Thử nghiệm, đánh giá và phát triển các giải pháp microchip cho giao thức zigbee luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ
VÀ PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI PHÁP
MICROCHIP CHO GIAO THỨC ZIGBEE
Sinh viên thực hiện:

LÊ HỒNG KỲ

Lớp 48K ĐTVT
Niên khóa:

2007-2012

Giảng viên hướng dẫn: Th.S. NGUYỄN THỊ KIM THU

NGHỆ AN, 01-2012

1


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến không
dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm biến được ứng
dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh, nhà tự động hóa…

Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách
thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây là
nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc
cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác
nhau. Bên cạnh đó sự eo hẹp về mặt băng tần cũng như cấu trúc mạng cũng là
một vấn đề đáng quan tâm. Chính vì vậy Công nghệ Zigbee ra đời.
Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống 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
điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ
mở rộng, khả năng tương thích cao. Trong đồ án này, em muốn trình bày một
số tìm hiểu chung về công nghệ ZigBee, thử nghiệm, đánh giá và phát triển
các giải pháp Microchip cho giao thức Zigbee. Hy vọng thông qua các vấn
đề được đề cập trong bản đồ án này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu
biết sâu sắc hơn về công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai trò cũng như
tiềm năng của công nghệ này trong cuộc sống.
Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các
thầy cô trong khoa đặc biệt là Cô giáo Nguyễn Thị Kim Thu đã hướng dẫn
nhiệt tình, chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Cô giáo ThS. Nguyễn Thị Kim
Thu đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Lê Hồng Kỳ

2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống 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 điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít
lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao.
Trong đồ án này, em muốn trình bày một số tìm hiểu chung về công
nghệ ZigBee và thử nghiệm,đánh giá các và phát triển giải pháp Microchip
cho giao thức Zigbee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này. Đồ án sẽ sử
dụng bộ trình diễn PICDEM Z và trình phân tích mạng không dây ZENA do
Microchip cung cấp. Mặc dù đã có những bước tìm hiểu và phân tích song
trong quá trình thực hiện còn mắc một số vấn đề chưa giải quyết được, mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn.

SUMMARY PROJECT
ZigBee technology is a technology that is applied to the control systems
and sensors have low speed transmission operating cycle length. ZigBee
technology operating at 868/915 MHz band and 2.4 GHz, with the advantage
of low latency communications, less energy consumption, lower costs, fewer
errors, scalable, compatible high.
In this project, I would like to present some general to learn of ZigBee
technology and testing, evaluating and developing solutions for Microchip
Zigbee protocol in order to learn more about this technology. Project will use
the PICDEM Z demonstration and Zena wireless network analyzer by
Microchip

provider. Despite these steps to understand and analyze the

implementation process but also having some issues unresolved, would be the
comments of the teachers and friends.

3

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình giao thức của ZigBee...................................................... 15
Hình 1.2. Băng tần của hệ thống Zigbee....................................................... 17
Hình 1.3. Cấu trúc siêu khung....................................................................... 21
Hình 1.4. Khoảng cách khung....................................................................... 23
Hình 1.5. Lưu đồ thuật toán CSMA-CA....................................................... 25
Hình 1.6. Liên lạc trong mạng không hỗ trợ ................................................ 27
Hình 1.7. Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon........................................... 28
Hình 1.8. Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon................................................. 28
Hình 1.9. Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon.............................. 29
Hình 1.10. Khung tin mã hóa MAC.............................................................. 30
Hình 1.11. Khung tin mã hóa tầng mạng...................................................... 32
Hình 1.12. Cluster Tree Topology................................................................. 35
Hình 1.13. Star Topology.............................................................................. 36
Hình 1.14. Mesh topology............................................................................. 37
Hình 2.1. Bo mạch PICDEM Z..................................................................... 41
Hình 2.2.Bộ trình diễn PICDEM Z............................................................... 44
Hình 3.1. Mạch phân tích mạng không dây ZENA™................................... 60
Hình 3.2. Giao diện chính............................................................................. 60
Hình 3.3. Bảng Zigbee Device...................................................................... 62
Hình 3.4. Bảng Transceiver........................................................................... 63
Hình 3.5. Bảng Endpoint............................................................................... 65
Hình 3.6. Bảng Security................................................................................ 67
Hình 3.7. Bảng cấu hình ZDO....................................................................... 68

4

Hình 3.8. Bảng cấu hình NWK..................................................................... 69
Hình 3.9. Bảng PIC....................................................................................... 72
Hình 3.10. Cửa sổ giám sát mạng giao thức Zigbee™.................................. 74
Hình 3.11. Yêu cầu liên kết và trả lời............................................................ 76
Hình 3.12. Thông điệp ứng dụng với APS level Acknowledge.................... 78
Hình 3.13. Thông điệp ứng dụng bằng hiển thị dạng số........................... 80
Hình 3.14. Thông điệp ứng dụng bằng hiện thị cô đọng............................. 80
Hình 3.15. Cửa sổ Network monitor sử dụng bộ lọc..................................... 81
Hình 3.16. Filtered beacons........................................................................... 83
Hình 3.17. Security and decrypted............................................................. 84

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh Zigbee và các công nghệ khác......................................... 14
Bảng 1.2. Băng tần và tốc độ dữ liệu............................................................ 16
Bảng 1.3. Kênh truyền và tần số................................................................... 17
Bảng 1.4. Định dạng khung PPDU................................................................ 18
Bảng 1.5. Định dạng khung tin MAC........................................................... 30
Bảng 2.1. Các bước ràng buộc cấu hình........................................................ 52
Bảng 2.2. Sửa đổi cấu hình phần cứng.......................................................... 57
Bảng 3.1. Lựa chọn cấu hình thiết bị giao thức Zigbee................................ 63
Bảng 3.2. Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng Zigbee...................... 64
Bảng 3.3. Cấu hình Profile/Endpoint giao thức Zigbee................................ 66
Bảng 3.4. Cấu hình thiết bị giao thức Zigbee................................................ 67
Bảng 3.5. Cấu hình ZDO giao thức Zigbee................................................... 68
Bảng 3.6. Cấu hình NWK giao thức Zigbee................................................. 70
Bảng 3.7. Cấu hình MAC giao thức Zigbee.................................................. 71
Bảng 3.8. Cấu hình PIC MCU giao thức Zigbee........................................... 73

Bảng 3.9. Cấu hình lựa chọn giám sát thời gian thực................................... 75
Bảng 3.10. Mã hóa Packet sniffer color........................................................ 77
Bảng 3.11. Giao thức ZigBee™ với chọn lựa cấu hình VERBOSENESS... 79

6


DANH MỤC VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

Ack

Acknowledgment

Xác nhận

AES

Advance Encryption

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

AFG

Standard
Application Framework

Khung ứng dụng

AODV

Ad hoc On Demand

Giao thức định tuyến vector

Distance Vector

khoảng cách theo yêu cầu

Application Support

Lớp ứng dụng hỗ

Sublayer Protocol Data

giao thức dữ liệu.

APL

Application
Layer
Unit

Lớp ứng dụng

APS

Application Support

Lớp con hỗ trợ ứng dụng

APDU

trợ khối

Sublayer
BI

Beacon Interval

Khoảng Beacon

BO

Beacon Order

Sắp xếp Beacon

CAP

Contention Access Period

Thời gian tranh chấp truy cập

CBC

Cipher Block Chaining

Tạo khối chuỗi mật mã

CCA

Clear Channel Assessment

Ước định kênh truyền trống

CCM

Counter with Cipher Block Mã nhận thực bản tin chuỗi bộ
Chaining of Message

đếm và bộ lập mã

CCM*

CCM
(extendedCode
version)
Authentication

CCM (phiên bản mở rộng)

CFP

Contention Free Period

Thời gian tranh chấp tự do

CID

Cluster Identity

Mã xác nhận Cluster

CRC

Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra vòng dư

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple

Đa truy cập tránh xung đột sử

Access Collision Avoidance dụng cảm biến sóng mang
CTR

Counter

Chế độ đếm
7


CTS

Clear to send

Sẵn sàng nhận

DD

Designated Device

Thiết bị mẫu

ED

Energy Detection

Phát hiện năng lượng

FCFS

First-come-first-server

Đến trước được phục vụ trước

FCS

Frame Check Sequence

Khung kiểm tra trình tự

FFD

Full Funtion Device

Thiết bị đầy đủ chức năng

GTS

Guaranteed Time Slot

Khe thời gian đảm bảo

HDR

Header

Mào đầu

IFS

Inter-Frame Space

Không gian liên khung

LQI

Link Quality Indicator

Bộ chỉ thị chất lượng liên kết

LR-WPAN

Low-Rate Wireless

Mạng WPAN tốc độ thấp

Personal Area Network
MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi
trường

MFR

MAC Footer

Chân MAC

MHR

MAC Header

Mào đầu MAC

MIC

Message Integrity Check

Kiểm tra tính nguyên vẹn của
tin báo

MLME

MAC Layer Management

Entity Layer Management
MLME-SAP MAC

Thực thể quản lý lớp mạng
Điểm truy cập dịch vụ thực

Entity Service Access

thể quản lý tầng mạng

MPDU

MAC
Point Protocol Data Unit

Đơn vị giao thức dữ liệu MAC

MSDU

MAC Service Data Unit

Đơn vị dịch vụ dữ liệu MAC

NLDE

Network Layer Data

Thực thể dữ liệu lớp mạng

Entity
NLDE-SAP

Network Layer Data

Điểm truy cập dịch vụ thực

Entity Service Access

thể dữ liệu tầng mạng

Point

8


NLME

Network Layer

Thực thể quản lý tầng mạng

Management Entity
NLME-SAP
NPDU
NSDU

Network Layer

Điểm truy cập thực thể quản

Management Entity

lý tầng mạng

Network
Layer Point
Protocol
Service Access

Đơn vị dữ liệu giao thức lớp

Data Unit

mạng

Network Service Data

Đơn vị dữ liệu dịch vụ mạng

Unit
NWK

Network Layer

Tầng mạng

PAN

Personal Area Network

Mạng cá nhân

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PD

PHY Data

Dữ liệu vật lý

PD-SAP

PHY Data Service Access Điểm truy cập dịch vụ dữ liệu
Point

PHY

PER

Packet Error Rate

Tỷ lệ lỗi gói

PHR

PHY Header

Mào đầu PHY

PHY-PIB

PHY PAN Information

Thông tin cơ sở về PHY PAN

Base
PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PLME

Physical Layer

Thực thể quản lý lớp vật lý

Management Entity
PLME-SAP

Physical Layer

Điểm truy cập dịch vụ thực

Management Entity

thể quản lý tầng vật lý

PPDU

PHY
Protocol
Unit
Service
AccessData
Point

Đơn vị dữ liệu giao thức PHY

PSDU

PHY Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp vật

QoS

Quality of Service

lý lượng dịch vụ
Chất

RF

Radio Frequency

Tần số radio

RFD

Reduced Function Device

Thiết bị khuyết thiếu chức năng

9


RREP

Route Reply

Hồi đáp tuyến

RREQ

Route Request

Yêu cầu tuyến

RX

Receiver

Phía thu

SAP

Service Access Point

Điểm truy cập dịch vụ

SD

Superframe Duration

Thời gian siêu khung

SHR

Synchronization Header

Đồng bộ mào đầu

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu / nhiễu

SSP

Security Sevice Provider

Nhà cung cấp dịch vụ an ninh

TRX

Transceiver

Máy thu phát vô tuyến

TX

Transmitter

Máy phát

WLAN

Wireless Local Area

Mạng cục bộ không dây.

WPAN

Network
Wireless Personal Area

Mạng không dây cá nhân

Network

ZDO

ZigBee Device Object

10

Đối tượng thiết bị ZigBee


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY
ZIGBEE/IEEE 802.15.4
1.1. Giới thiệu chương

Trong chương này ta sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về chuẩn kết nối
không dây Zigbee / IEEE 802.14.5. Một số chủ đề cần tìm hiểu đó là:
• Giới thiệu về mạng WPAN
• Đặc điểm chung của Zigbee/IEEE 802.15.4
• Mô hình giao thức Zigbee
1.2. Giới thiệu về mạng WPAN

WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô
tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa, sử dụng băng
tần hẹp nhưng vẫn đem lại hiệu quả cao. Không giống như mạng WLAN
(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi
hỏi nhiều về cớ sở hạ tầng. 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 công nghệ trong nhóm này bao
gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean...
Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục
vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu

của các vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người
dùng cao. Trong khi mà IEEE 802.11 đề cập đến những thứ như là tốc độ
truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng
cách tương đối xa (khoảng 100m), thì WPAN lại tập trung giải quyết vấn đề
về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính
30m). Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn
ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì
thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần
số, đó là giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Nhóm
11


chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN.
IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân
biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lựơng và chất lượng dịch
vụ (QoS: quality of service).
• WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng
đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.
• WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứng
dụng trong các mạng điện thoại tế báo đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có
QoS phù hợp cho thông tin thoại.
• WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản
phẩm công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức
tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS.
Chính tốc độ truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng.
Trong chuẩn này thì công nghệ ZigBee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển
hình.
1.3. Giới thiệu về Zigbee/IEEE 802.15.4
1.3.1. Khái niệm về Zigbee
Zigbee 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 mà các con ong mật truyền những
thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc
“Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ
việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải
quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết
một vấn đề nào đó.
Với những ưu điểm chính :
− Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
12


− Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng
− Thời gian sử dụng pin rất dài
− Cài đặt, bảo trì dễ dàng
− Độ tin cậy cao
− Có thể mở rộng đến 65000 node
− Chi phí đầu tư thấp.
Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz (toàn cầu), 40 kbps ở dải
tần 915 MHz (Mỹ, Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu)
1.3.2. Đặc điểm
Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu
hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống
từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như
Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt
lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị
không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng
cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu
cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn

cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz
(Châu Âu).
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau
để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập
trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ
liệu). Zigbee còn 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 để đảm
bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất
khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà
không tương tác lẫn nhau.
Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng
vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác

13


nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định
tuyến được thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền
tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm
(GTSs_guaranteed time slots). Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee
là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng
trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất
lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh
truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không
dây khác.
1.3.3. Lịch sử phát triển
Mạng Zigbee được hình thành năm 1998 khi các kỹ sư công nghệ nhận
thấy Wifi và Bluetooth không thích hợp với nhiều ứng dụng. Tháng 5 năm
2003, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được hoàn thành. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt
đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về

ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công
nghệ mới này. 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
không 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 1.0. 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.
1.3.4. So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi
14


Ngày nay khi mà Wifi và Bluetooth đã hết sức thông dụng với chúng ta
thì Zigbee cũng đã cho thấy những ưu điểm đáng ghi nhận.
Bảng 1.1 So sánh Zigbee và các công nghệ khác [1]
Công nghệ

ZIGBEE

WIFI

BLUE TOOTH

Tiêu chuẩn

802.15.4

802.11.a,b,g

802.15.1

Ứng dụng

Giám sát và điều

Web, email,

Thay thế cáp

khiển

video

868 Mhz, 915

2.4 GHz

2.4 GHz, 5 GHz

Tần số

Mhz, 2.4 Mhz
Tốc độ dữ liệu

20-150 Kbps

1-100 Mbps

1-3 Mbps

Khoảng cách

10-100 m

30-100 m

2-10 m

Kích cỡ mạng

65536

32

7

Tuổi thọ pin

100 đến 1000

1 đến 5

1 đến 7

50 đến 60 Kbytes

>1 Mbytes

>250 Kbytes

Độ tin cậy, công

Tốc độ, tính

Giá thành, thuận

suất, giá thành

linh hoạt

tiện

(ngày)
Tài nguyên hệ
thống
Đánh giá

Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh
network) thay vì chỉ có 2 sản phẩm tương tác với nhau như Bluetooth và
Wibree. Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét lên đến
vài trăm mét.
Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của
Zigbee là 256 kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz
trong khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps.

15


1.3.5. Ứng dụng
Công nghệ Zigbee được phát triển và ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh
vực:







Năng lượng thông minh
Zigbee điều khiển từ xa
Zigbee nhà thông minh
Zigbee chăm sóc sức khỏe
Zigbee xây dựng tự động
Zigbee dịch vụ viễn thông
 ZigBee 3D Sync
 Dịch vụ bán lẻ ZigBee
 ZigBee thiết bị đầu vào [2]
1.4. Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE802.15
Đây là công 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 tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng
thích ứng cao với môi trường mạng.

Hình 1.1 Mô hình giao thức của ZigBee [3]
1.5. Tầng vật lý

Tầng vật lý cung cấp 2 dịch vụ chính là dịch vụ dữ liệu (PHY) và dịch
vụ quản lý (PHY).
16


− Dịch vụ dữ liệu (PHY) điều khiển việc thu phát của khối dữ liệu
PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.
− Các tính năng của tầng vật lý là: Sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt 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 môi trường truyền.
1.5.1. Băng tần sử dụng
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến
nghị của Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.
Bảng 1.2. Băng tần và tốc độ dữ liệu
PHY

Băng tần

Tốc độ

(MHz)

(MHz)

868

868-868.6

Tốc

Tốc độ ký

chip

độ

tự

(kchips/s

bit

(ksymbol/s

20

)
20

)
300

Điều chế

BPSK

Ký tự

Nhị
phân

915

902-928

600

BPSK

40

40

Nhị
phân

2450

2400-

2000

O-QPSK

250

62.5

Hệ 16

2486.5
Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau được mô tả như
bảng dưới đây :
Bảng 1.3. Kênh truyền và tần số [4]
Tần số trung tâm Số lượng kênh (N)

Kênh

(MHz)

Tần số kênh trung
tâm (MHz)

868

1

0

868.3

915

10

1-10

906+2(k-1)

2450

16

11-26

2405+5(k-11)

17


Hình 1.2. Băng tần của hệ thống Zigbee
1.5.2. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4
1.5.2.1. Chỉ số ED (energy detection)
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 toán chọn kênh. Nó là kết quả của sự ước
lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận được. Nó không có vai trò
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 công 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.
1.5.2.2. Chỉ số lưu lượng đường truyền (LQI)
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 trị của nó được giao cho tầng
mạng và tầng ứng dụng xử lý.
1.5.2.3. Chỉ số đánh giá kênh truyền
Sử dụng để xem kênh truyền rỗi hay bận. Có 3 phương pháp:
− CCA1: “Năng lượng vượt ngưỡng”, CCA sẽ thông báo kênh truyền
bận.
18

− CCA2: “Cảm biến sóng mang”, CCA sẽ thông 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 thông báo kênh truyền bận khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và
điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.
1.5.2.4. Khung tin PPDU
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin:
Bảng 1.4. Định dạng khung PPDU [5]
Octets: 4

1

Đầu khung

SFD

(đồng bộ)

(bắt đầu

1

Variable

Độ dài khung Phần giành
(7 bits)

riêng (1 bit)

PSDU
(≤ 127 bytes)

phân
SHR (32 bits)

PHR

PHY payload

− SHR : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit.
− PHR : chứa thông tin độ dài khung.
− PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC.
1.5.3. Sleep mode
End device sử dụng chế độ ngủ để giảm điện năng tiêu thụ của chúng và
do đó tăng tuổi thọ pin của thiết bị. Khi ở trong chế độ ngủ, vẫn còn giữ lại
địa chỉ mạng của chúng và do đó, vẫn còn tham gia vào mạng. Tự báo thức,
chúng không cần phải liên lạc với coordinator để tham gia lại mạng. Điều này
có nghĩa rằng coordinator có thể được tắt một khi mạng được thành lập ngay
cả khi một số thiết bị trong chế độ ngủ.
Nếu một End device đang ở chế độ ngủ, nó không có thể giao tiếp với
phần còn lại của mạng và thiết bị mẹ của nó có công việc lưu vào bộ nhớ
đệm bất kỳ tin nhắn được gửi đến node sleep. Khi node ngủ thức dậy, nó phải
kiểm tra xem node mẹ của nó có bất kỳ tin nhắn nào được lưu trữ hay không.
19


Thông thường các thiết bị Zigbee hiện nay ( ví dụ : Xbee version 2) có 2
dạng khác nhau của chế độ ngủ là:

− Cyclic sleep
− Cin sleep.

1.5.3.1. Cyclic sleep
Cyclic sleep là một trong những cách mà trong đó thiết bị có thể bảo tồn
năng lượng bằng cách sử dụng giấc ngủ định kỳ và chu kỳ thức
tỉnh. Trong chu kỳ giấc ngủ, một nút mẹ sẽ đệm tin nhắn cho thiết bị ngủ. Khi
thiết bị bị đánh thức, nó sẽ gửi một yêu cầu thăm dò ý kiến nút mẹ. Tại thời
điểm đó, thiết bị nhận được bất kỳ tin nhắn được lưu trữ trong nút mẹ, hoặc
có thể truyền tải một tin nhắn. Sau khi làm như vậy, thiết bị trở về chế độ ngủ.
Hoạt động này được quản lý bởi một bộ đếm thời gian đó là sự thiết lập
lại mỗi mô-đun đi vào sleep mode. Khi các hết thời gian đếm, mô-đun thức
dậy và gửi các yêu cầu thăm dò ý kiến để thiết bị mẹ kiểm tra xem có bất kỳ
thông điệp unicast đã được đệm trong khi nó đã ở chế độ ngủ (Thiết bị mẹ
không lưu trữ truyền phát sóng cho thiết bị con).
Node mẹ sẽ chấp nhận một tin nhắn gửi đến mạng của thiết bị đang
ngủ hoặc địa chỉ MAC và giữ nó trong một bộ đệm cho đến khi thiết bị được
đánh thức và yêu cầu thông tin.
Các thông điệp này được gọi là thông điệp gián tiếp. Node mẹ sẽ chỉ
đệm vào hàng đợi một thông điệp gián tiếp tại một thời điểm. Gián tiếp gửi
tin nhắn không làm việc với tin nhắn quảng bá.
Thời gian hẹn giờ được liên kết với một bộ đếm thời gian được nút mẹ
gọi là bộ đệm thời gian chờ thời gian. Khi thời gian này hết hạn, bất kỳ tin
nhắn được lưu trữ trong thiết bị mẹ sẽ bị xóa. Nếu tin nhắn không được thu
thập trong chu kỳ thời gian chờ sau đó các thiết bị mẹ biết rằng có một vấn đề
với các thiết bị kết thúc. Vấn đề này sau đó có thể đăng nhập và được sử dụng
để cảnh báo rằng một nút đã không được báo thức.
1.5.3.2. Pin sleep
20

Pin sleep đặt các mô-đun cho chế độ ngủ và thức dậy từ chế độ ngủ
bằng cách thay đổi điện áp trên sleep-enable pin trên chip ZigBee. Khi pin
này được thực hiện tới 1 logic, các mô-đun sẽ kết thúc bất kỳ truyền hoặc
nhận được hoạt động, và sau đó nhập vào chế độ ngủ. Trong khi ngủ, các môđun sẽ không đáp ứng các hoạt động mạng. Để đánh thức một mô-đun từ chế
độ ngủ, áp dụng logic 0 cho chế độ sleep-enable.
Khi sử dụng chế độ ngủ, các gói tin đến node đang ngủ sẽ chỉ được
đệm trong một khoảng thời gian hữu hạn. Do đó, node phải được đánh
thức khoảng thời gian định kỳ để thăm dò đối với bất kỳ dữ liệu đến.
1.6. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC
Tầng điều khiển môi trường truy cập MAC (media access control) cung
cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC, nó có giao diện với
điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC (MLME-SAP). 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.
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.
1.6.1. Cấu trúc siêu khung
LR-WPAN cho phép sử dụng cấu trúc siêu khung. Mỗi siêu khung được
giới hạn bởi từng mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc báo
hiệu dò đường beacon được gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung, nếu
1 PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc
phát mốc beacon. Mốc này có nhiệm vụ đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận
dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc siêu khung.
Cấu trúc siêu khung được biểu diễn ở hình sau:

21

Beacon

Beacon
CAP

CFP

GTS

GTS

0 1

2 3

4

5

6

7

8

Phần ngừng hoạt động

9 10 11 12 13 14 15

SD=aBaseSuprframeDuration ∗2^SO symbols

(Active)
BI=aBaseSuprframeDuration ^SO symbols

Hình 1.3. Cấu trúc siêu khung
Siêu khung có 2 phần:
− Phần “nghỉ”: PAN coordinator không giao tiếp với các thiết bị trong
mạng PAN, và làm việc ở các node công suất thấp.
− Phần “hoạt động”: gồm 2 giai đọan là giai đoạn tranh chấp truy cập
(CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP), giai đoạn tranh chấp trong mạng
chính là khoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ hội dùng 1 kênh
truyền.
Bất kỳ 1 thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh
tranh với các thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA. Ngược lại,
CFD gồm có các GTSs, các khe thời gian GTS này thường xuất hiện ở cuối
siêu khung tích cực mà siêu khung này được bắt đầu ở khe sát ngay sau CAP.
PAN coordinator có thể định vị được 7 trong số các GTSs, và mỗi 1 GTS
chiếm nhiều hơn 1 khe thời gian.
Khoảng thời gian tồn tại của các phần khác nhau của siêu khung được
định nghĩa bởi giá trị của macBeaconOrder và macSuperFrameOrder. Phần
22


macBeaconOrder mô tả khoảng thời gian mà bộ điều phối coordinator truyền
khung báo hiệu tìm đường. Giá trị của macSuperFrameOrder cho biết độ dài
của phần tích cực của siêu khung.
Phần tích cực của mỗi siêu khung được chia thành 3 phần CAP,CFP và
beacon. Mốc beacon được phát vào đầu ở khe số 0 mà không cần sử dụng
CSMA.

− Khung CAP
Khung CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát
CFP. Nếu độ dài của phần CFP=0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung.
Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau
khung Ack trong lệnh yêu cầu mà chúng được phát trong CAP sẽ được sử
dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh. Khung chứa lệnh điều khiển
MAC sẽ được phát trong phần CAP.
− Khung CFP
Phần CFP sẽ được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát
beacon của khung kế tiếp. Nếu bất kỳ một GTSs nào được cấp phát bởi bộ
điều phối mạng PAN , chúng sẽ được đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một
loạt các khe liền nhau. Bởi vậy nên kích thước của phần CFP sẽ do tổng độ
dài các khe GTSs này quyết định. CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA
để truy nhập kênh. Một thiết bị phát trong CFP sẽ kết thúc trong khoảng một
IFS trước khi kết thúc GTS.
− Khoảng cách giữa 2 khung (IFS)

Là khoảng thời gian IFS cần thiết để tầng PHY xử lý 1 gói tin nhận
được. Khung tin được truyền theo chù kỳ IFS, độ dài của nó phụ thuộc vào
kích thước của khung vừa được truyền đi. Khung có độ dài phụ thuộc vào
aMaxSIFSFrameSize sẽ tuân theo chu kỳ SIFS (là khoảng thời gian tối thiểu
aMinSIFSPeriod symbols), và các khung có độ dài lớn hơn aMaxSIFSFrameSize sẽ

23


tuân theo chu kỳ LIFS (là khoảng thời gian tối thiểu aMinLIFSPeriod
symbols ).
Khung dài

AC
K

Khung ngắn
LIFS

AC
K
SIFS

Khung ngắn

Khung dài

LIFS

SIFS

Hình 1.4. Khoảng cách khung
1.6.2. Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng
mang CSMA-CA
Đây là phương pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng.
Các node mạng sẽ lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền. Nó tránh
xung đột bằng cách mỗi node sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi
mới truyền thật sự. ác thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liên tục lắng
nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền.
Đa truy cập (multiple access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết
nối và chia sẻ tài nguyên của một mạng (ở đây là mạng không dây). Tất cả
các thiết bi đều có quyền truy cập như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả
khi thiết bị tìm cách nhận biết mạng đang sử dụng hay không, vẫn có khả

năng là có hai trạm tìm cách truy cập mạng đồng thời. Trên các mạng lớn,
thời gian truyền từ đầu cáp nầy đến đầu kia là đủ để một trạm có thể truy cập
đến cáp đó ngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến. Nó tránh xung
đột bằng cách là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới
truyền thật sự.

24


Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trứớc khi phát dữ
liệu hoặc trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP. Thuật toán này
sẽ không sử dụng để phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack, hoặc
là khung tin dữ liệu trong phần CFP.
Nếu bản tin báo hiệu đựơc sử dụng trong mạng PAN thì thuật toán
CSMA-CA gán khe thời gian được dùng, ngược lại thuật toán CSMA-CA
không gán khe thời gian sẽ đựợc sử dụng. Tuy nhiên trong cả hai trường
hợp thuật toán đều được bổ xung bằng cách sử dụng khối thời gian backoff
bằng với thời gian của tham số aUnitBackoffPeriod. Trong thuật toán truy
nhập kênh CSMA-CA gán khe thời gian, biên của khoảng thời gian backoff
của mỗi thiết bị trong mạng PAN được sắp thẳng hàng với biên của khe
siêu khung của thiết bị điều phối mạng PAN.
Trong thuật toán này, mỗi lần thiết bị muốn truyền dữ liệu trong CAP
thì nó phải xác định biên thời gian backoff kế tiếp. Trong thuật toán
CSMA-CA không gán khe thời gian thì khoảng thời gian backoff của một
thiết bị trong mạng không cần phải đồng bộ với khoảng thời gian backoff
của thiết bị khác.
Mỗi thiết bị chứa 3 biến số: NB, BW, BE. Trong đó NB là số lần mà
thuật toán này bị yêu cầu rút lại trong khi đang cố gắng truyền. Giá trị ban
đầu của nó là 0 trước khi truyền. Biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, nó
cho biết khoảng thời gian cần thiết để làm sạch kênh truyền trước khi phát,

giá trị ban đầu của nó là 2 trước khi cố gắng phát và quay trở lại 2 khi kênh
truy nhập bị bận.
Biến số CW chỉ sử dụng cho thuật toán gán khe thời gian CSMA-CA.
Biến số BE (backoff_exponent) cho biết một thiết phải chờ bao lâu để có
thể truy nhập vào một kênh. Cho dù bộ thu của thiết bị làm việc trong suốt
khoảng thời gian CAP của thuật toán nhưng nó vẫn bỏ qua bất kỳ khung tin
nào nhận đựơc trong khoảng thời gian này.

25