ố kênh, điề ế
chip, và thông s t n. H u h t các ng d ng ZigBee ho
ố ốc độ truyề ầ ế ứ ụ ạt
động trên băng tần ISM 2.4 GHz, vớ ốc độ ữ ệ
i t d li u 250 kbps.
MAC Quả ề ữ ệ
n lý truy n d li u RF gi a nh
ữ ững t b hàng xóm (point to
thiế ị
point). MAC bao g m các d ch v
ồ ị ụ như thử l i truy n d n, qu n lý
ạ ề ẫ ả
xác nh n và k
ậ ỹ ậ ạ
thu t tránh va ch m (CSMA-CA).
Network C ng thêm kh nh tuy n cái này cho phép gói tin d u RF
ộ ả năng đị ế ữ liệ
đi qua nhiề ế ị ều bướ ảy) để ến đườ
u thi t b (nhi c nh tuy ng d u t
ữ liệ ừ
ngu n t peer to peer).
ồ ới đích (
APS L p
ớ ứng dụng này định nghĩa đối tượng định đị ỉ
a ch khác nhau bao
g m: cá nhân, c
ồ ụm, và điểm cu i.
ố

19
ZDO L p
ớ ứng d ng này cung c p thi t b và ch
ụ ấ ế ị ức năng tìm ra dị ụ
ch v và
khả năng quản lý mạng nâng .
cao
1.2.3. Nh ng ph
ữ ần t n trong m
ử cơ bả ạng ZigBee
M ng ZigBee g
ạ ồ ạ ế ị
m có 3 lo i thi t b :
 ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn có duy nh t m t
chỉ ấ ộ
thiế ị ự ọ ộ
t b Coordinator Nó l
. a ch n m t kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để ắ
b t
đầu mạng, có th o phép nh ng router và end device tham gia vào m ng, h
ể ch ữ ạ ỗ trợ
trong vi nh tuy n d u. Không ng nên là s d ng ngu n chính.
ệc đị ế ữ liệ ủ ử ụ ồ
 Router là m t nút ZigBee
ZigBee Router (ZR): ộ có đầy đủ tính năng, gửi
thông tin, nhận thông tin, đị ế ế ị
nh tuy n thông tin, cho phép các thi t b khác gia vào
m ng, h trong vi nh tuy n d u. Router ph i luôn luôn ho ng, vì v
ạ ỗ trợ ệc đị ế ữ liệ ả ạt độ ậy
nó ph c c p ngu n chính. M t m
ải đượ ấ ồ ộ ạ ể ề
ng có th có nhi u router.
 ZigBee End Device (ZED): Nó ph i tham gia m ZigBee
ả ột PAN trước khi
nó có th n ho c nh n d u, không th cho phép t b khác tham gia
ể truyề ặ ậ ữ liệ ể các thiế ị
vào mạng. ZED ph i luôn luôn truy n và nh n d u RF qua ph huynh c a nó,
ả ề ậ ữ liệ ụ ủ
không th nh tuy n d u. ZED có k t c ng ng thái ng
ể đị ế ữ liệ ế ấu đơn giản và thườ ở trạ ủ
(sleep mode) để ế
ti t ki ng. Chúng ch c" khi c n nh n
ệm năng lượ ỉ được "đánh thứ ầ ậ
ho c g i m
ặ ử ột thông điệp nào đó và có thể ấ ồ
c p ngu n pin.
1.2.4. C u trúc liên k
ấ ết mạng
Trong truy n thông dùng giao th ZigBee ng h 3 mô hình m ng
ề ức thườ ỗ trợ ạ
chính: m ng hình sao, m
ạ ạng hình cây và mạng hình lưới.
1.2.4.1. M ng hình sao (Star Network)
ạ
B trí m c th hi nh 1.9 M t Coordinator thì n
ố ạng này đượ ể ện như trong hì . ộ ằm
ở ủ
trung tâm c a mô hình mạng và k t n i v i m t vòng tròn nh ng end device. M
ế ố ớ ộ ữ ọi
liên l c trong h ng ph
ạ ệ thố ải đi qua coordinator. Những end device thì không được
giao ti p v i nhau ví d 2 n t m ng mu i v i nhau thì ph i thông qua
ế ớ , ụ ố ạ ốn trao đổ ớ ả
coordinator.

20
Hình 1.9. Cấ ạ
u trúc m ng hình sao.
1.2.4.2. M i (Mesh Network)
ạng hình lướ
C u hình m
ấ ạng hình lướ ữ ữ
i thêm nh
là ng router ngoài nh ng end device và
coordinator, nó đóng vai trò đị ế ữ ệ ở ộ ạ
nh tuy n d li u, m r ng m ng và khả năng điều
khi n, thu th p s ng
ể ậ ố liệu như một nút bình thườ . Ngượ ạ ớ
c l i v i mô hình m ng sao,
ạ
b t k t b giao ti p v i b t k t b khác mi n là các thi t b
ấ ỳ thiế ị nào cũng có thể ế ớ ấ ỳ thiế ị ễ ế ị
đó nằ ạ ủ ạng hình lưới có ưu điể
m trong ph m vi c a chúng. M m cho phép truyền
thông liên t c và có kh nh l i c
ụ ả năng tự xác đị ạ ấu hình xung quanh đường đi bị che
chắ ằ ả ừ nút này sang nút khác cho đế ế ập đượ ế ố
n b ng cách nh y t n khi thi t l c k t n i.
M i nút trong m u có kh
ỗ ạng lưới đề ả năng kế ối và đị ế ớ ậ
t n nh tuy n v i các nút lân c n.
Cũng chính khả năng chuyể ếp và đị ến gói tin đã làm cho khoả
n ti nh tuy ng cách
truyề ữa hai điể
n gi m không còn là ng i.
trở ạ
Hình 1.10. Cấ ạng hình lướ
u trúc m i.
1.2.4.3. M ng hình cây (Cluster Tree Topology)
ạ
C u này là m t d
ấ trúc ộ ạng c bi t c a c u trúc m
đặ ệ ủ ấ ạng i, trong s
lướ đó đa ố
thiế ị ữ
t b là FFD và nh ng R th k t n i vào m
FD có ể ế ố ạng hì c m
nh ây như ột nút r i
ờ

21
r c m cu i c a nhánh cây. B t k m t FFD nào c
ạ ở điể ố ủ ấ ỳ ộ ũng th ho t
có ể ạ động như là
m t coordina và cung c p hi u ng b t b và
ộ tor ấ tín ệ đồ ộ cho các thiế ị các coordinator
khác vì th mà c u m
ế ấ trúc ạng u này có quy mô ph sóng kh n
kiể ủ và ả ăng m r
ở ộng
cao. Trong lo i c u hình này m c dù th nhi u tor nh
ạ ấ ặ có ể có ề coordina ưng chỉ có
duy nh t PAN coordinator.
ấ
Hình 1.11. Cấ ạ
u trúc m ng hình cây.
1.2.5. PAN ID
M ng ZigBee c g
ạ đượ ọ ạ ặ
i là vùng m ng cá nhân (personal area networks) ho c
PANs. M i m ng
ỗ ạ đượ định nghĩa vớ ột đị
c i m nh danh PAN duy nh t (PAN ID).
ấ
Đị ấ ả ế ị ủ
nh danh này là chung trong t t c các thi t b c a cùng m t m ng. Nh ng thi t b
ộ ạ ữ ế ị
ZigBee có th c u hình chung v i m
ể ấ ớ ột PAN ID để ế ố ặ ể ữ
k t n i, ho c có th tìm nh ng
m ng g a ch n m gia.
ạ ần đó và lự ọ ột PAN ID để tham
ZigBee h c PAN ID 64 bit và 16 bit. C hai PAN ID thì s d
ỗ trợ ả ả ử ụng để
nh n d ng duy nh t m t m ng. Nh ng thi t b trên m ng ZigBee ng nhau ph
ậ ạ ấ ộ ạ ữ ế ị ạ giố ải
đượ ẻ
c chia s những PAN ID 64 bit và 16 bit gi ng nhau. N u nhi u m
ố ế ề ạng ZigBee
đang hoạt động trong ph m vi c a nhau, m i m ng nên có PAN ID duy nh
ạ ủ ỗ ạ ất.
PAN ID 16 bit thì s d
ử ụng như một trường đị ỉ ớ
a ch l p MAC trong t t c
ấ ả
truy li
ề ẫ ữ
n d n d ệ ữ ữ
u RF gi a nh ng thi t b trong m t m ng. Tuy nhiên, do không
ế ị ộ ạ
gian định đị ỉ ớ ạ ủ
a ch gi i h n c a PAN ID 16 bit, có nhi u kh ng r ng nhi u m ng
ề ả nă ằ ề ạ
ZigBee (trong ph m vi c a nhau) có th s d ng PAN ID 16 bit gi
ạ ủ ể ử ụ ống nhau. Để giải

22
quy t kh t PAN ID 16 bit, liên minh ZigBee o ra m t PAN
ế ả năng tránh xung độ đã tạ ộ
ID 64 bit.
PAN ID 64 bit (cũng được gọi là PAN ID m r
ở ộng), đượ ự
c d nh là duy
đị
nh t và không trùng l p giá tr . Khi m
ấ ặ ị ộ ắt đầ ộ ạ
t coordinator b u m t m ng, nó có thể
m t là b u m t m ng trên m
ộ ắt đầ ộ ạ ộ ấ ẵ
t c u hình s n PAN ID 64 bit, ho c nó có th l
ặ ể ựa
chọ ẫ ộ ử ụ ế
n ng u nhiên m t PAN ID 64 bit. PAN ID 64 bit thì s d ng trong quá trình k t
n i. N u m t thi t b có m t c u hình s n PAN ID 64 bit, nó s k t n i m
ố ế ộ ế ị ộ ấ ẵ ẽ chỉ ế ố ột
m ng v
ạ ớ ố ặ
i PAN ID 64 bit gi ng nhau. M t khác, mộ ế ị ể
t thi t b có th tham gia k t n
ế ối
b t k PAN phát hi n ra và th ng PAN ID t m
ấ ỳ ệ ừa hưở ừ ạng khi nó tham gia. PAN ID
64 bit thì bao g m trong t t c nh ng c nh báo ZigBee c s d ng trong gi
ồ ấ ả ữ ả và đượ ử ụ ải
quy t PAN ID 16 bit.
ết xung độ
B i vì PAN ID 16 bit ch n 65535 giá tr duy nh t và khi
ở ỉ cho phép lên đế ị ấ
PAN ID 16 bit là lựa chọn ngâu nhiên, quy đị ệ
nh hi n có trong ZigBee phát hi n n
ệ ếu
hai mạng đang hoạ độ
t ng trên PAN ID 16 bit gi ng nhau. N
ố ếu như một xung đột
đượ ện, ngăn xế ể ự ệ ả ết xung đột để thay đổ
c phát hi p ZigBee có th th c hi n gi i quy i
PAN ID 16 bit c a m
ủ ạng để ả ết xung độ
mà gi i quy t.
Nói tóm l i, nh c c u hình v i PAN ID 64
ạ ững router và end device nên đượ ấ ớ
bit c a m ng mà nó n tham gia. Thông ng router và end device s
ủ ạ muố thườ ẽ có được
PAN ID 16 bit khi tham gia c vào m
đượ ột mạng.
1.2.6. Định đị ỉ
a ch
T t các thi t b ZigBee a ch khác nhau, m a ch 64 bit và m
ấ ế ị có hai đị ỉ ột đị ỉ ột
đị ỉ 16 bit. Đặc trưng củ
a ch a mỗi cái thì đượ ả như sau:
c miêu t
 Đị ỉ
a ch thi t b 64 bit
ế ị
Đị ỉ ột đị ỉ ế ị ất đượ ấn đị ả
a ch 64 bit là m a ch thi t b duy nh c nh trong lúc s n
xu a ch này là duy nh t cho m i thi t b v a ch 64 bit bao g m m t c u
ất. Đị ỉ ấ ỗ ế ị ật lý. Đị ỉ ồ ộ ấ
t o nh n di n duy nh t 3 byte (OUI) nh b a ch
ạ ậ ệ ấ ấn đị ởi IEEE. Đị ỉ 64 bit cũng đượ ọ
c g i
là đị ỉ
a ch mở ộ
r ng.

23
 Đị ỉ
a ch thi t b 16 bit
ế ị
M t thi t b nh n m a ch 16 bit khi nó tham gia vào m t m
ộ ế ị ậ ột đị ỉ ộ ạng ZigBee.
Vì lý do a ch c g a ch m
này, đị ỉ 16 bit thì còn đượ ọi là “đị ỉ ạng”. 0x0000 của đị ỉ
a ch
16 bit là dành riêng cho coordinator. T t c nh ng thi t b khác nh n m a ch
ấ ả ữ ế ị ậ ột đị ỉ
phát ra ng u nhiên t t b router ho c thi t b
ẫ ừ thiế ị ặ ế ị coordinator này cho phép tham gia.
Đị ỉ ể thay đổ
a ch 16 bit có th i mộ ố điề
t s u ki n
ệ ở dưới:
+ Một xung đột đị ỉ ậ ấ ở nơi mà hai thiế ị ấy được đị
a ch là nh n th y t b là tìm th a
chỉ 16 bit gi ng nhau.
ố
+ Một thiết bị dời khỏi mạng và sau đó tham gia (Nó có thể nhận một địa chỉ khác).
T t c n d n ZigBee c g i b a ch 16 bit ngu
ấ ả truyề ẫ đượ ử ằng đị ỉ ồn và đị ỉ
a ch 16
bit đích. Bảng đị ế ữ ế ị cũng sử ụng đị ỉ 16 bit để
nh tuy n trên nh ng thi t b ZigBee d a ch
xác định làm th ng nh ng gói d u qua m ng. Tuy nhiên, khi
ế nào để tuyến đườ ữ ữ liệ ạ
đị ỉ 16 bit là không tĩnh, nó không phả
a ch i là một phương pháp đáng tin cậy để định
nghĩa mộ ế ị
t thi t b .
Để ả ế ấn đề này, đị ỉ đích 64 bit thì thườ ồ ả
gi i quy t v a ch ng bao g m c trong
truy li
ề ữ
n d ệu để ảo đả
b m dữ liệu được giao đến đích chính xác. Ngăn xếp ZigBee
có th a ch 16 bit, n u không bi t c khi truy n d n m t thi t b
ể tìm ra đị ỉ ế ế , trướ ề ữ liệu đế ộ ế ị
t xa.
ừ
1.2.7. Truy n d n d u
ề ẫ ữ liệ
Gói tin d u ZigBee có th c g i ho c là truy n unicast ho c truy
ữ liệ ể đượ ử ặ ề ặ ền
qu ng bá. Truy n d n unicast tuy ng d u t m t thi t b ngu n m
ả ề ẫ ến đườ ữ liệ ừ ộ ế ị ồn đế ột
thiế ị đích, nhưng trái lạ ề ả ửi đế ề ặ ấ ả ữ
t b i truy n qu ng bá là g n nhi u ho c t t c nh ng thiết
b trong m
ị ạng ].
[8
 Truy n d u qu
ề ữ liệ ảng bá
Truyề ả
n qu ng bá trong các giao th ZigBee c truy n bá
ức có xu hướng đượ ề
khắ ộ
p toàn b mạng lưới như vậ ấ ả ận đượ ề ẫn. Để
y t t c các nút nh c truy n d hoàn thành

24
điều này, coordinator và t t c các router này nh n m t truy n qu ng bá s
ấ ả ậ ộ ề ả ẽ truyền
l i gói tin này ba l n.
ạ ầ
Hình 1.12 n d u qu ng bá.
. Sơ đồ truyề ữ liệ ả
M i nút truy n qu
ỗ ề ảng bá cũng sẽ ạ
t o ra mộ ụ ộ ả
t m c trong m t b ng truyền
quảng bá địa phương. Mục này đượ ử ụng để ừ
c s d theo dõi t ng gói d u qu ng bá
ữ liệ ả
nh c ch c các gói tin là không truy n d n vô t n. M i m c t n t
ận được để chắ ắ ề ẫ ậ ỗ ụ ồ ại
trong 8 giây. B ng truy n qu ng bá thì n m gi 8 m
ả ề ả ắ ữ ục.
Cho mỗ ề ảng bá, ngăn xế
i truy n qu p ZigBee phải dành không gian đệm cho
m t b n sao c a gói d u. B c s d n l i gói d u n
ộ ả ủ ữ liệ ản sao này đượ ử ụng để truyề ạ ữ liệ ếu
c n. Gói d u l n s yêu c u không gian b m l n. Thông tin này trên không
ầ ữ liệ ớ ẽ ầ ộ đệ ớ
gian b m thì cung c p cho s hi u bi
ộ đệ ấ ự ể ết chung. Ngườ ể
i dùng không và không th
thay đổ ấ
i b t kỳ ộ đệ
không gian b m.
B i vì truy n qu
ở ề ảng bá đượ ề ạ ở ỗ ế ị ạ ắ
c truy n l i b i m i thi t b trong m ng, tin nh n
qu ng bá c s d ng m
ả nên đượ ử ụ ộ ế
t cách ti t kiệm.
 Truy n d n Unicast
ề ẫ
Truyền unicast đượ ử ừ ế ị
c g i t thi t b ngu n thi t b t b
ồn đế ế ị đích khác. Thiế ị
đích có thể ộ ề ự ế ủ ồ ặ ể ột vài bướ
là m t láng gi ng tr c ti p c a ngu n, ho c nó có th là m c

25
nh y. Truy c g i cùng m
ả ền unicast này đượ ử ộ đườ ều bướ ả ầ ộ
t ng nhi c nh y yêu c u m t
s n thi t l p m
ố phương tiệ ế ậ ộ ến đường đế ế ị đích.
t tuy n thi t b
Hình 1.13 n unicast.
. Sơ đồ truyề
1.2.8. Quá trình hoạt động của những thi t b
ế ị trong mạ ả
ng c m bi n không dây
ế
1.2.8.1. Quá trình ho ng c a coordinator
ạt độ ủ
 Hình thành một mạng
Coordinator thì chị ệ ệ ự ọ
u trách nhi m cho vi c l a ch n kênh, PAN ID (16 bit và
64 bit), chính sách b o m t, và h p cho m t m
ả ậ ồ sơ ngăn xế ộ ạ ạ
ng. Vì coordinator là lo i
thiế ị ấ ể ắt đầ ộ ạ
t b duy nh t mà có th b u m t m ng, m i m ng ZigBee ph i có m
ỗ ạ ả ột
coordinator. Sau đó coordinator đã bắt đầ ộ ạ ể ữ
u m t m ng, nó có th cho phép nh ng
thiế ị
t b mớ ế ố
i k t n i vào mạng. Nó cũng có thể đị ế ữ ữ ệ
nh tuy n nh ng gói d li u và giao
tiế ớ ữ
p v i nh ng thi t b khác trong m ng.
ế ị ạ
Để ắ ắ ắt đầ ộ
ch c ch n coordinator b u trên m t kênh t n PAN
ốt và không dùng đế
ID, coordinator th c hi n m t quét khám phá b t k s ho ng RF trên
ự ệ ột đợ ấ ỳ ự ạt độ
những kênh khác (quét năng lượ ấ ỳ ạt độ ần đó
ng) và khám phá ra b t k PAN ho ng g
(quét PAN).
 L a ch n kênh
ự ọ
Khi b u m t m ng, coordinator ph i l a ch n m
ắt đầ ộ ạ ả ự ọ ột kênh “tốt” cho mạng
để ạt động. Để làm được điề ự ệ ột quét năng lượ
ho u này, nó th c hi n m ng trên nhiều
kênh (t n s tìm ra nh
ầ ố) để ững m ng trên m i kênh. Nh ng kênh v
ức năng lượ ỗ ữ ới
nh ng m ng th c lo i b i danh sách các kênh ti m n
ữ ức năng lượ ừa thì đượ ạ ỏ khỏ ề ăng để
b u.
ắt đầ

26
 L a ch n PAN ID
ự ọ
Sau khi hoàn thành quét năng lượ ữ
ng coordinator quét danh sách nh ng kênh
tiềm năng (những kênh còn l c m t danh
ại sau khi đã quét năng lượng) để thu đượ ộ
sách các PAN láng gi u này, coordinator g i m t báo hi u yêu
ềng. Để làm được điề ử ộ ệ
c u truy n (qu ng bá) trên trên m i kênh ti
ầ ề ả ỗ ềm năng. Tấ ả
t c các coordinator và
router ở ần (mà đã tham gia mộ
g t mạng) s ph n h i báo hi u yêu c u b ng cách
ẽ ả ồ ệ ầ ằ
gửi mộ ệ ở ạ ệ ứ
t báo hi u tr l i coordinator. Báo hi u này ch a thông tin về PAN về ế ị
thi t b
ở ng m
tro ạ ồm định danh PAN (16 bit và 64 bit). Qúa trình quét này là điể
ng, bao g n
hình được gọ ộ ủ độ
i là m t quét ch ng ho c quét PAN.
ặ
Sau khi coordinator hoàn thành vi c quét kênh và quét PAN, nó l a ch
ệ ự ọn
m t kênh ng u nhiên và không s d b t u
ộ ẫ ử ụng PAN ID 16 bit để ắ đầ
 Dữ liệu ổn định
M t khi coordinator b u m t m
ộ ắt đầ ộ ạ ẽ ữ
ng, nó s gi thông tin sau thông qua chu
k ng ho c s n reset.
ỳ năng lượ ặ ự kiệ
+ PAN ID.
+ Ho ng c a kênh.
ạt độ ủ
+ Chính sách b o m
ả ật và giá tr b m khung.
ị ộ đế
+ Bảng con (Chứa địa chỉ của các end device hoặc router kết nối với coordinator)
Coordinator sẽ ữ
gi vô th i h n khi nó r i m ng. Khi
ờ ạn thông tin này cho đế ờ ạ
coordinator rờ ộ ạ ắt đầ ộ ạ ới, PAN ID trướ ạ
i m t m ng và b u m t m ng m c, kênh ho t
độ ữ ệ ả
ng, d li u b ng con thì m t d n t i m m t và các thi t b trong m
ấ ẫ ớ ạng cũ sẽ ấ ế ị ạng
như router và end device sẽ ế
tìm ki m và tham gia vào m ng m i.
ạ ớ
1.2.8.2. Quá trình ho ng c a Router
ạt độ ủ
Router ph i tìm ra và k t n i vào m t m ng h p l c khi h có th tham
ả ế ố ộ ạ ợ ệ trướ ọ ể
gia trong m t m ng ZigBee
ộ ạ . Sau khi router đã kế ố ộ ạ
t n i vào m t m ng, nó có th cho
ể
phép nh ng thi t b m i k
ữ ế ị ớ ế ố
t n i vào mạng. Nó cũng có thể đị ế ữ
nh tuy n nh ng gói tin
d u và giao ti p v
ữ liệ ế ớ ữ
i nh ng thi t b khác trên m ng.
ế ị ạ

27
 Khám phá ra mạng ZigBee
Để tìm ra những m ng ZigBee, router th c hi n m t s
ạ ự ệ ộ ự quét PAN, giống như
coordinator làm khi nó b u m t m ng. Trong th i gian quét PAN, router g
ắt đầ ộ ạ ờ ửi
m t yêu c u báo hi u truy u tiên trong danh sách nh ng kênh quét
ộ ầ ệ ền trên kênh đầ ữ
c a nó. Nh ng coordinator g ng router ho ng trên nh ng kênh này
ủ ữ ần đó và nhữ ạt độ ữ
ph n h i các yêu c u báo hi u b ng cách g i m t báo hi u tr l i router. Báo hi
ả ồ ầ ệ ằ ử ộ ệ ở ạ ệu
bao g m thông tin v PAN và nh ng thi t b lân c n nh danh
ồ ề ữ ế ị ậ ở trên đó, bao gồm đị
PAN, có hay không k t n c cho phép. Router s ng m i tín hi u nh
ế ối đượ ẽ ước lượ ỗ ệ ận
được trên kênh để ự ệ ế ộ
th c hi n n u m t PAN h p l
ợ ệ đượ ấy. Router đượ
c tìm th c coi là
m t PAN h p l n u PAN:
ộ ợ ệ ế
+ Có m t PAN ID 64 bit h p l .
ộ ợ ệ
+ Có hồ sơ ngăn xếp đúng.
+ Được phép kế ố
t n i.
N u m t PAN h p l mà không tìm th y, router s c hi n quét PAN trên
ế ộ ợ ệ ấ ẽ thự ệ
kênh ti p theo trong danh sách các kênh quét c a nó và ti p t n khi
ế ủ ế ục quét cho đế
m t m
ộ ạ ợ ệ đượ ấ ặc cho đế ấ ả kênh đã đượ ế ấ
ng h p l c tìm th y, ho n khi t t c c quét. N u t t
c c quét và m t PAN h p l
ả kênh đã đượ ộ ợ ệ thì không đượ ấ ả
c tìm ra thì t t c các kênh
s c quét l
ẽ đượ ại.
 Tham gia m t m
ộ ạng
M t khi router tìm ra m t m ng h p l , nó s g i m
ộ ộ ạ ợ ệ ẽ ử ộ ầ ết đế
t yêu c u liên k n
thiế ị
t b này gử ộ ệ ợ ệ ầ
i m t báo hi u h p l yêu c u kế ố
t n i vào một mạng.
Khi mộ ộ ạ ậ ột đị ỉ ừ ế ị
t router tham gia vào m t m ng, nó nh n m a ch 16 bit t thi t b
cho phép nó tham giam. Đị ỉ ự
a ch 16 bit là l a ch n ng u nhiên b i thi t b mà cho
ọ ẫ ở ế ị
phép tham gia.
Một khi router đã tham gia vào mộ ạ ẫ ữ ạ
t m ng, nó v n gi l i các thông tin sau
thông qua các chu k n ho c thi t l p l i các s n:
ỳ điệ ặ ế ậ ạ ự kiệ
+ PAN ID
+ Kênh ho ng
ạt độ

28
+ Chính sách b o m
ả ật và các giá tr khung truy c p.
ị ậ
Router s v n duy trì thông tin này vô th i h n khi nó d i kh
ẽ ẫ ờ ạn cho đế ờ ỏi
m ng. Khi m t router d i m t m
ạ ộ ờ ộ ạng, PAN ID trướ ạt độ ữ ệ
c, kênh ho ng, và d li u
b ng con thì m
ả ất.
1.2.8.3. Quá trình ho ng c a end device
ạt độ ủ
Tương tự ng router, nh ng
như nhữ ữ end device cũng phải khám phá và kết
n i m t m ng ZigBee h p l c khi h có th tham gia trong m t m ng. Sau khi
ố ộ ạ ợ ệ trướ ọ ể ộ ạ
một end device đã được tham gia m t m ng, nó có th giao ti p v i nh ng thi t b
ộ ạ ể ế ớ ữ ế ị
khác trong m ng. Khi nh c d nh ch y b ng pin và b i vì h
ạ ững end device đượ ự đị ạ ằ ở ỗ
trợ ế độ năng lượ ấ ể ế ị
ch ng th p, end device không th cho phép các thi t b khác k t n
ế ối
v i nó,
ớ cũng như không thể đị ế ữ ữ ệ
nh tuy n nh ng gói d li u.
 Khám phá m ng ZigBee
ạ
Những end device đi qua các quá trình giống như nhữ ạ
ng router tìm ra m ng
b ng cách phát hi n m
ằ ệ ột PAN quét. Sau đó gử ả
i qu ng bá truy n yêu c u báo hi u,
ề ầ ệ
end device nghe trong kho ng m t th i gian ng mà nh n báo hi u g i b
ả ộ ờ ắn để ậ ệ ử ởi
nh ng router và coordinator g ng kênh gi nh
ữ ần đó trên nhữ ống nhau. End device đị
giá mỗ ệ ận được trên kênh để xác đị ế ộ
i báo hi u nh nh n u m t PAN h c tìm
ợp lý đượ
thấ ộ
y. M t end device xem xét m t PAN là h p lý n u PAN:
ộ ợ ế
+ Có m t PAN ID 64 bit h p lý.
ộ ợ
+ Có m t h
ộ ồ sơ ngăn xếp chính xác.
+ Được cho phép tham gia.
+ Có dung lượng ch a thêm end device.
ứ
N u m t PAN h p l không tìm th y, end device th c hi n quét PAN trên
ế ộ ợ ệ ấ ự ệ
kênh ti p theo trong danh sách kênh quét c a nó và ti p t
ế ủ ế ục quá trình này cho đến
khi m t m ng h p l c tìm th y, ho n khi t t c c quét.
ộ ạ ợ ệ đượ ấ ặc cho đế ấ ả các kênh đã đượ
N u t t c c quét và m
ế ấ ả các kênh đã đượ ột PAN h p l
ợ ệ không được tìm ra, end device
có th vào tr ng thái ng ng th p và quét l i sau. ng yêu c u c
ể ạ ủ năng lượ ấ ạ Để đáp ứ ầ ủa
liên minh ZigBee, end device s c g n 9 l n/phút trong kho ng 5
ẽ ố ắng quét lên đế ầ ả
phút đầu tiên, và sau đó quét 3 ầ
l n/phút.

29
 Tham gia m t m
ộ ạng
M t khi thi t b khám phá ra m
ộ ế ị ộ ạ ợ ệ
t m ng h p l , nó tham gia vào mạng, tương
tự như mộ ằ ử
t router, b ng cách g i m t yêu c u liên k
ộ ầ ết để ầ
yêu c u một tham gia trên
m ng ZigBee. Thi t b cho phép tham gia thì g i m
ạ ế ị ử ộ ả ồ ế
t khung ph n h i liên k t cái
mà ho c cho phép ho c là t i tham gia.
ặ ặ ừ chố
Khi m t end device tham gia vào m ng, nó nh n m
ộ ạ ậ ột đị ỉ ừ ế ị
a ch 16 bit t thi t b
cho phép tham gia. Đị ỉ ự ọ ẫ ở ế ị
a ch 16 bit là l a ch n ng u nhiên b i thi t b mà cho phép
nó tham gia.
 S c ch a end device
ứ ứ
Nhữ ộ ả ấ ả ế ị mà đã tham
ng router và coordinator duy trì m t b ng t t c các thi t b
gia đượ ọ ả
c g i là b ng con. B l n có h nh bao nhiêu end
ảng này thì độ ớ ạn và xác đị
device có th tham gia. N u m t router ho c coordinator có ít nh t m t m c không
ể ế ộ ặ ấ ộ ụ
s d ng trong b ng con c a nó, thì thi t b c ch a end device. Nói cách
ử ụ ả ủ ế ị đó có sứ ứ
khác, nó cho phép m t ho c thêm nhi c tham gia. M ng ZigBee
ộ ặ ều end device đượ ạ
nên có d s m b s c ch a end device.
ủ ố router để đả ảo đủ ứ ứ
End device có th d l i PAN ID c a nó, kênh ho ng, và chính sách b
ể ữ ạ ủ ạt độ ảo
m t thông tin thông qua m t chu k
ậ ộ ỳ năng lượng. Tuy nhiên, vì end device phụ thuộc
r t nhi u vào m t ph huynh, end device th c hi n m và liên l
ấ ề ộ ụ ự ệ ột quét đơn để thử ạc
ph huynh c a nó. N u end device không nh n m t ph n h , nó s d
ụ ủ ế ậ ộ ả ồi quét đơn ẽ ời
m ng, và th l i khám phá và tham gia m ng m i. Khi m t end device d i m
ạ ử ạ ạ ớ ộ ờ ột
mạng, PAN ID cũ và kênh hoạt độ ẽ
ng s mất.

30
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE
2.1. i thi u v mô hình
Giớ ệ ề
Hình 2.1. Mô hình h ng m ng không dây theo chu n ZigBee c t trong khu
ệ thố ạ ẩ đượ đặ
nông nghi p công ngh .
ệ ệ cao
Khu v c nông ngh công ngh cao c a T
ự ệ ệ ủ rường Đạ ọ
i h c Công ngh Thông tin
ệ
và Truy n thông
ề được khánh thành vào tháng 11 năm 2015 do Vương quố ỉ
c B tài
trợ. Đây là khu đượ ự ớ ục đích phát triể ả ẩ
c xây d ng v i m n các s n ph m nông nghiệp
theo hướ ứ ụ
ng ng d ng công ngh khoa h c k t tiên ti n vào s n xu
ệ ọ ỹ thuậ ế ả ất.
Khu v c nông nghi p công ngh c chia thành hai khu:
ự ệ ệ cao đượ
+ Khu nhà k t: di
ỹ thuậ ện tích hơn 20 m2
x t các h
(4m 5m), bên trong đặ ệ
thống điều khi n có n hành các thi t b bên trong và bên
ể chức năng giám sát và vậ ế ị
ngoài nhà kính.

31
+ Khu nhà kính: có di n tích 90 m
ệ 2
(6m x 15m) c chia làm 3 khu, khu
đượ
trồng rau theo phương pháp thủ ồng rau theo phương pháp sử ụ
y canh, khu tr d ng giá
thể ồ
, khu tr ng dâu tây
Hình 2.2. Quang c nh bên trong nhà kính.
ả
Cây tr ng và phát tri n t t thì ph c vào nhi u y u t
ồng sinh trưở ể ố ụ thuộ ề ế ố nhưng
trong đó có rấ ọng đó ố ủa môi trường như nhiệt độ, độ ẩ
t quan tr là các thông s c m,
ánh sáng, n EC, PH
ồng độ .
Bài toán đặ ế nào đo các thông số ở trên để ự
t ra là làm th giám sát s sinh
trưởng và phát tri n c a cây tr ng và gi m th i gian cho vi t các thông s
ể ủ ồ ả ờ ệc đo đạ ố
môi trườ ử ụ
ng s d ng các d ng c ng tay.
ụ ụ đo bằ
T c t t ra c n thi t k h
ừ thự ế bài toán đặ ầ ế ế ệ thống đáp ứng được mộ ố ầ
t s yêu c u
như sau:
+ Đo các thông số ệt độ ủa môi trườ ạ ự ồ ằ
nhi c ng t i khu v c tr ng rau b ng
phương pháp thủ ồ ằng phương pháp giá thể
y canh, tr ng rau b và khu tr ng dâu tây.
ồ
+ Các nút c m bi n ph ng và d c t khu
ả ế ải có tính linh độ ễ dàng thay đổi đượ ừ
vực này sang khu v c khác.
ự
+ Giá tr nhi ph i hi n th
ị ệt độ ả ể ị đượ ện máy tính để ễ
c trên giao di d dàng theo
dõi và giám sát.

32
2.2. T t k
hiế ế ầ ứ
ph n c ng
2.2.1. Sơ đồ i c
khố ủa các nút trong mạng
KHỐI ĐIỀU KHIỂN
KHỐI CẢM BIẾN
KHỐI NGUỒN
KHỐI THU PHÁT
VÔ TUYẾN
MODULE XBEE
Hình 2.3 i ghép n i ph n c ng c a nút router và end device.
. Sơ đồ khố ố ầ ứ ủ
 Khố ả
i c m bi n:
ế Có nhi m v i tín hi (là s
ệ ụ chuyển đổ ệu tương tự ự thay đổi
của nhiệt độ) thành tín hiệu điệ ở đầu ra được đưa vào khố
n i điều khiển của module
XBee.
 Khối điều khi n và kh i thu phát vô tuy
ể ố ến: Hai kh c tích h
ối này đượ ợp
chung trong m t module s d ng module XBee c c u hình thành
ộ ử ụ . Module này đượ ấ
các router ho c end device có ch lý tín hi u nh c t c m bi n. Sau
ặ ức năng xử ệ ận đượ ừ ả ế
đó, ử ữ ệ ệt độ đế ặ
g i d li u nhi n các router ho c coordinator.
 Khố ồ
i ngu n: Có chức năng cung cấp ngu n nuôi cho các thi t b . M s
ồ ế ị ạch ử
d ng ngu n c chuy n t
ụ ồ nuôi 3.3V đượ ể ừ ngu n pin AA.
ồ

33
KHỐI ĐIỀU KHIỂN
(Arduino Nano)
KHỐI THU PHÁT
VÔ TUYẾN
Khối nguồn
Hình 2.4 i ghép n i ph n c ng c a nút coordinator.
. Sơ đồ khố ố ầ ứ ủ
 Khối thu phát vô tuy n:
ế S d ng module c c u hình là
ử ụ XBee đượ ấ
coordinator có chức năng chuyển các gói d u nh c t c nút router và end
ữ liệ ận đượ ừ cá
device c nh d ng theo chu n API ] vào cho kh u khi n.
sau khi đã đượ đị ạ ẩ [8 ối điề ể
 Khối điề ể
u khi n: S d ng Arduino uno có ch
ử ụ ức năng x lý các gói d
ử ữ liệu
nh c t coordinator tính toán và g giá tr nhi c a các nút lên
ận đượ ừ . Sau đó ửi ị ệt độ ủ
máy tính s d ng chu n truy n thông n i ti p (UART) giao ti p v i dùng.
ử ụ ẩ ề ố ế để ế ới ngườ
2.2.2. Sơ đồ nguyên lý
D a vào c phân tích c t k nguyên lý
ự việ sơ đồ khối ta đưa ra đượ thiế ế sơ đồ
cho các nút c m bi n trong m
ả ế ạng như sau:
Hình 2.5 nguyên lý c a các nút router và end device.
. Sơ đồ ủ

34
Trong sơ đồ nguyên lý trên ngu n c p cho m s d ng hai qu pin AA
ồ ấ ạch ử ụ ả
m c n i ti p, v
ắ ố ế ớ ỗ ả ố ộ ển đổ
i m i qu pin có thông s là 3.6V và 1200 mAh. Qua b chuy i
điện áp để ạo ra điệ ồ
t n áp ngu n nuôi là 3.3V cung c p cho c m bi n, module
ấ ả ế XBee
và các đèn led báo trạ ả ế ệt độ đượ
ng thái. C m bi n nhi TMP 36 c ghép n i v i module
ố ớ
XBee qua chân AD3 (ADC 3). Led D1, D2, D3 đượ ố ớ ủ
c n i v i chân 6, 13, 15 c a
XBee có tác d ng thông báo tr ng thái c a ch s tín hi u khi led D1 sáng,
ụ ạ ủ ỉ ố cường độ ệ
led D2 sáng có nghĩa là XBee đã có nguồ ứ ỉnh, led D3 sáng nghĩa là
n và nó th c t
XBee đang tìm kiếm m t m ng và nó sáng nh t n i vào c
ộ ạ ấp nháy khi nó đa kế ố đượ
m t m ng.
ộ ạ
Hình 2.6. Mạ ầ ứ ủ
ch ph n c ng c a các nút router và end device sau khi hoàn thành.
Hình 2.7 m nguyên lý nút coordinator.
. Sơ đồ ạch

35
Trong nút coordinator module c ghép n i v i arduino nano thông
XBee đượ ố ớ
qua hai chân TxD i v i chân 3 c ) và RxD i v i chân 2 c ).
(nố ớ ủa XBee (nố ớ ủa XBee Ở
bài toán này chân TxD c c s d n d u xu ng
ủa Arduino không đượ ử ụng để truyề ữ liệ ố
cho XBee c s d
mà nó đượ ử ụng để ề ữ ệ
truy n d li u lên máy tính thông qua c ng
ổ
UART theo chu n USB trên arduino .
ẩ nano như hình dưới đây
Hình 2.8. Mạ ầ ứ ủ
ch ph n c ng c a nút coordinator sau khi hoàn thành.
2.2.3. Gi i thi u các linh ki
ớ ệ ện đượ ử ụ
c s d ng
2.2.3.1. Module XBee ZB
 Thông s k thu
ố ỹ ậ ủ
t c a module Series 2
XBee
Module XBee ZB series 2 s d ng m t vi m ch t Ember Networks cái mà
ử ụ ộ ạ ừ
cho phép vài tiêu chu n khác nhau d a vào k t n i m ZigBee
ẩ ự ế ố ạng lưới . Kế ố
t n i mạng
lướ ủ ệ ạ
i là trung tâm c a vi c t o ra các mạng lướ ạ ẽ ệ ố
i m nh m , h th ng cái mà có thể
sinh ra r t nhi u b d u phong phú ho c h
ấ ề ộ ữ liệ ặ ỗ trợ tương tác phúc tạ ủ
p quy mô c a
con người. Trong đề ẽ ử ụng độ ầ ứ
tài này s s d c ph n c ng module ZB series 2.
XBee

36
Hình 2.9. Module ZB Series 2.
XBee
M t s m k t c a module ZB series 2:
ộ ố đặc điể ỹ thuậ ủ XBee
+ C ly truy n thông trong nhà lên t i 40m.
ự ề ớ
+ C ly truy n ngoài tr i lên t i 120m.
ự ề ờ ớ
+ Công su t truy .
ấ ền đi là 2mW
+ T n d u RF là 250.000 bps.
ốc độ truyề ữ liệ
+ T d u giao ti p nh n n i ti p lên t
ốc độ ữ liệ ế ậ ố ế ới 3500 bps.
+ Độ ạ
nh y thu là -96dBm (1% t l gói l .
ỷ ệ ỗi)
+ Ngu n cung c p 2.1-3.6V.
ồ ấ
+ ITruy n
ề 40mA 3.3V.
–
+ INhận 40mA 3.3V.
–
+ Itrạ ỉ
ng thái ngh : 15 mA.
+ S d
ử ụng băng ầ
t n: ISM 2.4 GHz.
+ H c u trúc liên k t m
ỗ trợ ấ ế ạng: Point to Point, Point to MultiPoint, peer to
peer, Mesh.
+ Module l p trình XBee series 2 c trang b m t b x lý ng d ng
ậ ZB đượ ị ộ ộ ử ứ ụ
MC9S08QE32 vớ ộ ớ
i 32 KB b nh Flash và 2 KB RAM.
+ Module series 2 có 20 chân và ch
XBee ức năng của các chân như sau:

37
 Đị ế
nh tuy n gói tin RF s d ng trong module
ử ụ XBee
a) nh tuy n m
Đị ế ạng lưới AODV
ZigBee dùng đị ế
nh tuy n mạng lưới để ế ậ ộ ến đườ
thi t l p m t tuy ng gi a thi t b
ữ ế ị
ngu n và thi t b nh tuy n m i cho phép các gói tin d
ồ ế ị đích. Đị ế ạng lướ ữ liệu đi qua
nhi u nút (nhi c nh y) trong m m ng d u t m t ngu
ề ều bướ ả ột ạng để tuyến đườ ữ liệ ừ ộ ồn
t i m ng Router và Coordinator có th tham gia trong thi t l p các tuy
ớ ột đích. Nhữ ể ế ậ ến
đườ ữ ế ị
ng gi a thi t b ngu n và thi t b d ng m t quá trình g i là khám phá
ồ ế ị đích sử ụ ộ ọ
đường đi. Quá trình khám phá đường đi là dự ứ
a trên giao th c AODV .
[8]

38
Hình 2.10. Mộ ề ẫn đơn trong mạng lướ
t truy n d i.
 Thuật toán định tuy n AODV (
ế Ad-hoc On-demand Distance Vector)
Đị ế ứ ự ệ ằ
nh tuy n trên giao th c AODV thì th c hi n b ng cách s d ng các b ng
ử ụ ả
trong m c nh y ti p theo (nút trung gian gi a ngu n và
ỗi nút cái mà lưu trữ các bướ ả ế ữ ồ
các nút đích) cho một nút đích. Nếu một bướ ả ế ế
c nh y ti p theo là không bi t, khám
phám đường đi phả ễ ợ ệ để
i di n ra h p l tìm ra m ng. Vì ch có gi i h n m
ột con đườ ỉ ớ ạ ột
s các tuy ng có th trên m
ố ến đườ ể lưu trữ ột Router, khám phá tuy ng s di n ra
ến đườ ẽ ễ
thường xuyên hơn trên một mạ ớ ớ ạ ữ ề
ng l n v i thông tin liên l c gi a nhi u nút khác
nhau.
Khi m t nút ngu n ph i tìm ra m t tuy
ộ ồ ả ộ ến đường để đế ột nút đích, nó gử
n m i
m t qu ng bá l nh yêu c nh yêu c
ộ ả ệ ầu đường đi. Lệ ầu đường đi bao gồm đị ỉ ạ
a ch m ng
ngu a ch m ng chi phí tuy ng (m
ồn, đị ỉ ạng đích và một trườ ến đườ ột thước đo cho
việc đo lườ ất lượ ến đường). Như các lệ ầu đường đi thì lan
ng ch ng tuy nh yêu c

39
truyề ạ
n qua m ng, m ng bá l i tin nh n c p nh
ỗi nút đó quả ạ ắ ậ ập trường chi phí đường đi
và t o ra m t m
ạ ộ ụ ạ ờ
c t m th i trong trong bảng khám phám đường đi của nó.
Hình 2.11. Yêu cầu đường đi mẫu truyền khi R3 đang thử tìm ra một tuyến đường tới R6.
Khi nút đích nhậ ộ ầu đường đi, nó so sánh trường “chi phí đườ
n m t yêu c ng
đi” ngượ ại trước đây nhậ ữ ệ ầu đường đi. Nếu chi phí đường đi
c l n nh ng l nh yêu c
lưu trữ ầ ến đườ ốt hơn so vớ ấ ỳ ớc đây nhận, nút đích
trong yêu c u tuy ng là t i b t k trư
s n m gói tuy ng tr l n các nút ngu n g c mà có yêu c ng
ẽ truyề ột ến đườ ả ời đế ồ ố ầu đườ
đi. Các nút trung gian tiế ậ
p nh n và chuy n ti p gói tin tuy ng tr l n nút
ể ế ến đườ ả ời đế
ngu n (nút mà yêu c
ồ ầu đường đi).
Hình 2.12. Tr l i tuy ng m u khi R6 g i m t tuy ng tr l i t i R3.
ả ờ ến đườ ẫ ử ộ ến đườ ả ờ ớ

40
 Thử ạ
l i và xác nh n
ậ
ZigBee bao gồm các gói xác nh n t i c l p MAC và l p h ng d ng.
ậ ạ ả ớ ớ ỗ trợ ứ ụ
Khi d u truy n n m t thi t b t xa, nó có th c nh
ữ liệ ề đế ộ ế ị ừ ể đi qua nhiều bướ ảy để đạt
t c truy n t m n hàng xóm c a nó, m t gói xác nh n
ới đích. Khi dữ liệu đượ ề ừ ột nút đế ủ ộ ậ
(Ack) thì truy c l cho bi t r ng vi c truy n t c nh
ền theo hướng ngượ ại để ế ằ ệ ề ải đã đượ ận
thành công. N u Ack không nh c, thi t b n s n l i d u, lên t i 4
ế ận đượ ế ị truyề ẽ truyề ạ ữ liệ ớ
lần. Ack này thì đượ ọ ậ ớ
c g i là xác nh n l p MAC.
Ngoài ra, thi t b cái mà ngu n g c truy n d n hy v ng s nh n m t gói tin
ế ị ồ ố ề ẫ ọ ẽ ậ ộ
xác nh n (Ack) t t b ng cái mà d
ậ ừ thiế ị đích. Ack này sẽ đi qua cùng một con đườ ữ
liệu đi qua, nhưng theo hướng ngượ ạ ếu ngườ
c l i. N i kh i t o không nh c Ack
ở ạ ận đượ
này, nó s n l i d n 2 l n ch khi m t xung Ack là nh c. Ack
ẽ truyề ạ ữ liệu, lên đế ầ ỉ ộ ận đượ
này được gọ ậ ớ
i là xác nh n l p APS ZigBee.
b) Định tuy n many-
ế to-one
Trong mạng nơi nhiề ế ị ả ử ữ ệu đế ộ ế ị
u thi t b ph i g i d li n m t thi t b trung tâm
thu
ho c m t thi t b gateway. N u m i thi t b trong m n ra m ng
ặ ộ ế ị ế ỗ ế ị ạng đã phát hiệ ột đườ
đi trước khi nó có th g i d n t b nh n d u, m
ể ử ữ liệu đế thiế ị ậ ữ liệ ạ ể ễ ở
ng có th d dàng tr
nên b ng p v i nh ng thông báo khám phá ra tuy ng qu ng bá.
ị ậ ớ ữ ến đườ ả
Đị ế ộ ự ối ưu hóa cho các loạ ạng. Thay vì đòi
nh tuy n many to one là m t s t i m
h i m i thi t b phát hi
ỏ ỗ ế ị ện ra đường đi riêng củ ộ ỉ ộ ề ẫ
a nó, m t và ch m t truy n d n
qu ng bá many- -one là g i t t b thu d thi t l p nh ng tuy ng
ả to ử ừ thiế ị ữ liệu để ế ậ ữ ến đườ
ngượ ạ ấ ả ế ị. Điều này đượ ể ệ ở hình bên dướ
c l i trên t t c các thi t b c th hi n i.
Hình 2.13 nh tuy n many one.
. Mô hình đị ế – to –

41
Phía bên trái cho th y nhi u qu ng bá các thi t b có th g i khi các nút t
ấ ề ả ế ị ể ử ạo
ra nh ng tuy ng riêng c a nó nh ng tuy ng tr l i t o ra b t b
ữ ến đườ ủ và ữ ến đườ ả ờ ạ ởi thiế ị
thu li
dữ ệ ả ấ ữ ợ ủa đị ế
u. Bên ph i cho th y nh ng l i ích c nh tuy n many- -
to one nơi một
qu ng bá duy nh t t o ra các tuy
ả ấ ạ ến đường ngượ ại để ậ ữ ệ ấ ả
c l thu th p d li u trên t t c
các Router.
Quả ộ ắ ầ ến đườ
ng bá many- -one là m
to t tin nh n yêu c u tuy ng v i m
ớ ục đích
tìm ra đị ỉ ế ập đị ỉ ủ ế ị ữ ệ ữ
a ch thi t l a ch c a thi t b d
thu li u. Nh ng thi t b
ế ị đó nhận được
yêu c u tuy ng này t o ra m t m
ầ ến đườ ạ ộ ụ ảng đị ế
c trong b nh tuy n many- -one
to , ngược
l t o ra m ng quay l t b thu d p ZigBee trên m
ại để ạ ột con đườ ại thiế ị ữ liệu. Ngăn xế ột
thiế ị ử ụ ị ử ất lượ
t b s d ng l ch s ch ng liên k t thông tin v m
ế ề ỗi hàng xóm để ự ọ
l a ch n
một hàng xóm đáng tin cậ ến đường ngượ ạ
y cho các tuy c l i.
Khi m t thi t b g i d n m t b thu d u và nó tìm ki m m
ộ ế ị ử ữ liệu đế ột thiế ị ữ liệ ế ột
tuyến đường trong bảng đị ế ủ ẽ ề ữ ệ
nh tuy n c a nó, nó s truy n d li u mà không bi u di
ể ễn
m t khám phá tuy ng. Yêu c u tuy ng many- - c g nh
ộ ến đườ ầ ến đườ to one nên đượ ửi đị
k c p nh p và làm m i các tuy
ỳ để ậ ậ ớ ến đường ngượ ạ
c l i trong mạng.
Nhữ ứ
ng ng dụng đó đòi hỏ ề ế ị ữ ệu cũng có thể ử ụ
i nhi u thi t b thu d li s d ng
đị ế ế ều hơn mộ ế ị ậ ữ ệ ử
nh tuy n many- -one. N
to u nhi t thi t b thu th p d li u g i mộ ả
t qu ng
bá many- -one, nh ng thi t b s t o ra m t m c trong b
to ữ ế ị ẽ ạ ộ ụ ảng đị ến ngượ ạ
nh tuy c l i
cho m p.
ỗi nhà sưu tậ
Trong firmware ZB, l nh AR thì s d cho phép qu ng bá many- -one
ệ ử ụng để ả to
trên m t thi t b . L
ộ ế ị ệ ế ậ ộ
nh AR thi t l p m t kho ng th i gian (ph m vi trong 10 giây
ả ờ ạ
đơn vị) để gử ề ả
i truy n qu ng bá many- -one.
to
c) Đị ế
nh tuy n source
Trong các ng d
ứ ụng nơi mộ ế ị ả ề ữ ệu đế ều điề ể
t thi t b ph i truy n d li n nhi u khi n
t nh tuy n AODV s yêu c u th
ừ xa, Đị ế ẽ ầ ực hi n m t khám phá tuy ng cho m
ệ ộ ến đườ ỗi
thi thi
ế ị đích để
t b ế ậ ộ ến đườ ế ều hơn các thiế ị đích thì có
t l p m t tuy ng. N u có nhi t b
các m c trong b
ụ ảng đị ế ậ ến đườ ẽ được ghi đè
nh tuy n. Thành l p các tuy ng AODV s
v i các tuy n ng m i gây nên nh ng khám phá tuy ng x ng
ớ ế đườ ớ ữ ến đườ ảy ra thườ
xuyên hơn. Điề ẫn đế
u này d n gói tin lớn hơn bị ễ ấ ạ
tr và hiêu su t m ng nghèo nàn.

42
Đị ế
nh tuy n ngu n ZigBee giúp gi i quy t nh ng v c l
ồ ả ế ữ ấn đề này. Ngượ ại để
đị ế one đó thiế ậ ững đườ g đi đị ế ừ ề ế ị đế
nh tuy n many- -
to t l p nh n nh tuy n t nhi u thi t b n
m t thi t b thu d nh tuy n ngu n cho phép các thi t b và
ộ ế ị ữ liệu, đị ế ồ ế ị thu được lưu trữ
xác đị ến đườ ề ừ
nh các tuy ng cho nhi u các nút t xa.
Để ử ụng đị ế
s d nh tuy n ngu n, m t thi t b ph i s d ng firmware API, và nó
ồ ộ ế ị ả ử ụ
ph i g i nh k qu ng bá yêu c u tuy ng many- -one (l t o ra
ả ử đị ỳ ả ầ ến đườ to ệnh AR) để ạ
m t tuy n nó trên t t c các thi t b . Khi thi t b t xa g i d u RF s
ộ ến đường đế ấ ả ế ị ế ị ừ ử ữ liệ ử
d ng m t tuy ng many- -one, h l u tiên g i m t truy n d n b n ghi
ụ ộ ến đườ to ọ ần đầ ử ộ ề ẫ ả
tuy m
ến đườ ề ẫ ả ến đườ ền điể
ng. Truy n d n b n ghi tuy ng là truy – điểm, d c theo
ọ
tuyến đường many- -one ch n t b d ng
to ỉ khi nó đi đế thiế ị thu ữ liệu. Như là tuyến đườ
bản ghi đi qua tuyến đườ ắn vào đị ỉ ủ ừ ế ị
ng many- -one, nó g
to a ch 16 bit c a t ng thi t b
trong tuyến đường vào t i tr ng RF. Khi b n ghi tuy
ả ọ ả ến đường đi đế ế ị ữ
n thi t b d
thu
liệ ồm có đị ỉ ủa ngườ
u, nó g a ch c i gửi và đị ỉ ủ
a ch 16 bit c a mỗi bướ ả
c nh y trong
tuy li
ến đườ ế ị ữ
ng. Thi t b thu d ệ ể lưu trữ thông tin đị ế ấ ạ
u có th nh tuy n và l y l i nó
sau này để ử ột gói tin được đị ế ồn đế ế ị ừ xa. Điều này đượ
g i m nh tuy n ngu n thi t b t c
th i:
ể hiên trong hình bên dướ
Hình 2.14. Mô hình đị ế
nh tuy n source.
 S ng API
ự hoạt độ
Truyền thông API là giao di n l p trình ng d ng d ng cho các
ệ ậ ứ ụng được ứ ụ
module nâng cao kh n thông, gi m xác xu t l i. Có th m r ng
XBee ả năng truyề ả ấ ỗ ể ở ộ

43
khung data tùy ý. Khi ho ng API t t c d u vào ra thông qua
ạt độ ở chế độ ấ ả ữ liệ XBee
đề ột khung xác đị ề
u có m nh. Truy n khung dữ u chân DI (pin3) bao g m:
liệ ở ồ
Khung truy n d u RF và khung n l nh (AT Command). Khung d
ề ữ liệ truyề ệ ữ liệu
nh n chân sô 2 DO bao g m: Khung d u nh n RF và l nh tr v
ậ ở ồ ữ liệ ậ ệ ả ề.
Chế độ API cho phép ho ng 2 ch :
XBee ạt độ ở ế độ [8]
AP=1: Ho ng API
ạt độ ở chế độ
AP=2: Ho ng API (v
ạt độ ở chế độ ới ký t thoát).
ự
B t k d u nh n t c khi b u ký t c âm th m b
ấ ỳ ữ liệ ậ rướ ắt đầ ự phân cách đượ ầ ỏ đi.
N u khung d
ế ữ u không nh c ho c checksum b l i thì d u âm th
liệ ận đượ ặ ị ỗ ữ liệ ầm được
b qua.
ỏ
a) dài c
Độ ủa khung
Trường độ ộ ị
dài có m t giá tr 2 byte cái mà ch rõ s byte mà s c ch
ỉ ố ẽ đượ ứa
đự ờ ữ ệ ồm trườ
ng trong trư ng d li u khung. Nó không bao g ng checksum.
b) Khung d u
ữ liệ
Khung d u c a khung d u UART t o thành m t c u trúc API c
ữ liệ ủ ữ liệ ạ ộ ấ ụ thể
như sau:
Hình 2.15. Khung d u UART và c u trúc API c .
ữ liệ ấ ụ thể
Khung d u bao g m khung cmdID (API - cmdData
ữ liệ ồ identifier) và khung
(Identifier- ). Module h nh
specific data XBee ỗ trợ ững khung API như sau:

44
B ng 3. Các khung API trong module
ả XBee
c) Checksum
Để ể
ki m tra toàn v n d u, m
ẹ ữ liệ ột checksum được tính toán và xác minh trên
d u không thoát.
ữ liệ
Để tính toán: không bao gồm phân tách và độ ấ ả
dài, thêm t t c các byte duy
trì ch khi 8 bit th p c a k t qu và tr k t qu v i 0xFF.
ỉ ấ ủ ế ả ừ ế ả ớ
Để xác minh: thêm t t c các byte (bao g
ấ ả ồm checksum nhưng không có
phân tách và độ ếu checksum là đúng, tổ
dài). N ng sẽ băng 0xFF.
Vì b tài này là thu th p giá tr nhi c a các nút c
ài toán đặt ra trong đề ậ ị ệt độ ủ ảm
bi n trong khu v
ế ực nông nghi p công ngh cao nên em l a ch n khung API có ki
ệ ệ ự ọ ểu
khung là: 0x92. C u trúc c a khung bao g c s d
ấ ủ ồm 22 byte đượ ử ụng, trong đó byte
đầ ắ đầ
u tiên là byte b t u có giá tr 0x7E, byte 2, 3 cho bi dài c a khung và giá tr
ị ết độ ủ ị
c a nó b ng 0x0014 (20 byte), byte 4 là ki u khung 0x92, 8 byte ti a ch
ủ ằ ể ếp theo là đị ỉ
64 bit c a thi t b ngu n (nút nh n), 2 byte ti a ch 16 bit c a nút g i.
ủ ế ị ồ ậ ếp theo là đị ỉ ủ ử
Byte 21, 22 là đọc giá tr ADC c a các chân analog trên module .
ị ủ XBee

45
Hình 2.16. C u trúc c a khung ch s
ấ ủ ỉ ố Rx m u d
ẫ ữ u IO ZigBee
liệ .
2.2.3.2. Arduino Nano
Arduino Nano là b n thu nh c a các b Uno R3 và các lo
ả ỏ ủ ản như Arduino ại
Arduino khác, Arduino Nano đượ ế ế để ử ụ ới breadboard nhưng vẫ
c thi t k s d ng v n
đầy đủ ức năng ạch điề ể vi điề ể
ch . Arduino Nano là board m u khi n d a
ự trên u khi n
ATmega328-AU, nh g , và ti n d ng khi s d ng v i breadboard. Nó
ỏ ọn, đầy đủ ệ ụ ử ụ ớ
g m có t t c
ồ ấ ả 30 chân trong đó có 14 chân I/O số (trong đó có 6 chân đ
có thể ược
s d ng là u ra PWM), 8 u vào t ng t , 1 UART (c ng n i ti p), s d ng
ử ụ đầ đầ ươ ự ổ ố ế ử ụ
dao độ ạ
ng th ch anh 16MHz, có k t n i USB và có n áp ghép n
ế ố điệ đầu ra 3.3V để ối
v i các IC ho c h ng s d
ớ ặ ệ thố ử ụng điệ ấ
n áp th p.

Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf

Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf

Similar to Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ Zigbee, Đặng Văn Ngọc.pdf