Thiết kế mạng thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ Zigbee

Đồ án tốt nghiệp Mục Lục
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 i

MỤC LỤC
Nội Dung:
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU viii
CHƢƠNG 1: 1
Giới thiệu chung về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4 1
1.1. Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15. 1
1.2. Zigbee và IEEE 802.15.4: 3
1.3. So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 : 4
1.4. Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4: 5
1.5. Các thiết bị trong mạng: 7
1.6. Cấu hình mạng: 8
1.7. Kết luận chƣơng 1: 10
CHƢƠNG 2: 11
Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 11
2.1. Tổng quan mô hình chồng giao thức Zigbee: 11
2.2. Lớp vật lý – PHY: 13
2.3. Lớp MAC: 17
2.3.1. Phƣơng thức truy nhập CSMA-CA: 18
2.3.2. Hoạt động sử dụng cột mốc(becacon-enabled) và không sử dụng cột mốc
– cấu trúc siêu khung: 19
2.3.3. Phân bố liên khung(interframe spacing): 21
Đồ án tốt nghiệp Mục Lục
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 ii
2.3.4. Truyền dữ liệu: 22

2.3.5. Định dạng khung MAC: 24
2.4. Lớp mạng NWK: 26
2.4.1. Các phƣơng thức truyền tin: 27
2.4.2. Đặc điểm các cấu hình mạng: 29
2.4.3. Định tuyến nguồn: 32
2.5. Lớp ứng dụng APL: 34
2.6. Kết luận chƣơng 2: 36
CHƢƠNG 3: 39
Mô tả thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây ứng dụng chuẩn Zigbee/IEEE
802.15.4 39
3.1. Mô tả chung về ứng dụng: 39
3.2. Giới thiệu về giải pháp Zigbee sử dụng MSP430 và CC2420 của TI: 41
3.2.1. Giới thiệu về IC RF CC2420: 41
3.2.2. Vi điều khiển MSP430FG4618: 42
3.3. Mạch nguyên lý: 43
3.3.1. Thiết kế thiết bị đầu cuối: 43
3.3.2. Thiết kế bộ điều phối: 46
3.4. Phần mềm: 47
3.4.1. Gán địa chỉ mạng: 47
3.4.2. Tạo ràng buộc(binding): 49
3.4.3. Phần mềm cho bộ điều phối và thiết bị đầu cuối. 50
3.4.4. Phần mềm quản lý trên PC: 51
3.5. Kết luận chƣơng 3 và kết quả đạt đƣợc: 52
KẾT LUẬN 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,
giá thành và tốc độ dữ liệu…………………………………………………. 5
Hình 1.2.Các lớp trong chồng giao thức mạng Zigbee. …………………………… 6
Hình 1.3. Một mạng hình sao. ……………………………………………………… 9
Hình 1.4. Một mạng mắt lƣới phát triển từ mạng điểm-điểm. ………………………. 9
Hình 1.5. cấu hình hình cây. ………………………………………………………… 10
Hình 2.1. Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 ………………………… 11
Hình 2.2. Khái niệm primitive dịch vụ. …………………………………………… 13
Hình 2.3. Mô hình tham chiếu PHY IEEE 802.15.4 giao diện với lớp MAC……… 14
Hình 2.4. Phân bố kênh trên các băng tần.………………………………………… 15
Hình 2.5. Mô hình tham chiếu lớp MAC ………………………………………… 17
Hình 2.6. cấu trúc siêu khung……………………………………………………… 20
Hình 2.7. IFS trong 2 kịch bản ……………………………………………………… 21
Hình 2.8. Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng sử dụng cột mốc……… 22
Hình 2.9. Giao tiếp tới một bộ điều phối trong một mạng không sử dụng cột mốc. 23
Hình 2.10. Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng có sử dụng cột mốc… 23
Hình 2.11. Truyền dữ liệu từ một bộ điều phối trong mạng không sử dụng cột mốc. 24
Hình 2.12. (a)định dạng của khung MAC và (b) cấu trúc trƣờng Frame Control… 25
Hình 2.13. Giao diện giữa NWK với lớp MAC và APL…………………………… 26
Hình 2.14. Các kiểu phƣơng thức truyền tin (a) Broadcast, (b) Multicast , và (c)
Unicast…………………………………………………………………… 27
Hình 2.15. Multicast đƣợc khởi tạo bởi một thiết bị không phải là thành viên của nhóm
cần đƣợc gửi……………………………………………………………… 29
Hình 2.16. Mối quan hệ cha con trong mạng hình cây………………………………. 31
Hình 2.17. Ví dụ về phƣơng thức cấp phát địa chỉ mặc định……………………… 32
Hình 2.18. định dạng chung của khung lớp mạng ………………………………… 34
Hình 2.19. Cấu trúc của lớp APL. ………………………………………………… 35
Hình 3.1. Sơ đồ chung hệ thống…………………………………………………… 39
Hình 3.2. Cấu trúc của các End Device……………………………………………… 40
Hình 3.3. Cấu trúc bộ Zigbee Coordinator………………………………………… 41

Hình 3.4. Giao diện điều khiển số của CC2420…………………………………… 43
Hình 3.5. Khối vi điều khiển………………………………………………………… 44
Hình 3.6. Khối nguồn sử dụng một nguồn chuyển đổi bên ngoài(3.3-12V)………… 45
Hình 3.7. Khối nguồn Pin……………………………………………………………. 45
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 iv
Hình 3.8. Giao diện JTAG cho lập trình bộ nhớ Flash và gỡ rối…………………… 45
Hình 3.9. Led chỉ thị và giao diện phím bấm…………………………………………46
Hình 3.10. Giao diện với module RF……………………………………………… 46
Hình 3.11. Giao diện UART………………………………………………………… 46
Hình 3.12. Giao diện phần mềm quản lý trên PC…………………………………….51

Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và Bluetooth……………………………………………… 4
Bảng 1.2. Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4……………………………….7
Bảng 1.3. Các thiết bị định nghĩa trong ZigBee…………………………………….…8
Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu…………………………………………………14
Bảng2.2. Kênh truyền và tần số …………………………………………………… 14

Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chữ viết
tắt
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt

APL
Application Layer
Lớp ứng dụng
APS
Application Support Sublayer
Phân lớp con hỗ trợ ứng dụng
BI
Beacon Interval
Chu kì cột mốc
BSN
Beacon Sequence Number
Số hiệu chuỗi kết tiếp cột mốc
BTR
Broadcast Transaction Record
Bản ghi giao dịch broadcast
BTT
Broadcast Transaction Table
Bảng giao dịch broadcast
CAP
Contention Access Period
Khoảng truy cập cạnh tranh
CCA
Clear Channel Assessment
Đánh giá kênh rỗi
CFP
Contention-Free Period
Chu kì truy cập không cạnh tranh
CS
Carrier Sense
Cảm ứng sóng mang

CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance
Đa truy cập cảm ứng sóng mang với
chức năng tránh xung đột
DSN
Data Sequence Number
Số hiệu chuỗi nối tiếp dữ liệu
ED
Enery Dectection
Phát hiện năng lƣợng
FCS
Frame Check Sequence
Chuỗi kiểm tra khung
FFD
Full Function Device
Thiết bị chức năng đầy đủ
GTS
Guaranteed Time Slot
Khi thời gian đƣợc đảm bảo
IFS
InterFrame Spacing
Phân bố liên khung
LIFS
Long InterFrame Spacing
Phân bố liên khung khung dài
LQI
Link Quality Indication
Chỉ thị chất lƣợng liên kết
MAC

Media Access Control
Điều khiển truy cập phƣơng tiện
MAC-PIB
MAC-PAN Information Base
Cơ sở thông tin PAN lớp MAC
MFR
MAC Footer
Đoạn cuối khung MAC
MHR
MAC Header
Đoạn mào đầu khung MAC
MLME
MAC Layer Management
Entity
Thực thể quản lý lớp MAC
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 vii
MPDU
MAC Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức lớp MAC
NIB
Network Information Base
Cơ sở thông tin lớp mạng
NLDE
NWK Layer Data Entity
Thực thể dữ liệu lớp mạng
NLME
NWK Layer Management
Entity
Thực thể quản lý lớp mạng

NWK
Network Layer
Lớp mạng
PAN
Personal Area Network
Mạng vùng cá nhân
PAN ID
PAN Indentifier

PD-SAP
PHY Data-Service Access
Point
Điểm truy cập dịch vụ dữ liệu lớp vật
lý
PHR
PHY Header
Mào đầu lớp vật lý
PHY
PHYsical layer
Lớp vật lý
PHY-PIB
PHY-PAN Information Base
Cơ sở thông tin PAN lớp vật lý
PLME
Physical Layer Management
Entity
Thực thể quản lý lớp vật lý
PPDU
PHY Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức lớp vật lý

RFD
Reduced Function Device
Thiết bị chức năng rút gọn
RSS
Received Signal Strength
Cƣơng độ tín hiệu nhận đƣợc
SAP
Service Access Point
Điểm truy cập dịch vụ
SD
Superframe Duration
Chu kỳ siêu khug
SHR
Synchronization Header
Mào đầu đồng bộ
SIFS
Short InterFrame Spacing
Phân bổ liên khung khung ngắn
ZDO
Zigbee Device Objects
Các đối tƣợng thiết bị Zigbee

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 viii

LỜI NÓI ĐẦU
Xu hƣớng sử dụng kết nối vô tuyến trong xây dựng các hệ thống mạng ngày càng trở
lên phổ cập hiện nay. Một ví dụ điển hình mà chúng ta thấy rõ hàng ngày đó là điện
thoại di động – một hệ thống mạng không dây cực lớn. Mọi ngƣời sử dụng điện thoại
hàng ngày để giao tiếp hàng ngày với nhau. Hay nhƣ trong kết nối Internet ngày nay,
WIFI với các tính năng tiện lợi đang đƣợc sử dụng rất phổ biến cả trên thế giới cũng
nhƣ trong nƣớc.Có rất nhiều các công nghệ kết nối vô tuyến đã đƣợc phát triển trên thế
giới, phù hợp cho nhiều các lớp ứng dụng với các yêu cầu khác nhau về tốc độ dữ liệu,
băng tần, giá thành, công suất tiêu thụ….
Ở nƣớc ta, hầu hết ngƣời sử dụng mới chỉ quen với việc sử dụng các kết nối không dây
trong hệ thống mạng di động, kết nối Internet trên công nghệ WIFI(IEEE
802.11a/b/g),WIMAX(IEEE 802.16), hay truyền dữ liệu trên công nghệ Bluetooth.
Các công nghệ này có một đặc điểm đó là cho tốc độ truyền dữ liệu cao vƣợt qua
2Mbps. Còn một bộ phận các công nghệ không dây khác với tốc độ dữ liệu thấp hơn,
công suất tiêu thụ nhỏ hơn và giá thành triển khai thấp hơn phù hợp cho các ứng dụng
với yêu cầu về lƣu lƣợng thấp nhƣ Zigbee/IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.4, IEEE
1451,… Một số các ứng dụng của các công nghệ này nhƣ trong các mạng cảm biến
không dây, nhà thông minh…. Đây là những công nghệ rất đƣợc ít nghe tới ở nƣớc ta
song hiện nó đang đƣợc ứng dụng mạnh trên thế giới. Và trong tƣơng lai không xa,
đây sẽ là các xu hƣớng phát triển mạnh đối với nền công nghiệp điện tử - viễn thông
trong nƣớc.
Đồ án sẽ trình bày về một trong các công nghệ không dây với các đặc điểm nhƣ tốc độ
dữ liệu thấp hơn, công suất tiêu thụ nhỏ hơn và giá thành triển khai thấp đang đƣợc sử
dụng phổ biến và đƣợc nhiều nhà phát triển phần cứng cũng nhƣ phần mềm tập trung
vào nghiên cứu và sản xuất các công cụ hỗ trợ là chuẩn LR-WPAN(Lowrate-Wireless
Personal Area Network) Zigbee/IEEE 802.15.4.

Đi kèm trong đồ án một thiết kế về một mạng thu thập dữ liệu nhiệt độ sử dụng chuẩn
Zigbee/IEEE 802.15.4 cũng đƣợc đƣa ra nhằm minh họa cho một ứng dụng thực tế của
chuẩn.
Nội dung của luận văn sẽ sẽ gồm 3 phần:
- Chương 1: giới thiệu cơ bản về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chƣơng này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về PAN, WPAN, hiệp hội ZigBee
Ailliance và cơ bản về mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 (các loại thiết bị, các dạng cấu
hình), so sánh đánh giá Zigbee/IEEE 802.15.4 với 2 chuẩn không dây phổ biến là
Bluetooth và IEEE 802.11.
- Chương 2: cấu trúc chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Chƣơng này sẽ trình bày về cấu trúc của chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, đặc
điểm hoạt động của mỗi lớp trong chồng giao thức.
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 ix
- Chương 3:Mô tả về thiết kế mạng thu thập dữ liệu không dây sử dụng công nghệ
Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chƣơng này sẽ trình bày về thiết kế hệ thống thu thập nhiệt độ sử dụng chồng giao
thức Zigbee đƣợc xây dựng dựa trên giải pháp phần cứng và phần mềm của TI.
Trong suốt thời kỳ làm đồ án, em đã nhận đƣợc sự tận tình giúp đỡ, chỉ bảo của các
thầy cô giáo và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy Nguyễn Ngọc Minh,
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án. Em cũng xin cảm ơn
tất cả các thầy cô trong khoa Viễn Thông đã nhiệt tình chỉ bảo em trong quá trình học
tập và thực hiện đồ án.
Em mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ phía thầy cô và các bạn để đề tài đƣợc
hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 6 tháng 12 năm 2009
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Nguyên

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 1

CHƢƠNG 1:
Giới thiệu chung về mạng LR-WPAN Zigbee/IEEE 802.15.4
Nội dung của chương này gồm:
- Giới thiệu về mạng WPAN, LR-WPAN và các nhóm phận sự chịu trách nhiệm
chuẩn hóa cho các mạng WPAN 802.15.
- Zigbee và IEEE 802.15.4.
- Vai trò của IEEE 802.15 và Zigbee Alliance trong xây dựng chuẩn Zigbee.

- So sánh và đánh giá Zigbee với một số chuẩn không dây phổ biến khác nhƣ
Bluetooth, IEEE 802.11.
- Sơ lƣợc về mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4, các kiểu thiết bị
trong mạng và các dạng cấu hình mạng.
1.1. Mạng WPAN và nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15.
Một WPAN(wireless personal area network) là một mạng PAN(personal area network)
– một mạng kết nối các thiết bị tập trung trong không gian làm việc của một cá nhân –
mà trong đó kết nối dựa trên sóng vô tuyến. Một WPAN sử dụng các kĩ thuật cho phép
truyền tin với khoảng cách ngắn, khoảng 10m.
WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – là các mạng không dây sử dụng chuyển
tiếp gói đa hop (multi-hopping), do đó, chúng có khả năng hoạt động mà không cần sự
hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng nào. Các mạng không dây adhoc đƣợc hình thành bởi một
số loại thiết bị, có thể là hỗn tạp với các khả năng giao tiếp không dây cho phép nó kết
nối hoặc dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể. Thêm nữa, các thiết bị có thể là di
động và vì vậy có thể thay đổi vị trí của nó thƣờng xuyên. Các mạng không dây adhoc
với các nút di động đƣợc gọi tắt là MANET(Mobile Ad hoc Network). Ngay cả khi
không có khả năng di động, các nút cũng có thể gia nhập hoặc rời mạng bất cứ khi
nào, vì vậy các mạng này cần có khả năng tự tổ chức về truy cập phƣơng tiện, định
tuyến, và các chức năng mạng khác. Các mạng adhoc không dây thƣờng đƣợc sử dụng
trong các ứng dụng di động, tính toán phân bổ, truy cập di động tới Internet, các mạng
mắt lƣới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạng đáp ứng tình trạng khẩn cấp,….
Thiết kế và phát triển của các mạng này đặt ra một số các thách thức:
- Khả năng tự tổ chức: bởi vì các nút mạng riêng lẻ trong một mạng adhoc không
dây có thể gia nhập, rời mạng bất cứ khi nào, và mạng không có cơ sở hạ tầng cố
định hỗ trợ nên mạng phải có khả năng tự tổ chức các chức năng trong mạng mỗi
khi có sự thay đổi. Các giao thức cần hỗ trợ và cung cấp các chức năng xây dựng
topo, cấu hình lại mạng, bảo trì mạng, cũng nhƣ định tuyến, giám sát lƣu lƣợng và
điều khiển truy nhập…
- Khả năng mở rộng: là khả năng giữ nguyên các tham số hiệu năng của mạng bất
chấp có sự thay đổi lớn về số nút đƣợc triển khai trong mạng. Khả năng này phụ

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 2
thuộc vào phí tổn điều khiển ở các lớp(vật lý, MAC, mạng,…) trong chồng giao
thức mạng.
- Trễ : đây là một tham số quan trọng trong ứng dụng cụ thể. Việc tối ƣu hóa trễ có
thể đƣợc thực hiện qua việc dự trữ băng thông, phân bổ hoặc một phƣơng thức
điều khiển truy nhập nào đó.
- Lƣu lƣợng mạng: đây là một tham số hiệu năng quan trọng nhất. Ở lớp vật lý, lƣu
lƣợng mạng bị ảnh hƣởng bởi các lỗi gói gây ra do tạp âm và nhiều. Ở lớp MAC,
thông lƣợng có thể bị ảnh hƣởng bởi sung đột khi sử dụng phƣơng thức truy cập
dựa trên cạnh tranh…
- Tổn hao dữ liệu: việc mất thông tin là không thể chịu đựng đƣợc trong các mạng
adhoc không dây, và các phƣơng thức tính toán tích cực để khôi phục độ tin cậy
trong truyền dữ liệu phải đƣợc sử dụng ở cả lớp MAC và các lớp cao hơn.
- Quản lý năng lƣợng: đây cũng là một thách thức trong thiết kế khi các nút hoạt
động trên các nguồn pin.
IEEE 802.15 là nhóm làm việc chịu trách nhiệm xây các đặc tả cho các chuẩn mạng
WPAN. Nó bao gồm 6 nhóm phận sự(Task Group) khác nhau đánh số từ 1 đến 7 thực
hiện các mặt khác nhau của việc chuẩn hóa các mạng WPAN:
- Task Group 1(WPAN/Bluetooth): Hay 802.15.1 xây dựng chuẩn WPAN dựa trên
các đặc tả Bluetooth v1.1. Nó bao gồm đặc điểm kĩ thuật của lớp vật lý và lớp con
MAC.
- Task Group 2(Coexistence): Chịu trách nhiệm giải quyết các vấn đề liên qua đến
khả năng hoạt động của mạng WPAN trong môi trƣờng gồm các thiết bị không
dây khác hoạt động trong các băng tần không đƣợc không đăng kí nhƣ các mạng
WLAN.
- Task Group 3(High Rate WPAN) : Chịu trách nhiệm xây dựng các chuân WPAN
cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.
- Task Group 4(LR-WPAN) hay IEEE 802.15.4 mà đƣợc đề cập trong đề tài: xây
dựng các chuẩn WPAN cho các ứng dụng với tốc độ dữ liệu thấp và yêu cầu tiêu

tốn công suất thấp.
- Task Group 5(Mesh Networking) : cung cấp nền kiến trúc cho phép các thiết bị
WPAN cấu tạo thành mạng mesh ổn định, khả năng mở rộng cao và khả năng
đồng hoạt động.
- Task Group 6(Body Area Network) : tập trung vào các kỹ thuật liên quan đến
BAN(Body Area Network) – mạng gồm các thiết bị trong phạm vi cơ thể một
ngƣời. Mục đích của nó là chuẩn hóa các mạng PAN khoảng cách ngắn, tần số
thấp và công suất thấp.
- Task Group 7(Visible Light Communication) : xây dựng các chuẩn PHY và MAC
cho VLC(Visible Light Communication).
Về cơ bản có thể phân chia WPAN làm 3 loại mạng WPAN theo tiêu chí tốc độ
truyền, mức độ tiêu hao năng lƣợng và chất lƣợng dịch vụ :
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 3
- WPAN tốc độ cao theo chuẩn IEEE 802.15.3 do nhóm Task Group 3 của IEEE
802.15 xây dựng, phù hợp cho các ứng dụng đa phƣơng tiện yêu cầu chất lƣợng
dịch vụ cao.
- WPAN tốc độ trung bình theo chuẩn Bluetooth/ IEEE 802.15.1 do nhóm Task
Group 1 của IEEE 802.15 xây dựng, ứng dụng trong các mạng điện thoại tế bào
đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại.
- WPAN tốc độ thấp – hay chuẩn IEEE 802.15.4/LR-WPAN, dùng trong các sản
phẩm công nghiệp với thời gian hoạt động giới hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi
hỏi mức tiêu hao năng lƣợng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và
QoS. 1 ví dụ điển hình của chuẩn này là Zigbee/ IEEE 802.15.4 đƣợc nghiên cứu
trong luận văn này.
1.2. Zigbee và IEEE 802.15.4:
Công nghệ Zigbee là chồng giao thức mạng không dây với các đặc điểm nhƣ tốc độ dữ
liệu thấp, tiêu tốn công suất thấp và chi phí xây dựng thấp đƣợc phát triển nhằm hƣớng
đến các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa. Ủy ban IEEE 802.15.4 đã bắt đầu
làm việc 1 chuẩn tốc độ dữ liệu thấp ngay sau đó. Và hiệp hội ZigBee Ailliance và

IEEE đã quyết định kết hợp với nhau để cho ra đời công nghệ đặt tên là ZigBee/IEEE
802.15.4. Gọi tắt là Zigbee.
Chuẩn Zigbee đƣợc phát triển bởi Zigbee Alliance với hàng trăm công ty thành viên từ
các công ty bán dẫn, phát triển phầm mềm đến các nhà sản xuất thiết bị gốc OEM và
những nhà lắp đặt. Zigbee Alliance đƣợc hình thành từ 2002 và là một tổ chức phi lợi
nhuận sẵn sàng cho mọi đối tƣợng gia nhập vào nó.
Zigbee cung cấp khả năng kết nối với chi phí thấp và yêu cầu công suất tiêu thụ nhỏ
dành cho các thiết bị đƣợc cung cấp nguồn điện từ pin với thời gian hoạt động từ vài
tháng đến vài năm nhƣng không yêu cầu tốc độ truyền tải dữ liệu cao nhƣ chuẩn
Bluetooth, IEEE 802.11 . Thêm nữa, Zigbee có thể đƣợc thực thi trong các mạng mắt
lƣới(mesh networking) lớn hơn các mạng mắt lƣới có thể triển khai với Bluetooth. Các
thiết bị không dây tƣơng thích với Zigbee có khoảng cách truyền từ 10-75m phụ thuộc
vào môi trƣờng RF và công suất đầu ra đƣợc yêu cầu bởi ứng dụng, và nó hoạt động ở
bằng tần RF không đƣợc đăng kí trên thế giới(2.4GHz đối với toàn cầu, 915MHz ở Mỹ
hay 868MHz ở Châu Âu). Tốc độ dữ liệu của Zigbee là 250kbps ở 2.5GHz, 400kbps ở
915MHz và 20kbps ở 868MHz.
IEEE và ZigBee Alliance đã làm việc với nhau để xây dựng toàn bộ chồng giao thức.
IEEE 802.15.4 tập trung vào xây dựng đặc tả về 2 lớp thấp của chồng giao thức(lớp
vật lý và lớp liên kết dữ liệu) còn ZigBee Alliance cung cấp đặc tả của các lớp trên(từ
lớp mạng lên đến lớp ứng dụng) cho mục tiêu xây dựng mạng dữ liệu, cung cấp các
dịch vụ bảo mật và một loạt các giải pháp điều khiển trong các toà nhà lớn, không gian
gia đình ,… Để từ đó đảm bảo các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau sẽ làm việc
đƣợc với nhau. IEEE 802.15.4 xây dựng chi tiết các đặc tả của PHY và MAC bằng
việc cung cấp các khối cho các loại mạng khác nhau nhƣ cấu hình mắt lƣới, hình sao
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 4
và hình cây. Các thuật toán định tuyến đƣợc thiết kế nhằm đảm bảo tiết kiệm công
suất, trễ truyền tin thấp thông qua các khe thời gian đƣợc đảm bảo GTS (Guaranteed
Time Slot).
Các chức năng chính của PHY bao gồm xác định chất lƣợng năng lƣợng và liên kết,

đánh giá trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assesment) nhằm cải thiện hoạt động
trong môi trƣờng có các mạng khác tồn tại.
1.3. So sánh Zigbee và Bluetooth, IEEE 802.11 :
Bảng 1.1 so sánh các tham số, đánh giá về các mặt của mạng Zigbee và Bluetooth.
Về cơ bản, Zigbee nhìn giống với Bluetooth, tuy nhiên, nó đơn giản hơn, có tốc độ dữ
liệu thấp hơn và hầu hết thời gian hoạt động của các node là ở chế độ hoạt động công
suất thấp.
Khi không có khuyếch đại công suất đƣợc sử dụng, phạm vi vô tuyến của Zigbee là
10-75m, còn của Bluetooth là khoảng 10m.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ phù hợp cho các mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết
bị thƣờng xuyên giao tiếp với nhau thông qua các gói nhỏ. Nó cho phép có lên tới 254
nút. Giao thức của Bluetooth phức tạp hơn bởi vì nó hƣớng tới các ứng dụng truyền
file, thoại, hình ảnh trong mạng adhoc không dây.
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và Bluetooth.
Đặc trƣng so sánh
Zigbee
Bluetooth
Phạm vi truyền
Ứng dụng đặc biệt/ngoài
trời
10-75m
Lên tới 400m
10m
Khoảng 100m
Tốc độ dữ liệu
20-250kbps
1Mbps
Trễ mạng(điển hình)
30ms
20ms

Thời lƣợng sử dụng
battery
Hàng năm
Vài ngày
Bảo mật
AES 128bit
64bit, 128bit
Băng tần hoạt động
868MHz, 915MHz,
2.4MHz
2.4MHz
Độ phức tạp
Đơn giản
Phức tạp
Khả năng mở rộng
Lớn
Thấp
Độ linh hoạt
Rất cao
Bình thƣờng
Khả năng khôi phục và
độ tin cậy
Rất cao
Bình thƣờng
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 5
IEEE 802.11 là một họ các chuẩn, cụ thể trong so sánh chúng ta chọn IEEE 802.11b –
chuẩn sử dụng cùng băng tần 2.4GHz nhƣ Bluetooth và Zigbee. IEEE 802.11b có tốc
độ dữ liệu cao(lên tới 11Mbps), và thƣờng dùng trong cung cấp kết nối Internet không
dây. Khoảng cách trong nhà của IEEE 802.11b là khoảng 30-100m. Bluetooth thì có

tốc độ dữ liệu thấp hơn (khoảng 3Mbps) với khoảng cách trong nhà từ 2-10m. Một
ứng dụng phổ biến của Bluetooth là trong tai nghe không dây dành cho di động.
Zigbee thì có tốc độ dữ liệu thấp nhất và độ phức tạp thấp nhất so với các chuẩn kia,
tuy nhiên nó cho phép sử dụng pin hiệu quả hơn.
Do tốc độ thấp, hay nói cách khác là rất thấp nên Zigbee không phù hợp cho cung cấp
một kết nối Internet hay làm phƣơng tiện để truyền một tín hiệu âm thanh đảm bảo
chất lƣợng CD nhƣ trong tai nghe di động. Tuy nhiên, nó lại phù hợp cho truyền và
gửi, thu thập các thông tin đơn giản từ các cảm biến nhƣ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,…
Hình 1.1 cho thấy rõ hơn về sự khác nhau giữa 3 chuẩn. Tiêu chí đánh giá là về giá
thành, độ phức tạp, công suất tiêu thụ so với tốc độ dữ liệu. Ở đây, 802.11b cho tốc độ
dữ liệu cao nhất, tuy nhiên nó yêu cầu công suất tiêu thụ, cùng độ phức tạp và giá
thành lớn nhất. Ở giữa là Bluetooth và Zigbee, cho tốc độ dữ liệu thấp nhất song công
suất tiêu thụ, độ phức tạp, và giá thành là thấp nhất.
Tùy theo ứng dụng mà chúng ta sẽ sử dụng chuẩn phù hợp. Và nhƣ vậy, với các ứng
dụng truyền dữ liệu với lƣu lƣợng thấp, yêu cầu thời lƣợng sử dụng nguồn cấp từ pin
với thời gian dài thì Zigbee là một sự lựa chọn tốt nhất so với các chuẩn trên.

Hình 1.1. So sánh Zigbee và Blutooth, IEEE 802.11 về công suất tiêu thụ, độ phức tạp,
giá thành và tốc độ dữ liệu.
1.4. Mối liên hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4:
Một cách chung để thiết lập một mạng là sử dụng nguyên lý các lớp mạng. Mỗi một
lớp chịu trách nhiệm cho một chức năng nào đó trong mạng. Các lớp thƣờng chỉ
truyền dữ liệu và các lệnh tới các lớp trên hoặc dƣới trực tiếp của nó. Sơ đồ phân lớp
của chồng giao thức Zigbee nhƣ trong hình 1.2, nó dựa trên mô hình tham chiếu OSI.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 6
Việc chia một giao thức mạng thành các lớp có một số các ƣu điểm. Ví dụ, khi giao
thức thay đổi theo thời gian, thì dễ dàng hơn để thay đổi hoặc thay thế lớp mà bị ảnh
hƣởng bởi sự thay đổi hơn là so với việc thay đổi toàn bộ chồng giao thức. Cũng nhƣ
vậy, trong phát triển một ứng dụng, các lớp dƣới hơn của chồng giao thức sẽ độc lập

với ứng dụng và có thể thu đƣợc từ một đối tác thứ 3, và vì vậy tất cả những yêu cầu
cần thiết cần thực hiện đó là thay đổi trong lớp ứng dụng của giao thức. Thực thi phần
mềm của một giao thức đƣợc gọi là phần mềm chồng giao thức(Protocol Stack
Software).
Nhƣ trong hình vẽ mô tả cấu trúc chồng giao thức Zigbee. Hai lớp dƣới nhất của mạng
đƣợc mô tả bởi chuẩn IEEE 802.15.4. Chuẩn này đƣợc phát triển bởi hiệp hội chuẩn
IEEE 802 và đƣợc đƣa ra vào năm 2003. IEEE 802.15.4 xây dựng các chi tiết kỹ thuật
cho các lớp vật lý(PHY) và điều khiển truy nhập phƣơng tiện(MAC) của mạng.
Các lớp còn lại của mạng nhƣ lớp mạng(NWK), lớp ứng dụng(APL), các lớp bảo mật
đƣợc định nghĩa bởi Zigbee.

Hình 1.2.Các lớp trong chồng giao thức mạng Zigbee.
IEEE 802.15.4 đƣợc phát triển độc lập với chuẩn Zigbee vì vậy có thể xây dựng mạng
không dây khoảng cách ngắn dựa trên IEEE 802.15.4 và không cần thực thi các lớp
đƣợc chuẩn hóa bởi Zigbee. Trong trƣờng hợp này, ngƣời sử dụng sẽ phát triển các lớp
lớp mạng và lớp ứng dụng riêng cho mình dựa trên lớp PHY và MAC của IEEE
802.15.4. Những lớp do ngƣời dùng tự định nghĩa này sẽ thƣờng đơn giản hơn Zigbee
và hƣớng đến các ứng dụng chuyên dụng. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là sẽ kích
thƣớc bộ nhớ đƣợc yêu cầu để xây dựng chồng giao thức sẽ nhỏ hơn, dẫn đến giảm giá
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 7
thành. Tuy nhiên, việc thực thi giao chồng giao thức Zigbee đầy đủ sẽ đảm bảo việc
đồng hoạt động giữa các giải pháp không dây của những nhà cung cấp khác và đảm
bảo độ tin cậy hoạt động với khả năng xây dựng mạng mắt lƣới đƣợc hỗ trợ trong
Zigbee. Quyết định sử dụng toàn bộ giao thức Zigbee hay chỉ các lớp MAC và PHY
của IEEE 802.15.4 tùy thuộc vào ứng dụng và kế hoặc dài hạn của sản phẩm.
1.5. Các thiết bị trong mạng:
IEEE 802.15.4 định nghĩa 2 loại thiết bị nhƣ trong bảng 1.2; và bảng 1.3 liệt kê 3 vai
trò một thiết bị có thể đảm nhiệm trong chồng giao thức Zigbee và mối liên quan của
chúng với các loại IEEE 802.15.4.

Có 2 loại thiết bị trong một mạng không dây IEEE 802.15.4 : FFD(Full Function
Device) và RFD (Reduced Function Device). Một FFD có khả năng thực hiện tất cả
các chức năng đƣợc mô tả trong IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhiệm bất cứ một vai
trò nào trong mạng Zigbee. Một RFD có khả năng giới hạn hơn so với FFD. Ví dụ :
một FFD có khả năng giao tiếp với bất cứ một loại thiết bị nào khác trong mạng nhƣng
một RFD chỉ có thể giao tiếp duy nhất với 1 FFD. Các thiết bị RFD nhắm vào những
ứng dụng đơn giản nhƣ bật tắt một bóng đèn, thu thập dữ liệu từ một cảm biến… Khả
năng xử lý và kích thƣớc bộ nhớ của một RFD thƣờng nhỏ hơn các FFD.
Bảng 1.2. Các thiết bị định nghĩa trong IEEE 802.15.4.
Loại thiết bị
Dịch vụ cung cấp
Nguồn điện
Cấu hình chức
năng nhận điển
hình
Full Function
Device (FFD)
Hầu hết hoặc đầy
đủ
Nguồn điện chính
Hoạt động trong
trạng thái idle
Reduced Function
Device(RFD)
Giới hạn
Pin
Tắt trong trạng thái
idle
Trong một mạng IEEE 802.15.4 , một FFD có thể đảm nhiệm 3 vai trò khác nhau: một
bộ điều phối – Coordinator, một bộ điều phối PAN – PAN Coordinator – và một thiết

bị – device. Một bộ điều phối là một một thiết bị FFD có khả năng chuyển tiếp các bản
tin. Nếu một bộ điều phối cũng là một bộ điều khiến chính của một mạng PAN, nó sẽ
đƣợc gọi là bộ điều phối PAN. Nếu một thiết bị mà không đảm nhiệm chức năng điều
phối, nó đơn giản đƣợc gọi là thiết bị đầu cuối(thƣờng gọi tắt là thiết bị).
Chuẩn Zigbee sử dụng các thuật ngữ khác hơn một chút. Một bộ điều phối Zigbee –
Zigbee coordinator – là một bộ điều phối PAN IEEE 802.15.4. Một bộ định tuyến
Zigbee – router – là một thiết bị có khả năng hoạt động nhƣ một bộ điều phối IEEE
802.15.4 – đảm nhiệm chức năng chuyển tiếp các bản tin. Cuối cùng, một thiết bị đầu
cuối Zigbee – end device – sẽ là thiết bị không thuộc một trong hai thiết bị: bộ điều
phối và bộ định tuyến. Các thiết bị đầu cuối Zigbee có kích thƣớc bộ nhớ nhỏ hơn và
khả năng xử lý thấp hơn cùng với ít chức năng hơn. Các chức năng của nó liên quan
đến mục đích của mạng.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 8
Bảng 1.3. Các thiết bị định nghĩa trong ZigBee.
Vai trò thiết bị
ZigBee
Kiểu thiết bị
IEEE 802.15.4
Chức năng
Bộ điều
phối(Coordinator)
FFD
Mỗi mạng có 1 bộ điều phối. Nó tạo lên mạng,
cấp phát địa chỉ mạng, duy trì danh sách các
thiết bị và vai trò của chúng trong mạng.
Bộ định
tuyến(Router)
FFD
Là thiết bị tùy chọn. Nó mở rộng phạm vi vật

lý của mạng. Cho phép có nhiều nút tham gia
vào mạng. Thực hiện chức năng định tuyến.
Có thể thực hiện các chức năng điều khiển và
giám sát.
Thiết bị đầu
cuối(End Device)
RFD hoặc FFD
Thực hiện các chức năng điều khiển, giám sát,
thu thập dữ liệu theo chức năng của mạng
đƣợc xây dựng.
1.6. Cấu hình mạng:
Quá trình hình thành mạng đƣợc quản lý bởi lớp mạng Zigbee. Mạng sẽ có một trong
hai cấu hình nhƣ đƣợc chỉ trong IEEE 802.15.4 là cấu hình hình sao và cấu hình điểm-
điểm.
Trong cấu hình hình sao nhƣ trong ví dụ hình 1.3, mỗi thiết bị trong mạng có thể kết
nối với chỉ duy nhất một bộ điều phối PAN – hay bộ điều phối Zigbee. Một kịch bản
điển hình trong quá trình hình thành một mạng hình sao đó là, một FFD đƣợc lập trình
để đảm nhiệm chức năng bộ điều phối PAN sẽ đƣợc kích hoạt và khởi tạo quá trình
thiết lập mạng của nó. Tác vụ đầu tiên bộ điều phối PAN thực hiện là chọn lựa một
PAN ID(dùng để nhận diện PAN) duy nhất mà chƣa đƣợc sử dụng bởi bất kỳ một
mạng khác nằm trong phạm vi vô tuyến của nó – vùng nằm quanh thiết bị mà nó có
thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị khác nằm trong đó – để đảm bảo rằng PAN ID chƣa
đƣợc sử dụng bởi bất cứ một mạng nào khác liền kề.
Trong cấu hình điểm-điểm nhƣ hình 1.4, mỗi thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với bất
cứ một thiết bị nào khác nằm gần nó để thiết lập một liên kết trực tiếp. Bất cứ FFD nào
trong mạng điểm-điểm có thể đóng vai trò làm bộ điều phối PAN. Một giải pháp để
chọn thiết bị nào sẽ là bộ điều phối PAN đó là chọn thiết bị FFD đầu tiên mà bắt đầu
giao tiếp. Trong một mạng điểm-điểm, tất cả các thiết bị mà tham gia vào chuyển tiếp
bản tin là các FFD bởi vì RFD không có khả năng chuyển tiếp. Tuy nhiên một RFD có
thể là một phần của mạng nhƣng nó chỉ có thể giao tiếp với duy nhất một thiết bị đặc

thù(một bộ điều phối Zigbee hoặc một router).
Một mạng điểm-điểm có thể có các hình dạng khác nhau tùy vào các ràng buộc trong
việc giao tiếp giữa các thiết bị. Nếu không có các yêu cầu ràng buộc, một mạng điểm-
điểm đƣợc gọi là có cấu hình mắt lƣới – mesh topology. Một dạng khác của mạng
điểm-điểm mà Zigbee hỗ trợ đó là cấu hình hình cây hay còn gọi là cấu hình phân cấp
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 9
nhƣ hình 1.5. Trong trƣờng hợp này, một bộ điều phối Zigbee(bộ điều phối PAN) thiết
lập mạng ban đầu của nó. Các router Zigbee tạo lên các nhánh và chuyển tiếp các bản
tin. Các thiết bị đầu cuối Zigbee hoạt động nhƣ các lá của cây và không tham gia vào
chuyển tiếp gói tin. Các router Zigbee có thể phát triển mạng vƣợt quá mạng đƣợc
khởi tạo ban đầu bởi bộ điều phối Zigbee.

Hình 1.3. Một mạng hình sao
Hình 1.5 mô tả một ví dụ minh họa phƣơng thức chuyển tiếp một bản tin có khả năng
mở rộng phạm vi của mạng và cho phép vƣợt qua các rào cản gây ảnh hƣởng đến
truyền sóng vô tuyến. Ví dụ, thiết bị A cần gửi một bản tin đến thiết bị B nhƣng có
một rào chắn giữa chúng khiến cho tín hiệu khó có thể truyền giữa A và B. Cấu hình
hình cây giúp giải quyết vấn đề này bằng việc chuyển tiếp bản tin vòng qua rào chắn
và tiến đến thiết bị B. Cách thức này đƣợc gọi là nhảy đa bƣớc – multihopping – bởi vì
bản tin sẽ phải đi qua nhiều nút cho đến khi nó đến nguồn.

Hình 1.4. Một mạng mắt lưới phát triển từ mạng điểm-điểm
Một mạng IEEE 802.15.4 với bất cứ một cấu hình nào đều đƣợc khởi tạo bởi một bộ
điều phối PAN. Bộ điều phối PAN điều khiển mạng và thực hiện các chức năng cơ bản
sau:
- Cấp phát một địa chỉ duy nhất cho mỗi thiết bị trong mạng(16-bit hoặc 64-bit).
- Khởi tạo, kết thúc, định tuyến bản tin trên mạng.
- Chọn lựa một PAN ID duy nhất trên mạng. PAN ID này cho phép các thiết bị
trong cùng một mạng sử dụng phƣơng thức đánh địa chỉ ngắn 16-bit mà vẫn có

thể giao tiếp với các thiết bị khác qua các mạng độc lập.
Chỉ có duy nhất một bộ điều phối trên mạng, nó thƣờng có chu kỳ hoạt động dài nên
thƣờng đƣợc kết nối đến nguồn điện chính.
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu chung
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 10

Hình 1.5. cấu hình hình cây.
1.7. Kết luận chƣơng 1:
Chƣơng này đã giới thiệu khái niệm cơ bản về WPAN, các nhóm chuẩn hóa WPAN
của IEEE 802.15.4, Zigbee/IEEE 802.15.4 là gì và so sánh Zigbee với hai chuẩn mạng
không dây phổ biến là Bluetooth và IEEE 802.15.4 .
Chƣơng cũng đã mô tả về mối quan hệ giữa Zigbee và IEEE 802.15.4, mối quan hệ
giữa các loại thiết bị và vai trò của nó trong mạng cùng các cấu hình mạng phổ biến
đƣợc sử dụng trong chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4.
Chi tiết hơn về hoạt động của mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 sẽ đƣơc trình bày chi tiết
trong chƣơng 2.

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 11

CHƢƠNG 2:
Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nội dung của chương bao gồm:
- Tổng quan về các lớp trong chồng giao thức.
- Lớp vật lý.
- Lớp MAC.
- Lớp mạng.
- Lớp ứng dụng.
2.1. Tổng quan mô hình chồng giao thức Zigbee:
Sơ đồ phân lớp cụ thể của chồng giao thức Zigbee nhƣ trong hình 2.1 , nó dựa trên mô
hình tham chiếu OSI. Hai lớp dƣới nhất của mạng đƣợc mô tả bởi chuẩn IEEE
802.15.4. Chuẩn này đƣợc phát triển bởi hiệp hội chuẩn IEEE 802 và đƣợc đƣa ra vào
năm 2003. IEEE 802.15.4 xây dựng các chi tiết kỹ thuật cho các lớp PHY và MAC
của mạng. Các lớp còn lại của mạng nhƣ lớp mạng NWK, lớp ứng dụng APL, các lớp
bảo mật đƣợc định nghĩa bởi Zigbee. Mỗi lớp giao tiếp với các lớp kế cận qua các
điểm truy nhập dịch vụ SAP(Service Access Point). Một SAP là một vị trí mang tính
trừu tƣợng ở đó một lớp giao thức yêu cầu các dịch vụ của các lớp khác. Ví dụ trong
hình 2.4, điểm truy nhập dịch vụ dữ liệu PHY PD-SAP là nơi mà lớp MAC yêu cầu
các dịch vụ dữ liệu từ lớp PHY.

Hình 2.1. Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 .
IEEE 802.15.4 đƣợc phát triển độc lập với chuẩn Zigbee vì vậy có thể xây dựng mạng
không dây khoảng cách ngắn dựa trên IEEE 802.15.4 và không cần thực thi các lớp
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4

Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 12
đƣợc chuẩn hóa bởi Zigbee. Trong trƣờng hợp này, ngƣời sử dụng sẽ phát triển các lớp
là lớp mạng và lớp ứng dụng riêng cho mình dựa trên lớp PHY và MAC của IEEE
802.15.4 nhƣ hình dƣới. Những lớp do ngƣời dùng tự định nghĩa này sẽ thƣờng đơn
giản hơn Zigbee và hƣớng đến các ứng dụng chuyên dụng. Ƣu điểm của phƣơng pháp
này là sẽ kích thƣớc bộ nhớ đƣợc yêu cầu để xây dựng chồng giao thức sẽ nhỏ hơn,
dẫn đến giảm giá thành. Tuy nhiên, việc thực thi giao chồng giao thức Zigbee đầy đủ
sẽ đảm bảo việc đồng hoạt động giữa các giải pháp không dây của những nhà cung cấp
khác và đảm bảo độ tin cậy hoạt động với khả năng xây dựng mạng mắt lƣới đƣợc hỗ
trợ trong Zigbee. Quyết định sử dụng toàn bộ giao thức Zigbee hay chỉ các lớp MAC
và PHY của IEEE 802.15.4 tùy thuộc vào ứng dụng và kế hoạch dài hạn của sản phẩm.
Các chức năng bảo mật đƣợc xây dựng trong cả 2 chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee. Nó
đƣợc cung cấp bởi khối cung cấp dịch vụ bảo mật SSP(Security Service Provider).
Chuẩn Zigbee cung cấp các dịch vụ bảo mật tùy chọn sau:
- Mã hóa cho bảo mật dữ liệu.
- Nhận thực thiết bị và dữ liệu.
- Bảo vệ chuyển tiếp lại khung(các khung trùng lặp).
Một mạng thực thi tất cả các lớp nhƣ hình 2.1 đƣợc xem là một mạng không dây
Zigbee. Chi tiết về từng lớp sẽ đƣợc mô tả trong phần tiếp theo của chƣơng.
Khái niệm về các primitive dịch vụ :
IEEE 802.15.4 và Zigbee sử dụng khái niệm primitive để chỉ những dịch vụ mà một
lớp cung cấp cho những thành phần sử dụng dịch vụ ở lớp cao hơn liền kề. Giao tiếp
giữa các lớp giao thức kế cận đƣợc quản lý bằng việc gọi các hàm hoặc truyền các bản
tin – đƣợc gọi là các primitive – giữa các lớp.
Mặc dù mỗi lớp có các vai trò khác nhau đối với toàn bộ hệ thống xong cách mỗi lớp
hoạt động có những điểm chung. Ví dụ, lớp vật lý PHY, lớp điều khiển truy cập
phƣơng tiện MAC và mạng NWK cung cấp dịch vụ dữ liệu đến lớp cao hơn. Trong cả
ba lớp này, phƣơng thức để yêu cầu truyền một đơn vị dữ liệu là tƣơng tự: lớp cao hơn
sử dụng điểm truy cập dịch vụ dữ liệu Data-SAP(Data-Service Access Point) của lớp
bên dƣới để yêu cầu truyền dữ liệu. Nếu truyền dữ liệu thành công, lớp bên dƣới gửi

một xác nhận(confirmation) tới lớp cao hơn về trạng thái của quá trình truyền.
Bởi sự tƣơng tự này, khái niệm các primitive rất hữu dụng trong mô tả các tính năng
của mỗi lớp giao thức chuẩn. Mỗi primitive chỉ các tác vụ đƣợc thực hiện hoặc cung
cấp kết quả của các tác vụ đƣợc yêu cầu trƣớc đó. Một primitive có thể chứa nhiều
tham số cần thiết để thực hiện tác vụ của nó.
Hình 2.2. mô tả một cách chung để mô tả các dịch vụ một lớp cung cấp cho lớp cao
hơn. Nhƣ mô tả trong hình, có 4 loại dịch vụ chung: yêu cầu(request), chỉ thị
(indication), đáp ứng(response) và xác nhận(confirm). Nói cách khác, tất cả các dịch
vụ mà chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee cung cấp ở mỗi lớp đều nằm trong một trong 4
nhóm dịch vụ trên. Các primitive dịch vụ đƣợc mô tả ở các dạng sau:
<primitive>.request
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 13
<primitive>.indication
<primitive>.response
<primitive>.confirm
Primitive Request đƣợc tạo bởi lớp N+1 gửi tới lớp N để yêu cầu khởi tạo một dịch vụ.
Ví dụ, trong dịch vụ dữ liệu của lớp PHY, primitive yêu cầu dữ liệu PHY(PD-
Data.request) đƣợc tạo bởi lớp MAC tới lớp PHY yêu cầu khởi tạo truyền một đơn vị
dữ liệu của lớp MAC.
Primitive Confirm đƣợc sử dụng bởi lớp N để xác nhận thực hiện thành công dịch vụ
mà lớp N+1 yêu cầu bằng primitive Request trƣớc đó. Primitive PD-Data.confirm
đƣợc tạo bởi PHY và đƣợc gửi tới MAC để đáp ứng tới một primitive PD-
Data.request. Trong xác nhận, PHY thông tin cho MAC rằng quá trình truyền có thành
công hay không.
Primitive Indication đƣợc tạo bởi lớp N gửi tới thành phần yêu cầu dịch vụ ở lớp cao
hơn kế cận để chỉ rằng có một sự kiện quan trọng đối với lớp N+1. Ví dụ khi PHY
nhận đƣợc dữ liệu từ một thiết bị khác trong mạng nó cần gửi dữ liệu đế lớp MAC,
PHY sẽ sử dụng primitive PD-Data.indication để thông tin dữ liệu tới lớp MAC.
Nếu Primitive Indication yêu cầu một đáp ứng, primitive Reponse sẽ đƣợc gửi từ lớp

N+1 xuống lớp N. Các lớp PHY và NWK không có primitive Response . Lớp MAC và
lớp ứng dụng APL chứa các primitive Response.

Hình 2.2. Khái niệm primitive dịch vụ.
2.2. Lớp vật lý – PHY:
Là lớp thấp nhất trong chồng giao thức, lớp PHY chịu trách nhiệm kích hoạt chức
năng vô tuyến để truyền và gửi các gói tin. PHY cũng chọn kênh tần số và đảm bảo
kênh này hiện không đƣợc sử dụng bởi bất cứ thiết bị nào trong mạng.
Chức năng của PHY là :
- Kích hoạt và vô hiệu hóa hoạt động của khối thu phát vô tuyến.
- Giám sát năng lƣợng ED(Enery Dectection) của kênh.
- Chỉ thị chất lƣợng liên kết LQI(Link Quality Indication).
- Chọn lựa kênh.
- Giám sát trạng thái kênh CCA(Clear Channel Assessment) đối với CSMA-CA.
- Truyền và nhận dữ liệu.
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 14
PHY cung cấp 2 loại dịch vụ: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY. Dịch vụ
dữ liệu PHY cho phép truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp PHY
PPDU(PHY Protocol Data Unit) qua một kênh vô tuyến. PHY chứa một thực thể quản
lý đƣợc gọi là Thực thể quản lý lớp vật lý PLME(Physical Layer Management Entity)
nhƣ trong hình 2.3. Các chức năng quản lý PHY đƣợc gọi từ PLME. Dịch vụ dữ liệu
PHY đƣợc truy cập qua cổng truy cập dịch vụ dịch vụ dữ liệu PHY PD-SAP(PHY
Data-Service Access Point). Dịch vụ quản lý dữ liệu PHY đƣợc truy cập qua cổng truy
cập dịch vụ thực thể quản lý lớp PHY PLME-SAP. PLME cũng duy trì cơ sở thông tin
PAN của PHY là PHY-PIB(PHY-PAN Information Base).
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu
Âu, Nhật Bản, Mỹ.

Hình 2.3. Mô hình tham chiếu PHY IEEE 802.15.4 giao diện với lớp MAC.

Bảng 2.1. Băng tần và tốc độ dữ liệu.
PHY
(MHz)
Băng tần
(MHz)
Tốc độ
chip
(kchips/s)
Điều chế
Tốc độ
bit (kb/s)
Tốc độ ký
tự
(ksymbol/s)
Ký tự
868
868-868.6
300
BPSK
20
20
Nhị
phân
915
902-928
600
BPSK
40
40
Nhị

phân
2450
2400-
2486.5
2000
O-QPSK
250
62.5
Hệ 16

Bảng2.2 Kênh truyền và tần số
Tần số trung tâm
(MHz)
Số lƣợng kênh
(N)
Kênh(k)
Tần số kênh trung
tâm
(MHz)
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 15
868
1
0
868.3
915
10
1 – 10
906+2(k-1)
2450

16
11 – 26
2405+5(k-11)
Có tất cả 27 kênh, đánh số từ 0 đến 26 và phân bổ trên 3 dải tần số. Có 16 kênh ở dải
tần 2.4GHz, 10 kênh ở dải tần 915MHz, và 1 kênh ở dải tần 868MHz. Tần số trung
tâm của các kênh nhƣ sau:
F
ck
= 868.3MHz , với k=0.
F
ck
= 906+2(k-1) MHz , với k=1, 2, …, 10.
F
ck
= 2405+5(k-11) MHz , với k=11, 12, …, 26.
Cụ thể xem bảng 2.2.

Hình 2.4. Phân bố kênh trên các băng tần.
Hoạt động của lớp vật lý có một số những tham số quan trọng sau:
- Đánh giá mức năng lƣợng ED(Enery Detection):
Khi một thiết bị muốn truyền tín hiệu, nó phải đi vào chế độ thu để dò và đánh giá
mức năng lƣợng tín hiệu trong kênh mà nó sẽ truyền. Tác vụ này đƣợc gọi là đánh giá
mức năng lƣợng – ED. Năng lƣợng tín hiệu trong băng tần đƣợc lấy trung bình trong
khoảng thời gian bằng độ dài 8 kí hiệu. Với ED, bộ thu sẽ không xác định loại tín hiệu
có phải là một tín hiệu tuân theo chuẩn Zigbee hay không, mà chỉ đánh giá mức năng
lƣợng của tín hiệu. Khi MAC yêu cầu PHY thực hiện ED, PHY sẽ trả về một số
nguyên 8-bit chỉ mức năng lƣợng của kênh tần số cần thực hiện ED. Độ chính xác của
mức năng lƣợng phải là 6dB hoặc tốt hơn.
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4
Nguyễn Văn Nguyên – D06VT1 16

- Cảm ứng sóng mang CS(carrier sense):
Tƣơng tự với ED, CS là một phƣơng thức để kiểm tra một kênh tần số có rỗi hay
không. Trong CS, khi một thiết bị muốn truyền một bản tin, đầu tiên nó sẽ đi vào chế
độ thu để phát hiện loại tín hiệu có thể mà đang chiếm kênh. Trái với ED, trong CS, tín
hiệu sẽ đƣợc giải điều chế để xác định loại tín hiệu. Ngay cả khi tín hiệu đang chiếm
kênh tuân theo chuẩn PHY IEEE 802.15.4, thiết bị sẽ có thể xem nhƣ rằng kênh đang
hay không dựa trên mức năng lƣợng tín hiệu.
- Chỉ thị chất lƣợng đƣờng truyền LQI(Link Quality Indication):
LQI là một dạng chỉ thị chất lƣợng của gói dữ liệu nhận đƣợc bởi bộ thu. Cƣờng độ tín
hiệu nhận đƣợc RSS(Received Signal Strength) đƣợc sử dụng để tín toán chất lƣợng
tín hiệu. RSS đƣợc tính bằng tổng năng lƣợng của tín hiệu nhận đƣợc. SNR cũng là
một phƣơng pháp để đánh giá chất lƣợng tín hiệu. Ngoài ra cũng có thể đánh ra chất
lƣợng liên kết dựa vào cả năng lƣợng tín hiệu lẫn tỉ số SNR.
Việc tính toán LQI đƣợc thực hiện trên mỗi gói tin nhận đƣợc. LQI sẽ phải có ít nhất 8
mức. LQI đƣợc truyền về cho lớp MAC và đƣợc dùng cho NWK và lớp APL trong
phân tích sau này. Ví dụ, NWK có thể sử dụng các mức LQI trong các thiết bị của
mạng để quyết định đƣờng nào đƣợc sử dụng để định tuyến một gói tin.
- Đánh giá kênh rỗi CCA(Clear Channel Assessment):
Trong bƣớc đầu tiên của phƣơng thức đa truy nhập CSMA-CA, MAC yêu cầu PHY
thực hiện CCA để đảm bảo rằng kênh hiện tại chƣa đƣợc sử dụng bởi các thiết bị khác.
CCA là một phần của dịch vụ quản lý PHY. Trong một CCA, kết quả của ED hoặc CS
đƣợc sử dụng làm tiêu chí để đánh giá kênh tần số đó đang rỗi hay bận. Độ dài của
CCA phải bằng độ dài của 8 ký hiệu.
Có 3 mode hoạt động của CCA trong IEEE 802.15.4 :
o CCA mode 1: trong mode này, CCA dựa trên ED, nếu mức năng lƣợng vƣợt
ngƣỡng, kênh đƣợc xem nhƣ bận. Ngƣỡng đƣợc thiết lập bởi nhà sản xuất.
o CCA mode 2: sử dụng CS để đánh giá, và kênh đƣợc xem nhƣ bận nếu tín hiệu
chiếm kênh là tƣơng thích với PHY của thiết bị mà thực hiện CCA.
o CCA mode 3: Mode này là kết hợp giữa mode 1 và mode 2. PHY sẽ sử dụng
một trong những điều kiện sau để chỉ thị rằng một kênh đang bận:

o Mức năng lƣợng dò đƣợc vƣợt ngƣỡng và sóng mang cảm ứng đƣợc
tƣơng thích với PHY thiết bị.
o Mức năng lƣợng dò đƣợc vƣợt ngƣỡng hoặc sóng mang cảm ứng đƣợc
tƣơng thích với PHY thiết bị.
Định dạng khung tin PHY – PPDU.
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trƣờng thông tin.
- SHR(synchronization header) : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit
- PHR(PHY header) : chứa thông tin độ dài khung
- Tải PHY(PHY payload) : chứa khung tin của lớp MAC