TÌM HIỂU MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây và xây DỰNG mô HÌNH điều KHIỂN THIẾT bị điện QUA MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐHTN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN: THIẾT KẾ VI ĐIỀU KHIỂN

Đề bài:
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

KS Phạm Quốc Thịnh
Nguyễn Thế Dũng
Thân Quang Linh

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009

1


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Mục lục
Trang

Lời nói đầu

Mở đầu
Chương 1: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)
1 - Đặt vấn đề
2- Tổng quan về mạng cảm biến không dây
2.1. Khái niệm
2.2. Cấu tạo của một nút cảm biến
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
2.4. Kiến trúc giao thức mạng
3 - Một số vấn đề về mạng cảm biến không dây
3.1. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
3.2. Tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây
3.3. Giao thức trong mạng cảm biến không dây
Chương 2: Chuẩn truyền thông Zigbee IEEE 802.15.4
1 - Tổng quan về chuẩn zigbee IEEE 802.15.4
1.1. Đặt vấn đề
1.2. Sự ra đời của chuẩn zigbee IEEE 802.15.4
1.3. Ưu điểm của chuẩn zigbee IEEE 802.15.4
1.4. Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee
1.5. Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee
1.6. Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee
2- Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4
2.1. Tầng vật lý
2.2. Vấn đề Layer MAC
2.3. Tầng mạng
2.4. Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4
3- Thuật toán định tuyến AODV
4- Một số sản phẩm ứng dụng của công nghệ Zigbee
Tài liệu tham khảo

2

3
3
4
4
4
4
5
6
8
9
9
10
16
19
18
18
19
20
21
21
22
25
25
27
32
35
36
39
41

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

MỞ ĐẦU
Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan
trọng trong đời sống hàng ngày. Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong
quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay
điều khiển giao thông... Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công
nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra những
thiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả
năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãi
các quốc gia có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu...
Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mới, đã được các nước có
nền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiều
thành tựu. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên cứu
và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm
và khả năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến
không dây sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống.

3


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG 1:

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WIRELESS SENSOR NETWORKS - WSNs)

1 - ĐẶT VẤN ĐỀ:

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn
trong cuộc sống. Mô hình mạng cảm biến không dây ra đời dựa trên cơ sở
ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây. Nó ra
đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng dụng rộng rãi.
Cá c ứ ng dụ ng tiề m năng củ a mạ n g cả m biế n không dây hiệ n nay như phán
đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật
tự động trong sản xuất công nông nghiệp, điều khiển quy trình, quản lý
kiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát kết cấu công
trình xây dựng. Hiện nay tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng
mạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy,
hệ thống điều hòa nhiệt độ... nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ
rất mẻ ở Việt Nam.
2 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - WSNs:

2.1. Khái niệm:
Mạng cảm biến không dây (WSNs) có thể hiểu đơn giản là mạng
liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection)
trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá
thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ
thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng),
sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài
(vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây là vừa có chức năng

mạng vửa có chức năng cảm nhận. Nó hoạt động trên nguyên lí là tại một
nút mạng sẽ cảm nhận thông số của môt trường cần đo, đo đặc thông số
và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua một trường không dây về trạm
gốc (nút gốc), để trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần
thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết
phải là một máy vi tính mà cũng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ,
phù hợp với đặc thù của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

4


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây
Các node mạng thường có chức năng cảm nhận: Cảm ứng, quan sát
môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay
định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ... Các node giao tiếp với nhau
và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp. Do vậy để tiết kiệm
năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động và
trạng thái nghỉ khác nhau. Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái
nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Như vậy, đặc trưng cơ bản
nhất của một mạng cảm biến không dây chính là giá thành, mật độ node
mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu,
năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động.
2.2. Cấu tạo của một nút cảm biến:

Hình 1.2. Cấu tạo của một nút cảm biến
Nút cảm biến là một thiết bị điện tử nhỏ, có khả năng thu thập, xử lý và
truyền thông thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài.

5


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra
bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ
xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit),
quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các
nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào
năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc
vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến
của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi
lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm
vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng
module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt
khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá
thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường.
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây - WSNs:
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số
lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài
nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc
điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc
điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh

hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không
hoạt động.
+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi
phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo
kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của
mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
+ Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên
các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước
6


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ
cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người
kiểm soát, thích nghi với môi trường.
+ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần
hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm
việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên
trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học
hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
+ Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được
kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự

hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được
chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm
biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ
thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng
ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ
dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong
phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
+ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,
mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên
cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định.
+ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không
dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng
lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng
lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm
biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Do đó hiện nay người ta đang tập
trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm
biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra
các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu
đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),
giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
* Ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền
thống:
- Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồm nhiều
hơn một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà
không cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm. Mỗi nút trong mạng tùy biến không
dây hoạt động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến.
7

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút còn mạng cảm
biến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng.
- WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng
được xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng.
- Thêm các dịch vụ như thông tin định vị có thể được yêu cầu trong mạng
cảm biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số
liệu cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc.
- Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thông
nhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn.
- Truyền thông trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn.
2.4. Kiến trúc giao thức mạng WSNs:
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và các
mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc
cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di
động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
+ Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó. Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một
bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm
biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham
gia vào quá trình định tuyến .
+ Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
+ Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện
nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.

Hình 1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

8


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

+ Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát
hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng
rộng rãi trong mạng cảm biến.
+ Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát
hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì
môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển
truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng
tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
+ Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên
tắc:
 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng
tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
+ Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập
thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
+ Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng
dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
3- MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ WSNs:

3.1. Định tuyến trong WSNs:
Định tuyến trong WSNs rất khó khăn do các đặc tính riêng phân
biệt những mạng này với các mạng không dây khác như các mạng ad-hoc
hoặc các mạng tế bào.

Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây
dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển
cho việc thiết lập ID là cao. Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyền
thống không áp dụng được cho WSNs.
Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng
dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nú t tới
một nút gốc.
Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.
Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút mạng WSNs thường
có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến có
thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí.
Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì
việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí. Hiện nay chưa thích hợp cho
9


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho
mục đích này vì phụ thuộc vào giá thành triển khai mạng.
Nhìn chung, dựa vào cấu trúc mạng WSNs có thể chia thành:
 Định tuyến ngang hàng (flat-based routing)
 Định tuyến phân cấp (hierarchical-based routing)
 Định tuyến theo vị trí (location-based routing)
Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc
chức năng như nhau. Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò
khác nhau trong mạng. Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của các
nút cảm biến được sử dụng để định tuyến số liệu.

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của
hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện
tại và các mức năng lượng của nó. Những giao thức này cũng có thể được
chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết
hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các
giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác
hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà từ nguồn tìm đường tới đích.
Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có
yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính
toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi
các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức định tuyến theo
bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được
sử dụng để định tuyến và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức
khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân
loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (định tuyến tiêu
chuẩn) như sau:

Hình 1.4 – Giao thức định tuyến trong WSNs dựa theo phân loại tiêu chuẩn

3.2. Tối ưu năng lượng trong WSNs:
3.2.1. Vấn đề năng lượng trong WSNs:
Năng lượng trong mạng cảm biến không dây thường bị lãng phí do:
- Truyền bị xung đột phải truyền lại
10


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- Listening lâu sẽ gây lãng phí (Chỉ nghe khi cần sẽ tiết kiệm hơn)
- Điều khiển việc nhận và gửi message

* Về cơ bản: Năng lượng tiêu thụ gồm 2 phần:
- Năng lượng thiết bị E c (RF front-end, Digital signal processing ...)
- Năng lượng truyền sóng E tr (năng lượng cung cấp cho bộ khếch đại
công suất phía trước anten).
Để giảm năng lượng E tr thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lượng
(liên quan đến công nghệ và cấu trúc ...) và giải thuật xử lý tín hiệu cũng
không quá phức tạp, tối ưu về tiêu thụ năng lượng. Để giảm năng lượng E tr
thì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa Coding, interleaver,
modulation... channel estimation, combination, Decoding) để thiết bị thu có
thể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít năng
lượng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất).
Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêu
thụ của processor và số lượng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nên
không phù hợp với WSN (giá thàng node < 10 usd). Giải quyết bài toán
năng lượng ở physical laỷe chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lượng
truyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu.
Đối với khoãng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trường
truyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị E c
thường > E tr. Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì năng
lượng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênh
truyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyền
sóng cáng lớn, E_tr chiếm tỷ trọng càng lớn.
+ Liên quan đến routing protocol: Trong mạng adhoc nói chung, và
sensor nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theo
thời gian (do node di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời
tiết, do node hết năng lượng). Do đó, làm thế nào để xây dựng được thuật
toán routing nhanh chóng mà không cần phải flood tất cả các node trong
mạng. Ngoài ra nếu một node mà năng lượng của nó thấp hơn một mức nào
đó (threshold) thì node đó có thể sẽ không tham gia vào việc relay thông tin
từ node này sang node khác. Có nhưng thuật toán nhằm tìm những đường đi

mà sao cho tổng năng lượng tiêu tốn (multi-hop) là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữa
lượng data truyền và năng lượng tiêu thụ là cao nhất... Ngoài ra một node có
thể chuyển sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng, sau đó wake-up để
nhận và gửi thông tin đi.
+ Ngoài ra năng lượng còn tiêu tốn nếu node phải thực hiện nhiều
computation. Thông tin có thể được xử lý trước khi gửi đi để giảm lượng
11


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

thông tin "sống" (đôi khi chiếm nhiều dung lượng). Ngoài ra computation
này cũng không nên tập trung ở một số node đặc biệt vì như thế nhưng node
này sẽ nhanh chóng hết năng lượng.
3.2.2. Giải pháp tiết kiếm năng lượng tại phần cứng:
- Tăng công suất nguồn nuôi: Liên quan đến công nghệ làm nguồn,
điển hình là pin (pin nội pin ngoại), năng lượng tự nhiên...
- Giảm tiêu hao hệ thống: Thiết kế phần cứng hiệu quả, làm giảm
tiêu hao năng lượng đối với một đối tượng nào đó.
3.2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng bằng phương thức truyền tin:
Đối với WSNs thì năng lượng là vấn đề quan trọng bậc nhất, mà đối
với mỗi nút sensor vấn đề tiêu tốn năng lượng lại chủ yếu dùng vào việc sử
dụng bộ truyền sóng RF. Vì vậy cơ chế quản lý điều khiển bộ thu phá t RF vô
cùng quan trọng. Nếu không cần thiết, nút mạ ng có thể đi vào trạng thái
Sleep để tiết kiệm năng lượng. Nhưng khi truyền bị xung đột, dữ liệu truyền
bị mất, quá trình truyền thất bại, năng lượng tiêu tốn không nhỏ . Để quá
trình này hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nhất, WSNs sử dụng hai phương
pháp truy cập kênh trong mạng báo hiệu và không báo hiệu.
* Trong mạng không báo hiệu: Cơ chế truy nhập kênh CSMA-CA
(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance - Phương pháp

tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng mang) được sử dụng.
Trong kiểu mạng này, các bộ định tuyến có bộ thu phá t luôn luôn tích cực,
nên yêu cầu cung cấp năng lượng cũng phải linh hoạt hơn .

Hình 1.5. Phương pháp truy nhập kênh CSMA-CA

12


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CSMA/CA là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng
không dây IEEE 802.15.4. Các 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.
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, ngựợc 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 tóan 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 bị 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 tóan nhưng nó vẫn bỏ qua
bất kỳ khung tin nào nhận đựơc trong khoảng thời gian này.
Trong thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian, NB, CW, BE được
thiết lập trước, biên của khoảng thời gian backoff kế tiếp cũng được xác
13


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

định trước. Trong thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian thì NB và
BE được thiết lập trước (bước 1). Tầng MAC sẽ trễ ngẫu nhiên trong phạm
vi 0 đến 2*BE -1(bước2) sau đó yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá truy
kênh truy nhập xem là rỗi hay bận.(bứớc3). Nếu kênh truyền bận(bước4),

tầng MAC sẽ tăng NB và BE lên 1, nhưng cũng luôn đảm bảo rằng giá trị
này nhỏ hơn aMaxBE. Trong CSMA-CA gán khe thời gian thì việc truyền
khung tin, Ack phải được thực hiện trước khi kết thúc phần CAP trong siêu
khung, nếu không sẽ phải chờ đến CAP của siêu khung kế tiếp, trong thuật
toán này thì CW có thể cũng reset lại thành giá trị 2. Nếu giá trị của NB
nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tham số macMaxCSMABackoffs, thì sẽ quay lại
bứớc2 đồng thời thông báo lỗi truy nhập kênh.
Nếu kênh truyền là rỗi (bước5) , trong CSMA-CA gán khe thời gian,
tầng MAC phải giảm CW đi 1. nếu CW ≠ 0 quay trở lại bước 3. Nếu CW=0
thì thôgn báo truy nhập kênh thành công. Còn trong CSMA-CA không gán
khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi.
* Trong mạng báo hiệu: Truy nhập kênh sử dụng cấu trúc
superframe. Định dạng của superframe được định nghĩa bởi coordinator và
được chia thành 16 khe thời gian bằng nhau. Khung báo hiệu được truyền
trong khe thời gian đầu tiên của mỗi superframe. Nếu coordinator không
muốn sử dụng cấu trúc superframe, nó chỉ việc tắt sự truyền nhận báo hiệu.
Báo hiệu được sử dụng để đồng bộ những thiết bị gắn vào, để nhận ra PAN
và mô tả cấu trúc của superframe. Bất kỳ thiết bị nào muốn truyền thông
trong thời gian truy nhập tranh giành giữa hai báo hiệu sẽ tranh đua với các
thiết bị khác sử dụng một khe cơ chế CSMA-CA. Tất cả các giao dịch sẽ
được hoàn thành bởi thời gian báo hiệu mạng tiếp theo. Superframe có thể
có một phần tích cực và một phần không tích cực.

Hình 1.6. Cấu trúc superframe

Đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông dữ liệu, coordinator PAN
có thể dành những phần của superframe tích cực cho ứng dụng đó. Những
14

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

phần này gọi là những khe thời gian đảm bảo (GTS). GTS hình thành chu
kỳ tự do tranh giành (CFP), nó luôn hiện ra ở phần cuối của superframe
tích cực, bắt đầu ở một slot ranh giới ngay sau CAP. Coordinator PAN có
thể cấp phát tới bẩy GTS này. Mỗi GTS có thể chiếm giữ nhiều hơn một
khe thời gian. Tuy nhiên một phần của CAP sẽ để lại dành cho các thiết bị
khác truy nhập mạng hay các thiết bị mới muốn tham gia vào mạng.
Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt động
trong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho
thiết bị đó. Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi
mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó. Thiết
bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe
thời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong mạng. Một khe thời
gian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung. Thiết bị điều phối
mạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn
là nó có đủ thẩm quyền trong siêu khung.
Một khe thời gian có thể được chiếm hữu trước khi sử dụng nếu có
sự yêu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN. Tất cả các khe thời gian GTS
đều được đặt liền nhau ở cuối của siêu khung sau phần CAP, và hoạt động
theo cơ chế FCFS(first-come-first-serve) đến trước dùng trứơc. Mỗi khe
thời gian GTS có thể đựợc giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và một
khe thời gian GTS có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bị
chiếm hữu nó không dùng nữa.
Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản lý khe thời
gian. Để quản l y mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưu
trữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kết
nối. Mỗi thiết bị trong mạng có thể yêu cầu một khe thời gian phát hay một
khe thời gian thu. Để chiếm hữu được một khe thời gian thì thiết bị đó phải
lưu trữ thông tin khe bắt đầu, độ dài và phương hướng. Nếu một thiết bị

đựơc cấp phát một khe thời gian GTS thu, nó sẽ có toàn quyền sử dụng trọn
vẹn khe thời gian đó để nhận dữ liệu. Tương tự như vậy thiết bị điều phối
mạng PAN cũng có thể có toàn quyền sử dụng trọn vẹn khe thời gian đó để
nhận đữ liệu khi có một thiết bị khác chiếm khe thời gian phát.
Một thiết bị yêu cầu chiếm hữu khe thời gian mới thông qua lệnh yêu
cầu GTS với các tính chất (độ dài, thu hay phát?,…) thiết lập theo yêu cầu
ứng dụng. Để xác nhận lệnh này thì thiết bị điều phối sẽ gửi một khung tin
Ack. Sau khi phát khung tin Ack thì thiết bị điều phối sẽ kiểm tra khả năng
hiện thời của siêu khung dựa trên độ dài của phần CAP và độ dài khe thời
gian GTS được yêu cầu. Siêu khung sẽ sẵn sàng nếu độ dài khe thời gian

15


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

GTS không làm giảm độ dài của phần CAP đi quá độ dài nhỏ nhất của CAP được
qui đinh trong tham số aMinCAPLength. Thiết bị điều phối mạng PAN thực
hiện quyết định của nó bên trong siêu khung aGTSDescPersistenceTime.
Trong khi xác nhận gói tin Ack từ thiết bị điều phối thì thiết bị này vẫn tiếp tục
theo dõi thông tin báo hiệu và chờ siêu khung aGTSDescPersistenceTime.
Khi thiết bị điều phối quyết định xem xem nó có sẵn sàng cho yêu cầu GTS
không, nó sẽ phát đi mô tả về GTS với chi tiết yêu cầu và đoạn ngắn địa chỉ
của thiết bị yêu cầu. Nó sẽ chỉ ra độ dài và khe GTS đầu tiên trong siêu
khung rồi thông báo cho tầng trên về việc cấp phát khe GTS mới này. Nếu
sau khi kiểm tra mà thấy khả năng của siêu khung là không đủ để cấp phát
theo yêu cầu về GTS, thì khe đầu tiên sẽ được đánh số 0 tới độ dài khe GTS
lớn nhất có thể cung cấp được hiện thời. Những mô tả về GTS sẽ đựơc giữ
trong khung tin báo hiệu beacon cho aGTSPersistenceTime. Trong khi xác
nhận khung tin báo hiệu beacon, thiết bị sẽ xử ly và thông báo lên tầng trên.

Tượng tự như khi yêu cầu cấp phát GTS, một thiết bị cho biết nó yêu
cầu được giải phóng sự chiếm hữu GTS thông qua lệnh yêu cầu giải phóng
với các thông số của GTS đang tồn tại. Sau đó thì khe thời gian này sẽ được
tự do. Thiết bị điều phối PAN phải đảm bảo rằng không có khoảng trống náo
xuất hiện trong CFP khi giải phóng khe thời gian GTS, độ dài maximum
CAP nhờ thế mà được tăng lên (độ tăng đúng bằng độ dài của khe thời gian
đựoc giải phóng).
3.3. Giao thức trong WSNs:
Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của các
nút sao cho việc tiêu hao năng lượng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫn
đảm bảo độ tin cậy. Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà ngư ời
ta sử dụng các giao thức khác nhau.
Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:
+ Giao thức đồng bộ theo thời gian.
+ Giao thức theo vị trí.
3.3.1. Đồng bộ theo thời gian:
- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một
hiện tượng xảy ra.
- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do đó
cần đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến Sink mạng.
- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hình
mạng.
- Các nút cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động
thường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng l ượng nên
thường có chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng.
16


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Các nút có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ cục bộ
lấy từ các bộ dao động. Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và làm
trôi tốc độ của bộ dao động, do vậy thời gian cục bộ của các nút sẽ bắt đầu
sai khác đi làm cho mạng mất đi sự đồng bộ. Do vậy việc đồng bộ thời gian
có vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến.
Đồng bộ thời gian là phương thức các thực thể riêng biệt trong một
nhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầu
phối hợp.
Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là
cộng tác giữa các nút trong toàn mạng. Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pairwise) giữa các nút trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng.
Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai nút trong mạng đó là:
+ Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận: Yêu cầu liên kết hai chiều giữa
hai nút lân cận.

Hình 1.7.
Đồng bộ giữa bên
gửi và bên nhận

+ Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận: Yêu cầu nhiều nút nhận của các
gói có nhãn thời gian như nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ
với bên gửi.

Hình 1.8.
Đồng bộ giữa bên
nhận và bên nhận

3.3.2. Đồng bộ theo vị trí:
Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của
các nút trong mạng cảm biến là rất cần thiết, nó có ý nghĩa hoặc là mục đích
của mạng cảm biến. Ví dụ: Như trong ứng dụng quan sát môi trường và khí

tượng học, dữ liệu sẽ không còn có ý nghĩa nếu như không được đánh dấu
thời gian và vị trí.

17


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Đồng bộ theo vị trí có hai loại cơ bản là:
+ Đồng bộ dựa vào mốc có sẵn:
Phương pháp này giả sử như sau: Có một vài con cảm biến đã biết vị
trí. Những nút này sẽ gửi tín hiệu mốc (dẫn đường) theo chu kỳ. Các nút
khác sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác, trễ để đánh giá vị trí.
RSSI (Receiver Signal Strength Indicator) được dùng để xác định sự tương
quan tín hiệu với khoảng cách.
Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF, và rất nhạy
cảm với vật cản, nhiễu đa đường, ảnh hưởng của môi trường... Hơn nữa tín
hiệu RF phải có phạm vi tốt: Khoảng vài chục mét. Ngoài ra ng ởi ta còn sử
dụng RF và sóng siêu âm: Nút mốc truyền tín hiệu RF và một sóng siêu âm
tới bộ thu. Thời gian đến khác nhau giữa hai tín hiệu đ ợc sử dụng để đo
khoảng cách. Phạm vi lên tới 3 m, độ chính xác 2cm.
+ Đồng bộ theo vị trí tương đối
Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vật mốc rất hiệu quả đối với
một số ứng dụng nào đó, một số mạng cảm ứng khác có thể đ ược triển khai
ở vùng mà không thể bị ảnh hưởng bởi vật mốc hoặc GPS, lúc đó chúng có
thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển. Để
khắc phục những khó khăn này, các thông tin vùng được đặt theo từng bước
truyền từ nguồn cho đến sink. Để thu được các thông tin vùng chính xác, các
nút cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho nhau. Hơn nữa, năng l ượng có thể
được dự trữ thêm bằng việc cho phép các nút cảm ứng dò theo vị trí của các

nút lân cận. Để tăng độ chính xác của việc ước lượng vị trí, sink có thể yêu
cầu tất cả các nút dọc theo đờng từ nguồn phải lọc từng phần để tăng số
lượng vật mẫu. Quá trình tác động cục bộ này không yêu cầu bất kì một vật
mốc nào. Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quyết định vị trí
của các nguồn.

18


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG 2:

CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZIGBEE - IEEE 802.15.4

I - TỔNG QUAN VỀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZIGBEE - IEEE 802.15.4

1.1. Đặt vấn đề:
Với sự phát triển và tiến bộ không ngừng của công nghệ truyền thông,
thì truyền thông trong mạng không dây đang là một công nghệ mới với nhiều
tính năng ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống. Song những yêu
cầu về tối ưu năng lượng, truyền thông... luôn là những vấn đề quan trọng
trong mạng truyền thông không dây (đặc biệt là mạng cảm biến không dây WSN). Hiện nay, ngoài những vấn đề trên thì mạng cảm biến không dây có
những yêu cầu khác như là:
- Dễ dàng lắp đặt, vận hành, ít lỗi, khả năng tương thích cao và giá thành
thấp.
- Độ rộng phổ lớn, không cần phải mở rộng thêm băng thông, tốc độ
đường truyền cao, ổn định. (Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử
dụng các băng tần cao hơn, nhưng công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp.
Do đó người ta đã sử dụng một số phương pháp khác như sử dụng lại kênh tần

số... nhưng vẫn còn những vấn đề phát sinh như gây nhiễu lẫn nhau giữa các
thiết bị cùng tần số, hoặc xung đột giữa các thiết bị...).
Do đó ứng dụng Chuẩn Zigbee vào mạng cảm biến không dây sẽ là một
giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề trên.
1.2. Sự ra đời của chuẩn Zigbee:
* Chuẩn Zigbee (chuẩn IEEE 802.15.4) là một chuẩn thuộc nhóm chuẩn
IEEE 802.15. Nhóm chuẩn này ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN. Chuẩn
WPAN là chuẩn của mạng cá nhân không dây, dùng để điều khiển dữ liệu
trong không gian nhỏ và truyền tin trong khoảng cách tương đối ngắn (bán
kính hoạt động nhỏ hơn 30m). Song chuẩn WPAN tiêu tốn ít năng lượng, độ
suy hao năng lượng thấp, vận hành trong không gian nhỏ, cơ sở hạ tầng không
yêu cầu cao nhưng vẫn liên lạc hiệu quả.
Nhóm chuẩn WPAN (IEEE 802.15) được chia ra làm 3 loại:
Sự phân chia này được dựa vào 3 yếu tố là: + Tốc độ truyền tin
+ Mức tiêu hao năng lượng
+ Chất lượng phục vụ QoS
- IEEE 802.15.3: (Untra Wide Band): Ứng dụng đa phương tiện, chất
lượng phục vụ cao. Sử dụng phần lớn phổ để trao đổi dữ liệu. Tín hiệu cho mỗi

19


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

băng tần thường nhỏ và ít bị nhiễu bởi các tín hiệu khác. IEEE 802.15.3 có khả
năng truyền hàng trăm Mbit/s trong phạm vi hàng trăm mét.
- IEEE 802.15.1: (Bluethoot): Sử dụng trong mạng điện thoại tế bào,
máy tính cá nhân bỏ túi PDA, có QoS phù hợp. Chuẩn này được phát triển có
khả năng kết nối với 7 thiết bị con, được thiết kế để thay dây dẫn trong kết nối
các thiết bị ngoại vi. Phiên bản mới nhất là 2.0 + ERD có khả năng truyền

3Mbit/s trong khoảng 100.
- IEEE 802.15.4: (Zigbee): Ứng dụng vào mạng cảm biến dùng để điều
khiển, cảm biến và truyền dữ liệu.
+ IEEE 802.15.4 hoạt động ở dải tần 2,4GHz với 255 thiết bị. Phạm vi
truyền khoảng 10m với tốc độ truyền 250kbps.
+ IEEE 802.15.4a hoạt động ở dải tần 868MHz, 900MHz với 65000
thiết bị. Phạm vi hoạt động 75m với tốc độ truyền tin 20kbps.
Tùy vào từng ứng dụng mà chuẩn Zigbee sẽ hoạt động trên từng băng
tần khác nhau (Băng tần 2,4GHz chỉ truyền được 10m so với 75m của băng tần
868MHz và 900MHz nhưng tốc độ truyền tin là 250kbps).

QoS
Ứng dụng
Khả năng
hoạt động
Tốc độ bit
Dải tần
PP giao tiếp

IEEE.802.15.3

IEEE.802.15.1

IEEE.802.15.4

Cao

Trung bình

Thấp

Đa phương tiện

Điện thoại, TB
ngoại vi

10 - 80m

10m

≈ 500 Mbps

1 - 3Mbps

2,4GHz

2,4GHz

5 GHz
Truyền file có
d.lượng lớn

Truyền file hình
ảnh, thoại..

Cảm biến, truyền
D.liệu
10 - 75m
250kbps
20 - 40kbps

2,4GHz
915; 868 MHz
Truyền gói
tin nhỏ

1.3. Ưu điểm của chuẩn Zigbee:
- Áp dụng cho hệ thống điều khiển, cảm biến (do mạng cảm biến không
dây chỉ truyền được tối đa là 250kbps ở dải tần 2,4GHz cho nên ứng dụng chủ
yếu của mạng là cảm biến và điều khiển, mạng không dùng để truyền dữ liệu).
20


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- Tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài.
- Mạng tiêu hao ít năng lượng (chỉ với 2 nguồn pin AA, một nốt mạng có
thể sống từ 6 tháng đến 2 năm tùy vào từng ứng dụng). Thời gian nhận gửi một
gói tin của mạng khoảng 15msec. Các nút mạng giao tiếp với nhau bằng
phương thức truyền từng gói tin nhỏ.
- Giá thành thấp, ít lỗi dễ mở rộng, có khả năng tương thích cao với các
điều kiện tự nhiên.
- Tầng mạng của Zigbee có một ưu điểm nổi bật là giảm được sự hỏng
hóc dẫn đến gián đoạn kết nối.
(Đây là mạng không dây mắt lưới tiêu chuẩn cho nên nó có những ưu
điểm của mạng mắt lưới: Các nút truyền tải dữ liệu, âm thanh, câu lệnh với
nhau, cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình
xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho
đến khi thiết lập được kết nối).
1.4. Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee:
Mạng cần phải có tối thiểu 2 phần tử:

- FFD (Full function devide): Đảm nhận các chức năng trong mạng. FFD
có khả năng hoạt động như một:
+ Điều phối viên của toàn mạng PAN
+ Điều phối viên của một mạng con
+ Thành viên trong mạng.
- RFD (reduced function devide): Đảm nhận một số chức năng hạn chế
với các ứng dụng đơn giản, dữ liệu nhỏ.
1.5. Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee:
- ZC (Zigbee Coordinator): Đây là 1 FFD, nó là gốc mạng hình cây, là
thiết bị bắc cầu tới mạng khác. Đặc trưng của ZC:
+ Thiết lập một mạng mới.
+ Truyền tín hiệu mạng.
+ Quản lý nốt mạng.
+ Hoạt động tiêu biểu là nhận trạng thái.
+ Lưu trữ thông tin mạng, khoá bảo mật.
- ZR (Zigbee Router): Đây là 1 FFD, nó có các chức năng như:
+ Định tuyến trung gian truyền dữ liệu
+ Cho phép mở rộng mạng
+ Theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nút bình thường

21


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- ZED (Zigbee End Devide): Đây là 1 FFD hoặc 1 RFD, nó không
chuyển tiếp dữ liệu nhưng có một số đặc điểm như:
+ Yêu cầu bộ nhớ, khả năng tính toán thấp nên giá thành thấp
+ Chức năng chủ yếu là thu thập dữ liệu, theo dõi, điều khiển
1.6. Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee:

Chuẩn Zigbee có 3 cấu hình mạng cơ bản:
+ Mạng hình sao: Star Network:
+ Mạng mắt lưới: Mesh Network
+ Mạng hình cây: Cluster Tree
Tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo những
cấu hình mạng khác nhau.
a/ Star Network:

Hình 2.1.
Mạng hình sao

Mạng chỉ có FFD và RFD (hay ZC và ZED). Khi FFD được kích hoạt
lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có
PAN ID riêng để mạng hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất, kết
nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Mạng chỉ có một ZC duy nhất đóng vai trò như một điều phối viên toàn
mạng, khi được kích hoạt, ZC này sẽ hoạt động. Tuỳ vào năng lượng kênh và
số mạng tìm được trên mỗi kênh mà ZC sẽ thành lập mạng với một PAN ID
16bit. Sau đó nó sẽ cho phép các nút con tham gia liên kết với mạng. Trong
mạng này ZED đóng vai trò là một RFD. Hoạt động của RFD này chỉ là thu
thập dữ liệu, điều khiển và cảm biến. Các ZED này không thể truyền tin trực
tiếp cho nhau được mà chỉ có thể truyền qua ZC.
b/ Mesh Network
Mạng mắt lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có khả
năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách
nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối.

22

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 2.2.
Mạng hình mắt lưới

Đặc điểm của mạng:
- Hình thành tương tự như mạng hình sao. Song trong mạng này có thêm
sự xuất hiện của ZR. ZR này đóng vai trò như một RFD,dùng để định tuyến dữ
liệu, mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như
một nút bình thường.
- Được kết hợp bởi cấu trúc mạng hình sao và cấu trúc mạng ngang
hàng.
- Đây là mạng chuyển của Zigbee, tất cả các nút trong mạng có thể truy
cập ngang hàng trong truyền thông.
- Ứng dụng trong đo lường, điều khiển, theo dõi cảnh báo...
c/ Cluster Tree Topology :
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số
thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời
rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như
là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các

23


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả
năng mở rộng cao.

Hình 2.3. Mạng hình cây

Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ
có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
Bộ điều phối mạng PAN coordinator này có một chỉ số nhận dạng cá
nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng
CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier 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 mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN
(PAN coordinator) 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 có thể hình thành được các CLH1,CLH2,...

24


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Những thiết bị của Zigbee lưu trữ thông tin về nút cha và nút con trong
khoảng bộ nhớ không đổi gọi là bảng neighbor. Khi được kích hoạt, một thiết
bị con được xác định thông qua bảng này. Nó sẽ thực hiện một thông báo mồ
côi để phát quảng bá trong mạng. Những thiết bị nhận được thông báo (là các
nút cha) sẽ kiểm tra bảng neighbor của chúng. Nếu đúng thì sẽ thông báo lại
địa chỉ cho nút con. Còn nếu sai thì nút con sẽ tham gia vào mạng như một
thiết bị mới ở mức độ sâu nhất.
II- KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG CỦA CHUẨN ZIGBEE:

2.1. Tầng vật lý:
2.1.1. Cấu tạo lớp vật lý:
* Tầng vật lý bao gồm 2 dịch vụ:

- Dịch vụ quản lý tầng vật lý (PLME:physical layer management
entity): PLME chịu trách nhiệm bảo trì cơ sở dữ liệu của các đối tượng được
quản lý gắn liền với PHY.
- Dịch vụ dữ liệu PHY(phy protocol data unit): điều khiển việc thu và
phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.
* Chức năng của tầng PHY: 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.
2.1.2. Phạm vi hoạt động tần số:
PHY
(MHz)

868
915
2450

Băng tần
(MHz)

868-868.6
902-928
2400-2486.5

Tốc độ chip
(kchips/s)

Điều chế

Ký tự

300
600
2000

BPSK
BPSK
O-QPSK

Nhị phân
Nhị phân
Hệ 16

Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu
- Có 27 kênh truyền, từ 0-26 trên ba dải tần số khác nhau như sau:
Tần số trung tâm
(MHz)
868
915
2450

Số l ượng kênh
Kênh
(N)
1
0
10
1 – 10
16
11 – 26

Bảng 2.2 Kênh truyền và tần số
25

Tần số kênh
trung tâm (MHz)
868.3
906+2(k-1)
2405+5(k-11)