Ứng dụng mạng cảm biến zigbee cho smart home

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2022
ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên :

Khóa:2018-2023

Mã sinh viên: Lớp:.......................

Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hoá
Chuyên ngành: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện cơng nghiệp
1. Tên đề tài:
Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home
2. Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu
Chương I:Giới thiệu tổng quan nhà thông minh
Chương II:Giới thiệu về giao thức zigbee và lựa chọn thiết bị phần cứng
Chương III:Phân tích và thiết kế mạng zigbee cho nhà thông minh
Chương IV:Đánh giá kết quả
3. Tài liệu tham khảo dự kiến
[1] />[2] CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee

Applications User’s Guide.pdf
4. Ngày giao đề tài: Ngày 12 tháng 10 năm 2022
Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023
Trưởng khoa
(Ký và ghi rõ họ, tên)

Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ, tên)

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ THƠNG MINH...............................2
1.1.

Giới thiệt chung về mơ hình nhà thơng minh.......................................................2

1.2.

Các thành phần cơ bản của nhà thông minh.........................................................3

1.3. Phương hướng đề xuất thực hiện nhà thông minh.....................................................6
CHƯƠNG II:GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC ZIGBEE VÀ LỰC CHỌN THIẾT BỊ
PHẦN CỨNG CHO ZIGBEE...........................................................................................8
2.1.

Tổng quan về mạng..............................................................................................8

2.2.

Chuẩn giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4............................................................16

2.3.

Lựa chọn thiết bị phần cứng cho truyền thơng ZigBee......................................36

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠNG ZIGBEE CHO NHÀ THÔNG
MINH................................................................................................................................46

3.1.

Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................46

3.2.

Thiết kế phần cứng.............................................................................................47

3.3.

Thiết kế phần mềm.............................................................................................61

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..........................................................................71
4.1.

Khó khăn khi thực hiện......................................................................................71

4.2.

Cách giải quyết...................................................................................................71

4.3.

Kết quả đạt được.................................................................................................71

4.4.

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai........................................................72

KẾT LUẬN.......................................................................................................................74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................75


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 So sánh tính năng giữa ZigBee với các chuẩn không dây khác.........................11
Bảng 2.2 Zigbee Binding table..........................................................................................22
Bảng 2.3 APS Address map...............................................................................................23
Bảng 2.4 Cskip được tính tốn cho stack profile 0x01......................................................33
Bảng 2.5 So sánh các phương pháp tìm đường trong ZigBee...........................................35
Bảng 3.1: Thơng số điều khiển Arduino UNO R3............................................................47
Bảng 3.2. Chức năng các chân của LCD...........................................................................53
Bảng 3.3: Các thông số của Module RFID RC522............................................................58


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Điều khiển hệ thống đèn bằng smartphone..........................................................2
Hình 1.2.Sơ đồ khối mơ hình Smarthome...........................................................................7
Hình 2.1 Cấu trúc liên kết trong mạng ZigBee..................................................................12
Hình 2.2 Cấu trúc mạng hình sao......................................................................................13
Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình cây......................................................................................13
Hình 2.4 Cấu trúc mạng Mesh...........................................................................................14
Hình 2.5 Một ví dụ mở rộng mạng Mesh..........................................................................14
Hình 2.6 Kết nối mạng Mesh trong ZigBee.......................................................................16
Hình 2.7 Mơ hình giao thức của Zigbee............................................................................17
Hình 2.8 Sơ đồ Stack của lớp ứng dụng............................................................................19
Hình 2.9 Cơ chế tự động gửi lại của lớp APS...................................................................21
Hình 2.10 Mã hóa dùng khóa đối xứng trong mạng ZigBee.............................................24
Hình 2.11 Vị trí của ZDO..................................................................................................25
Hình 2.12 Q trình ZigBee tạo mạng...............................................................................28
Hình 2.13 Quá trình ZigBee tham gia mạng......................................................................30

Hình 2.14 Gán địa chỉ Cskip trong cây đối xứng..............................................................34
Hình 2.15 Module Zigbee XCore2530..............................................................................37
Hình 2.16 CC253x Block Diagram....................................................................................38
Hình 2.17 Mạch đế ZB502................................................................................................41
Hình 2.18 Kết nối CC Debugger với ZB502 và XCore2530.............................................41
Hình 2.19 Phần mềm Flash Programmer nạp chương trình qua CC Debugger.................42
Hình 2.20 Kết nối ZB502 với XCore2530 và máy tính.....................................................42
Hình 2.21 Phần mềm SerialBootTool để nạp chương trình cấu hình cho XCore2530......43
Hình 2.22 Cấu trúc của mạng ZigBee đơn giản dùng trong đồ án nhà thơng minh..........45
Hình 3.1.Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................46
Hình 3.2. Arduino UNO R3(nguồn:Internet).....................................................................47
Hình 3.3. Các cổng ra/vào các chân digital của Arduino UNO(nguồn:Internet)...............49
Hình 3.4. Arduino Mega2560............................................................................................50
Hình 3.5.Sơ đồ chân của Adruino Mega2560....................................................................51
Hình 3.6. Sơ đồ chân LCD1602.........................................................................................52


Hình 3.7. Hình ảnh thục tế khi hàn I2C và LCD1602.......................................................54
Hình 3.8. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.....................................................................55
Hình 3.9. Sơ đồ đấu dây giữa Arduino Mega 2560 và DHT11.........................................55
Hình 3.10.Cảm biến PIR....................................................................................................56
Hình 3.11.Module cảm biến khí ga MQ-2.........................................................................57
Hình 3.12.Module hạ áp 12V DC......................................................................................57
Hình 3.13.Module RFID RC522 (nguồn:Internet)............................................................58
Hình 3.14.thiết kế phần cứng cửa ra vào...........................................................................59
Hình 3.15.thiết kế phần cứng phịng khách.......................................................................59
Hình 3.16.thiết kế phần cứng phịng bếp...........................................................................60
Hình 3.17.thiết kế phần cứng phịng ngủ...........................................................................60
Hình 3.18. Mở cơng cụ Qt Designer..................................................................................63
Hình 3.19. Giao diện thiết kế của Qt Designer..................................................................64

Hình 3.20. Cấu trúc của một chương trình Python cho giao diện PyQt............................65
Hình 3.21. Lưu đồ thuật tốn cửa ra/vào...........................................................................66
Hình 3.22. Lưu đồ thuật tốn ON/OFF đèn , quạt.............................................................76
Hình 3.23. Lưu đồ thuật tốn hiển thị giá trị nhiệt độ ,độ ẩm............................................69
Hình 3.24. Lưu đồ thuật cảm biến PIR..............................................................................69
Hình 3.25. Lưu đồ thuật tốn báo cháy..............................................................................70
Hình 4.1.Giao diên trung tâm............................................................................................72
Hình 4.2.Mơ hình Smarthome...........................................................................................72


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

LỜI NĨI ĐẦU
Sự phát triển của các tiện ích trong nhà thông minh đã là xu hướng phát triển trong
nhịp sống của cuộc sống hiện đại nhất là tại các khu đơ thị tại các thành phố lớn. Đó là sự
phát triển theo nhu cầu của con người khi mà nhịp sống xã hội ngày càng bận rộn, sự quá
tải trong các bệnh viện, nhu cầu dành thêm thời gian cho gia đình, người thân, chăm sóc
sức khỏe, và đối mặt với áp lực cao trong những ngành công nghiệp địi hỏi cường độ
cơng việc lao động trí óc lớn, càng làm cho nhu cầu về các tiện ích của các căn nhà tăng
lên.
Theo VTV24, ngày 16/10/2018, và theo thống kê của Statista,thị trường nhà thông
minh của Việt Nam tính đến tháng 4/2018 đã đạt doanh thu khoảng 45 triệu USD, xếp thứ
45 trong bảng xếp hạng nhà thông minh tồn cầu.
Sự phát triển của IoT và cơng nghệ 4.0 đã giúp kéo giảm chi phí lắp đặt nhà thơng
minh và từ đó đối tượng khách hàng cũng được mở rộng hơn.
Hãng tư vấn quản lý toàn cầu AT dự báo, với tốc độ tăng trưởng như hiện nay,
doanh thu từ cung cấp kết nối cho thị trường smarthome có thể đạt 115 tỷ USD vào năm
2030.
Tại Việt Nam hiện nay đã xuất hiện nhiều những khu biệt thự, khu chung cư cao
cấp trang bị các tiện ích Smart Home như: VinHome, biệt thự Ngọc Thụy – Long Biên,

chung cư Green Park, Sunshine Villas của Sunshine Group, Saigon Riverside Complex,
Times City, Royal City, VinHomes Ocean Park, …. Các nhà cung cấp Smart-Home uy tín
hiện nay tại Việt Nam như: BKAV, Lumi, ACIS. Với các tiện ích cơng nghệ trong
Smart-Home hiện nay như:
+ Kết nối các thiết bị điện trong nhà thành một hệ thống mạng có thể điều khiển
như hệ thống đèn chiếu sáng, điều hòa nhiệt độ, tivi, âm thanh, khóa cửa, bình nóng lạnh,
hệ thống an ninh. Chủ nhân ngơi nhà có thể điều khiển qua máy tính bảng hoặc điện thoại
thơng minh.
+ Áp dụng cơng nghệ nhận dạng và điều khiển thiết bị qua giọng nói, để giúp
người sử dụng giọng nói điều khiển được thiết bị trong nhà, mở cửa căn hộ bằng giọng
nói.
+ Cơng nghệ nhận diện khuôn mặt để mở cửa, ….
Trên cơ sở kiến thức đã học và kiến thức thực tiễn em đã quyết định thực hiện đề
tài:’’ Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home” với mục đích nghiên cứu mạng
1


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

zigbee giám sát và điều khiển các thiết bị trong mơ hình nhà thơnh minh.Từ đó có thể
nắm vững và làm chủ được mạng zigbee có thể áp dụng được vào thực tế mang đến
những tiện ích thiết thực nhất.

2


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH
1.1.

Giới thiệt chung về mơ hình nhà thơng minh

Nhà thơng minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc
Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển
hoặc tự động hố hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số
thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua
bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một
giao diện web.Trong nhà thơng minh, đồ dùng trong nhà từ phịng ngủ, phịng khách đều
gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện thoại di động, cho phép
chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch..
Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được
điều khiển và giám sát từ xa.Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà
và chủ nhân của nó rất nhiều lợi ích.
Lợi ích 1: Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng và thiết bị điện
(Appliance and Lighting Control) hình 1. 1 điều khiển hệ thống đèn bằng smartphone Một
lợi ích nữa của home automation đó là tăng thêm sự an tồn cho gia đình và ngơi nhà. Bạn
có thể kiểm sốt các thiết bị điện dù nhỏ và cả việc chiếu sáng, bằng một cái chạm nhẹ
đầu ngón tay vào thiết bị cơng nghệ u thích của bạn. Khơng chỉ tiết kiệm tiền điện cho
bạn thông qua việc tự động tắt khi khơng có người, lighting control cịn có thể tự động bắt
tắt đèn theo chu kỳ để đánh lừa kẻ xấu tưởng bạn vẫn có nhà. Điều này làm tăng thêm độ
an tồn và an ninh cho nhà bạn.

Hình 1.1. Điều khiển hệ thống đèn bằng smartphone
Lợi ích 2: Gia tăng quan sát thông qua camera an ninh:Chúng ta không thể có mặt
ở mọi nơi cùng lúc. Điều này khiến chúng ta thường bỏ lỡ nhiều việc đang diễn ra, có lẽ
với ngay cả trong nhà hay sân vườn mình. Với hệ thống tự động hóa nhà thơng minh, có
3

ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

thể dễ dàng quan sát thấy việc đang diễn ra.. Các camera an ninh sẽ gia tăng độ an tồn
cho gia đình bằng cách ghi nhận lại các hình ảnh khi nó phát hiện có chuyển động hoặc tự
động ghi hình tại một thời điểm nhất định nào đó trong ngày.
Lợi ích 3: Gia tăng tiện nghi thơng qua việc hiệu chỉnh nhiệt độ điều hịa
Thường thì chúng ta rời nhà sớm đi làm vào buổi sáng và quên chỉnh lại nhiệt độ
của bộ điều chỉnh nhiệt (thermostat). Kết quả là khi về nhà chúng ta sẽ thấy hoặc là q
nóng hoặc q lạnh. Với hệ thống nhà thơng minh, có thể chỉ cần đơn giản điều chỉnh
nhiệt độ sẵn từ xa một vài giờ trước khi về đến nhà. Điều này còn giúp tiết kiệm tiền, tiết
kiệm năng lượng
Lợi ích 4: Tiết kiệm thời gian. Dễ dàng tiết kiệm được các khoảng thời gian quý
báu và dành hiệu năng tốt hơn cho cơng việc.
Lợi ích 5: Tiết kiệm tiền và gia tăng tiện nghi như vừa đề cập trên, hệ thống home
automation giúp bạn tiết kiệm tiền.
1.2.

Các thành phần cơ bản của nhà thông minh

1.2.1. Hệ thống quản lí chiếu sáng
Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang trí…được
sử dụng rất nhiều. Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng khơng hợp lý sẽ dẫn tới bị “ơ nhiễm”
ánh sáng. Ngồi ra, việc chiếu sáng như vậy cịn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị.
Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia chủ sẽ gặp những bất tiện
trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp.
Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ được
tách riêng ra để điều khiển độc lập. Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ thống và giúp
gia chủ điều khiển dễ dàng hơn. Các giải pháp kết hợp sẽ được tính đến để tự động hóa tới
mức tối đa.
Các thiết kế đèn sẽ được thiết kế sao cho phù hợp với kết cấu, thẩm mỹ của ngôi

nhà. Với nhiều loại bóng đèn chất lượng cao, nhà của bạn sẽ rất khác biệt từ trong ra
ngoài. Hệ thống chiếu sáng thông minh đem đến đẳng cấp mới, sự sang trọng cho ngôi
nhà.
Hệ thống chiếu sáng thông minh được nghiên cứu và lắp đặt thành một hệ thống,
nên chúng sẽ đảm bảo được an tồn, khơng gây ra cháy nổ. Việc sử dụng thì rất đơn giản,
khơng làm xấu tường, kết hợp với cấu trúc căn nhà tạo nên một vẻ đẹp hồn mỹ, sang
trọng. Bạn có thể dễ dàng điều khiển bật và tắt đèn trong hệ thống dù không ở trong nhà,
chỉ việc sử dụng remote hoặc thiết bị kết nối như điện thoại, máy tính, máy tính bảng để
điều khiển từ xa. Và mọi thứ thì hồn toàn dễ dàng để sử dụng và điều khiển.
4


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

1.2.2. Hệ thống an ninh cảnh báo
Hệ thống an ninh được nhà sản xuất thiết kế thành nhiều vòng bảo mật.
An ninh vịng ngồi: Các khu vực cổng, tường rào được lắp đặt thiết bị cảnh báo
chuyên dụng, khi phát hiện đột nhập trái phép, lập tức đèn sân vườn bật sáng, đèn chớp
nháy liên hội để đánh động đối tượng và phát âm thanh cảnh báo mức 1 tại hệ thống âm
thanh trong nhà, đồng thời gửi cảnh báo tin nhắn cho chủ nhà.
An ninh vòng trong: Khi đối tượng tiếp tục đột nhập vào vòng trong như cửa, cửa
sổ, ban cơng… lập tức cịi hú kích hoạt, báo động cho mọi người xung quanh, đèn toàn
nhà bật sáng, hệ thống gửi tin nhắn báo động cho chủ nhà.
Cảnh báo cháy, khí gas: Cảm biến được lắp đặt tại garage, phịng bếp… khi xảy ra
cháy, chng báo cháy kêu liên tục trong 5 phút, hệ thống nhắn tin cho chủ nhà, sau 5
phút khơng có người ngắt báo cháy thì hệ thống tự động ngắt điện tồn nhà nhằm tránh
chập cháy lan truyền. Hệ thống camera quan sát được lắp đặt tại toàn bộ các khu vực
trọng điểm như: tường rào, cổng, tiền sảnh…
Sử dụng công nghệ camera giám sát độ phân giải cao, full HD cho chất lượng hình
ảnh rõ nét cao nhất. Ứng dụng giải pháp truyền dẫn và phân phối tín hiệu HD, đảm bảo

hình ảnh từ camera HD được đưa tới toàn bộ tivi trong nhà với chất lượng khơng đổi.
‒
‒
‒
‒
‒

Thiết kế – tích hợp chuyên nghiệp.
Hệ thống đảm bảo hoạt động 24/24 kể cả khi mất điện.
Kích hoạt an ninh bằng điều khiển từ xa hoặc bằng tin nhắn SMS.
Cảnh báo chi tiết bằng tin nhắn SMS.
Giám sát nhà từ xa qua mạng internet

1.2.3. Hệ thống rèm và cửa tự động thông minh
Sự tiện nghi hữu ích của hệ thống rèm điện đã khiến nó có mặt trong hầu hết thiết
kế điện của mọi ngôi nhà. Với duy nhất một chiếc điều khiển từ xa hoặc từ iPhone, iPad
bạn có thể đóng mở từng rèm hoặc tồn bộ mọi rèm trong căn phịng.
Việc lập trình tự động hệ thống rèm sẽ tạo ra những bối cảnh thú vị, chẳng hạn bối
cảnh báo thức: Đúng 7h sáng rèm cửa tự động kéo ra đón ánh nắng đầu tiên của ngày,
nhạc nhẹ nhàng du dương bật lên đánh thức bạn dậy.
Sự kết hợp giữa trạm thời tiết với hệ thống rèm của thông minh cũng tạo nên tính
năng tự động hữu ích như: Nắng chiếu hướng nào, rèm đóng hướng đó. Mùa đơng rèm
được kéo lên để đón nắng ấm và ánh sáng. Mùa hè rèm đóng che hướng nắng, tránh nóng
cho ngơi nhà và tiết kiệm điện cho hệ thống điều hòa.

5


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

Ngồi rèm điện, chúng ta có thể can thiệp điều khiển nhiều thiết bị gắn động cơ
tương tự như: Màn chiếu, thang nâng hạ máy chiếu, mái hiên trượt, cửa sổ, cửa cuốn, cửa
tự động… Các thiết bị này có thể hoạt động theo lệnh của chủ nhà hoặc làm việc tự động
theo trạm thời tiết.
1.2.4. Hệ thống âm thanh và giải trí đa phương tiện
Giải pháp hệ thống âm thanh trong nhà thơng minh giúp bạn có thể tiết kiệm rất
nhiều thời gian giải trí, quản lý và bảo trì hệ thống âm thanh. Với cùng một nguồn nhạc
bạn có thể thưởng thức âm nhạc độc lập tại nhiều khu vực riêng biệt. Với khả năng thiết
kế linh hoạt, hệ thống cho phép bạn thưởng thức ca khúc u thích từ mọi vị trí trong nhà.
Ngồi việc hoạt động độc lập, hệ thống âm thanh đa vùng còn được tích hợp với hệ thống
điều khiển thơng minh để hoạt động theo lịch trình hoặc bối cảnh đặt trước.
1.2.5. Hệ thống điều khiển thông minh.
Hệ thống điều khiển của ngơi nhà được chia thành 3 hình thức: Điều khiển hoàn
toàn tự động, điều khiển bán tự động và điều khiển theo mệnh lệnh.
Ví dụ: Module điều khiển tự động được lập trình tuần tự theo thời gian thực ra lệnh bật
đèn cổng và tường rào lúc 19h và tắt lúc 24h, bật bơm tưới cây trong 15 phút, mở rèm và
mở nhạc báo thức buổi sáng, tự động điều khiển rèm cửa sổ theo thời tiết …
1.2.6. Hệ thống điều hịa, thơng gió tự động thơng minh
Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí trong không gian trong
nhà. Với một nút điều khiển, nhiệt độ phòng cũng như ánh sáng, rèm cửa sẽ được tự động
điều chỉnh về chế độ thích hợp cho từng mục đích sử dụng, hoặc điều hịa sẽ khơng bật
nếu cửa sổ phịng khơng mở… Tất cả đều như những gì người sử dụng mong muốn
nhằm mang lại lợi ích tối đa về năng lượng cũng như tuổi thọ thiết bị
1.2.7. Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng
Đối với một ngơi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số điện
nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước.
Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các thông số
điện, nước thường xuyên, kết hợp với bộ xử lý trung tâm và các hệ thống khác để tiết
kiệm năng lượng.
1.2.8. Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa

Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngơi nhà bình thường
là do nó được trang bị một hệ thống điều khiển và toàn bộ các thay đổi và điều khiển tự
động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống xử lý trung tâm. Nó có vai
trị quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ thống khác trong ngôi nhà lại với nhau, điều
6


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

phối của hệ thống chấp hành một cách nhịp nhàng theo các điều kiện tác động được lập
trình từ trước. Chúng ta gọi đó là các kịch bản – hay là các điều kiện môi trường trong
ngôi nhà. Gần đây với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) thì q trình điều khiển ngơi
nhà càng trở nên tinh vi hơn.
Một vài sự kết hợp tiêu biểu:
‒ Hệ thống chiếu sáng với hệ thống xử lý trung tâm có thể học và thực hiện theo thói
quen của người sử dụng. Hay các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động theo chu trình
thời gian đặt trước.
‒ Hệ thống chiếu sáng kết hợp với hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự động
điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi khơng có người trong phịng...
‒ Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra như cháy
nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng thời sẽ có tiếng
cịi báo hiệu.
‒ Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng lưu trữ
điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm bảo nguồn
cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày.
‒ Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem lại
những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình.
1.3. Phương hướng đề xuất thực hiện nhà thơng minh
‒ Hệ thống với khối trung tâm gồm arduino mega2560 + module zigbee + màn hình
hiển thị, điều khiển và 3 bộ arduino + module zigbee tương ướng với một căn

trung cư có 4 phịng: 2 phịng ngủ, 1 phịng khách và 1 phịng bếp
‒ Một số tính năng của mơ hình nhà thơng minh:
+
Cửa mở tự động qua ba phương thức: Quẹt thẻ, mật khẩu và nhận
diện bằng gương mặt
+
Bật tắt đèn khi ra vào bằng cảm biến PIR
+
Quan sát nhiệt độ ẩm phòng
+
Cảm biến khi gas và báo cháy

7


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

Hình 1.2.Sơ đồ khối mơ hình Smarthome

7


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

CHƯƠNG II:GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC ZIGBEE VÀ LỰC CHỌN
THIẾT BỊ PHẦN CỨNG CHO ZIGBEE
2.1.

Tổng quan về mạng

2.1.1. Vài nét về mạng không dây
Mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị
kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn mà không cần kết nối dây
thông thường.
Ưu điểm của mạng khơng dây so với mạng có dây truyền thống là việc cung
cấp tất cả các tính năng của cơng nghệ mạng LAN như ethernet và token ring mà
không bị giới hạn về dây dẫn. Sự thuận lợi đầu tiên của mạng khơng dây đó là tính
linh động. Mạng khơng dây tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa
các thiết bị có hỗ trợ trong khi không bị ràng buộc về khoảng cách và không gian
như mạng có dây thơng thường. Người dùng mạng khơng dây có thể truy nhập vào
mạng trong khi di chuyển đến bất cứ địa điểm nào trong phạm vi phủ sóng của
thiết bị tập trung (Access Point). Mạng không dây sử dụng sóng điện từ (sóng hồng
ngoại hoặc sóng vơ tuyến) để truyền nhận dữ liệu. Thơng thường thì sóng radio
(sóng vơ tuyến) được dùng phổ biến hơn vì truyền xa hơn, rộng hơn và có băng
thơng cao hơn.
Cơng nghệ khơng dây (Wireless) bao gồm các thiết bị và hệ thống phức tạp
như hệ thống WLAN (Wireless Local Area Network), điện thoại di động (Mobile
Phone) cho đến các thiết bị đơn giản như tai nghe không dây, microphone không
dây và nhiều thiết bị khác có khả năng truyền nhận và lưu trữ thông tin từ mạng.
Tuy nhiên, bên cạnh những thuận lợi nêu trên, mạng khơng dây vẫn cịn có
những điểm khơng thể thay thế được mạng có dây truyền thống. Tốc độ mạng
không dây bị phụ thuộc vào băng thông và thấp hơn mạng cố định vì mạng khơng
dây chuẩn phải xác nhận cẩn thận những khung bản tin (Frame) đã nhận để tránh
tình trạng mất dữ liệu. Bảo mật trên mạng không dây cũng là mối quan tâm hàng
đầu hiện nay vì bất kỳ ai trong phạm vi phủ sóng của thiết bị đều có khả năng truy
cập vào mạng và phạm vi phủ sóng cũng khơng có ranh giới rõ ràng nên việc quản
lý cịn gặp khó khăn.
Mạng khơng dây được chia thành 5 nhóm sau:
‒ WPAN (Wireless Personal Area Network): đại diện cho mạng cá nhân không dây
như là công nghệ Bluetooth, hồng ngoại, ZigBee.

8


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

‒ WLAN (Wireless Local Area Network): đại diện cho mạng cục bộ khơng dây theo
chuẩn IEEE 802.11, ví dụ Wifi. Chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa tầng vật lý và tầng
MAC cho một mạng nội bộ không dây.
‒ LPWAN (Low Power Wide Area Network): Mạng diện rộng công suất thấp. Ví
dụ: NB-IoT, SigFox, LoRaWAN (Long Range Wireless Area Network).
‒ WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): đại diện cho mạng diện rộng giữa
các vùng, thiết kế cho phạm vi thành phố, thị xã. Mạng MAN lớn hơn mạng LAN
nhưng nhỏ hơn mạng WAN, thường đóng vai trị kết nối 2 mạng LAN và WAN
với nhau hoặc kết nối giữa các mạng LAN.
‒ WWAN (Wireless Wide Area Network): đại diện cho công nghệ mạng diện rộng
như mạng điện thoại 2G, 3G, 4G, Global System for Mobile (GSM), Worldwide
Interoperability for Microwave Access (WIMAX).
2.1.2. Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)
WPAN là mạng cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông
tin trong những khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như mạng WLAN
(mạng cục bộ khơng dây) mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà khơng địi hỏi
nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải pháp kinh
tế, thiết bị nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao khi truyền nhận dữ liệu trong một
băng tần hẹp.
2.1.3. Sự phát triển của mạng WPAN
Trong những năm 80 của thế kỷ 20, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho
mạng WLAN (Wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu truyền dữ liệu
với tốc độ cao. Trong khi WLAN đề cập đến những vấn đề như tốc độ truyền tin,
lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m) thì WPAN lại
tập trung giải quyết bài toán truyền nhận dữ liệu trong phạm vi nhỏ hơn (khoảng

30m).
Tính năng của mạng WPAN là tiêu hao ít năng lượng, áp dụng trong vùng
khơng gian nhỏ. Chính vì thế mà nó tận dụng tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử
dụng lại kênh tần số, nhờ đó giải quyết được vấn đề hạn chế băng tần như hiện
nay. Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho mạng WPAN.
2.1.4. Phân loại các chuẩn mạng WPAN
IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, được phân biệt thông
qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ QoS (Quality
of Service)
WPAN tốc độ cao (Chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu
cầu QoS cao.
9


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

WPAN tốc độ trung bình (Chuẩn IEEE 802.15.1/Bluetooth) được sử dụng
trong các mạng điện thoại đến máy tính cá nhân, có QoS phù hợp với thơng tin
thoại
WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm
cơng nghiệp có giới hạn về thời hạn sử dụng pin, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi
mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS.
Trong chuẩn này thì zigbee chính là một ví dụ điển hình.
2.1.5. Khái quát về ZigBee/IEEE 802.15.4
a.

Khái niệm
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những
thông tin quan trọng với các thành viên khác trong cùng một tổ ong. Đó là kiểu
liên lạc “Zig- Zag” của lồi ong “honeyBee”. Tên ZigBee được hình thành từ việc

ghép hai chữ cái đầu với nhau.

b.

Đặc điểm
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều
khiển từ xa và tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc
độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết
định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công
nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công
suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian hoạt động bằng pin từ vài tháng đến
vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như bluetooth hay wifi. Một
điều nổi bật là ZigBee có thể áp dụng được cho các mạng mắt lưới (Mesh
Network). Các thiết bị không dây sử dụng cơng nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền
tin trong khoảng cách 10 – 75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất
phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz
(toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ + Nhật) và 20kbps ở dài tần 868MHz
(Châu Âu).

c.

Ưu điểm của ZigBee/IEEE
ZigBee ra đời dựa trên cơ sở của mạng truyền thơng khơng dây. ZigBee có
thể đáp ứng được các ứng dụng yêu cầu cao, phức tạp, khắc phục được các mặt hạn
chế của các công nghệ truyền thông không dây khác như tính năng tiết kiệm năng
lượng, khả năng thiết lập, mở rộng và quản lý mạng, truyền tin với độ bảo mật và
độ tin cậy cao, chi phí thấp. Dưới đây là bảng so sánh về đặc tính kỹ thuật giữa

10

ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

chuẩn ZigBee với các chuẩn truyền thông không dây hiện đang rất phổ biến trên
thị trường hiện nay, để thấy được các đặc tính nổi bật của chuẩn ZigBee.
Bảng 2.1 So sánh tính năng giữa ZigBee với các chuẩn không dây khác
ZigBee

Wifi

Tốc độ truyền
dữ liệu

20, 40 & 250
Kbits/s

11 & 54
Mbits/s

1 Mbits/s

Khoảng cách
hoạt động

10÷100m

50÷100 m

10m

<10m

2,4GHz

800÷900 MHz

Trung bình

Thấp

Tần số hoạt
động
Tiêu thụ năng
lượng

868MHz; 900÷928MHz;
2,4 & 5GHz
2,4GHz
Rất thấp

Cao

Bluetooth

IR Wireless
20÷115
Kbits/s, 4 & 16
Mbits/s

Một mạng ZigBee có những ưu điểm sau:
‒ Khả năng kết nối rộng, mở rộng nút mạng lên tới trên 65000 nút.
‒ Tiết kiệm năng lượng: Công suất sử dụng thấp. ZigBee sử dụng tín hiệu beacon để
quản lý việc truyền tin. Theo định kì, thiết bị chủ phát ra một tín hiệu gọi là beacon
tới các thiết bị con. Beacon này chứa thông tin về thời gian mà các thiết bị con sẽ
nhận beacon kế tiếp, nói một cách khác là chu kì của beacon. Sau khi nhận beacon,
thiết bị con sẽ “canh thời gian” để nhận beacon kế tiếp. Trong khoảng thời gian
chờ đó nó có thể làm việc khác hay chuyển sang chế độ ngủ, nhằm tiết kiệm năng
lượng.
‒ Bảo mật (Chuẩn mã hóa nâng cao kết hợp với lớp bảo mật): ZigBee được phát
triển với nhiều lớp bảo mật. Tại cấp bảo mật mạnh nhất, ZigBee sử dụng mã hóa
AES 128 bits.
‒ Đơn giản, dễ lắp đặt.
‒ Kết nối hệ thống nhanh: Thiết bị kết nối vào mạng trong vòng 30ms, tương đối
nhanh hơn so với wifi và bluetooth. Ngồi ra, ZigBee có thể tự thiết lập mạng.
‒ Hoạt động ổn định, chống nhiễu tốt.

11


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

2.1.6. Mạng ZigBee/IEEE802.15.4 LRWPAN
Đặc điểm chính của chuẩn ZigBee là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng,
và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp dụng
trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng…
a.

Phân loại

Theo chức năng:
‒ FFD (Full Function Device): là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức năng theo
chuẩn của IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất kỳ vai trò nào trong hệ thống.
‒ RFD (Reduced Function Device): là những thiết bị giới hạn một số chức năng.
RFDs chỉ giao tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng đơn giản.
‒ Theo vai trò trong mạng:
‒ ZigBee Coordinator (ZC): Trong một mạng chỉ tồn tại duy nhất một ZC. ZC có
chức năng khởi tạo, cấu hình thơng tin mạng. ZC hoạt động như một PAN
coordinator và là một thiết bị FFD. Nếu mạng hoạt động ở chế độ beacon, ZC
chính là thiết bị gửi tín hiệu beacon tới các ZR (ZigBee Router) để đồng bộ trạng
thái giữa các nút trong mạng.
‒ ZigBee Router (ZR): đóng vai trị chuyển tiếp thơng tin trong mạng hình lưới và
mạng hình cây. ZR cũng hoạt động như một thiết PAN coordinator và là một thiết
bị FFD.
‒ ZigBee End Device (ZED): là thiết bị cuối và không cho phép các thiết bị cuối
khác kết nối với nó. ZED khơng tham gia vào việc chuyển tiếp dữ liệu và chỉ là các
nút cảm biến/cơ cấu chấp hành. ZED có thể là thiết bị RFD.
b.

Cấu trúc liên kết mạng

Hình 2.1 Cấu trúc liên kết trong mạng ZigBee

12


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

Mạng hình sao (Star – topology): Đối với loại mạng này, một kết nối được
thành lập giữa các thiết bị cuối với một thiết bị điều khiển trung tâm được gọi là bộ

điều phối mạng PAN. Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên
một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao
đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID
(PAN Identifier), nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó
cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối (Coordinator). Tất cả mạng
nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN ID duy nhất, các nút trong mạng
PAN phải kết nối với PAN Coordinator.

Hình 2.2 Cấu trúc mạng hình sao
Mạng hình cây (Cluster tree - topology): Các nút mạng đa số là FFD và một
RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh.
Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín
đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này
có qui mơ phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này mặc dù có
thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN
coordinator).

Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình cây

13


ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home

Mạng hình lưới (Mesh - topology): Kiểu cấu trúc này cũng có một bộ điều
phối mạng PAN Coordinator. Ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết
nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của
thiết bị A.

Hình 2.4 Cấu trúc mạng Mesh

Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển,
mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo (cảnh báo cháy rừng…)

Hình 2.5 Một ví dụ mở rộng mạng Mesh
c.

Độ tin cậy của mạng ZigBee
Sự truyền thơng khơng dây có độ tin cậy khơng cao. Ta có thể lấy một ví dụ
cụ thể, đó là khi đang nghe điện thoại di động ở một môi trường rộng, thống, rồi
cầm vào một phịng kín, ta sẽ gặp sự cố bị ngắt cuộc gọi hoặc đường truyền yếu.
Đó là do sóng radio khơng thể chạy qua các vật cản, có thể bị chặn bởi kim loại,
14