Xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Đề suất ý tường thiết kế và chế tạo hệ thống cảnh báo cháy rừng phục vụ
trong công tác bảo vệ rừng. chức năng của hệ thống là thu thập nhiệt độ, độ ẩm từ
môi trường để xử lý và đưa ra cảnh báo giúp cho quản trị viên có cách khắc phục
sớm nhất.
- Xây dựng nút cảm biến thu thập nhiệt độ, độ ẩm.
- Xây dựng phần mềm giám sát và cảnh báo cháy rừng.

1


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn:
Thầy giáo T.S Vũ Chiến Thắng, Khoa Công Nghệ Điện Tử và Truyền
Thông, trường Đại Học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái
Nguyên.
Cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công Nghệ Điện Tử và Truyền Thông –
trường đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện đồ án
Hạ Văn Hùng

2


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu
nghiên cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn. Nội dung báo cáo này
không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách

nhiệm trước pháp luật.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện đồ án
Hạ Văn Hùng

3


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1
LỜI CẢM ƠN
2
LỜI CAM ĐOAN 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
DANH MỤC BẢNG
8
LỜI MỞ ĐẦU
9
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
10
1.1. Ý tưởng bài toán
10
1.1.1. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến
10
1.1.2. Hệ thống tự động cảnh báo và phát hiện sớm cháy rừng 12
1.1.3. Phần mềm Cảnh báo cháy rừng - CBCR
13
1.2. Công nghệ mạng cảm biến không dây

14
1.3. Chuẩn truyền thông 802.15.4
16
1.3.1. Các mô hình truyền thông
18
1.3.2. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4 19
1.3.3. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 20
1.3.4. Điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
1.3.5. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 23
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 26
2.1. Sở đồ khối 26
2.1.1. Khối nguồn
26
2.1.2. Khối vi điều khiển ARM
26
2.1.3. Khối cảm biến (Sensor) 26
2.1.4. Khối Radio
27
2.2. Linh kiện sử dụng trong mạch
27
2.2.1. Arduino uno R3 27
2.2.2. Module CC2530(DRF1605h) 32
2.2.3. Module sim 908 38
2.3.4. Module cảm biến DTH11
46
2.3.5. Công cụ xây dựng phần mềm nhúng 48
2.3. Mạch nguyên lý
53
2.4. Lưu đồ thuật toán bên client
54

2.5. Sản phẩm thực tế
55
4

22


CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN MỀM GIÁM SÁT 56
3.1. Ngôn ngữ C# 56
3.1.1Các kiểu dữ liệu 57
3.1.2. Biến và hằng
59
3.1.3. Biểu thức 60
3.1.4. Khoảng trắng 60
3.1.5. Câu lệnh 60
3.1.6. Toán tử 64
3.1.7. Tạo vùng tên
66
3.1.8. Chỉ thị tiền xử lý66
3.1.9. Lập trình hướng đối tượng với C# 68
3.2. Tìm hiểu về hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL 69
3.2.1. Giới thiệu hệ quản trị SQL Server 2008
69
3.2.2. Các tính năng của SQL Server 2008 70
3.2.3. Các phiên bản của SQL Server 2008 70
3.3. Môi trường lập trình phần mềm Visual studio 2010
3.4. Sở đồ khối bên server
75
3.5. Giao diện phần mềm giám sát và cảnh báo cháy rừng
3.6. Lưu đồ thuật toán phần mềm giám sát bên server77

3.7. Thực nghiệm 78
3.7.1. Triển khai thực nghiệm 78
3.7.2. Đánh giá sản phẩm
79
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 83

74
76

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hình ảnh vệ tinh. 10
Hình 1.2. FireWatch.

12

Hình 1.3. Phần mềm cảnh báo cháy rừng. 13
Hình 1.4. Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
trong trường cảm biến..

14

Hình 1.5. Mạng IEEE 802.15.4.

17
5

14

Hình 1.6. Mô hình truyền thông Điểm - Điểm. 18
Hình 1.7. Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm.

18

Hình 1.8. Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa
chỉ ngắn (16 bit).

19

Hình 1.9. Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.

20

Hình 1.10. Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. 21
Hình 1.11. Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC.

23

Hình 2.1. Sở đồ khối nút thu thập client. 26
Hình 2.2. Hình ảnh thực tế của Arduino uno.
Hình 2.3. Sơ đồ chân ATMega328.

27

30

Hình 2.4. Sơ đồ chân của cc2530 drf1605h.

33

Hình 2.5. khoảng cách các pin của module.

34

Hình 2.6.Giao diện phần mềm.

35

Hình 2.7. Cấu hình kiểu Coordinator.
Hình 2.8. Cấu hình kiểu Router.

36

36

Hình 2.9. CC2530 ZigBee Module USB to UART Module (DRF1605-USB).
37
Hình 2.10. Module sim908.39
Hình 2.11. Sơ đồ chức năng của sim 908. 41
Hình 2.12. Phân cấp cấu trúc địa lí mạng GSM. 42
Hình 2.13.Tắt mở nguồn dùng xung kích BJT. 44
Hình 2.14. Sự thay đổi trạng thái chân STATUS.
Hình 2.15. Anten GSM.

45

Hình 2.16. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DTH11.
Hình 2.17. Cách kết nối với vi xử lý.

46

46

Hình 2.18. Link download phần mềm Arduino. 48
Hình 2.19. Hình ảnh khi bật giao diện arduino. 48
Hình 2.20. Giao diện lập trình Arduino. 49
6

45


Hình 2.21. Sử dụng giao diện lập trình.. 49
Hình 2.22. Ví dụ có sẵn trong Arduino. 50
Hình 2.23. Sơ đồ mạch nguyên lý bên client.

53

Hình 2.24. Lưu đồ thuật toán bên client 54
Hình 2.25. Hình ảnh thực tế nút thu thập dữ liệu 55
Hình 2.26. Hình ảnh thực tế nút thu thập dữ liệu 55
Hình 3.1. Giao diện phần mềm visual studio 2010.

74

Hình 3.2. Giao diện viết code trên Visual studio 2010. 74
Hình 3.3. Sơ đồ khối bên server. 75
Hình 3.4. Nút nhận bên Server.

75

Hình 3.5. Giao diện phần mềm giám sát. 76
Hình 3.6. Giao diện phần mềm khi có dữ liệu.

76

Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán phần mềm giám sát.77
Hình 3.8. Nút cảm biến bên client.78
Hình 3.9. Nút cảm biến bên client.78

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các kiểu dựng sẵn.

57

Bảng 3.2. Các ký tự đặc biệt thông dụng. 58
Bảng 3.3. Các nhóm toán tử trong C#.

64

Bảng 3.4. Thứ tự ưu tiên của các nhóm toán tử (chiều ưu tiên từ trên xuống).
65
Bảng 3.5. Bảng cơ sở dữ liệu hệ thống.

72

Bảng 3.6 Các đối tượng của cơ sở dữ liệu.

8

73


LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kì.
Trong quá khứ là sự phát triển của công nghệ tự động hóa và năng lượng hạt nhân.
Ngày nay là sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ thông tin. Và trong một tương
lai gần là sự chiếm lĩnh của Công nghệ sinh học, Công nghệ Nano, xa hơn nữa là
Khoa học vũ trụ. Khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng là để phục vụ cho nhu
cầu ngày càng cao của cuộc sống, nhằm đem lại những thuận lợi, tiện nghi, thoái
mải cho hoạt động hàng ngày của mỗi người, giúp cho việc chuyển giao thông tin
đi xa và nhanh hơn, cũng như trong việc nghiên cứu, phòng ngừa và chống lại
những căn bệnh của thế kỷ nhờ công nghệ gen và sẽ tìm ra những “vùng đất sự
sống mới”…
Khoa học phát triển đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗi
chúng ta. Nhưng khoa học và ứng dụng của nó là dành cho tất cả mọi người. Vì
vậy khoa học công nghệ không chỉ tiếp cận con người mà còn phải quan tâm, tiếp
cận đến những khu rừng xanh lá phỗi của mẹ thiên nhiên. Cháy rừng hiện nay là
mối đe dọa đến những khu rừng tự nhiên vì vậy cần phải có các biện pháp phòng
chống cháy rừng xảy ra.
Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên bảo vệ con người,
dựa trên những ý tưởng đã có về việc phòng chống cháy rừng, báo cáo được hình
thành với mục đích thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm để đưa ra cảnh báo thích hợp
về vấn đề cháy rừng.

9

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Ý tưởng bài toán
Vấn đề cháy rừng trên thế giới cũng như ở việt nam là một vấn đề cấp bách.
Cháy rừng là mối de dọa đáng sợ và nhiều lo ngại nhất đối với hệ sinh thái rừng và
cho xã hội, bởi nó gây lên những thiệt hại khó lường. Cháy rừng không chỉ làm
thiệt hại tới tài nguyên rừng mà còn anh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và
cuộc sống của sinh vật, động vật trên trái đất. Vì vậy chúng ta cần phải phát hiện
kịp thời và sớm nhất để có thế nhanh chóng đưa ra cách xử lý nhăm tránh và hạn
chế cháy rừng. Chính vì vậy trên thế giới đã có một số hệ thống giúp phát hiện và
cảnh báo cháy rừng một cách sớm nhất. Qua tìm hiểu có thể thấy một số hệ thống
cảnh báo như: Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến(FireWatch Việt Nam),Hệ
thống tự động cảnh báo và phát hiện sớm cháy rừng(FireWatch), Phần mềm Cảnh
báo cháy rừng – CBCR.
1.1.1. Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến
Hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của Cục Kiểm lâm (gọi tắt là
FireWatch Việt Nam) là một hệ thống tự động phát hiện sớm các điểm cháy
(hotspots) trên toàn lãnh thổ Việt Nam từ dữ liệu ảnh MODIS và AVHRR trên vệ
tinh TERRA, AQUA và các vệ tinh NOAA thu được thường xuyên tại trạm thu
TeraScan đặt tại Cục. FireWatch Việt Nam (Phiên bản 2.0, 2008) nhằm hỗ trợ lực
lượng kiểm lâm toàn quốc và các đơn vị, người dân liên quan thực hiện PCCCR,
khai thác thông tin cháy, quản lý cháy rừng kịp thời và hiệu quả.

10


Hình 1.1. Hình ảnh vệ tinh.
 Chức năng
Được xây dựng trên nền Web, FireWatch Việt Nam gồm các cấu phần và

chức năng (phần phổ biến rộng rãi) sau:
- Cập nhật tức thời (real-time) thông tin về các điểm cháy phát hiện được từ
dữ liệu vệ tinh.
- Cung cấp, cập nhật danh mục điểm cháy, thông tin cháy chi tiết (gồm tên
vệ tinh, ngày giờ, tọa độ địa lý, thuộc đơn vị hành chính đến cấp xã, cường độ cháy
và diện tích ảnh hưởng) cho 5 phiên ảnh gần nhất.
- Cung cấp, cập nhật các điểm cháy cho 3 phiên ảnh gần nhất trên nền dịch
vụ bản đồ phục vụ cho các đơn vị kiểm lâm trên toàn quốc khai thác thông tin cháy
một cách tương tác giúp quản lý cháy rừng kịp thời và hiệu quả. Dịch vụ bản đồ
trực tuyến gồm bản đồ nền địa lý, hành chính, nền địa hình (DEM), bản đồ hiện
trạng rừng và nền ảnh ghép Landsat-TM.
- Cung cấp, cập nhật ảnh cháy do hệ thống trạm thu của SeaSpace tự động
tạo nên và ảnh Quicklooks phục vụ việc theo dõi hiện trạng phủ mây và chất lượng
ảnh.
- Cơ sở dữ liệu cháy cho phép tìm kiếm tra cứu dữ liệu cháy lịch sử theo
11


ngày tháng năm và theo địa phương.
- Dữ liệu thống kê cháy theo tháng năm và theo địa phương.
- Thông tin giới thiệu hệ thống.
 Hạn chế
- FireWatch Việt Nam còn quản lý cơ sở dữ liệu MODIS và
NOAA/AVHRR ở mức chuẩn 1b với ảnh quicklooks, dữ liệu cháy lịch sử và một
số bản đồ GIS của Cục Kiểm lâm.
- Dịch vụ hạn chế gồm các dịch vụ cho phép tra cứu và download những
dữ liệu đó phục vụ các ứng dụng giám sát tài nguyên môi trường đa ngành (diễn
biến rừng, nông nghiệp, nghiên cứu biển, thời tiết, khí hậu, phòng chống thiên tai,
lũ lụt…).

12


1.1.2. Hệ thống tự động cảnh báo và phát hiện sớm cháy rừng
FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất dùng để quan trắc một
vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệu thu thập. Do có sự
nhạy cảm, chính xác và ổn định cao nên hệ thống có thể dễ dàng phát hiện sớm
cháy rừng.
FireWatch có thể tính toán và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết
nối với trạm trung tâm. Trong trường hợp phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động
đưa ra cảnh báo. FireWatch đã được thử nghiệm thành công và sử dụng tại Đức
trong nhiều năm (một số Bang như: Brandenburg, Mecklenburg-Western
Pomerania, Saxony-Anhalt).
Sử dụng hệ thống cảm biến quang học (OSS – Optical Sensor System):
Cảm biến quay 360 độ mất từ 4 đến 10 phút. Truyền dữ liệu: Cảm biến tại nơi đặt
kết nối với trung tâm qua hình thức sóng không dây. Trung tâm xử lý cần có 1 máy
tính, 2 màn hình và một máy in.

13


Hình 1.2. FireWatch.
 Tính năng
- Phát hiện cháy rừng sớm một cách tự động và ổn định theo mô hình các
trạm quan trắc.
- Tự động phát hiện đám khói bất luận ngày hay đêm.
- Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đường truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao.
- Giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha bằng chỉ một cảm biến.
- Thu nhận và cung cấp hình ảnh chất lượng cao cho trạm xử lý.
- Bán kính quan trắc: từ 10 đến 15 km

- Độ chính xác: Có khả năng phát hiện đám khói có độ lớn 15mx15m ở
khoảng cách 15 km.
- Mỗi phút quan trắc được 14.000 ha.
 Hạn chế
14


- Giá thành cao.
- Hệ thống phức tạp
1.1.3. Phần mềm Cảnh báo cháy rừng - CBCR
Phần mềm Cảnh báo cháy rừng do Công ty cổ phần Hệ thống Thông tin
Lâm Nghiệp (FIS) nghiên cứu phát triển và đăng ký quyền tác giả tại cục Bản
quyền tác giả năm 2007. Phần mềm sử dụng thuật toán Nesterop để tính toán cấp
cảnh báo cháy rừng dựa vào số liệu khí tượng: nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, tốc độ
gió để đưa ra kết quả là bản tin và bản đồ cấp cảnh báo cháy rừng theo ngày.

Hình 1.3. Phần mềm cảnh báo cháy rừng.
 Tính năng
- Tự động thu nhận số liệu khí tượng từ trung tâm khí tượng thuỷ văn tỉnh
qua hòm thư điện tử (e-mail).
- Tự động truy xuất hòm thư điện tử (e-mail) tải số liệu khí tượng đưa vào
phần mềm.

15


- Tự động tính toán cấp cảnh báo cháy rừng cho ra kết quả bản tin cảnh báo
cháy rừng và bản đồ cấp cảnh báo cháy rừng.
- Tự động đưa bản tin cảnh báo cháy rừng và bản đồ cấp cảnh báo cháy
rừng lên trang tin phòng cháy rừng trực tuyến của Chi cục Kiểm lâm.

 Hạn chế
- Quản trị hệ thống: Nhập ngày chứa số liệu khí tượng, hướng dẫn sử dụng,
tao mật khẩu, thay đổi mật khẩu.
- Cần lấy thông số từ Trung tâm khí tượng thủy văn của các tỉnh.
- Độ chính xác thực tế không được cao.
Kết luận: Từ những khảo sát trên đã cho thấy những ưu, nhược điểm của
các hệ thống cảnh báo cháy rừng. Từ đó em đã quyết định chọn đề tài “xây dựng
hệ thống cảnh báo cháy rừng” với mục tiêu xây dựng một hệ thống đơn giản mà
hiệu quả để áp dụng trong thực tế.
1.2. Công nghệ mạng cảm biến không dây
 Khái niệm:
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện
tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến
không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học

Hình 1.4. Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
16


trong trường cảm biến..
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường
được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường
dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt
động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt
độ cao,…).
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh
họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến

một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô
tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể
truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh
hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc
không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng
cuối.
 Đánh giá mạng cảm biến không dây
 Ưu điểm :
 Cho phép người dùng truy xuất tài nguyên ở bất kỳ nơi đâu trong khu
vực được triển khai. Với sự phát triển của mạng không dây công cộng, người dùng
có thể truy cập Internet ở bất kỳ đâu.
 Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi
khác, việc thiết lập hệ thống mạng đơn giản, dễ lắp đặt và mở rộng.
 Nhược điểm:
 Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công
của người dùng là rất cao.
 Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt
trong phạm vi vài chục mét. Để đáp ứng yêu cầu cần mua thêm Repeater hay

17


access point, dẫn đến chi phí gia tăng.
 Vì sử dụng sóng vô tuyến truyền thông nên dễ bị nhiễu.

 Tốc độ của mạng không dây (1-125Mbps) chậm so với mạng sử dụng
cáp (100Mbps đến hàng Gbps).
1.3. Chuẩn truyền thông 802.15.4
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng
dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho

mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử
(IEEE). Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công
suất đầu ra tối đa 1mW.
Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục
mét. Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép
các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE
802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết
bị tuân thủ theo
chuẩn IEEE 802.15.4. Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và
sự sẵn có của các bộ thu phát vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên
gần đây rất nhiều ngăn xếp vô tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên
chuẩn IEEE 802.15.4 như là: WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
-Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền
vô tuyến vật lý như thế nào.
-Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ
các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và
lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi.Ví dụ
chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở
lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được sử dụng.
18


Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte. Các gói tin
có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với
tốc độ dữ liệu thấp. Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên
lượng dữ liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng từ
86 đến 116 byte. Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ chế
phân mảnh các phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.4.

Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN. Mỗi mạng PAN
có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng PAN. Các gói tin
được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng cho mạng PAN để xác định
mạng PAN nào mà gói được gửi đến. Một thiết bị có thể tham gia vào một
mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũng đồng thời tham gia là thành
viên mạng PAN trong một mạng PAN khác.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chức năng
đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả
năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN. RFDs là các
thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành
rẻ hơn. RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs. Các FFDs có thể truyền thông
được với cả RFDs và FFDs.

19


Hình 1.5. Mạng IEEE 802.15.4.
Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và
các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong
hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao
gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ
là hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở
lớp trên không sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.4. Thay vào đó, chúng xây
dựng những cấu trúc liên kết mạng của riêng nó ở phía trên lớp MAC 802.15.4.
Vì lý do đó, chúng ta không đi vào chi tiết các cấu trúc liên kết mạng được
định nghĩa bởi chuẩn IEEE 802.15.4.
1.3.1. Các mô hình truyền thông
Mô hình truyền thông Điểm - Điểm: Mô hình truyền thông Điểm Điểm xảy ra khi một nút mạng truyền thông với một nút mạng khác. Tuy nhiên,
việc truyền thông có thể có liên quan đến nhiều nút mạng khác. Trong hình 1.3,

hai nút mạng truyền thông với nhau thông qua hai nút mạng khác. Hai nút mạng
này đóng vai trò chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình
truyền thông.

Hình 1.6. Mô hình truyền thông Điểm - Điểm.
20


Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm: Mô hình này được sử dụng để gửi
bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong
mạng. Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng để gửi một lệnh thiết lập đến
các nút trong mạng.

Hình 1.7. Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm.
1.3.2. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bit
nhận dạng thiết bị duy nhất. Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE
802.15.4, nên độ dài 64 bit địa chỉ là không khả thi. Do đó, chuẩn IEEE 802.15.4
cho phép các nút sử dụng địa chỉ với độ dài 16 bit. Các địa chỉ ngắn được gán bởi
điều phối viên PAN và chỉ có giá trị trong khuôn khổ của một PAN. Các nút có thể
lựa chọn để gửi gói tin bằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ.
Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng
dấu hai

chấm. Một

ví

dụ

về

độ

dài một

địa

chỉ

802.15.4

là

00:12:75:00:11:6e:cd:fb. Hình 1.8 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4 là một
địa chỉ dài và một địa chỉ ngắn.
Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4
21


được gán một địa chỉ khi được sản xuất. Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhận
dạng duy nhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ
tổ chức IEEE. Các OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết bị.
Còn lại 40 bit được gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị.

Hình 1.8. Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa
chỉ ngắn (16 bit).
Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN. Một
địa chỉ ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó. Tuy nhiên, một thiết
bị với một địa chỉ ngắn có thể truyền thông với các thiết bị bên ngoài mạng

PAN bằng cách mang thêm 16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN
của thiết bị đích trong mỗi bản tin được gửi đi. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 không
chỉ định bất kỳ thuật toán cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phối viên
PAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi mạng PAN.
1.3.3. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa
tín hiệu. Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp
phép miễn phí. Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số
được cấp phép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau. Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE
802.15.4 sử dụng băng tần 902-982MHz. Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử
dụng băng tần 868-868.8MHz. Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4
sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau. Trong mỗi
22


băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.7. Channel 0
được quy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz. Các kênh từ 1-10
được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz. Khoảng cách giữa các
kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Khoảng
cách giữa các kênh là 5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần
số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó
các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả
các kênh, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

Hình 1.9. Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc
độ bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là
40.000 bit/s và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.

23


Hình 1.10. Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11.
Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6
và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh
hưởng bởi 802.11. Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz
chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự
chồng lấn với các kênh 802.11.
Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng
theo chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.7 cho thấy sự
chồng lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11. Tất cả kênh theo chuẩn
802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11.
Khi các kênh 1, 6 và 11 của chuẩn 802.11 được sử dụng thì có 2 kênh của chuẩn
802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn
802.11.
Lớp vật lý cũng cung cấp các cơ chế để đo công suất vô tuyến của một
kênh cho trước. Kết quả của phép đo này được sử dụng để lớp MAC biết một nút
nào đócó thể đang truyền dữ liệu trên một kênh cụ thể và để điều phối viên quét
các kênh có sẵn trong mạng.
Cơ chế phát hiện công suất vô tuyến cũng được sử dụng để hỗ trợ cơ chế
đánh giá kênh trống CCA (Clear Channel Assessment). Trong đó, lớp vật lý có
24


thể đánh giá để biết được một nút nào đó hiện đang truyền dẫn qua kênh vô tuyến.
Điều này được thực hiện bằng một trong ba cách sau:
+ Thứ nhất là đo công suất vô tuyến và so sánh nó với một mức công suất
ngưỡng được xác định trước.

+ Thứ hai là thực hiện giải điều chế tín hiệu vô tuyến đến để xem nó có
phải là một tín hiệu hợp lệ theo chuẩn 802.15.4.
+ Thứ ba là sự kết hợp của phương pháp phát hiện công suất vô tuyến và
phương pháp điều chế tín hiệu. Cơ chế CCA được sử dụng bởi lớp MAC để kiểm
soát sự truy nhập kênh truyền vô tuyến.
1.3.4. Điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh
truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi
và nút nhận trong một khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế
để các nút xác định khi nào kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.
Lớp 802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy nhập kênh, xác nhận sự
hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC
cung cấp các cơ chế tùy chọn cho việc đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA)
để truy nhập kênh truyền. Trong đó, điều phối viên PAN chỉ định các khe thời
gian cho thiết bị giao thức chạy trên chuẩn 802.15.4.
Việc quản lý truy nhập kênh truyền thực hiện theo cơ chế CCA được hỗ
trợ bởi lớp vật lý. Trước khi gửi một gói tin, lớp MAC yêu cầu lớp vật lý thực hiện
một kiểm tra CCA. Nếu CCA nhận thấy rằng một nút khác hiện đang sử
dụng kênh truyền thì lớp MAC sẽ không thực hiện việc truyền gói tin của nó.
Thay vào đó, lớp MAC sẽ đợi một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tin một lần
nữa.
Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việc tính
toán kiểm tra dư vòng 16 bit (CRC) của toàn bộ khung. CRC được sử dụng để
kiểm tra các lỗi truyền trong khung và được tính toán bởi nút gửi khung. Nó
25