Nghiên cứu về công nghệ zigbee và ứng dụng kết noi thiết bị của zigbee

TR ƯỜNG
HỌC VINH
NGHỆ ĐẠI
AN -01/2013
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
===== =====

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

tài:
NGHIÊN cúu VÊ CỒNG NGHỆ ZIGBEE
VÀ ÚNG DUNG KẾT NỐI THIẾT BI CỦA ZIGBEE

Ngưòi hướng dẫn

THS. DƯƠNG ĐÌNH TÚ

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ĐỨC LONG

Lớp
Mã số sinh viên

49K - ĐTVT
0851080335

1

Bộ GIẢO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
0851080335

Nguyễn Đức Long

số

Ngành:

Điện tử - Viễn thông

Khoá: 49

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Dương Đình Tú
Cán bộ phản biện:
ThS. Cao Thanh
Nghĩa

2. Nhận xét của cán hộ phản hiện:

Ngày tháng năm
Cán hộ phản hiện
(Ký, ghi rõ họ và tên)

hiệu

sinh

viên:


MỤC L ỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẨU......................................................................................................i
TÓM TẮT ĐÔ ÁN...............................................................................................ii
DA NH MỤC CÁ c HÌNH VẼ.............................................................................iii
DA NH MỤC CẢ c BẢNG..................................................................................V
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT....................................................................................vi
Chương 1 TÔNG QUAN VỀ CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4........................1
1.1. Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4..................................................1
1.1.1............................................................................................Khái niệm về ZIGBEE

1
1.1.2...............................................................................Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE

1
1.1.3..........ưu điểm của ZIGBEE/ĨEEE802.15.4 với Bluetooth/ĨEEE802.15.1

2
1.2. Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN............................................3
1.2.1.......................................................................Thành phần của mạng LR-WPAN

3
1.2.2...........................................................................................Kiến trúc liên kết mạng

3

1.3. Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4......................................6
1.3.1...................................................................Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4

7
1.3.2...............................Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC

9
1.3.3............................................................Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4

14
1.3.4...................................................Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4

16
1.4. Ket luận chương....................................................................................17

Chương 2. CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYÊN CỦA IIGBEE/ỈEEE 802.15.4..


3.1.

Giới thiệu về bộ trình diễn PICDEM z

1

31


3.2. Thành phần của bộ trình diễn PICDEM z.............................................31
3.2.1...................................................................................Board mạch chủ PICDEM z

32
3.2.2..................................................................................................Card RF PICDEM z

34
3.2.3......................................................................................Đĩa phần mềm PICDEM z

34
3.3. Thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn....................................35
3.4. Sửa đôi những câu hình ứng dụng demo.........................................36
3.4.1...........................................................................Thay đối giá trị ID Node

...................................................................................................37
3.4.2..........................................Thay đổi cấu hình Association và Binding

...................................................................................................38
3.5. Kiểm tra hiệu suất RF......................................................................41
3.6. Sửa đôi cấu hình phần cứng............................................................42
3.7. Phát triển ứng dụng.........................................................................42
3.8. Tạo tập tin nguồn ứng dụng.............................................................42
3.8.1.....................................................................................Lập trình ứng dụng

...................................................................................................43
3.8.2.........................................................................Phục hồi Demo Firmware

...................................................................................................43
3.9. Ket luận chương..............................................................................44

Chương 4. PHẢN MỀM PHẢN TÍCH MẠNG KHÔNG DÂ Y ZENA ™..........45
4.1. Giới thiệu về phần mềm phân tích mạng không dây ZENA™.............45
4.2. Công cụ cấu hình Microchip Stack.......................................................46

4.2.1.....................................................Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee

46
4.2.2..........................................................................Xác định thông tin thu phát sóng

47
4.2.3........................................................Xác định hiện trạng và thông tin đếm cuối

48
4.2.4....................................................................................Xác định thông tin bảo mật

50


LƠI NOI ĐAU
Mạng viễn thông ngày nay không ngừng mở rộng và phát triển. Các nhà
khoa

học

trên thế giới đang nghiên cứu để sử dụng các băng tần cao hơn, tuy nhiên việc
này

gặp

nhiều khó khăn vì công nghệ điện tử chưa theo kịp. Vì vậy một giải pháp được
đưa

ra

là

sử dụng chung kênh tần số. Một trong những công nghệ mới hiện đang được ứng
dụng
trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả cao là công nghệ ZigBee.
Công nghệ ZigBee được áp dụng cho các hệ thống điều khiến 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 nổi bật là độ trễ truyền tin
thấp,
tiêu hao ít năng lượng, ít lồi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao và giá thành
thiết
bị thấp. Với ý nghĩa thực tiễn như vậy, em đã lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của
mình
là “Nghiên cứu về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết noi thiết bị của Zigbeể\ Nội
dung của đồ án được thể hiện qua 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về chuẩn Z1GBEE/IEEE 802.15.4
Chương 2: Các thuật toán định tuyến của ZĨGBEE/IEEE
802.15.4
Chương 3: Bộ trình diễn PICDEM z
Vinh, tháng 01 năm
2013
Sinh viên thực hiện
1


TÓM TẮT ĐÔ ÁN

Hiện nay, công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 đang được coi là hướng giải

quyết hiệu quả cho vấn đề liên lạc trong dải băng tần eo hẹp và liệu pháp sử dụng
chung kênh tần số giữa các thiết bị. Công nghệ ZigBee hoạt động ở băng tần
868/915
MHz ở Châu Âu và 2.4 GHz ở Mỳ và Nhật, được áp dụng những hệ thống điều
khiên
có tốc độ truyền tin thấp và chu kỳ hoạt động lâu dài. Công nghệ này tỏ ra ưu việt
hơn
chuẩn Wifi 802.11, Bluetooth ở mức độ tiêu hao năng lượng thấp, độ trễ truyền
tin
nhỏ, dễ dàng mở rộng, giá thành thấp, ít lỗi, khả năng tương thích cao. Trong
khuôn
khổ của đồ án này, em đã nghiên cứu về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối
ABSTRACT
Currently, ZIGBEE/IEEE 802.15.4 technology is considered as etĩective
solution
for communicative problem in the tight ữequency band and the therapy for using
the
same trequency channel between decvices. ZigBee technology oparates at
ữequency
band of 868/915 Mhz in europe and 2.4 Ghz in us and Japan, is applied the
control
Systems of low transmission speed and long operation period. This technology
proves
more preeminent than Wifi 802.11 Standard, Bluetooth in low energy
consumption,

small

transmission latency, easy extending, low cost, low errors and high compatibility.
11

DANH MỰC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1.............................................................................Cấu trúc liên kết mạng
4
Hình 1.2...........................................................................Cấu trúc mạng hình sao
4
Hình 1.3................................................................................Cấu trúc mạng mesh
5
Hình 1.4...........................................................................Cấu trúc mạng hình cây
5
Hình 1.5................................................................Mô hình giao thức của ZigBee
6
Hình 1.6.................................................................Băng tần hệ thống của ZigBee
8
Hình 1.7.................................................................................Cấu trúc siêu khung
10
Hình 1.8...............................................Liên lạc trong mạng không hồ trợ bcacon
11
Hình 1.9.....................................................Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon
11
Hình 1.10.........................................................Kết nối trong mạng hỗ trợ bcacon
12
Hình 1.11......................................Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon
13
Hình 1.12.................................................................Khung tin mã hóa tầng MAC
15
Hình 1.13.................................................................Khung tin mã hóa tầng mạng
16

Hình 2.1......................................Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV
20
Hình 2.2...................................................................Quá trình chọn nốt gốc (CH)
iii


Bảng ndpoint.............................................................
Bảng Security............................................................

48
50
51

Bảng ZDO.................................................................

52

Bảng APS..................................................................

54

Bảng NWK/MAC......................................................

56
58

Bảng PIC...................................................................

60

Cửa sô giám sát mạng giao thức ZigBee™...............

61

...................................................................................

63

Yêu cầu liên kết và trả lời.........................................
Thông điệp ứng dụng với APS level cknowledge.....

IV

64
65


IEEE
WPAN

Institute

of

Electrical

andViện công nghệ Điện và Điện Tử

Electronic Engineers
Mỹ

Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

QoS

Quality of Service

FFD

Full Function Device

Chất lượng dịch vụ
THUẬTMỤC
NGỮ VIÉT
DANH
CẢc TẦT
BẢNG
Chức năng thiết bị đầy đủ

RFD

Reduced Function Device

Giảm chức năng thiết bị

CID

Bảng 1.1.......................................................................Băng
tần và tốc độ dữ liệu
Cluster Identiíìer
Cụm nhận dạng

7
Synchronization Header
Đồng bộ hóa tiêu đề

SHR

Trang

Bảng 1.2..............................................................................Kênh
truyền và tần số
Acknowledgment
Xác nhận
PAN ID PAN identifier 7
Chỉ số nhận dạng cá nhân
BảngControl
1.3..........................................................................Định
dạng khung PPDU
MAC Media Access
Điều khiển truy nhập môi trường
Ack

PHY
GTS
CCA
LQI

Physical Layer 9
Tầng vật lý
Bảng
1.4...........................................................................Định

dạng khung MAC
Guaranteed Time Slot
Khe thời gian đảm bảo
14
Clear Channel Assessment
Đánh giá kênh truyền
BảngIndication
3.1...........................................................Các
bước cho ràng buộc cấu hình
Link Quality
Chỉ số chất lượng đường truyền

40
Energy Detection
Năng lượng truyền
Bảng 4.1..................................Bảng lựa chọn cấu hình thiết bị giao thức ZigBee
PLME Physical Layer Management
Quản lý tầng vật lý
47
PPDU PHY Protocol Data Unit
Đơn vị số liệu giao thức PHY
Bảng 4.2................................Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng ZigBee
PHR
PHY Header
Chứa thông tin độ dài khung
48
sublayer
managementĐiểm truy cập dịch
của thực thể giao thức ZigBee
4.3.........................................Cấu

hình vụ
ProLile/Endpoint
MLMESAP MAC Bảng
ED

SAP
MPDU

entity
quản lý tầng MAC
49
Service Access Point
Điểm truy nhập dịch vụ
Bảng 4.4.........................................................Cấu hình thiết bị giao thức ZigBee
MAC Protocol Data Unit
Giao thức dữ liệu MAC

CAP

Contention Access Period

Giai đoạn tranh chấp truy cập

CFP

Contention Free Period

Giai đoạn tranh chấp tự do

CSMA-CA Carrier Sense Multiple AccessPhương pháp tránh xung đột đa

Collision Avoidance
truy cập nhờ cảm biến sóng
MHR MAC Header
Đầu khung MAC
MFR

MAC Footer

Cuối khung MAC

MIC

Message Integrity

Mã hóa tin nguyên vẹn

FCS

Frame Check Sequence

Chuỗi kiêm tra khung

FCFS

F irst-come-fĩrst-serve

Đen trước được phục vụ trước

CTR

Counter

Bộ đếm

CBC

Cipher Block Chaining

Thuật toán mã hóa khối Chaining

RREQ

Route Reply Packet

AES

Advance Encryption Standard

RouteVI
Vtrả lời packet
Chuẩn mã hóa cao cấp

AODV
DD

Ad hoc On Demand Distance Thuật toán định tuyến theo yêu cầu
Vcctor
Designated Device
Thiết bị gốc

AFG

Application Framework

Khung ứng dụng

RREQ

Route Request

Gói tin tìm đường

NWK

Network Layer

Tầng mạng

APS

Application Support Sublayer

Hỗ trợ ứng dụng lớp con

SSP

Security Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ an ninh

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

vii


Chương 1
TÔNG QUAN VÊ CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới hiện nay, công nghệ
này
ra đời giải quyết được vấn đề băng tần eo hẹp như hiện nay. Với những ưu điểm
vượt
trội đã được chứng minh, vì thế có thê nói ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ
của
tương lai. Những vấn đề cần được nắm trong chương này gồm:
- Tổng qua về ZIGBEE/IEEE 802.15.4
- Mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 LR-WPAN
- Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE 802.15.4
1.1. Tổng quan về ZIGBEE/IEEE 802.15.4

1.1.1.

Khái niệm về 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 sổ là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong
mật

đó
1

là


Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
Các nhóm nghiên cún Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để
chi

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 là tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu. Zigbee còn thiết lập
cơ

sở

cho những tâng cao hơn trong giao thức vê bảo mật, dữ liệu, chuân phát triên đê
đảm

bảo

chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phâm từ các hãng sản xuất khác nhau
nhưng
vẫn theo một chuấn riêng đế 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 mồi loại mạng khác 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 nổi 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 sổng với các loại mạng không dây khác.
1.1.3.

ưu

điểm

của

2

ZIGBEE/IEEE802.15.4

với


không đồng bộ. Nó chỉ cho phép tối đa là 8 node slave trong một mạng chủ-tớ C0'
bản.
- Node mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và
nhận

các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thê làm việc
này
trong 3sec.
1.2. Mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi
phí
nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp
dụng
trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng....
1.2.1.

Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZIGBEE/ĨEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ
bản

nhất

tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các chức
năng

3


1.2.2.1. Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

o

• Thiết bị FFD

o Thiết bị
RFD

phối mạng

Hình 1.2. Cấu trúc mạng hình sao
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một
thiết
bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phổi mạng PAN. Sau khi
FFD
được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một
bộ
điều phối mạng PAN. Mồi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá
nhân

của
4


i

ị

Zigbee hoặc OE1VI qui
định
Do
Zigbee
qui
\
định

1.2.2.2.
cẩu
trúc
liên
kết
mạng
mắt lưới (mesh)
1.3.1.
Tầng
vật
ZlGBEE/IEEE
802.15.4
Tầng hòa mạng và bảo cấu
- CCA
2:này
“Cảm
biến
sónglýđặc
mang”.
thông
báomắt
kênh
truyền
bận
trúc
là
một
dạng
biệtCCA
của cấu

trúc
lưới,
trong
đóchỉ
đakhi
số
Beacon
Beacon
k
JỊ----------------------------. i
'
nhận Tầng vật lý (PHY)3 cung cấp hai dịch
thiết
bị vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ
là
I
CAP
Điều J-» CFP
Ký
PHY
IL
«
——
bitmạng
Tốc của
độ
kýcây
tự nhưtựmộtTín
ra tín và
hiệu

có
đặc tính
trảikết
phổ
vàđộ
điều
chế
IEEE802.15.4.
nàyởcó
thề
»Tốc
chế
FFD
quản
một
có thể
nối
vào
hình
nốt hiệu
rời rạc
điểm
Băng tần
Tốc
độRFD
(ME
ksymbol/s
thấp
cuối
lý

PHY, hai
dịch vụ này có giao(kb/s)
diện với dịch
vụ quản lý tầng vật lý PLME. Dịch
của
D)
(MED)
chip
) 20
hoặc cao
hơn
868nhánh
vụ
cây.
300
Bâtnguỡng
kỳ BPSK
mộtED.
FFD nào20
cũng có thê
hoạt động như
Nhlà một coordinator dữ
và
868.6
ị
868
cungPHY
liệu
điều3:khiển
việc thu và phát của

kênh
- CCA
kếtkhối
hợp dừ
với liệu
năngPPDU
lượngthông
vựơt qua
ngưỡng”.
I “Cảm biến sóng mang
I
phâ
i
SD‘ các thiết
cấp
sóng
bộ cho
coordinator Nh
khác vì thế mà cấu trúc
vô
SObịị và các40
CCAtín hiệu
sẽ
902-928
600 đồng
BPSK
40
aBaseSuperjrameDuraỉio
n
*2

ị pho
915
mạng
tuyến
vật lý.
Các bận
tính chỉ
năngkhi
củadòtầng
PHY
là có
sự kích
hoạttrải
hoặc
giảm
báo kênh
truyền
ra tín
hiệu
đặc tính
và kích
điều hoạt
chế của
symbols
1«- - - -77 Bảng
— 7-1.1.
- - -►!
Băng
tần
và

tốc
độ
dữ
liệu
Hình
Băng
tầnmở
hệ rộng
thốngcao.
của
Zigbee
phâ
! mô phủ
(Active)
I năng
kiêu
sóng 1.6.
và khả
Trong
loại cấu hình này
IEEEnày có qui
Bỉ
=
ữBaseSuperýamDuration
*2^
symbols
2400-2486.5
2000
O250
62.5

Hệ
I
2450
mặc
dù
802.15.4 với năng
lượng
vượt ngưỡng ED.
QPSK
16IEEE 802.15.4
1.3.1.1. l«Các thông
số kỹ thuật trong tầng vật lý của
kênh
Kênhkhung
trung
tâmbộ điều phối mạng PAN.
cóSố
thêlượng
có nhiều
coordinator
nhưngtin
chỉPPDU
cóTần
duysốnhất
một
1.3.1.2.
Định
dạng
Tần số
Bảng 1.3. Định dạng

khung PPDU
(N)
(MHz)
Hỉnhdetection)
1.7. Cấu trúc siêu khung
a. Chỉ số ED (energy
Bộ
điều
trung
1.3.
trúc
mạng
phối mạng
PAN
này
tạoHình
ra nhóm
đầuthu
tiên
cách
lãnh mạng
đạo cho
ChỉKhung
số
ED CAP
đo đạc
bởi Cấu
bộ
ED.
Chỉtựmesh

sốbầu
nàyrasèngười
được tầng
sử
1a.
0được
868.3
868
mạng
của
dụng Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất
10
1-10 sau mốc beacon
906 +và2(k-l)
CAP được phát ngay
kết thúc trước khi phát CFP. Neu
915
như
đây là một bước trong thuật toán chọn kênh. ED là kết quả của sự ước lượng
là
độ 161.3. Mô hình giao
thức của ZIGBEE/IEEE802.Ỉ5.4
dài
11-26
2405
+
5(k-l
1)
2450
công

suất
kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng
của phần CFP = 0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung. CAP sẽ có tối
968 Mhz/915
Channel
0 của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh trong IEEE
năng
lượng
này
thì
thiểu
PHY
-À
Ị—2Mhz
802.15.4.
Nó
một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm
aMinCAPLength svmbols trừ trường hợp phần không gian thêm vào được dùng
tất trò
cả 27
kênh
trên
các
giảidạng
tần số
nhau được
tả này.
như
không
có vai

trong
việctruyền
giải
hay
nhận
tín khác
hiệu truyền
trongmô
kênh
trong Có
Tầng
điềumã
. 1 1.3.2.
, 1111
,khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC
để
điều
868.3 Mhz
bảng
Thời
phạm vi
phủ sóng
của thiết
bị A.
Các
ứng
dụng củavàcấu
trúc này có thể áp dụng
ỉ.3.2.ỉ.
Cẩu

siêu902
khung
2.4 Ghz
Mhz
928
Mhz
Bảng
1.2.
Kênh
chỉnh việc
tăng
độ trúc
dài của
khung
beacon
đếtruyền
vẫn có thêtần
duysốtrì được GTS và điều
PHY
gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8 Symbol. Ket quả
chỉnh LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung. Định dạng
phát
hiện
Channel 11-26 Ị.— 5 MHz
linh
độngkhung
tăng hay
giảm
kích
thước

củacoordinator.
CFP.
của
siêu
được
định
rõ
bởi
PAN
Mỗi
siêu
khung
được
giới
năng lượng sẽ được thông báo bàng 8 bit sổ nguyên trong khoảng tù' 0x00hạn
tới
nnn
n
t
l
l
t
l
l
l
l
l
1III
2.4835
Ghz

bởi từng
vàkhung
được chia
thànhtrừ
16 khung
khe như
nhau.
Cộtkhung
mốc báo
dò đường
Tấtmạng
cả các
tin ngoại
Ack
và các
dữ hiệu
liệu phát
ngay
0xff.
Giá
2.4 Ghz
beacon
được
gửi
đi
trong
khe
đầu
tiên
của

mỗi
siêu
khung.
Neu
một
PAN
1 nhất của ED (=0) khi1mà công suất nhận được
variable
sau
trị nhò
ít hơn mức +10dB so với lý
Octets: 4
coordinator
không
muốn
sử
dụng
siêu
khung
thì
nó
phải
dừng
việc
phát
mốc
khung
trong
yêu cầu,
trong

sử tối
dụng
thuật
thuyết.Ack
Độ lớn
củalệnh
khoảng
côngmà
suấtchúng
nhận được
được phát
đế
hiên
thịCAP
chỉ
sốsẽED
thiếu
là
PSDU
SFD
(bắt
đầu
Độ
dài
khung
Phần
dành
riêng
beacon.
40dB

toán
Đầu
phânnày
định nhiệm(7bits)
(lbit)
khung
Mốc
đồng
bộ
các Một
thiết
bị đính
kèm,trong
nhận khoảng
dạng PAN
và chứa nội
và
sai số làcó±đê
6dB.
CSMA-CA
truyTầng
nhậpvật
kênh.
thiết
bị
Dophát
EEEE 802.15.4
quithời
địnhgian phần
tý

PHY
khung)
2 A GHz 868/915
CAP
kết
b. Chỉ số MHz
chất lượng
đuờngZigbee
truyềnStack
(LQỊ)
SHR
PHR
PHY playload
Application
Silicon
thúc sẽ khoảng thời
gian IFS trước khi hết phần CAP.
Neu không thê kết thúc
Chỉ
số ngừng
chất lượng
truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận
GTSGT
Phần
hoạt đừong
động
được
thì
Hỉnh 1.4. Cấu trúc mạng hình cây
S

Hình 1.5. Mô hình giao thúc của ZỉgBee [5]
69875
10
Tầng ứng dụng
c “-----ĩ-------:--------j--

fo|l|2|3|4|5|6|7|8|Il|l2| u|


1.3.2.2. Các mô hình truyền dữ liệu

Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô
hình
truyền dữ liệu: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thuờng, tù’
thiết
bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, và giữa các thiết bị cùng
loại.
Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiêu mạng đó
có

hỗ

Hình 1.8. Liên lạc trong mạng không hỗ trọ’ beacon
Khi một thiết bị muốn truyền dừ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng có
hồ

trợ

beacon. Lúc đầu nó sẽ chờ báo hiệu beacon của mạng. Khi thiết bị nhận được báo
hiệu

beacon, nó sẽ sử dụng tín hiệu này để đồng bộ các siêu khung. Đồng thời, nó

11


Các ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị
trong
mạng PAN hơn là được điều khiến bởi thiết bị điều phối mạng. Chính khả năng
này
cung cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee. Khi thiết bị điều
phối
muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon,
khi

đó

nó sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang truyền dữ liệu. Các thiết bị
trong
mạng luôn luôn lắng nghe các thông tin báo hiệu beacon một cách định kỳ, khi
phát
hiện ra có dữ liệu liên quan tới nó đang đựợc truyền, nó sẽ phát lệnh yêu cầu dữ

Hình 1.10. tót nối trong mạng hỗ trợ beacon
Trong trường hợp mạng không hồ trợ phát beacon thiết bị điều phối muốn
truyền
dữ liệu tới các thiết bị khác, nó sè phải lun trữ dữ liệu đe cho thiết bị liên quan có
the
yêu cầu và tiếp xúc với dữ liệu đó. Thiết bị có the tiếp xúc được với dữ liệu liên
quan
đến nó bằng cách phát đi lệnh yêu cầu dữ liệu tới thiết bị điều phối, sử dụng thuật

toán
12


Biế
2
n
thiê
Điều
SID mạng Địa chỉ ID PAN Địa chỉ
Tải Chuỗi
ố PAN
kiêm tra
đích
nguồn
nguồn
khiê
tron
đích
khung
chu
Trường địa chỉ
n
g
ồitức là truyền
(FCS)
- Cuối
Đểtrực
bảo
khung

tiếp
đảmtừMFR(MAC
tính
nốttinh
mạng
cậy:
này
footer)
Mã
đến
hóa
chứa
nốtsửmạng
dụng
chuồilân
AES
kiểm
cận
với
tra
của
chuỗi
khung
nó, khối
thìFCS
ZigBee
mã(írame
CBCchỉ
khun
khu

Phần
Tải
Cuối
MAC.
cần đầu khung MHR
check
trọn
Bảng 1.4. Định dạng khung
MAC
khun
sử dụng
khung tin bảo mật MAC đổ mã hóa bảo
thông
tin. Nhưng đối với các
g vệvẹn
- Đe đảm bảo tính tin cậy cũng như nguyên
của
g bản tin thì kết họp cả
bản
tin
r ^ Sv
/ 1hai
phải chuyến
gián
qua nhiều
nốtthành
mạng
mớithái
tới CCM.
được đích thì nó cần phải nhờ

trạng
thái CTR
và tiếp
CBC-MAC
trên
trạng
MAC Số khungSốvào chuồi
Tải trọng MAC
MIC
HDR (4 byte) (1 byte)
Tầng mạng cũng sử dụng chuẩn mã hóa AES. Tuy nhiên khác với tầng điều
tầng mạng để làm công việc bảo mật này. Tầng điều khiển dữ liệu MAC sử dụng
MAC
NW
Số dữ liệu MAC, bộ mã hóa của tầng mạng làm việc dựa trên trạng thái CCM*
khiên
thuật
HDR
HD
(4
của
toán AES (chuân mã hóa cao cấp). Nói chung thì tầng MAC là một quá trình mã
hệ thống. Trạng
là mạng
sự cải không
biên từ hỗ
CCM
MAC, nó thêm
Hình thái
1.11.này

Kếtthực
nốichất
trong
trợ của
pháttầng
beacon
hóa,
vào
nhưng Nói
côngchung
việc thiết
các mắt
khóalưới,
key,tất
chỉcảracác
mức
độ bị
bảođều
mật,
và đăng
điều khiên
quá
tronglập
mạng
thiết
bình
và có khả
1.3.3.
chuấn mã hóa
này các Tầng

chức mạng
năng làcủa
chỉZIGBEE/IEEE802.15.4
mã hóa tính tín cậv và chỉ mã hóa tính
trình
năng
nguyên1.3.3.1. Dịch vụ mạng
mã nối
hóa đến
thì lại
về bị
cácnào
tầng
trên.mạng
Khi miễn
tầng MAC
hoặc
một
kết
bấtthuộc
kỳ thiết
trong
là thiếtphát
bị đó
nằmnhận
trong
bánkhung
kính
vẹn. Sử
dụngvậtCCM*

giúp
làm
đơn
giản
hóa
quáZigBee
trình mã
hóaxây
dữdụng
liệu của
tầng
Tầng
lý
trong
mô
hình
của
giao
thức
đuợc
trên
nền
tin
nào
phủ
mạng,
các
của
đó
được

đầucách
tiên để
nó thực
sê kiêm
địakết
chỉ nối.
đíchCách
hoặc thứ
nguồn
tin
sóng
củabảo
nó. mật,
Có hai
hiệntraviệc
nhấtcủa
là khung
nốt trong
chuỗi
mã
hóa
này
có
thể
dùng
lại
khóa
key
của
chuỗi

mã
hóa
khác.
Như
vậy
thì
tầng
thê
đó, điều khiên dữ liệu, nhờ những đặc diêm của tầng MAC mà tầng vật lý cóliên
tìm
mạng
Phần thêm vào để mã hóa khung tin
kéo
tục lắng nghe và phát dữPhần
liệu thêm
của nó
điđế
bằng
sử dụng
vào
mã cách
hóa khung
tin thuật toán không gán
dài việc đưa tin, có thê mở rộng được qui mô mạng dễ dàng, một mạng có thê
khe
hoạt
động
thời gian CSMA-CA. Cách thứ hai là các
nốt
tự đồng

bộ với các nốt khác để có
Tải
trọng
tầng
mạng
cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng
thể
tiết
MIC
như là:
kiệm được năng lượng.
Hình 1.13. Khung tín mã hóa tầng mạng
-ỉ.3.2.3.
ThiếtPhát
lập một
mạng
thông
tin mới.
báo hiệu beacon
ỉ.3.4. Tầng ứng dụng
của
ZIGBEE/IEEE
802.15.4
Hình 1.12.
Khung tin mã
hóa tầng MAC
-Một
Tham
mộtchế
mạng

đang hoạt
là tin
táchbáo
ra hiệu
khỏi
thiếtgia
bị làm
FFDthành
hoạt viên
độngcủa
trong
độ không
pháthoặc
thông
Lóp
ứng dụng
của ZIGBEE/IEEE802.15.4
thực
chất thì
gồm
cácpháp
ba tầng
như
Khi
khung
tin
phát
đi
đòi
hỏi

phải
có
độ
tin
cậy
cao,
biện
được
sử
mạng
hoặc
có
hình
dụng
khi
là thành
một
mạngnhư
nàolàđó.
thê đang
phát thông
tinviên
báocủa
hiệu
giống
thiết bị điều phối mạng. Một thiết bị
vè
trên,
các
tầng

này
tương
ứng
với
các
tầng
phiên,
ứng
dụng
đề
mã hóa thông tin là số chuỗi và số khung sẽ
đượctrình
gán diễn
thêmvàvào
bên
trái trong
phần
FFD
- Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới
mô
tải
không phải là thiết bị điều phổi mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo hiệu
tham
hình
OSI
7 tầng.MAC. Trong khi nhận gói tin, nếu phát hiện thấy MIC thì lập tức
trọng
khung
beacon
chỉ tin

khi nó kết nối với thiết bị điều phối PAN. Các tham số
gia
vào mạng.
nó
sẽ
Trong ZIGBEE/ĨEEE 802.15.4 thì chức năng của tầng Application
macBeaconOrder
và
- Đồng
bộ hóa
thiếtmã
bị hóa
trong
đê Cứ
có thê
truyền
màbản
không
bị
kiêm
tra
xem khung
tincác
nào
đemạng
giải gian
mã.
cótin
một
tin gửi

Framework
macSuperFrameOrder
chobịbiết
khoảng
thời
giừamỗi
haikhi
thông
tin báo
hiệu
và
tranh
đi
thì
khoảng
chấp,
thựcsẽhiện
bộ hóa
này lên
bằng
gói
tinbịthông
beacon.
thiết bịnóphát
tăngđồng
số đếm
khung
và16
thiết
nhậnbáo

sẽ theo
dõi căn cứ vào số
13
này. - Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới
Octets: 2

1

0/2

0/2/
8

0/2

0/2/
8


- Duy trì kết nối, chuyến tiếp thông tin giữa các nốt mạng. Chức năng của

tầng
Application Proílles là:
- Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng, (thiết bị điều phối mạng,

hay

thiết

bị đầu cuối, FFD hay RFD....)

- Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.
- Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị mạng.

Chức năng của tầng Application là thực hiện các chức năng do nhà sản
xuất

qui

định (giao diện...) để bổ sung thêm vào các chức năng do ZigBee qui định.
1.4. Kết luận chương

17


Chương 2
CÁ c THƯẬ T TOÁN ĐỊNH TUY ÉN CỦA ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Trong ZIGBEE/IEEE 802.15.4 sử dụng thuật toán chọn đường có phân cấp
nhò
xét các phương án tối un. Khởi điểm của thuật toán định tuyến này chính là thuật
toán
miền công cộng đã được nghiên cứu rất kỳ có tên là AODV (Ad hoc On Demand
Distance Vector) dùng cho những mạng có tính tự tố chức, thuật toán hình cây
của
Motorola và thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang
CSMA-CA.
2.1. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu A ODV (Ad hoc On Demand Distance

Vector)

AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) đơn thuần chỉ là thuật toán

tìm
đường theo yêu cầu trong mạng ad hoc (một mạng tự tổ chức). Có thể hiểu như
sau,
những nốt trong mạng khi mà không nằm trong tuyến đường truyền tin thì không
duy

trì

thông tin nào về tuyến đường truyền và cũng không tham gia vào quá trình định
tuyến
theo chu kỳ. Nói kỹ hơn nừa, một nốt mạng không có chức năng tự định tuyến và
18


Bởi mồi khi nốt mạng nguồn phát ra một gói tin RREQ mới thì số id quảng
bá

sẽ

tăng lên, nên trong mỗi gói tin RREQ thì cặp địa chỉ nguồn và số id quảng bá
luôn

luôn

là duy nhất. Khi nốt mạng trung gian nhận được một gói tin RREỌ mới, nó sẽ
đem

so

sánh địa chỉ nguồn và số id quảng bá với gói tin RREQ trước đó, nếu giống nhau

nốt
mạng trung gian này sẽ tự động xóa RREQ dư thừa này và dừng việc phát gói tin
này
lại. Nhưng nếu so sánh thấy khác nhau thí nốt mạng này sè tự động tăng số đếm
bước
truyền (hop cnt) lện và tiếp tục phát quảng bá gói tin RREQ này tới các nốt lân
cận

đế

tiếp tục quá trình tìm đường. Trong mỗi một nốt mạng đều lưu trừ các thông tin
về

địa

chỉ IP đích, địa chỉ IP nguồn, số id quảng bá, số chuỗi nốt nguồn, và thời gian
thời

gian

hạn định cho phép gói tin mang thông tin xác nhận được gửi trả lại nơi phát Khi
gói

tin

RREQ được truyền trên mạng từ nguồn tới đích, nó sê tự động thiết lập con
đường
ngược lại từ các nốt mạng này quay trở lại nốt nguồn. Đe thiết lập tuyến đường
ngược
chiều, mỗi nốt phải lưu giữ bảng địa chỉ của các nốt bên cạnh mà nó sao chép

được
trong gói tin RREQ đầu tiên. Tuyến đường ngược chiều được lưu giữ trong thời
gian

tối

thiếu đê gói tin RREQ này vượt qua mạng và trở về nơi xuất phát ban đầu.
Khi RREQ tới một nốt nào đấy mà có thể nốt mạng này là đích đến của nó,
hoặc
19


tuyến đường tới nguồn và đích, đồng thời sao lưu lại số chuồi đích cuối của nốt đích
cần tới.
Những nốt mạng nằm dọc theo tuyến đường xác định bởi RREP sê “chết”
sau
khi hết thời gian yêu cầu định tuyến và con trỏ đảo bị xóa khi chúng không còn
nằm

Hình 2.1. Định dạng tuyến đường trong giao thúc AODV
Nốt nguồn có thê phát dữ liệu ngay khi nó nhận được gói tin RREP đầu
tiên,
đồng thời cũng luôn cập nhật thông tin về tuyến đường nếu phát hiện ra tuyến
đường

tối

ưu hơn. Mỗi bảng định tuyến gồm các trường thông tin sau: trường thông tin về
đích
đến, bước truyền kế tiếp, số bước truyền, số chuồi đích, nút lân cận tích cực thuộc

tuyến
đường, thời gian chết cho nhập liệu vào bảng định tuyến. Đe duy trì đường
truyền,

mỗi

nốt mạng luôn phải có địa chỉ của các nốt mạng tích cực lân cận (một nốt mạng
đuực
coi là tích cực nếu nó có chức năng khồi phát hoặc chuyến tiếp tối thiếu một
gói

tin

đến

đích trong thòi gian cho phép). Khi mà bước truyền kế tiếp nằm trong tuyến
đường

20

từ


HELLO

HELLO
MESSAG
E
Ycu
cẩu

kết
nối
Yêu
cẳu
N1D
Đáp
ứng
kết
( nốt ID) nối (RES)
Đáp
'.'mg
NTD
Ack
Sau
khitoán
trở thành
nốt gốc, nó sẽ phát quảng bá gói tin HELLOMESSAGE
2.2.
Thuật
hình cây
A:k
nốt “ con"

theo
chu kỳ, gói tin HELLO MESSAGE này gồm một phần địa chỉ MAC và địa chỉ
-.......►
Hình
thành
ID
của

kct
nôi
nốt gốc. Những nốt mạng nhận đựợc gói tin này sê gửi trả lời lại bằng gói tin yêu
cầu
kết nổi (REỌ) tới nốt gốc (nơi vừa phát đi). Khi nốt gốc nhận đựợc gói tin yêu
cầu

kết

NỐT A
NỐT B
(CHthức
) của tầng
(Nốtmạng
thànhvàviên)
Giao thức hình cây là giao
tầng datalink, giao thức
HELLO MESSAGẸ
này
sử
Yêu cẩu kết nối (REQ )
dụng gói tin “trạng thái kết nối” đế định dạng một mạng hình cây đơn, cũng như
Đáp ứng kết nối (RES)
một
ACK
mạng hình cây mở rộng. Loại mạng này cơ bản là một loại mạng có tính chất tự
Coi nồt A là nốt “gốc”
Coi nốt B là nốt “con”
tổ
chức

Thiêt
lập
kềt
nối
và tự hồ trợ đê hạn chế lỗi mạng một mức độ lỗi cho phép, đặc biệt hơn do đây là
một

Hình 2.3. Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên
loại mạng có tính chất tự tô chức nên nó cũng có thê tự sửa chữa khi gặp sự cố ở
một

Neu tất cả các nốt đều ở trong phạm vi phủ sóng của nốt gốc thì kiến trúc

mạng
nốt
mạng nào đó. Các nốt mạng chọn một nốt làm gốc cây và tạo các nhánh cây
là kiến trúc hình sao, tất cả các nốt thành viên sẽ liên lạc trực tiếp với nốt gốc qua
một
một tự do. Sau đó cách NÓT
cách
nhánhAcây tự phát
triển kếtNÓT
nối tới những nhánh cây khác
NÓTB
c
(CỊỊ)
(nôt 1hành viên)
nhờ
Quá trình kích
hoạt và thảm

giò
Chuyên
thành nôt
gôc

Quá
trinh
HELLO_MESAGE
kích hoạt và
giò
Yẻu câu kẻt nôi tìm
t
Quá trình thiêt lập kêt nòi

Hình 2.2. Quá trình chọn nốt gốc (CH)
21


Tất nhiên nốt gốc chỉ có thổ quản lý được một số hữu hạn các nốt, và các
nhánh
của mạng cũng chỉ có thể vươn tới những khoảng cách hạn chế... chính vị thế mà
có

lúc

nốt mạng cũng cần phải từ chối kết nối của những nốt mới. Việc từ chối này được
thực
hiện nhờ vào việc chỉ định một ID đặc biệt cho nốt này. Bảng danh sách các nốt
lân

cận

và tuyến đường luôn luôn được cập nhật mới thông qua gói tin
HELLO_MESSAGE.
Trong một thời gian nhất định, nếu vì một lý do nào đó mà một nốt không đựợc
cập
nhật các thông tin trên thì nó sẽ bị loại bỏ.
Tất nhiên trong một mạng có tính chất tự do, tự tổ chức như loại mạng này
thì
không thê tránh khỏi việc một nốt mạng thuộc nhánh này lại nhận đựợc gói tin
HELLO MESSAGE của nhánh khác. Vậy trong trường hợp này nốt mạng này sẽ
tự
động thêm địa chỉ ID của nhánh mới này (CĨD) vào danh sách các nốt lân cận và
gửi

nó

tới nốt gốc (CH) thông qua gói tin báo cáo tình trạng đường truyền, để từ đó nốt
gốc
(CH) có thể biết được nhánh mạng nào tranh chấp để xừ lý.
Bản tin báo cáo tinh trạng kết nối cũng chứa danh sách ID nốt lân cận của
nốt

đó,

điều này giúp cho nốt gốc biết đựợc trọn vẹn cấu trúc mạng đe có the đưa ra cấu
trúc

tối

ưu. Khi cấu trúc mạng cần thay đổi, nốt gốc (CH) sẽ phát đi bản tin cập nhật tới
các

nốt

thành viên. Nôt thành
viện2.4.
nàoQuá
nhận
đựợc
bảnthành
tin cậpnhánh
nhật này
lậpbậc
tức thay đôi
Hình
trình
hình
nhiều
các
22
23