Xây dựng hệ thống phát hiện xâm nhập bằng công nghệ zigbee

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ............................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
LỜI CẢM ƠN ........................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
LỜI CAM ĐOAN................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
MỤC LỤC............................................................................................................................................ 0
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1.......................................................................................................................................... 4
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSNS) ........................................................ 4
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................................. 4
1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA NODE CẢM BIẾN............................................................................ 8
1.2.1 Bộ xử lý nhúng nguồn thấp (Low-power embedded processor).............................................. 9
1.2.2 Bộ nhớ (Memory/storage) .................................................................................................... 9
1.2.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio transceiver)...................................................................... 9
1.2.4 Cảm biến (Sensors).............................................................................................................. 9
1.2.5 Hệ thống định vị toàn cầu (Geopositioning system) ........................................................... 10
1.2.6 Nguồn cung cấp (Power source) ....................................................................................... 10
1.3 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG WSNS ................................................................................. 10
1.3.1 Lớp vật lý (Physical layer) ................................................................................................. 11
1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer).................................................................................. 11
1.3.3 Lớp mạng (Network layer) ................................................................................................. 11
1.3.4 Lớp truyền tải (Transport layer)......................................................................................... 11
1.3.5 Lớp ứng dụng (Application) ............................................................................................... 11
1.3.6 Phần quản lý công suất (Power management plane)........................................................... 11
1.3.7 Phần quản lý di động (Mobility management plane) ........................................................... 12
1.3.8 Phần quản lý nhiệm vụ (Task management plane) .............................................................. 12
1.4 ĐỊNH TUYẾN TRONG WSNS .................................................................................................. 12
1.5 ỨNG DỤNG CỦA WSNS .......................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2........................................................................................................................................ 17
CHUẨN ZIGBEE TRONG MẠNG WSNS ....................................................................................... 17
2.1 TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE ....................................................................................................... 17
2.1.1 Lịch sử phát triển............................................................................................................... 17

2.1.2 Đặc điểm ........................................................................................................................... 18
2.1.3 Kiểu thiết bị....................................................................................................................... 19
2.1.4 Cấu hình mạng .................................................................................................................. 20
2.1.5 Profile chuẩn ZigBee ......................................................................................................... 22
2.1.6 Kiểu thông báo và kết nối................................................................................................... 23
2.1.7 Định dạng thông báo chuẩn ZigBee ................................................................................... 24
2.1.8 Định dạng khung chuẩn ZigBee ......................................................................................... 25
2.1.9 Kết hợp mạng .................................................................................................................... 26
2.1.10 Cơ chế truyền dữ liệu....................................................................................................... 27
2.1.11 Bảo mật (Security) ........................................................................................................... 27
2.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC ZIGBEE.......................................................................................... 28
2.2.1 Lớp vật lý (PHY layer) ....................................................................................................... 29
2.2.2 Lớp con MAC (MAC sup-layer) ......................................................................................... 33
2.2.3 Lớp mạng (Network layer) ................................................................................................. 34
2.2.4 Lớp ứng dụng (Application layer) ...................................................................................... 35
CHƯƠNG 3........................................................................................................................................ 37
TỔNG QUAN VỀ MODULE XBEE/XBEE PRO (MAXSTREAM) ............................................... 37
3.1 CẤU TRÚC MODULE XBEE/XBEE – PRO ............................................................................. 37
3.2 ĐIỀU KHIỂN DỮ LIỆU ............................................................................................................ 39


3.3 MẠNG XBEE/XBEE - PRO ...................................................................................................... 40
3.3.1 Mạng không báo hiệu thường............................................................................................. 40
3.3.2 Mạng không báo hiệu (w/Coordinator) .............................................................................. 40
3.3.3 Quá trình liên kết............................................................................................................... 41
3.4 ĐỊNH ĐỊA CHỈ XBEE/XBEE - PRO.......................................................................................... 45
3.4.1 chế độ Unicast................................................................................................................... 45
3.4.2 Chế độ Broadcast .............................................................................................................. 46
3.5 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XBEE/XBEE - PRO............................................................ 46
Các lệnh sử dụng điều khiển module Xbee .................................................................................. 47

3.6 KHUNG DỮ LIỆU API ............................................................................................................. 50
3.7 THỰC HIỆN LIÊN KẾT TRUYỀN THÔNG TRÊN BỘ KIT MODULE XBEE .......................... 55
3.7.1 Thực hiện quá trình liên kết 2 module dạng điểm – điểm (peer – peer)................................ 55
3.7.2 Thực hiện kết nối point – point 2 module (coordinator – End Device) ................................. 56
3.7.3 Thực hiện liên kết 3 module (1 Coordinator – 2 End Device) .............................................. 57
CHƯƠNG 4........................................................................................................................................ 59
THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP ........................................................... 59
4.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG ............................................................................................................. 59
4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................................................. 59
4.2.1. Mô hình hệ thống.............................................................................................................. 59
4.2.2 Sơ đồ khối hệ thống: .......................................................................................................... 60
4.2.3 Khối giám sát ZED ............................................................................................................ 60
4.2.4 Khối điều hành quản lý ZC ................................................................................................ 61
4.2.5 Cấu trúc gói tin giao tiếp ................................................................................................... 62
4.2.6 Quá trình xử lý thông tin.................................................................................................... 64
4.2.7 Hệ thống phần cứng........................................................................................................... 68
CHƯƠNG 5........................................................................................................................................ 75
THỰC HIỆN TRIỂN KHAI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ......... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1 CÁC THIẾT BỊ ĐƯỢC THIẾT KẾ .........................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1.1 Mạch layout của các module:..................................................Error! Bookmark not defined.
5.1.2 Hình ảnh các sản phẩm...................................................................................................... 75
5.1.3 Phần mềm điều khiển trên máy tính.................................................................................... 76
5.2 QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM...............................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.2.1 Hướng dẫn sử dụng hệ thống ..................................................Error! Bookmark not defined.
5.2.2 Thí nghiệm hệ thống ...............................................................Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ........................................................................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................. 79

1

LỜI NÓI ĐẦU
Lĩnh vực công nghệ thông tin ngày càng phát triển trên đất nước Việt
Nam, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống, của
đời sống xã hội. Việc hội nhập, tiếp thu kiến thức để áp dụng vào cuộc sống luôn
là vấn đề được mọi tầng lớp quan tâm. Con người ngày càng sáng chế ra nhiều
loại máy móc, phương tiện hữu ích để phục vụ cho con người, nhằm giảm đi
công sức mà con người phải bỏ ra, giúp cho công việc đạt hiệu quả hơn.
Các thiết bị phục vụ cho hoạt động của con người ngày nay thường không
còn là thiết bị đơn lẻ nữa mà tập hợp thành một hệ thống các thiết bị có sự liên
kết quan hệ với nhau. Các hệ thống mạng liên kết với nhau được phát triển từ hệ
thống có dây đến hệ thống không dây.
“Wireless Sensor Networks” – một vấn đề đang được quan tâm trên thế
giới và là khái niệm mới ở Việt Nam hiện nay. Thành tựu mà nó mang lại vô
cùng lớn cho nghiên cứu khoa học, lao động sản xuất cũng như phục vụ trực tiếp
cuốc sống hàng ngày với những ứng dụng công nghệ cao. WSNs với chuẩn công
nghệ không đây ZigBee là công nghệ tiên tiến đang chiếm ưu thế. Công việc đo
đạc, giám sát khó khăn xưa kia thì nay với WSNs thực hiện dễ dàng hơn, khoa
học hơn với chi phí thấp nhất.
Ở Việt Nam, WSNs đang được nghiên cứu phát triển nhưng tất cả chỉ là
khởi đầu. Những hệ thống theo dõi, ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp...
bắt đầu được quan tâm nghiên cứu.
Với mục tiêu sử dụng những kiến thức đã học được tại Khoa Công
Nghệ Thông tin – Đại Học Thái Nguyên, cùng sự nghiên cứu tìm tòi của bản
thân, em đã “Xây dựng hệ thống phát hiện xâm nhập bằng công nghệ
Zigbee” với mong muốn từng bước triển khai công nghệ “Wireless Sensor
Networks” vào thực tế Việt Nam.
Đồ án của em được chia thành 5 chương với nội dung như sau:
 Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: Nội dung chương
giới thiệu chung về hệ thống mạng cảm biến không dây WSNs.

2


 Chương 2: Chuẩn Zigbee trong mạng WSNs: Nội dung chương trình bày
về giao thức chuẩn Zigbee được sử dụng trong mạng WSNs.
 Chương 3: Tổng quan về module Xbee/Xbee – pro (Maxstream): Nội
dung chương trình bày về cấu trúc, đặc tính và cách sử dụng module
Xbee/Xbee – pro của hãng Maxstream.
 Chương 4: Thiết kế hệ thống mạng phát hiện xâm nhập: Nội dung chương
trình bày về quá trình xây dựng giao thức, quá trình xử lý và xây dựng
phần cứng cho các thiết bị sử dụng cho hệ thống mạng giám sát.
 Chương 5: Thực hiện triển khai thiết kế hệ thống: Nội dung chương trình
bày về quá trình chế tạo thực tiễn ra các thiết bị sử dụng cho hệ thống và
quá trình kiểm tra hoạt động thực nghiệm của hệ thống.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSNs)
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
“Wireless sensor network” là khái niệm chỉ một mạng không dây gồm có
không gian phân tán các thiết bị tự trị sử dụng các “sensors” để “hợp tác” theo
dõi vật lý hay các điều kiện môi trường, như nhiệt độ, âm thanh, sự rung động,
sức ép, sự chuyển động hay những chất gây ô nhiễm, tại những vị trí khác nhau.

Hình 1.1a: Mạng cảm biến

Trong khi khái niệm của việc nối mạng phân phối các cảm biến và sử dụng

chúng trong quân đội và công nghiệp từ những năm 1970. Nhưng chỉ thực sự từ
những năm 1990, khi mà công nghệ không dây và thiết kế vi mạch tích hợp
nguồn thấp trở thành khả khi. Các nhà nghiên cứu mới bắt đầu nghiên cứu phát
triển rộng khắp các hệ thống nhúng cho mạng cảm biến không dây.

Hình 1.1b: Thiết bị đo lường cảm biến không dây MICAz

Có lẽ một trong những công trình nghiên cứu sớm nhất theo hướng này là dự
án tích hợp cảm biến không dây nhỏ nguồn thấp tại UCLA (University of
California, Los Angeles). Dự án này tập trung phát triển các thiết bị điện tử
4


nguồn thấp cho phép mạng cảm biến không dây phổ biến rộng rãi. Dự án này đã
thành công với việc kế tiếp bởi dự án Wireless Integrated Networked Sensors
(WINS), một ít năm về sau trong nhà nghiên cứu tại UCLA cộng tác với Trung
Tâm Khoa học Rockwell để phát triển vài thiết bị cảm biến không dây đầu tiên.
Và nhiều dự án khác được tiến hành để phát triển WSNs.

Hình 1.1c: Sự phát triển của công nghệ cảm biến theo thời gian

Những nhà nghiên cứu tại Berkeley phát triển những thiết bị nhúng nối mạng
cảm biến không dây gọi là motes, sẵn sàng đưa vào ứng dụng cùng với TinyOS –
một hệ điều hành nhúng cho thiết bị sử dụng dễ dàng.
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 phát vô cùng quan
trọng. Nếu không cần thiết, nút mạng 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 cũng không nhỏ. Vậy làm sao để qúa trình này hiệu

quả và tiết kiệm năng lượng nhất. WSNs có hai phương pháp truy nhập kênh sử
dụng trong mạng báo hiệu và không báo hiệu.
Trong mạng không báo hiệu, cơ chế truy nhập kênh CSMA/CA được sử dụng.
Trong kiểu mạng này, các bộ định tuyến điển hình có bộ thu phát luôn luôn tích
cực, nên yêu cầu cung cấp năng lượng cũng phải linh hoạt hơn.

5


Hình 1.1d: Phương pháp truy nhập kênh CSMA\CA

Trong mạng báo hiệu, truy nhập kênh sử dụng cấu trúc siêu khung. Định dạng
của siêu khung 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 siêu khung. Nếu coordinator không muốn sử dụng cấu trúc siêu khung, 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 siêu khung. 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. siêu khung
có thể có một phần tích cực và một phần không tích cực.

6


Hình 1.1e: Cấu trúc Siêu khung

Đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông dữ liệu, coordinator PAN có thể
dành những phần của siêu khung tích cực cho ứng dụng đó. Những phần này gọi
là những khe thời gian đảm bảo (GTSs). GTSs hình thành chu kỳ tự do tranh

giành (CFP), nó luôn hiện ra ở phần cuối của siêu khung tích cực, bắt đầu ở một
slot ranh giới ngay sau CAP. Coordinator PAN có thể cấp phát tới bẩy GTSs 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. Tất cả các giao dịch trên nền tranh giành sẽ phải hoàn
thành trước khi CFP bắt đầu. Mỗi thiết bị phát trong một GTS sẽ đảm bảo giao
dịch của nó là hoành thành trước thời gian của GTS tiếp theo hay kết thúc của
CFP.
Wireless ad-hoc network hay mạng tùy biến không dây là một tập hợp gồm
nhiều hơn một thiết bị/nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây
với nhau mà không cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm nào. Mỗi nút
trong một mạng tùy biến không dây hoạt động vừa như một nút chủ (host) vừa
như một thiết bị định tuyến.
Mạng cảm biến có vài điểm tương đồng với mạng mạng ad-hoc nói chung.
Như vậy, thiết kế giao thức cho mạng cảm biến phải tính toán các thuộc tính của
mạng ad-hoc, bao gồm:
 Thời gian tồn tại bị ràng buộc bởi năng lượng giới hạn cung cấp cho các
phần tử trong mạng.
 Truyền thông không đáng tin cậy vì môi trường không dây.
 Cần tự cấu hình, ít yêu cầu hoặc không có sự can thiệp của con người
vào.
Tuy nhiên, vài đặc điểm duy nhất tồn tại trong mạng cảm biến không dây mà
không tồn tại trong mạng ad-hoc. Những đặc điểm này đưa ra thách thức mới và
yêu cầu sự cải biến thiết kế cho các mạng ad-hoc truyền thống:
 Trong khi các mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút,
mạng cảm biến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng.
7


 Các nút cảm biến đứng yên đặc thù, có nghĩa là cơ chế được sử dụng

trong giao thức mạng ad-hoc truyền thống giao tiếp với tính di động có
thể không cần thiết và quá nặng nề.
 Các nút có thể triển khai trong điều kiện môi trường hết sức khắc nghiệt,
tình trạng các nút không thực thi là phổ biến.
 Nút cảm biến có thể nhiều và nhỏ hơn trong các mạng ad-hoc truyền
thống (ví dụ như: PDA, laptop), với nguồn pin nhỏ hơn đẫn đến thời gian
tồn tại, khả năng tính toán, bộ nhớ ít hơn.
 Thêm các dịch vụ, như là thông tin định vị có thể được yêu cầu trong
mạng cảm biến không dây.
 Trong khi 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 tin tiêu biểu là dữ liệu - trung tâm đúng hơn là địa chỉ - trung tâm,
có nghĩa là dữ liệu được định tuyến phụ thuộc vào sự miêu tả của dữ
liệu.
 Truyền thông trong mạng cảm biến diễn ra với dạng gói tin rất ngắn, có
nghĩa rằng các đầu mục được thêm vào ở các lớp mạng khác nhau trở
thành quan trọng hơn.
Việc hợp nhất những đặc điểm duy nhất này của mạng cảm biến vào trong
thiết kế giao thức là rất quan trọng để đạt hiệu quả với tài nguyên có hạn của
mạng. Đồng thời, giữ cho giao thức “nhẹ” càng tốt.
1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA NODE CẢM BIẾN
Sơ đồ khối một thiết bị cảm biến không dây đơn giản:

8


Hình 1.2: Sơ đồ khối thiết bị cảm biến không dây đơn giản

1.2.1 Bộ xử lý nhúng nguồn thấp (Low-power embedded processor)
Nhiệm vụ tính toán trên một thiết bị WSNs bao gồm việc xử lý cũng như

truyền thông tin bởi các phần tử cảm biến khác. Hiện nay, chủ yếu vì những ràng
buộc kinh tế, những bộ xử lý nhúng thường hạn chế về tốc độ tính toán. Vì
những hạn chế này, những thiết bị điển hình chạy hệ điều hành nhúng trên các
thành phần chuyên dụng như TinyOS. Tuy nhiên, trong một mạng cảm biến, các
nút không nhất thiết phải đồng nhất, một số nút có thể được trang bị tốc độ tính
toán cao hơn.
1.2.2 Bộ nhớ (Memory/storage)
Bộ nhớ bao gồm bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Số lượng của bộ nhớ
trên board một thiết bị WSNs bị hạn chế bởi những yêu cầu về kinh tế.
1.2.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio transceiver)
Những thiết bị WSNs có đặc điểm là tốc độ dữ liệu thấp, khoảng cách sóng
vô tuyến tầm ngắn (10 - 100 kbps, < 100 m). Truyền sóng vô tuyến thường là
thao tác mất nhiều năng lượng nhất của thiết bị WSNs. Do đó, cần kết hợp hiệu
quả giữa chế độ Sleep và Wake-up để tiết kiệm năng lượng.
1.2.4 Cảm biến (Sensors)
Vì băng thông và những ràng buộc về năng lượng, những thiết bị WSNs chủ
yếu hỗ trợ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Các ứng dụng có thể sử dụng nhiều cảm

9


biến, vì mỗi thiết bị có thể có vài cảm biến trên nó. Các cảm biến đặc biệt được
sử dụng mức độ cao, phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ: Chúng sử dụng nhiều cảm
biến như cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, áp xuất, gia tốc, từ,
hóa học, âm thanh hoặc những hình ảnh độ phân giải thấp.
1.2.5 Hệ thống định vị toàn cầu (Geopositioning system)
Trong nhiều ứng dụng, các phép đo cần phải xác định chính xác vị trí của các
cảm biến. Cách đơn giản để xác định được vị trí là định vị các cảm biến khi triển
khai mạng, nhưng cách này không khả khi vì sẽ giới hạn sự triển khai. Đặc biệt
cho những thao tác ngoài trời, khi mạng được triển khai theo kiểu ad–hoc.

Trong khi đó, thông tin định vị dễ dàng thu được trên nền vệ tinh qua GPS.
Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ các ứng dụng như vậy, được trang bị với khả năng
GPS vì những ràng buộc kinh tế. Trong trường hợp này, cần phải định vị các nút
khác thông qua những giải thuật định vị mạng.
1.2.6 Nguồn cung cấp (Power source)
Để triển khai mềm dẻo, các thiết bị WSNs sử dụng nguồn pin là phù hợp nhất
(ví dụ: sử dụng pin LiMH AA). Một số nút có thể sử dụng nguồn cung cấp trực
tiếp. Năng lượng pin hữu hạn là tài nguyên then chốt trong đa số các ứng dụng
WSNs.
1.3 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG WSNs

10


Hình 1.3: Mô hình kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Mô hình kiến trúc giao thức WSNs là sự kết hợp giữa công suất và định
tuyến, kết hợp giữa dữ liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả
với môi trường không dây và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Hình 1.3 mô tả
kiến trúc giao thức WSNs.
1.3.1 Lớp vật lý (Physical layer)
Cung cấp các kỹ thuật điều chế, thu và phát. 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 hóa việc xung đột với
thông tin quảng bá của các nút lân cận.
1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer)
Là lớp liên kết dữ liệu đúng như tên gọi của nó. Biến đổi dữ liệu thành các
dạng mà các lớp trên có thể sử dụng.
1.3.3 Lớp mạng (Network layer)
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải.

1.3.4 Lớp truyền tải (Transport layer)
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp
các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.3.5 Lớp ứng dụng (Application)
Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể
được xây dựng khác nhau và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.3.6 Phần quản lý công suất (Power management plane)
Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến.
Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ
một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Cũng vậy, khi
mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân
cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các thông
báo định tuyến. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

11


1.3.7 Phần quản lý di động (Mobility management plane)
Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến
để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút
cảm biến lân cận. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến
có thể cân bằng giữa công suất và nhiệm vụ thực hiện.
1.3.8 Phần quản lý nhiệm vụ (Task management plane)
Phần quản lý nhiệm vụ làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến
trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều
phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút
cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của
nó.
Những phần quản lý là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng
nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, định tuyến dữ liệu trong

mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.
1.4 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 nút 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 trong 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.

12


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 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:

13


Hình1.4: Giao thức định tuyến trong WSNs dựa theo phân loại tiêu chuẩn

1.5 ỨNG DỤNG CỦA WSNs
Theo truyền thống, mạng cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp
giống như các hệ thống dò tìm bức xạ hạt nhân, cảm biến vũ khí cho tàu, các ứng
dụng trắc địa, cảm nhận môi trường và theo dõi địa trấn. Hơn nữa, nó được sử
dụng với các cảm biến sinh học và hóa học cho các ứng dụng an ninh quốc gia.
Cũng như mở rộng đến các ứng dụng trực tiếp tới người sử dụng. Các ứng dụng

tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện 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 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.
Để hiểu các ứng dụng đa rạng được hỗ trợ bởi mạng cảm biến không dây, hãy
xem hai ví dụ sau đây.
 Sự giám sát. Giả sử nhiều cảm biến được nối mạng (ví dụ: âm thanh, địa
chấn, video…) được phân tán khắp nơi trong chiến trường. Một ứng dụng giám
sát có thể được thiết kế trên mạng cảm biến này để cung cấp thông tin tới người
dùng về môi trường. Trong một mạng cảm biến như vậy, các mẫu lưu thông là từ
nhiều tới một, sự lưu thông có thể hạn chế từ dữ liệu cảm biến thô đến một sự mô
tả cao hơn của cái gì đang xuất hiện trong môi trường nếu dữ liệu được xử lý cục
bộ. Ứng dụng sẽ có chất lượng yêu cầu từ yêu cầu dịch vụ của mạng cảm biến,
như là yêu cầu một tỷ lệ phần trăm tối thiểu thông tin cảm biến bao quát trong
một vùng nơi mà các hiện tượng mong đợi xuất hiện hoặc yêu cầu một xác suất
cực đại dò tìm sự kiện. Cùng lúc mạng cung cấp chất lượng dịch vụ cho một thời
gian dài (tháng hoặc thậm trí năm) sử dụng những tài nguyên hạn chế của mạng

14


(ví dụ băng thông kênh, năng lượng cảm biến) trong khi yêu cầu nhỏ không có sự
can thiệp từ ngoài vào. Việc gặp những mục đích này, yêu cầu thiết kế mạng cẩn
thận cho cả phần cứng và giao thức mạng.
 Theo dõi y học. Một miền ứng dụng khác mà có thể sử dụng công nghệ
mạng cảm biến không dây đó là giám sát y học. Lĩnh vực rộng lớn từ giám sát
bệnh nhân trong bệnh viện sử dụng các cảm biến không dây để loại bỏ những
ràng buộc về phạm vi bệnh nhân lớn, cồng kềnh, nối dây tới thiết bị theo dõi, để
theo dõi bệnh nhân, kiểm tra phát hiện sớm những triệu chứng kịp thời chuẩn
đoán cũng như can thiệp. Trong hoàn cảnh này, những cảm biến được thu nhỏ lại

mang những cảm biến ngoài như các camera ghi hình hay các thiết bị xác định vị
trí. Đây là môi trường thử thách đáng tin cậy, linh hoạt, những ứng dụng phải
được thiết kế sử dụng dữ liệu từ cảm biến nhập vào. Với ứng dụng dõi sức khỏe
cá nhân chạy ngay trên PDA, nhận và phân tích dữ liệu từ các cảm biến (ví dụ
như áp huyết, nhịp tim…). Màn hình phản ánh lại những mạo hiểm, thông tin sức
khỏe và ghi chép lại trong cơ sở dữ liệu. Thực tế đa số các cảm biến theo dõi sức
khỏe cá nhân, hoạt động nhờ nguồn pin, truyền thông không dây và yêu cầu giao
thức mạng hiệu quả, đáng tin cậy.
Sau đây là một số các ứng dụng đa dạng của mạng cảm biến không dây:
 Các ứng dụng quân sự
 Theo dõi lực lượng địch
 Giám sát trang thiết bị và lực lượng đồng minh
 Giám sát mục tiêu
 Đánh giá thiệt hại trận chiến
 Phát hiện ra cuộc tấn công bằng sinh học, hóa học và hạt nhân
 Các ứng dụng môi trường
 Theo dõi môi trường
 Nhận biết cháy rừng
 Nhận biết lũ lụt
 Các ứng dụng sức khỏe
 Giám sát dữ liệu sinh lý từ xa

15


 Theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện
 Giúp đỡ người cao tuổi
 Các ứng dụng cho gia đình
 Ngôi nhà thông minh
 Các dụng cụ môi trường

 Đọc dụng cụ đo tự động
Và nhiều các ứng dụng khác.

16


CHƯƠNG 2
CHUẨN ZIGBEE TRONG MẠNG WSNs
2.1 TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE
2.1.1 Lịch sử phát triển

Hình 2.1.1: Lịch sử phát triển của ZigBee

Năm 1998, khi mà các ứng dụng không dây được lắp đặt và thực thi hiệu quả
với wifi và bluetooth. Các kỹ sư nhận thấy cần phải có một mạng vô tuyến số tổ
chức theo kiểu ad-hoc. HomeRF ra đời chủ yếu ứng dụng điều khiển không dây
các thiết bị trong nhà. Sau đó nó phát triển sang một giai đoạn mới với tên gọi
Firefly. ZigBee là bước phát triển tiếp theo của Firefly.
Vào 5/2003, IEEE 802.15.4 tiêu chuẩn được hoàn thành. Mùa hè năm 2003,
Philips Semiconductors ngừng đầu tư vào mạng mắt lưới, tuy nhiên Philips vẫn
tham gia phát triển Zigbee và trở thành một trong các thành viên sáng lập ban
giám đốc Liên Minh ZigBee. Tháng 10/2004, Liên Minh ZigBee được công bố
lên đến hơn 100 thành viên từ 22 quốc gia trên thế giới. Gần tháng 4/2005, số
thành viên đã lên đến 150, đến tháng 12/2005, con số thành viên đã lên đến hơn
200 công ty.

17


Thuyết minh kỹ thuật ZigBee chính thức được thông qua vào ngày

14/12/2004. Liên Minh ZigBee công bố tính sẵn sàng của của thuyết minh v1.0
vào tháng 6/2005, và được biết đến như thuyết minh ZigBee 2004. Liên Minh
ZigBee công bố sự hoàn thành và phát triển của ZigBee tiêu chuẩn vào tháng
9/2006, được biết đến như thuyết minh ZigBee 2006. Cuối năm 2007, ZigBee
PRO, được tăng cường và hoàn thành.

Hình 2.1.2: Các thành viên chính trong liên minh ZigBee

2.1.2 Đặc điểm
ZigBee là một chuẩn mạng không dây được thiết kế cho mạng điều khiển và
cảm biến tốc độ thấp. ZigBee là mạng không dây mắt lưới tiêu chuẩn, nguồn
thấp, giá thấp. Chi phí thấp cho phép công nghệ sẽ được triển khai rộng rãi trong
điều khiển và giám sát không dây, nguồn thấp cho phép thời gian sống dài hơn
với nguồn pin nhỏ hơn và nối mạng mắt lưới hỗ trợ mạng rộng hơn và tin cậy
hơn.
So với các chuẩn không dây khác, chuẩn ZigBee giảm bớt sự phức tạp, các
yêu cầu về tài nguyên. Nó đề nghị 3 băng tần hoạt động cùng với một số cấu hình
mạng và khả năng bảo mật để chọn.
Nếu bạn lựa chọn khám phám công nghệ mạng điều khiển hiện nay, giống
như RS-422, RS-485 hay các chuẩn không dây độc quyền, thì chuẩn ZigBee là
giải pháp bạn cần.
Chuẩn ZigBee được thiết kế trên nền tảng kỹ thuật IEEE 802.15.4 - 2003 như
Medium Access Layer (MAC) và Physical Layer (PHY). Với ba băng tần hoạt

18


động: 2,4GHz, 915 MHz và 868 MHz. Mỗi băng tần cung cấp cố định một số
kênh. Băng tần 2,4GHz cung cấp 16 kênh (kênh 11 - 26), 915 MHz cung cấp 10
kênh (1 -10) và 868 MHz cung cấp 1 kênh (kênh 0). Tốc độ bit của chuẩn phụ

thuộc vào tần số hoạt động. Băng tần 2,4GHz hỗ trợ 250kbps, băng tần 915MHz
hỗ trợ 40kbps và 868MHz hỗ trợ 20kbps tốc độ dữ liệu.

Hình 2.1.3: Hình ảnh khi so sánh với một số chuẩn khác

2.1.3 Kiểu thiết bị
ZigBee có ba kiểu thiết bị khác nhau:

 ZigBee Coordinator(ZC): Là thiết bị có khả năng nhất, coordinator là gốc
của mạng hình cây và là thiết bị bắc cầu tới các mạng khác. Nó chính là một thiết
bị FFD trong kiểu thiết bị IEEE. Chỉ có một coordinator trong mỗi mạng, nó là
thiết bị bắt đầu mạng trước tiên. Nó có khả năng lưu giữ các thông tin về mạng,
bao gồm hành động như Trust Centre và là nơi cất giữ các khóa bảo mật.

 ZigBee Router(ZR): ZR là một thiết bị FFD trong kiểu thiết bị IEEE. ZR
chạy như một chức năng ứng dụng. ZR đóng vai trò như một bộ định tuyến trung
gian, dữ liệu truyền từ một thiết bị khác. ZR cho phép mở rộng mạng, có nhiều
nút nối mạng hơn. Nó cũng có khả năng theo dõi điều khiển và thu thập số liệu.
 ZigBee End Device (ZED): ZED là một thiết bị RFD trong kiểu thiết bị
IEEE. Nó Chứa dựng đủ các chức năng để giao tiếp với các nút bố mẹ
(coordinator hay một bộ định tuyến). Nó không thể chuyển tiếp dữ liệu tới các
thiết bị khác. Vì vậy cho phép nó đi vào chế độ Sleep nhằm nâng cao thời gian
sống của pin. Một ZED yêu cầu ít bộ nhớ hơn, tốc tính toán nhỏ hơn nên giá

19


thành nó rẻ hơn khi sản xuất một thiết bị ZC hay ZR. Nó cũng là phần tử nhiều
nhất trong mạng. Chức năng chủ yếu của nó là thu thập số liệu, điều khiển, cảnh
báo...

2.1.4 Cấu hình mạng
Mạng không dây chuẩn ZigBee có thể có nhiều kiểu cấu hình. Trong tất cả
những cấu hình mạng, có ít nhất 2 thành phần chính:
 Coordinator
 End Device
Coordinator chuẩn ZigBee là một sự thay đổi đặc biệt của FFD cái mà thực
hiện phần lớn các dịch vụ chuẩn ZigBee. Một thiết bị cuối có thể là FFD hay
RFD. Một RFD là nút đơn giản và nhỏ nhất của chuẩn ZigBee. Thành phần tùy
chọn thứ ba (không bắt buộc) là bộ định tuyến (ZR) chuẩn ZigBee có mặt trong
vài cấu hình mạng.
2.1.4.1 Mạng hình sao

Hình 2.1.4.1: Cấu hình mạng hình sao

Cấu hình một mạng hình sao bao gồm một ZC và một hoặc nhiều ZED chuẩn
ZigBee. Trong mạng hình sao, tất cả các ZED chỉ truyền thông với ZC. Nếu một
thiết bị ZED cần truyền dữ liệu tới một thiết bị ZED khác, nó gửi dữ liệu của nó
tới ZC. ZC lần lượt đẩy dữ liệu cho bên được nhận.
2.1.4.2 Mạng hình cây
Trong cấu hình này, ZED phải tham gia vào một trong các ZC hay các ZR
chuẩn ZigBee. Các ZR phục vụ 2 chức năng. Một là tăng thêm số các nút mạng
có thể có. Thứ hai là mở rộng độ rộng vật lý của mạng. Với sự bổ xung một ZR,
20


một ZED không cần trong phạm vi sóng của ZC Tất cả thông báo trong cluster
tree topology được định tuyến theo chiều cây.

Hình 2.1.4.3: Cấu hình mạng hình cây

2.1.4.3 Mạng hình mắt lưới
Mạng lưới là tương tự với sự cấu hình một mạng hình cây, trừ trường hợp mà
các FFD có thể có lộ trình các thông báo trực tiếp tới các FFD khác thay thế cấu
trúc cây như sau:

Hình 2.1.4.3: Cấu hình mạng hình mắt lưới

Các thông báo tới RFD vẫn phải đi qua các bố mẹ của nó. Ưu điểm của tô pô
này là giảm bớt các thông báo tiềm ẩn và tăng các thông báo tin cậy. Tô pô mesh
và cluster cũng được biết đến như những mạng nhiều bước nhảy ngắn, trong khi
tô pô star là một mạng bước nhảy ngắn đơn. Mạng chuẩn ZigBee là một mạng đa
21


truy cập, có nghĩa là tất cả các nút trong một mạng có thể truy cập ngang hàng
trong truyền thông.
2.1.4.4 Địa chỉ mạng
Mỗi nút mạng chuẩn ZigBee sẽ có hai địa chỉ: một địa chỉ MAC 64 bit và
một địa chỉ mạng 16 bit. Mỗi một thiết bị truyền thông sử dụng chuẩn ZigBee
phải có một địa chỉ MAC 64 bít duy nhất toàn cầu. Địa chỉ này bao gồm 24 bit
OUT cộng với 40 bit xác định bởi nhà sản xuất. Các OUI phải mua từ IEEE để
bảo đảm chắc chắn tính duy nhất toàn cầu.
2.1.5 Profile chuẩn ZigBee
Một profile chuẩn ZigBee đơn giản chỉ là sự mô tả logic các thành phần (các
thiết bị) và những ghép nối của chúng. Thường không có một mã nào liên quan
tới một profile. Mỗi phần của dữ liệu có thể đi qua giữa các thiết bị giống như
trạng thái của “switch” hay một cái đo điện thế đang đọc được gọi là một thuộc
tính. Mỗi thuộc tính được gán một định danh duy nhất. Các ghép nối được chỉ rõ
tại mức cluster, không ở mức thuộc tính, tuy nhiên các thuộc tính được truyền
riêng lẻ.

Profile định nghĩa các khóa của các ID thuộc tính và các ID Cluster cũng
như định dạng của mỗi thuộc tính. Ví dụ, trong profile Home Control, Lightting,
cluster OnOffDRC của thiết bị Dimmer Remote Control (DRC) bao gồm một
thuộc tính, OnOff, được định nghĩa bằng một khóa 8 bít, với khóa 0xFF có nghĩa
là “bật”, khóa 0x00 có nghĩa là “tắt” và khóa 0xF0 có nghĩa là “lật trạng thái”.
Profile cũng mô tả các cluster bắt buộc để chọn cho mỗi thiết bị.
Người sử dụng có thể lấy sự định nghĩa này và viết mã của họ để sử dụng
chúng. Họ có thể viết mã theo vài hướng họ muốn, nhóm lại các chức năng theo
bất kỳ đường nào họ muốn như được hỗ trợ các dịch vụ và các cluster bắt buộc
và sử dụng các thuộc tính như chúng được định nghĩa trong profile. Theo hướng
này, một switch của nhà sản xuất sẽ làm việc với một bộ điều khiển tải của một
nhà sản xuất khác.

22


Như ví dụ, trong profile Home Control, Lighting chỉ rõ sáu thiết bị.
Microchip Stack cho chuẩn ZigBee cung cấp hỗ trợ cho profile này thông qua
một file header với các thông tin như sau:
 ID profile
 Các ID thiết bị và phiên bản
 Các ID cluster
 Các ID thuộc tính
 Kiểu dữ liệu thuộc tính
Mỗi khối chức năng của mã hỗ trợ một hay nhiều cluster được gọi là một
endpoint. Các thiết bị khác nhau truyền thông qua các endpoint của chúng và các
cluster chúng hỗ trợ.

Hình 2.1.5: Kiến trúc một profile chuẩn ZigBee

Hình 2.7 chỉ ra hai thiết bị từ profile Home Control, Lighting. Mỗi thiết bị
chỉ có một endpoint. Bộ điều khiển tải Switch Load Controller (ví dụ: một đèn)
có một cluster vào trên endpoint đó. Bộ điều khiển từ xa Switch Remote Control
( ví dụ là một switch) có một cluster ra và một cluster vào trên endpoint của nó.
Cái switch cũng có thể thực hiện sao cho hai cluster trên hai endpoint riêng biệt.
Luồng dữ liệu là tại mức cluster.
2.1.6 Kiểu thông báo và kết nối
Các thiết bị có thể truyền thông với các thiết bị khác trên mạng nếu chúng
biết địa chỉ mạng của những thiết bị này. Những thông báo này được gọi là thông
23


bao trực tiếp. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề liên quan trong sự tìm ra và bảo trì
những địa chỉ nơi nhận này. ChuẩnZigBee đưa ra một đặc tính gọi là "kết nối" để
đơn giản hóa truyền tin. Coordinator có thể tạo ra một bảng phù hợp ở múc
cluster/endpoint giữa các dịnh vụ và nhu cầu của các thiết bị trong mạng. Mỗi
ghép đôi được gọi là một “kết nối”. Một kết nối có thể được yêu cầu bởi chính
các thiết bị hay nó có thể được tạo bởi coordinator hay một thiết bị khác. Một kết
nối được tạo, hai thiết bị có thể truyền thông qua coordinator. Thiết bị nguồn gửi
thông báo của nó thông báo của nó tới coordinator, sau đó coordinator đặt lại
thông báo tới một hay nhiều thiêt bị nơi đến. Thông báo này được gọi là thông
báo gián tiếp.

Hình2.1.6: Vài thiết bị kết nối trong bảng kết nối

2.1.7 Định dạng thông báo chuẩn ZigBee
Một thông báo chuẩn ZigBee có thể lên tới 127 byte bao gồm các
trường sau:
 MAC Header – Đầu mục MAC bao gồm các trường điều khiển
khung MAC, Beacon Sequence Number (BSN) và thông tin địa chỉ của thông

báo hiện thời được truyền. Chú ý rằng nó có thể không phản ánh nguồn thực tế
hay nguồn cuối cùng của thông báo nếu thông báo được định tuyến. Sự phát sinh
và sử dụng đầu mục này trong suốt mã ứng dụng.

24