Báo cáo môn học hệ thống nhà thông mình dùng zigbee

<span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>ĐẠI HỌC THỦY LỢI</b>

<b>KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG</b>

<b>BÁO CÁO MÔN HỌC </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b><small>VŨ BẢO LINHBÁO CÁO MÔN HỌC</small></b>

<b>PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI BÁO CÁO MƠN HỌC1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài</b>

 Tìm hiểu về board Arduino.Mega 2560, Uno R3 SMD  Ứng dụng mạng Zigbee vào nhà thông minh

 . . . . .

<b><small>4. Kết quả</small></b>

 Bộ thí nghiệm hoạt động tốt, có thể điều khiển ON-OFF các thiết bị, động cơ  Điều chỉnh điện áp đầu ra điều khiển tốc độ động cơ, độ sang đèn bằng PWM  . . . . .

Giảng viên hướng dẫn

Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2024

Sinh viên

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<small>VŨ BẢO LINH</small>

<b><small>BÁO CÁO MÔN HỌC</small></b>

4. Tập Lệnh...38

II. Module Arduino...41

1. Board Arduino Uno R3...44

2. Board Arduino Mega 2560...45

3. Tập Lệnh...47

III. Module Điều Khiển AC TAC 500...49

IV. Module Mega Ethernet...49

<b>CHƯƠNG 4: THI CÔNG...51</b>

I. Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng...51

1. Gửi Dữ Liệu Điều Khiển (Master)...51

2. Nhận Dữ Liệu- Thực Thi Đóng Ngắt Thiết Bị (Slaver)...52

II. Lưu Đồ Giải Thuật...53

1. Coordinator...53

2. Router...54

3. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống...55

III. Ứng Dụng Điều Khiển Trên Điện Thoại...55

1.

Giới Thiệu Về Phần Mền Lập Trình App-App Inventor...55

2.

Các Bước Thiết Kế Ứng Dụng...58

<b>CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...64</b>

I. Hình Ảnh Mơ Hình...64

II. Giao diện App điều khiển...64

III. Kết Quả Điều Khiển Trên Mơ Hình...65

<b>CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN...66</b>

I. Kết Luận...66

II.Hướng Phát Triển Đề Tài...66

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<small>VŨ BẢO LINH</small>

<b><small>BÁO CÁO MƠN HỌC</small></b>

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

Trong mạng viễn thơng ngày này, con người đang quản lỷ, trao đổi, giao tiếp tranh luận, mua bán và thử nghiệm - nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình hoạt động bằng cách thức mà chì có IOT mới có thế làm được. Mạng viễn thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng. Tuy vậy, trong một dải băng tần eo hẹp vẫn còn tồn động nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì cơng nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ như là can nhiều lẫn nhau giừa các thiết bị cùng tần số, hay là vấn đề xung đột giừa các thiết bị... Một trong những công nghộ mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghệ ZigBee.

Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thơng điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điềm là độ trề truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Trong luận văn này, em muốn trình bày các khảo cứu của em về công nghệ ZigBee và ứng dụng kết nối thiết bị cùa ZigBee để có thề hiểu rõ hơn về công nghệ này.

Đồng thời, nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các cơng trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại. Từ lâu, nó đã là một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng đồng. Với tiêu chí đó, khóa luận này sẽ trình bày về cách xây dựng mơ hình một hệ thống giám sát và điều khiển đơn giản trong việc kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng Zigbee.

Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập trong bản luận văn này, mội người sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai trị cũng như tiềm năng của cơng nghệ này trong cuộc sống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b><small>VŨ BẢO LINHBÁO CÁO MÔN HỌC</small></b>

<b>CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ</b>

Trong xu thế hội nhập nền kinh tế quốc tế, việc phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa ln được Đảng và Nhà nước ta đặt ưu tiên hàng đầu trong lĩnh vực phát triển kinh tế, một trong những phương châm đúng đắn và xuyên suốt trong quá trình xây dựng đất nước ta ngày càng phát triển trong lĩnh vực công nghệ và khoa học kỹ thuật cũng như nhiều ngành lĩnh vực khác là ―đi tắt đón đầu tiếp thu những thành tựu khoa học hiện đại của thế giới để cải tiến nền kỹ thuật nước nhà, để nước ta khơng cịn lạc hậu về khoa học cơng nghệ.

Nhờ chính sách đúng đắn này mà Việt Nam đang tiến dần, tiếp cận các công nghệ hiện đại của thế giới từng bước cải thiện và hồn thiện tình trạng sản xuất lạc hậu, thủ công, năng suất kém và nhiều lĩnh vực nguy hiểm có tính chất độc hại đến đời sống người lao động. nâng cao dần mức sống cho người dân.

Việc tiếp thu những thành tựu khoa học kỹ thuật của thế giới cùng đi đôi với việc phát triển tầng lớp kế thừa có tri thức về cơng nghệ hiện đại đồng thời cũng có trách nhiệm phát huy, sáng tạo những kỹ thuật mới góp phần phát triển nền khoa học kỹ thuật nước nhà cũng là góp phần vào việc thúc đẩy cơng nghệ hiện đại đang phát trên thế giới.

Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin , điện tử V. V.. . Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngơi nhà thơng minh khơng cịn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa .Qua báo chí, các phương tiện truyền thơng , internet chúng ta có thế thấy những mơ hình ngơi nhà thơng minh đã ra đời. Là sinh viên khoa Điện – Điện tử chuyên ngành Hệ thống nhúng của trường Đại học Thủy Lợi, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn ứng dụng kiến thức tự động hóa đó để đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt hằng ngày, chúng em đã tìm hiểu đề tài Hệ Thống Nhà Thông Minh Dùng Zigbee

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b><small>VŨ BẢO LINHBÁO CÁO MƠN HỌC</small></b>

Cơng nghệ số có phần chung rất lớn với cơng nghệ thơng tin, đó là phần quản trị và xử lý dữ liệu được số hố. Trải qua các làn sóng của công nghệ số, những đột phá trong thời gian gần đây như điện toán đám mây, thiết bị di động thơng minh, trí tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn, IoT… đang tạo điều kiện cho sản xuất thông minh được thực hiện rộng rãi, mở đầu cho cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư<small>.</small>

<small>Hình 1.1 Cơng nghệ 4.0</small>

IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp khơng dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích.

Việc trang bị những cơng nghệ theo dõi, nhận biết vào những vật thông dụng trong đời sống sẽ làm thay đổi rất nhiều cách chúng ta tương tác với đồ vật cũng như cách tương tác giữa người với người. Theo ước tính của cơng ty ABI Research, đến năm 2020, tồn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị được kết nối khơng dây vào mạng lưới IoT.

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable). Nếu mọi đội tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hồn tồn quản lí được nó thơng qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thơng qua nhiều cơng nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số... Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại...

Không phải tất cả mọi thứ nằm trong IoT đều nhất thiết phải kết nối vào một mạng lưới tồn cầu, chúng ta có thể hoạt động trong từng hệ thống đơn lẻ (subsystem). Hãy tưởng tượng đến một căn nhà thơng minh, trong đó các đồ điện gia dụng có thể tự chúng tương tác với nhau và hoạt động mà không cần phải vào Internet, trừ khi chúng ta cần điều khiển nó từ xa. Ngơi nhà này có thể được xem là một subsystem. Cũng giống như hiện nay chúng ta có các mạng LAN, WAN, mạng ngang hàng nội bộ chứ không kết nối trực tiếp vào Internet.

Dòng tivi SUHD 2016 của Samsung sẽ được hoạt động như một bộ điều khiển cho tồn bộ hệ thống thiết bị thơng minh trong ngơi nhà của bạn chỉ với tính năng SmartThings. Với việc áp dụng tính năng này, người dùng khơng cần kiểm soát từng thiết bị riêng biệt với nhiều ứng dụng khác nhau, mà có thể truy cập và điều khiển tất cả các thiết bị thông minh trực tiếp từ tivi SUHD và Smartphone, thông qua một giao diện màn hình tivi đơn giản và duy nhất.

<small>Hình 1.2 Samsung SmartThing</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Tính năng SmartThings Samsung hứa hẹn sẽ hỗ trợ công nghệ IoT cho tất cả sản phẩm tivi của hãng này đến năm 2017 và toàn bộ sản phẩm phần cứng của Samsung cũng sẽ tương thích IoT trong vịng 5 năm tới.

Giải pháp nhà thông minh sẽ làm cho những thiết bị điện tử bình thường trong ngơi nhà trở nên thông minh và gần gũi với người dùng hơn, chúng được kiểm soát thông qua các thiết bị truyền thông như điều khiển bằng thiết bị từ xa, điện thoại di động hoặc internet. Ngôi nhà thông minh đơn giản bao gồm một mạng điều khiển liên kết một số lượng cố định các thiết bị điện, điện tử gia dụng trong ngôi nhà và chúng được điều khiển thông qua một thiết bị điều khiển từ xa, đáp ứng được các cá nhân có nhu cầu nhà thơng minh ở mức trung bình.

<b>Tạo sao dùng ZigBee mà không sử dụng mạng không dây khác?</b>

Chúng ta cần một chuẩn kết nối đủ mạnh để cũng có thể kết nối nhiều thiết bị nhưng cần giảm trọng lượng và tầm giá thi cơng, chính vì vậy, Wifi và Bluetooth không thể đáp ứng tốt điều này,sử dụng băng thông rộng, kết nối dễ bị xâm nhập, khơng thích hợp với những kết nối gọn nhẹ trong nhà thông minh, tiêu hao quá nhiều điện năng và không dùng Pin.

<small>Bảng 1.1 Bảng so sánh Wifi, Blutooth và Zigbee</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Mạng truyền tín hiệu và dữ liệu điều khiển trong đề tài này được sử dụng là mạng Zigbee. Vì mạng này đáp ứng được những yêu cầu được nêu ở trên.

Kỹ thuật truyền thông không dây Zigbee ra đời dưới sự giám sát và bảo trợ của hơn 150 nhà sản xuất linh kiện hàng đầu thế giới.

Với 3 lợi thế lớn nhất: Khả năng tiêu tốn điện năng thấp , giảm diện tích lắp đặt ,gọn nhẹ và dễ thi công ở mọi địa hình, Zigbee là cơng nghệ truyền phát hiệu quả nhất cho nhà thông minh và nền tảng ưu việt cho IoT.

Ngồi ra ZigBee cịn cung cấp một tiêu chuẩn tồn cầu để có thể điều khiển, kiểm sốt các thiết bị chiếu sáng, quản lý năng lượng,an ninh,cũng như kết nối được với các mạng ZigBee khác.

Trong tương lai hướng phát triển của ZigBee đó là có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống điều khiển và cảm biến với các ưu điểm vượt trội: giá thành thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao, Zigbee thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ SMARTHOME VÀ MẠNG ZIGBEE</b>

<b>1. Định Nghĩa Nhà Thông Minh</b>

Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home, home automation) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hố hồn tồn hoặc bán tự động, nó thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý, điều khiển...

Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà như các thiết bị phòng ngủ, phòng khách đến toilet 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 từ xa hoặc lập trình cho chúng hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngơn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau...

Một ngơi nhà thơng minh đầy đủ, thường bao gồm các tính năng: • Phân phối đa phương tiện, là một rạp hát gia đình.

• Điều khiển việc chiếu sáng, mành, rèm.

• Giám sát, điều khiển mơi trưởng (nhiệt độ, độ ẩm...). • Có khả năng liên lạc giữa các phịng.

• Giám sát, điều khiển camera an ninh. • Giám sát và điều khiển từ xa.

<b>2. Các Ưu Điểm Của Nhà Thông Minh</b>

Nhà thông minh sử dụng các thiết bị và công nghệ tự động hóa, thơng minh hóa, giúp cho con người nhàn hạ hơn trong sinh hoạt hằng ngày. Nói cách khác, đây là hệ thống giúp chủ nhân tận hưởng sự tiện nghi của cuộc sống và dễ dàng quản lý tổng quát đối với cả tòa nhà. Chỉ với một chiếc điều khiển từ xa, chủng ta có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ nơi nào. Chúng ta có thể tưởng tượng ra hiệu quả mà nhà thông minh mang lại thông qua những hoạt động rất gần gũi, chẳng hạn như nằm trên giường để mở cổng; sẽ khơng cịn chuyện bị ngã do khơng nhìn thấy đường bởi đèn

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

cầu thang sẽ tự sáng lên khi có người; hệ thống đèn trong phịng, bếp, bình nước nóng... sẽ hoạt động đúng giờ đã định; toàn bộ hệ thống đèn sẽ tự tắt sau khi không cần thiết; khống chế nhiệt độ chênh lệch giữa bên ngoài và trong nhà và cịn rất nhiều tiện ích khác.

Khơng chỉ điều khiển được trong phạm vi ngơi nhà, cơng nghệ này cịn cho phép tích hợp điều khiển qua điện thoại (cố định hoặc di động), internet hay PDA. Vì vậy, mọi sinh hoạt có thể được kiểm sốt dù chúng ta đang ở cơng sở hay ngồi đường... Khơng chỉ riêng các ngơi nhà nhỏ, chủng ta hồn lồn có thể thơng minh hóa bất kỳ một khơng gian sống nào, kể cả trụ sở văn phòng, siêu thị, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà hàng, nhà xưởng sản xuất, ngân hàng, bệnh viện hay các khu phức họp khác... nếu lựa chọn công nghệ phù hợp.

<b>3. Nhà Thông Minh Ở Viêt Nam</b>

Ơng Nguyễn Tử Quảng, Tổng giám đốc cơng ty Bkis, chia sẻ cách đây nhiều năm, khi đọc thông tin về biệt thự công nghệ cao với khả năng tự điều chỉnh âm thanh, ánh sáng... theo ý thích của tỷ phú Bill Gates, ơng đã mong muốn có thể trang bị khả năng tự động cho các căn nhà bằng cơng nghệ do chính Việt Nam sản xuất.

Trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam và Thăng Long - Hà Nội 2010, diễn ra từ ngày 1/10 đến 6/10 tại Trung tâm triển lãm Giảng Võ - Hà Nội, Bkav đã giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome. Đây là một trong những cơng trình cơng nghệ cao hồn tồn do các kỹ sư và chuyên gia của Công ty đầu tư phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh Bkav SmartHome (công ty thành viên của Bkav) nghiên cứu và sản xuất.

SmartHome kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo mơi trường sống tiện nghi, an tồn và tiết kiệm năng lượng. Chẳng hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại. Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo sở thích của chủ nhân. Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo khơng khí của một phịng chiếu phim.

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<small>Hình 2.1 Giao diện điêu khiên của Bkav SmartHome</small>

Ngồi ra, ngơi nhà thơng minh của Bkav SmartHome cịn được trang bị hệ thống kiểm sốt mơi trường, cảnh báo an ninh (kiểm soát các nguy cơ cháy, nồ hay bị xâm nhập trái phép), giải trí đa phương tiện Multimedia (quản lý thư viện âm nhạc, phim, ảnh... của chủ nhà).

Để điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng, người dùng có thể tương tác trên giao diện cảm ứng của máy tính bảng (tablet) được đặt ở các vị trí thuận tiện trong nhà hoặc đỉện thoại dỉ động 3G.

Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khỉ đỉ ngủ, đổ thúc ăn vào bể cá khỉ vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa. Ông Quảng khẳng định "nhà thơng minh" khơng cịn là khái niệm xa vời, đắt đỏ. Tùy theo mức độ sử dụng mà mức giá của SmartHome sẽ dao động từ vài triệu đán vài trăm triệu đồng.

<b>II.Mạng Zigbee</b>

<b>1 Khái Quát Về Zigbee:</b>

<b>1.1 Khái niệm mạng WPAN.</b>

WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các cơng nghệ vơ tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB,đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các cơng nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, VVibree, ZigBee, UWB, VVireless USB, EnOcean...

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>1.2 Khái niệm về Zigbee</b>

Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz.

Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu ―zig-zag‖ của loài ong ―honey-Bee‖. Cái tên Zigbee cũng được ghép từ 2 từ này.

<b>1.3 Lịch sử phát triển</b>

Mạng Zigbee được hình thành năm 1998 khi các kỹ sư cơng nghệ nhận thấy Wifi và Bluetooth khơng thích hợp với nhiều ứng dụng. Tháng 5 năm 2003, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được hoàn thành. Tháng 10 năm 2004, Liên minh Zigbee ra đời. Đây là hiệp hội các công ty làm việc cùng nhau để cho phép và kiểm soát các sản phẩm mạng khơng dây tốc độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật cao. Là một tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận. Nó tạo ra các tiêu chuẩn kỹ thuật cho Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thị trường.

Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời từ đó đến nay:

- Ngày 11/12/2004, phiên bản đầu tiên ra đời: Zigbee 2004. Cũng trong thời gian này điện thoại Zigbee đầu tiên trên thế giới được giới thiệu với những tính năng như điều khiển các thiết bị điện gia dụng, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và hệ thống báo động.

- Tháng 12/2006, Zigbee 2006 ra đời.

- Năm 2007, Zigbee PRO ra đời với những tính năng vượt trội hơn.

<b>1.4 So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi:</b>

<small>Bảng 2.1 So sánh Zigbee với Blutooth ,wifi</small>

Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh netvvork) thay vì chỉ có 2 sản phẩm tương tác với nhau như Bluetooth và Wifi. Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét lên đến vài trăm mét.

Cơng nghệ này địi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ chỉ đạt 256 Kb/giây, đồng thời Zigbee sử dụng rộng hơn trong các mạng mắt lưới rộng hơn là

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b><small>VŨ BẢO LINHBÁO CÁO MƠN HỌC</small></b>

sử dụng cơng nghệ Bluetooth. Phạm vi hoạt động của nó có thể đạt từ 10 _75m trong khi đó Bluetooth chỉ có 10 mét trong trường hợp khơng có khuếch đại.

<small>Hình 2.2 So sánh phạm vi hoạt động của Zigbee</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b><small>VŨ BẢO LINHBÁO CÁO MƠN HỌC</small></b>

<b>2. Các Tính Năng</b>

<b>• Sử dụng đơn giản, giá thành hợp lý, tiết kiệm năng lƣợng</b>

Thiết bị được sản xuất phù hợp cho cả người sử dụng tự lắp đặt hay các nhà tích hợp hệ thống chuyên nghiệp. Tối ưu hóa năng lượng, giảm hao phí điện năng khi sử

Tính năng điều khiển tự động hoặc bán tự động: Giải thoát sức lao động của con người. Kết nối Internet cho phép điều khiển từ xa. Tự lắp đặt, tự cài đặt dễ dàng.

<b>• An tồn</b>

Dễ dàng lắp đặt cảm biến khơng dây để giám sát an ninh ngôi nhà. Nhận thông báo tức thì khi có sự kiện bất thường xảy ra.

AES hệ thống khơng dây được mã hóa đặc biệt, đảm bảo chỉ duy nhất chủ nhà có khả năng điều khiển hệ thống

<b>• Liên kết hoạt động</b>

Tích hợp điều khiển và giám sát các phân hệ điện của ngôi nhà cũng như các hệ an ninh, kiểm soát truy nhập…

Vì các ứng dụng đều được xây dựng ở dạng module do đó người sử dụng chỉ phải mua những thiết bị mà mình cần. Có thể kết hợp sử dụng nhiều dịng sản phẩm mà khơng cần quan tâm tới nhà sản xuất có thể làm việc với mạng ZigBee khác

<b>3. Ứng Dụng:</b>

<i><b>Năng lượng thông minh: là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm</b></i>

tương thích mà theo dõi, kiểm sốt, thơng báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng lượng nước. Nó giúp tạo ra ngơi nhà xanh hơn bằng cách cho người tiêu dùng những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Tiêu chuẩn này hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất sản phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và nước trong tương lai.

<i><b>Zigbee điều khiển từ xa: cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử</b></i>

dụng điều khiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử dụng và tuổi thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các hộp set-top, thiết bị âm thanh khác.

Điều khiển từ xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng điều khiển từ xa ở các thiết bị.

Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểm sốt các thiết bị từ phịng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy tinh.

<i><b>Zigbee nhà thơng minh: Zigbee nhà thơng minh cung cấp một tiêu chuẩn tồn</b></i>

cầu cho các sảm phẩm tương thích cho nhà thơng minh có thể kiểm sốt thiết bị, chiếu sang, quản lý môi trường năng lượng và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các mạng Zigbee khác. Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì.

Tất cả sản phẩm Zigbee nhà thơng minh được chứng nhận để thực hiện. Nhiều công ty đổi mới đã đóng góp chun mơn của họ vào tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips, Control4 và Texas Instruments.

<i><b>Zigbee chăm sóc sức khỏe: là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và</b></i>

nhịp tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang một thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp tim. Sau đó dữ liệu được truyền khơng dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một máy tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực hiện.

Cuối cùng, thơng tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân viên vật lý trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn. Chăm sóc sức khỏe hàng đầu và công ty đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức khỏe, bao gồm Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Avvarepoint và công nghệ RF.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<i><b>Zigbee xây dựng tự động: </b></i>

ĐIỀU KHIỂN:

* Tích hợp và tập trung quản lý chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an ninh. * Tự động kiểm soát nhiều hệ thống để cải thiện tính linh hoạt và an ninh. BẢO TỒN

* Giảm chi phí năng lượng thơng qua quản lý tối ưu hóa HVAC.

* Phân bổ chi phí tiện ích một cách cơng bằng dựa trên tiêu thụ thực tế.

* Mạng và tích hợp dữ liệu từ các điểm kiểm soát truy cập nhiều chiều. * Triển khai mạng lưới giám sát không dây để tăng cường bảo vệ vịng ngồi.

<i><b>Zigbee dịch vụ viễn thông: ZigBee Dịch vụ viễn thơng cung cấp một tiêu chuẩn</b></i>

tồn cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép một loạt các dịch vụ giá trị gia tăng, bao gồm giao thông, chơi game di động, dịch vụ dựa trên địa điểm, thanh tốn di động an tồn, quảng cáo di động, thanh tốn khu vực, tiếp cận văn phịng di động kiểm soát, thanh toán, và peer-to-peer dịch vụ chia sẻ dữ liệu.

ZigBee Dịch vụ viễn thông hỗ trợ các nhà sản xuất sản phầm, các nhà khai thác điện thoại mạng di động, các doanh nghiệp và chính phủ khi họ tìm cách mới để tương tác vớỉ cơng chúng. Tất cẳ các sản phẩm ZigBee Dịch vụ viễn thông được chứng nhận để thực hiện.

Các công ty viễn thông hàng đầu, các nhà sản xuất sản phẩm và công ty công nghệ dẫn sự phát triển của tiêu chuần này, bao gồm cả Phillips, Telecom Italia, Teletonica, OKI, Huavvei, Motorola và Texas Instruments.

<b>4. Mơ Hình Giao Thức Của ZIGBEE/IEEE802.15:</b>

Đây là cơng nghệ xây dựng và phát triển các lớp ứng dụng và lớp mạng trên nền tảng là 2 tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4. Nó thừa hưởng được tính tín cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với mơi trường mạng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<small>Hình 2.3 Mơ hình giao thức của Zigbee</small>

<b>4.1</b>

<i><b>Tầng vật lý: cung cấp 2 dịch vụ chính là dịch vụ dữ liệu (PHY) và dịch vụ</b></i>

quản lý (PHY).

- Dịch vụ dữ liệu (PHY) điều khiển việc thu phát của khối dữ liệu PPDU thơng qua kênh song vơ tuyến vật lý

- Các tính năng của tầng vật lý là: Sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt hoặc giảm của bộ phận nhận sóng , phát hiện năng lượng , chọn kênh , chỉ số đường truyền , giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua mơi trường truyền.

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<small>Bảng 2.2 Băng tần và tốc độ dữ liệu</small>

Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau theo bảng mô tả sau:

<small>Bảng 2.3 Số kênh trên 3 dãi tần số</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<small>Hình 2.4 Băng tần hệ thống của Zigbee</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4:</b>

<b>a.</b>

<b>Chỉ số ED (energy detection):</b>

Chỉ số ED được đo đạc bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử dụng như là 1 bước trong thuật tốn chọn kênh. Nó là kết quả của sự ước lượng cơng suất năng lượng của tín hiệu nhận được. Nó khơng có vai trị trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền trong kênh này. Thời gian phát hiện và xử lý tương đương 8 Symbol.

Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà cơng suất nhận được ít hơn mức +10 db so với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là 40db ± 6db.

<b>b.</b>

<b>Chỉ sổ lưu lượng đường truyền (LQI'):</b>

Chỉ số này đặc trưng cho chất lượng gói tin nhận được, cùng với chỉ số ED, nó đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR. Giá tri của nó được giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng xử lý.

<b>c. Chỉ sổ đánh giá kênh truyền :sử dụng để xem kênh truyền rỗi hay bận. Có</b>

3 phương pháp: CCA1: ―Năng lượng vượt ngưỡng‖, CCA sẽ thông báo kênh truyền bận. CCA2: ―Cảm biến sóng mang‖, CCA sẽ thơng báo kênh truyền bận khi nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE 802.15.4. CCA3: ―Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vượt ngưỡng‖, CCA sẽ thơng báo kênh truyền bận khi dị ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.

<b>d. Khung tin PPDU:</b>

Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin: . SHR : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bít.

. PHR : chứa thơng tin độ dài khung.

. PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC.

<b>4.2</b>

<b>Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC:</b>

Cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC.

Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack.

<b>4.3</b>

<b>Tầng mạng của Zigbee /IEEE 802.15.4</b>

Dịch vụ mạng:

Tầng vật lý trong mô hình giao thức Zigbee được xây dựng dựa trên tầng điều khiển dữ liệu. Một mạng có thể họat động cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng là:

Thiết lập 1 mạng mới.

Tham gia làm thành viên của 1 mạng đang hoạt động hoặc là tách ra khỏi mạng khi đang là thành viên của 1 mạng nào đó.

Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới tham gia vào mạng.

Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà khơng bị tranh chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thơng báo beacon. Bảo mật: gán các thơng tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới. Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng tin mong muốn. Có thể nói rằng thuật toán Zigbee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp.

<b>4.4</b>

<b>Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4</b>

Chức năng của tầng ứng dụng application Framework của Zigbee là:

 Dị tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng phủ sóng của thiết bị đang hoạt động hay khơng.

 Duy trì kết nối, chuyển tiếp thơng tin giữa các nốt mạng. Chức năng của application Profiles là:

 Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng.  Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.

 Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị trong mạng

<b>5. Phân Loại Thiết Bị</b>

Trước hết chúng ta tìm hiều các thuật ngữ:

Full-function devices (FFDs): là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức năng theo chuẩn của IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất cứ vai trị nào trong hệ thống. FFD có thề hoạt động trong ba trạng thái: là diều phối viên của toàn mạng PAN, hay là điều phối viên của một mạng con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng, bồ

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

sung bộ nhớ và sức mạnh tính tốn làm cho nó trở thành lý tưởng trong chức năng router mạng hoặc nó có thề sử dụng trong các thiết bị mạng cạnh (nơi mạng chạm thế giới thực).

Reduced-íunction devices (RFDs): là những thiết b[ giới hạn một số chức năng (chỉ giao tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu như tắt, mở đèn) với chi phí thấp hơn và phức tạp hơn

Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, một FFD có thề làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

Có 3 loại thiết bị Zigbee:

<small>Hình 2.6 Ba loại thiết bị Zigbee</small>

<b>5.1</b>

<b>Zigbee Coordinator (ZC) thiết bị này hình thành và duy trì kiến trúc</b>

mạng tổng thể, đồng thời nó diều khiển và giám sát mạng, lưu trữ các thơng tin về mạng. Vì vậy nó u cầu bộ nhớ và sức mạnh tính tốn lớn nhất. Nó là thiết bị FFD.

<b>5.2</b>

<b>Zigbee Router (ZR) </b>

một thiết bị thông minh có khả năng mở rộng tầm bao phủ của mạng bằng cách định tuyến và cung cấp tuyến dự phòng hoặc phục hồi những tuyến bị nghẽn, hoạt động như một router trung gian, truyền dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau. Nó cố thề kết nối với zc, ZR và cả ZED. Nó cũng là thiết bị FFD.

<b>5.3</b>

<b>Zigbee End Device (ZED) đó là các nút cảm biến có các thơng tin từ</b>

mơi trường. Nó có thề nhận tin nhưng không thề chuyền tiếp tin, kết nối được với zc và ZR nhưng không thể kết nối với nhau. Nó có thể là FFD hoặc RFD.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>6. Các Kiểu Hình Mạng Zigbee</b>

Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (Star), lưới (Mesh), cấu trúc bó cụm hình cây (Tree). Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zỉgbee được ứng dụng một cách rộng rãi.

<small>Hình 2.7 Các kiểu mạng Zigbee</small>

<b>6.1 Cấu trúc mạng hình sao (Star topology) cịn được gọi là </b>

point-to-point (one-hop)

Đối với loại mạng này một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị được lập trình đề điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD được kích hoạt lần đàu 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 chĩ sổ nhận dạng cá nhân được gọi là PAN ID (PAN identiííer), chỉ số này là duy nhất mà không được sử dụng bời bất kỳ mạng khác trong phạm vi ảnh hưởng của nó - khu vực xung quanh thiết bị mà sóng radio của nó có thề giao tiếp thành cơng với các thiết bị phát radio khác. Nói cách khác nó đảm bẳo rằng PAN ID mà nó chọn khơng được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào gần đấy, cho phép mạng này có thề hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thề kết néỉ với bộ điều phối mạng PAN.

Các node trong mạng PAN chĩ có thể kết nối với bộ điều phối mạng PAN vì thế mạng này là mạng tập trung, mọi node mạng đều phải thông qua zc nên zc sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các node mạng khác và mạng có tầm phủ sóng nhỏ (trong vịng bán kính 100m). Nên sử dụng cấu trúc hình sao này cho các ứng dụng có tầm nhỏ như tự động hóa nhà, thiết bị ngoại vi cho máy tính, đồ chơi và game.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<small>Hình 2.8. Cầu trúc mạng hình sao</small>

<i><b>6.2 Cấu trúc mạng lưới (Mesh topology) </b></i>

còn được gọi là peer-to-peer (multi-hop)

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là kết hợp của hai kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thề 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.

<small>Hình 2.9 Cấu trúc mạng lưới</small>

Mạng mắt lưới không tập trung cao độ như mạng hình sao, thay vào đó là các kết nối điểm - điểm nằm trong tầm phủ sóng của các điểm mạng. Mạng hoạt động theo chế độ ad-hoc cho phép chuyển tiếp nhiều chặng qua trung gian là các ZR, điều này đồng nghĩa với việc phải có thuật tốn định tuyến đề tím ra các đường dẫn tối ưu nhất. Mạng này có thề hoạt động trong tầm rắt rộng lớn, tuy nhiên rắt khó khăn để giảm thiều phức tạp trong việc liên kết bất cứ điểm - điểm nào trong mạng do đó khó cố thề đảm bảo thời gian truyền tối thiểu được. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể ứng

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiềm kê (cảnh báo cháy rừng)...ZR hoạt động như một điều phối viên trong khu vực hoạt động của nó để mờ rộng giao tiếp ở cấp độ mạng.

Trong mạng ngang hàng, mỗi thiết bị có thể giao tiếp với thiết bị khác nếu các thiết bị được đặt đủ gần để tạo thành công đường dẫn liên kết. Bất kỳ FFD nào trong mạng ngang hàng có thể đống vai trị là một điều phối mạng PAN. Một cách đề quyết định thiết bị nào sẽ là điều phổi mạng PAN là lựa ra thiết bị FFD đầu tiên bắt đầu việc giao tiếp như là một điều phối mạng PAN. Một RFD có thề là một phần của mạng và chỉ giao tiếp với một thiết bị đặc biệt trong mạng (ZC hoặc ZR).

<b>6.3</b>

<b>Cấu trúc mạng hình cây (Cluster Tree topology):</b>

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cắu trúc mắt lưới trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào hình cây như một node rời rạc ở điềm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thề hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mơ phủ sóng và tầm 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.

Các ZR định hình các nhánh và tiếp nhận tin. Các ZED hoạt động như những chiếc lá và khơng tham gia vào việc định tuyến.

<small>Hình 2.10 Cấu trúc mạng hình cây</small>

Bộ điều phối mạng PAN tạo ra nhóm đầu tiên bằng cách tự bầu ra người lãnh đạo cho nhóm của mình và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đăc biệt gọi là CID-0 (cluster identiíier) bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0. Nó chọn một PAN identiíier rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

mạng CLH. Nếu bộ điều phối viên mạng PAN đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách.

Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng. Từ đó hình thành được các CLH1, CLH2...

Mạng hình cây hứa hẹn sẽ đem về ưu điểm của hai mạng trên: mạng hình sao (khả năng đồng bộ, đường truyền tin cậy nhờ vào chế độ GTS) và mạng mắt lưới (co giãn về khoảng cách địa lý, tầm hoạt động rất rộng).

<b>7. An Ninh Zigbee:</b>

<i><b>Đặc điểm:</b></i>

An ninh Zigbee dựa trên nền tảng là một thuật tốn AES 128- bít, thêm vào là những mơ hình bảo mật được cung cấp bởi IEEE802.15.4, dịch vụ bảo mật của Zigbee bao gồm các phương pháp cho khóa cơ sở, khóa vận chuyển, khóa thiết bị quản lý và khóa bảo vệ khung.

Các đặc điểm kỹ thuật Zigbee định nghĩa bảo mật cho lớp MAC, NWK và APS. Bảo mật cho các ứng dụng thường cung cấp thông qua những ứng dụng sơ lược.

<b>7.1</b>

<b>Trust Center:</b>

Trung tâm Trust quyết định cho phép hoặc không cho phép các thiết bị mới vào mạng lưới hoạt động của mình.

Trung tâm Trust có thể cập nhật định kỳ và chuyển sang một hệ thống mạng khóa mới. Đầu tiên phát mã khóa mới được mã hóa với mạng khóa cũ. Sau đó, nó sẽ truyền lệnh cho tất cả các thiết bị để chuyển sang khóa mới.

Trung tâm Trust thường là điều phối viên mạng lưới, nhưng nó cịn có thể là một thiết bị chuyên dụng.

Đó là nó chịu trách nhiệm vai trò bảo mật sau:

Trust manager: để xác thực các thiết bị có yêu cầu tham gia vào mạng Netvvork manager: để duy trì và phân phối các hệ thống khóa.

Configuration manager: cho phép end-to-end giữa các thiết bị an ninh.

<b>7.2</b>

<b>Khóa bảo vệ:</b>

An ninh Zigbee dựa trên nền tảng khóa đối xứng. Cả hai đầu khởi tạo và đầu nhận của một giao dịch bảo vệ cần phải chia sẻ cùng khóa, khóa đó là sử dụng trực

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

tiếp trong bảo mật chuyển đổi thông tin. Thực tế người ta dùng ba phương pháp sau: Cài đặt sẵn: là nơi mà các khóa được đặt vào thiết bị sử dụng và sử dụng phương pháp out-of-band. Ví dụ: các thanh cơng cụ lệnh.

Vận chuyển: là nơi mà các trung tâm Trust gửi khóa( một cách an tồn nều có thể) đến các thiết bị.

Khởi tạo: là nơi mà thiết bị thương lượng với trung tâm Trust và các khóa được khởi tạo từ hai đầu mà không bị vận chuyển.

SKKE( khởi tạo khóa đối xứng)

CBKE( chứng thực sự khởi tạo khóa đối xứng) ASKE( mã an tồn của khóa khởi tạo)

Zigbee sử dụng ba loại khóa chính để quản lý an ninh: Master, netvvork , link key

<i>Master keys :</i>

Là những khóa tùy chọn khơng được sử dụng để mã hóa khung hình. Thay vào đó, chúng được sử dụng như một bí mật chia sẻ ban đầu giữa hai thiết bị khi chúng thực hiện các thủ tục khóa cơ sở ( SKKE) để tạo ra các khóa liên kết.

Khóa có nguồn gốc từ trung tâm Trust được gọi là trung tâm Trust Master khóa, trong khi tất cả các khóa khác được gọi là lớp ứng dụng Master khóa.

<i>Netvvork keys:</i>

Những khóa này chỉ thực hiện an ninh lớp bảo mật trên một mạng Zigbee. Tất cả các thiết bị trên một mạng Zigbee chỉa sẻ cùng một khóa.

Chế độ Bảo mật cao mạng khóa ln ln phải được gửi mật mã qua khơng khí, trong khi các tiêu chuẩn an ninh khóa mạng có thể được gửi hoặc được mã hóa hay khơng mã hóa. Lưu ý rằng chế độ bảo mật cao chỉ được hỗ trợ cho Zigbee PRO.

<i>Link keys:</i>

Những khóa tùy chọn an tồn thơng điệp giữa hai thiết bị lớp ứng dụng. Những khóa có nguồn gốc từ trung tâm Trust được gọi là Trung tâm liên kết khóa Trust, trong khi tất cả các khóa khác gọi là ứng dụng lớp liên kết khóa.

<b>7.3</b>

<b>Chế độ bảo vệ:</b>

<b>7.3.1 Chế độ bảo mật tiêu chuẩn:</b>

Trong chế độ bảo mật tiêu chuẩn, danh sách các thiết bị, các khóa master, các

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

khóa liên kết và các khóa hệ thống có thể được duy trì bởi cả hai trung tâm Trust hoặc bằng các thiết bị riêng của chúng. Trung tâm Trust vẫn còn trách nhiệm duy trì một tiêu chuẩn khóa mạng và nó kiểm soát các phương thức nạp mạng. Trong chế độ này, các yêu cầu bộ nhớ cho các trung tâm Trust là ít hơn so với nó dùng cho chế độ bảo mật cao.

<b>7.3.2 Chế độ bảo mật cao:</b>

Trong chế độ này, trung tâm Trust duy trì một danh sách các thiết bị, các khóa master, các khóa liên kết và các khóa mạng mà nó cần để kiểm sốt và thực thi các phương thức của bản cập nhật mạng khóa chính và mạng thu nạp. Vì số lượng thiết bị trong mạng lưới tăng lên, vì vậy nó cũng yêu cầu bộ nhớ cho trung tâm Trust.

Các khả năng bảo mật bổ sung vốn có trong Zigbee PRO rất quan trọng để hoàn thiện khả năng bảo mật của Zigbee được sử dụng rộng rãi trong kiểm soát cơ sở hạ tầng- thương mại, xây dựng, lưới điện, hoặc một hệ thống an ninh trong gia đình khơng được tổn hại.

<b>8. Hướng Phát Triển</b>

<b>8.1</b>

<b>Các phiên bản của Zigbee:</b>

- Zigbee 2004 (1.0): phiên bản gốc. Bây giờ ít nhiều đã lỗi thời và khơng có khả năng tương thích ngược với nhưng chuẩn Zigbee mới trên thị trường

- Zigbee 2006: có tính tương thích ngược với Zigbee 2007

- Zigbee 2007/ Zigbee Pro: cung cấp nhiều tính năng, nhiều định tuyến, nhiều phương thức truy cập và sự bảo mật cao với SKKE. Zigbee 2007 hồn tồn có tính tương thích ngược với các thiết bị Zigbee 2006.

- Zigbee RF4CE (Radio Frequence four Consumer Electronics ): dùng điều khiển từ xa âm thanh, hình ảnh và nhưng đồ điện tử thông dụng trong cuộc sống hàng ngày của con người. Nó có rất nhiều lợi thế trong điều khiển từ xa và bao gồm cả giao tiếp phong phú hơn, độ ổn định, tính năng, tính linh hoạt và khả năng tương tác cao hơn.

<b>8.2</b>

<b>Hướng phát triển Zigbee trong tương lai:</b>

Zigbee có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống điều khiển và cảm biến với các ưu điểm vượt trội: giá thành thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao, Zigbee thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau. Tức là trong tương lai, các sản phẩm của Zigbee sẽ được sản xuất tương thích được với chuẩn 802.15 hoặc rộng hơn có thể là 802.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>CHƯƠNG 3: LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG</b>

<b>1. Khái Quát</b>

<small>Hinh 3.1 Module Zigbee và PIN</small>

<i>Các nút trong mạng Zigbee có 3 loại: Coordinator, Router và End Device.</i>

<b>Coordinator: Dùng để tạo nên một mạng Zigbee nào đó. Mỗi mạng Zigbee cần</b>

và chỉ cần 1 một Coordinator. Trong một phạm vi nhất định (ví dụ trong một căn phịng), nếu có 2 hay nhiều Coordinator có PAN ID giống nhau (thường thì các module mới mua về thì sẽ có PAN ID giống nhau) thì ngay sau khi khởi động lên nó sẽ tự động quét xung quanh, nếu có Coordinator nào trùng PAN ID với nó thì nó sẽ tự động cộng thêm 1 vào PAN ID của chính nó để tránh xung đột địa chỉ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>Router: Node này có trách nhiệm tìm đường truyền thích hợp nhất để vận</b>

chuyển một gói tin. Mỗi mạng Zigbee có thể có nhiều Router, mỗi Router có thể truyền-gửi dữ liệu. Dữ liệu cũng có thể được chuyển hướng bởi 1 Coordinator và các Router trong mạng. Trong mạng MESH, dữ liệu được gửi từ một node sẽ được tự động định tuyến tới node đích.

<b>End Device: Đây là node cuối cùng trong mạng, nó chỉ có nhiệm vụ truyền và</b>

nhận dữ liệu chứ khơng có nhiệm vụ định tuyến đường truyền.

<small>Hình 3.2 Các nút trong mạng Zigbee</small>

<b>Khi có sự hình thành của một mạng Zigbee (xét kiểu mạng MESH network):</b>

Router có được một địa chỉ cố định (Short Address), địa chỉ này có thể được sử dụng để truyền dữ liệu kiểu point-to-point.

Nếu như tắt Coordinator, Router vẫn có thể duy trì mạng, vì vậy mà các Router vẫn có thể giao tiếp được với nhau.

Và 1 Router vẫn có thể gia nhập mạng này ngay cả khi đã tắt Coordinator. Router này vẫn có được địa chỉ để tham gia vào mạng.

Ở mạng này, Router thường được gọi là FFD (Full Function Device).

<b>Một mạng Zigbee Mesh được đặc trưng bởi:</b>

1. Nhiều Coordinator và nhiều Router trong mạng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

2. Mỗi node thực hiện được cả truyền-nhận dữ liệu và chuyển hướng (định tuyến) dữ liệu.

3. Trong mạng có thể có bất cứ cuộc giao tiếp nào giữa các node (các node giao tiếp phải còn được cấp nguồn) kể cả khi tắt Coordinate hoặc một số Router khác. Chỉ cần có 2 node trong mạng thì có thể diễn việc giao tiếp trong mạng.

4. Mỗi node trong mạng (Coordinate hoặc Router) có thể duy trì được mạng miễn là trong mạng vẫn cịn 1 node đang hoặt động-gọi là node duy trì. Các node mới có thể được thêm vào bởi node duy trì này.

5. Khi một node tham gia mạng, sẽ có sự phân phát địa chỏ tự động cho node này-tức là node này sẽ được cấp địa chỉ một cách tự động.

6. Khi node tham gia vào bất kì mạng nào thì việc tính tốn định tuyến hướng dữ liệu sẽ diễn ra hoàn toàn tự động.

<b>2. Truyền Dữ Liệu</b>

<b>Có 2 thuộc tính truyền dữ liệu (Transparent Tranmission).</b>

Truyền dữ liệu nối tiếp.

Kiểu (thuộc tính) truyền dữ liệu point-to-point:

Giữa các node trong mạng Zigbee có thể truyền dữ liệu theo kiểu point-to-point (dữ liệu được truyền từ điểm đầu, đi qua các node rồi mới tới điểm đích).

<b>2.1</b>

<b>Truyền dữ liệu nối tiếp:</b>

Nếu byte đầu tiên trong chuỗi dữ liệu cần truyền không thuộc {0xFE, 0xFD, 0xFC} (không phải là 3 byte đó) thì module sẽ tự động đi vào chế độ ―truyền dữ liệu nối tiếp‖.

Khi nhận được dữ liệu từ cổng truyền thơng nối tiếp thì Coordinator sẽ tự động chuyển dữ liệu (vừa mới nhận từ cổng truyền thông nối tiếp) đến các node.

Khi một node nhận được dữ liệu từ cổng truyền thơng nối tiếp thì nó sẽ tự động chuyển dữ liệu đó tới Coordinator.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

<small>Hình 3.3 Truyền dữ liệu nối tiếp từ Coordinator đến các node</small>

<small>Hình 3.4 Truyền dữ liệu nối tiếp từ node đến Coordinator</small>

Ta có thể hình dung quá trình truyền dữ liệu giữa các node như là truyền dữ liệu RS232 mà không cần dây cáp.

Trong một gói dữ liệu, độ dài tối đa cảu gói dữ liệu khơng được vượt q 256byte/gói, độ dài khuyến khích là 32byte/gói.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Hướng đi của dữ liệu Độ dài dữ liệu Khoảng thời gian truyền nhanh nhất

> 256 Byte Không chịu gửi Điều kiện Test:

Khoảng cách các module là 2m, điều kiện truyền dữ liệu tốt Baud rate (tốc độ truyền) 38400 (baud rate thường dùng)

Truyền liên tục 100K byte, không phát sinh lỗi, thực hiện liên tục 10 lần. Bảng 3.1 Bảng thực nghiệm của quá trình chuyển nhận dữ liệu minh bạch

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<b>2.2</b>

<b>Kiểu truyền dữ liệu ponit-to-point:</b>

<b>Định dạng dữ liệu gửi:</b>

Dữ liệu gửi đi có dạng:

Byte định hướng (0xFD) + Độ dài dữ liệu + Địa chỉ nơi cần gửi đến + Dữ liệu cần gửi

Ví dụ:

FD: Byte định hướng cho dữ liệu 0A: Độ dài của dữ liệu, 10 Byte 14 3E: Nơi nhận dữ liệu

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10: Dữ liệu cần gửi đi Dữ liệu nhận có dạng:

Nhận tất cả dữ liệu từ các node khác và thêm 2 byte địa chỉ của node đã gửi đến, cụ thể như hình dưới.

Ví dụ:

FD: Byte định hướng cho dữ kiệu 0A: Độ dài dữ liệu, 10 Byte 14 3E: Nơi nhận dữ liệu.

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10: Dữ liệu cần gửi

50 F5: Địa chỉ của node đưa dữ liệu đến node này, tức là node này chỉ có nhiệm vụ chuyển phát từ liệu từ node trước đến node sau, và 50 F5 là địa chỉ của node trước.

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

Hình 3.5 Dữ liệu gửi theo kiểu point-to-point

Dữ liệu gửi theo kiểu point-to-point có thể gửi từ bất kì node nào trong mạng: Ở kiểu này, ngay cả khi Coordinator đã tắt nguồn thì giữa liệu vẫn có thể được truyền giữa các Router.

Sau khi có một Router tham gia vào mạng, địa chỉ (Short Address) sẽ không thay đổi.

Chiều dài của dữ liệu gửi đi phải khớp với chiều dài thực của dữ liệu để tránh phát sinh lỗi. Tức là trong phần dữ liệu truyền đi có bao gồm ―độ dài của dữ liệu‖ và ―dữ liệu cân gửi‖, cái ―độ dài của dữ liệu phải khớp với độ dài thực của ―dữ liệu cần

</div>