CÔNG NGHỆ WIFI CHO hệ THỐNG đk CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đào Quang Bình

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2016
LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện điện. Và
đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Quốc
Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục tiêu đề
ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.
1


Hà Nội, ngày

tháng 10 năm 2016

Người cam đoan

Đào Quang Bình

2


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em nghiên cứu, thực hiện luận
văn này. Sau thời gian nghiên cứu và làm việc miệt mài luận văn tốt nghiệp của em
đến nay cơ bản đã hoàn thành. Có được kết quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản
thân còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ PGS.TS.Nguyễn Quốc Cường, người đã
trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu, kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho
em trong suốt thời gian làm luận văn. Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới thầy, kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ và công tác tốt. Em xin chân thành cảm
ơn các thầy cô của Viện Điện đã hết sức nhiệt tình truyền thụ cho em không chỉ
những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh nghiệm quý báu.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp. Chính gia đình, bạn bè và đồng nghiệp là nguồn động viên hỗ trợ vô cùng to
lớn giúp em có thêm động lực và sự kích lệ để hoàn thành luận văn này.
Học viên

Đào Quang Bình

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

2

LỜI CẢM ƠN

3

MỤC LỤC

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7

DANH MỤC BẢNG

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

9

LỜI NÓI ĐẦU

12

1. Lý do chọn đề tài

12

2. Mục đích của đề tài

12

3. Bố cục của đề tài

12

4. Phương pháp nghiên cứu

13

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 14
1.1. Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng

14

1.2. Chuẩn chiếu sáng có dây

14

1.2.1. DALI

15

1.2.2. DMX512

16

1.3. Chuẩn chiếu sáng không dây

18

1.3.1. Giới thiệu về Zigbee

18

1.3.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee

19

1.3.3. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee

20

1.3.4. Cấu trúc liên kết mạng

21

1.3.5. Địa chỉ

23

1.3.6. Truyền dẫn dữ liệu

24

1.4. Kết luận

25

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI

26

2.1 Tổng quan về Wi-Fi

26

2.1.1. Lịch sử ra đời

26

2.1.2. IEEE 802.11b

27
4


2.1.3. IEEE 802.11a

27

2.1.4. IEEE 802.11g

27

2.1.5. IEEE 802.11n

28

2.2. Bảo mật

28

2.2.1. Phương thức bảo mật WEP

28

2.2.2. Phương thức bảo mật WPA

29

2.2.3. Phương thức bảo mật WPA2

30

2.3. Bộ giao thức của Wi-Fi

30

2.3.1. Giới thiệu mô hình giao thức

30

2.3.2. Kiến trúc TCP/IP

31

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ WI-FI GATEWAY

36

3.1. Yêu cầu của hệ thống

36

3.2. Phân tích mô hình điều khiển

36

3.2.1. Nguyên lý hoạt động

36

3.2.2 Mô hình tổng quát

37

3.3. Phân tích sơ khối Wi-Fi Gateway

38

3.3.1. Khối xử lý

38

3.3.2. Khối Wi-Fi Router

42

3.3.3. Khối truyền thông Zigbee

43

3.3.4. Kết luận

46

3.4. Giới thiệu module Wi-Fi ESP-01

47

3.4.1 Giới thiệu phần cứng

47

3.4.2. Giới thiệu về các gói SDK

49

3.4.3. Các phương pháp xây dựng firmware cho module ESP8266

50

3.4.4. Nạp firmware cho module ESP8266

59

3.4.5. Tập lệnh AT của ESP8266

62

3.5. Thiết kế phần cứng

64

3.5.1. Sơ đồ nguyên lý khối Wi-Fi Gateway

64

3.6. Thiết kế phần mềm cho khối Wi-Fi Gateway

67

5


3.6.1. Thiết kế giao diện điều khiển trên Web

67

3.6.2. Thiết kế phần mềm cho Arduino

71

3.6.3. Thiết kế phần mềm điều khiển trên điện thoại Android

72

CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

81

4.1. Giới thiệu về 1 số chỉ tiêu đánh giá Wi-Fi Gateway

81

4.1.1. Chỉ tiêu về công suất phát của khối Wi-Fi Router

81

4.1.2. Chỉ tiêu về độ nhạy thu của khối Wi-Fi Router

81

4.2. Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối Wi-Fi Router

82

4.2.1. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản

82

4.2.2. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản

83

4.2.3 Kiểm tra số lượng thiết bị kết nối tới khối Wi-Fi Router

85

4.3. Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối truyền thông Zigbee

85

4.3.1. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản

85

4.3.2. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản

86

4.4. Kiểm nghiệm hoạt động Wi-Fi Gateway

88

4.4.1. Thời gian đáp ứng của Wi-Fi Gateway

88

4.4.2. Kiểm nghiệm đánh giá hoạt động của Wi-Fi Gateway

89

KẾT LUẬN

92

1. Kết quả đạt được

92

2. Hướng phát triển của đề tài

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO

93

6


Viết Tắt
HVAC
IoT
DALI
ZDO
FFD
RFD
PAN
APS
IEEE
SSID
WEP
WPA
TKIP
AES

CCMP

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Diễn Giải
Heating, Ventilation and Air conditioning
Internet of Things
Digital Addressable Lighting Interface.
ZigBee Device Object
Full Function Device
Reduced Function Device
Personal Area Network
Application Support Sublayer
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Service Set Identifier
Wired Equivalent Privacy
Wi-Fi Protected Access
Temporal Key Integrity Protocol
Advanced Encryption Standard
Counter Mode Cipher Block Chaining Message

Authentication Code Protocol
AES
Advanced Encryption Standard
TCP
Transmission Control Protocol
IP
Internet Protocol
UDP
User Datagram Protocol
HTTP

HyperText Transfer Protocol
OUI
Organizationally Unique Identifier
OEM
Original Equipment Manufacturing
SDK
Software Development Kits
API
Application Programming Interface
HTML
HyperText Markup Language
HTTP
HyperText Transfer Protocol
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: So sánh các module Wi-Fi adapter

42

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật chip ESP8266EX

47

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật phần cứng chip ESP8266EX

47

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật phần mềm của chip ESP8266EX

48

Bảng 3.5: Mô tả chân của module ESP-01

48

Bảng 3.6: So sánh máy ảo và Docker

52

Bảng 3.7: Các phương thức có thể sử dụng cho HTTP request.

69

Bảng 3.8: So sánh phương thức GET và POST

70

Bảng 4.1: Công suất phát của chip ESP8266EX

81

7


Bảng 4.2: Độ nhạy thu của chip ESP8266EX

81

Bảng 4.3: Khoảng cách gửi dữ liệu qua Wi-Fi trong môi trường không vật cản

83

Bảng 4.4: Khoảng cách gửi dữ liệu qua Wi-Fi trong môi trường có vật cản

84

Bảng 4.5: Số lượng thiết bị kết nối và điều khiển tới khối Wi-Fi Router

85

Bảng 4.6: Khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường không vật cản

86

Bảng 4.7: Khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường có vật cản

87

Bảng 4.8: Thời gian đáp ứng của Wi-Fi Gateway trong điều kiện tín hiệu tốt

88

Bảng 4.9: Thời gian đáp ứng của nút điều khiển trong điều kiện tín hiệu kém

89

Bảng 4.10: Số lần điều khiển được Wi-Fi Gateway trong điều kiện tín hiệu tốt

90

Bảng 4.11: Số lần điều khiển được Wi-Fi Router trong điều kiện tín hiệu kém

91

8


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ kết nối giao thức DALI

16

Hình 1.2: XLR5 connector

17

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521

17

Hình 1.4: Băng tần của chuẩn ZigBee

18

Hình 1.5. Cấu trúc giao thức

19

Hình 1.6. Cấu trúc mạng hình sao.

22

Hình 1.7. Cấu trúc mạng hình lưới.

22

Hình 1.8. Cấu trúc mạng hình cây.

23

Hình 1.9. Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá.

24

Hình 1.10. Sơ đồ truyền unicast.

24

Hình 2.1: Kiến trúc TCP/IP

32

Hình 2.2: Kiến trúc OSI

33

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống

36

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống tổng quát

37

Hình 3.3: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway

38

Hình 3.4: Intel Edison và board phát triển Arduino

39

Hình 3.5: Module Raspberry Pi 3

40

Hình 3.6: Module Arduino Mega 2560

41

Hình 3.7: Module Xbee Series 2

43

Hình 3.8: Xbee USB adapter

44

Hình 3.9: Giao diện X-CTU 6.3.2

44

Hình 3.10: Cấu hình Xbee trong thẻ Configuration

45

Hình 3.11: Thẻ Consoles

45

Hình 3.12: Thẻ Network

46

Hình 3.13: Sơ đồ chân module ESP-01

48

Hình 3.14: Đăng ký email để nhận firmware

50

Hình 3.15: Lựa chọn tính năng cần thiết cho module

51

Hình 3.16: Thông báo xác nhận việc xây dựng firmware

51

9

Hình 3.17: Download firmware

52

Hình 3.18: Quá trình biên dịch Docker kết thúc

53

Hình 3.19: Kiểm tra và lấy file firmware đã được biên dịch

54

Hình 3.20: Chọn vị trí lưu trữ máy ảo

54

Hình 3.21: Nhập file máy ảo ESP8266_lubuntu_20141021

55

Hình 3.22: Chạy máy ảo

55

Hình 3.23: Đăng nhập vào máy ảo

56

Hình 3.24: Lựa chọn thư mục Shared

56

Hình 3.25: Chạy file gen_misc.sh

57

Hình 3.26: Thông báo thực hiện 5 bước chọn thông số cho firmware

58

Hình 3.27: Thông báo biên dịch thành công firmware

58

Hình 3.28: Module USB-TTL và sơ đồ chân

59

Hình 3.29: Kết nối giữa module ESP-01 và module USB-TTL

60

Hình 3.30: Giao diện phần mềm ESP8266Flasher

60

Hình 3.31: Lựa chọn firmware để nạp

61

Hình 3.32: Quá trình nạp firmware đang diễn ra

61

Hình 3.33: Quá trình nạp firmware đã hoàn tất

62

Hình 3.34: Kết quả trả về với lệnh AT

62

Hình 3.35: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway

65

Hình 3.36: Module ASM1117

65

Hình 3.37: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

66

Hình 3.38: Mạch phân áp bằng điện trở

67

Hình 3.39: Mô hình Client-Server

68

Hình 3.40: Lưu đồ thuật toán của khối xử lý trung tâm

71

Hình 3.41: Cửa sổ làm việc Designer

73

Hình 3.42: Cửa sổ Block của App Inventor

74

Hình 3.43: Cửa sổ Viewer của màn hình đăng nhập

75

Hình 3.44: Lưu đồ thuật toán cho màn hình đăng nhập

76

Hình 3.45: Liên kết khối lệnh màn hình đăng nhập

76

10

Hình 3.46: Cửa sổ Viewer của màn hình điều khiển

77

Hình 3.47: Sơ đồ nguyên lý của màn hình điều khiển

78

Hình 3.48: Đọc và hiển thị dữ liệu điều khiển từ nút bấm

79

Hình 3.49: Đọc và hiển thị dữ liệu điều khiển từ Slider

79

Hình 3.50: Gửi dữ liệu điều khiển thiết bị tới server

80

Hình 4.1: Giao diện phần mềm điều khiển trên điện thoại

82

Hình 4.2: Bố trí thử nghiệm khoảng cách Wi-Fi trong môi trường có vật cản

84

Hình 4.3: Bố trí thử nghiệm khoảng cách truyền Zigbee trong môi trường có vật cản

87

11


LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử,
công nghệ thông tin và truyền thông, xu thế IoT (Internet of Things) đã tạo động lực
thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều nền tảng phần cứng cho phép phát triển hệ
thống điều khiển, giám sát thông qua mạng hay mạng không dây.
Đối với các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà cũ sử dụng các chuẩn
truyền thông có dây như DALI, DMX512 có những nhược điểm như sơ đồ đi dây
phức tạp, khó khăn khi nâng cấp hệ thống cũ…v.v. Vì vậy công nghệ mới sử dụng
các chuẩn truyền thông không dây như Wifi, Zigbee, BLE, Z-wave với những ưu
điểm như tiết kiệm năng lượng, sự đơn giản về bố trí thiết bị được phát triển nhằm
khắc phục những nhược điểm của các chuẩn chiếu sáng cũ. Tuy nhiên với chuẩn Zwave và Zigbee được thiết kế hướng tới để các thiết bị giao tiếp với nhau chứ không
hướng tới giao tiếp với người sử dụng hay BLE là chuẩn Bluetooth mới tuy có
những ưu điểm như hướng tới người sử dụng, cực kì tiết kiệm năng lượng lại có
nhược điểm là mới được đưa vào, không tương thích với Bluetooth cũ nên ít có thiết
bị hỗ trợ. Cùng với xu hướng phát triển của smartphone và các tiện ích mà nó đem
lại chính vì vậy công nghệ không dây Wi-Fi với đặc điểm hướng tới người sử dụng,
sự tương thích giữa các chuẩn 802.11b/g/n, tốc độ cao…v.v là lựa chọn tối ưu làm
chuẩn không dây để giao tiếp với người dùng điều khiển hệ thống chiếu sáng.
2. Mục đích của đề tài
Thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee – tạm gọi là Wi-Fi Gateway. Thiết kế Wi-Fi
Gateway này đơn giản, hoạt động hiệu quả để nhận dữ liệu điều khiển từ người
dùng qua Wi-Fi sau đó truyền đi điều khiển thiết bị bằng các chuẩn không dây như
Zigbee. Bằng các kịch bản được chuẩn bị trước cho hoạt động của thiết bị sẽ giải
thích được nguyên lý làm việc, ưu và nhược điểm của bộ điều khiển chiếu sáng WiFi Gateway.

3. Bố cục của đề tài
Đề tài bao gồm 4 chương:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ
Giới thiệu về các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà, công nghệ điều
12


khiển sử dụng các chuẩn có dây và không dây. Sau khi tìm hiểu về công nghệ điều
khiển chiếu sáng lựa chọn thiết kế Wi-Fi Gateway nhằm chuyển đổi từ tín hiệu điều
khiển ở công nghệ Wi-Fi thành tín hiệu điều khiển không dây Zigbee.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI
Giới thiệu khái quát về lịch sử ra đời, các chuẩn Wi-Fi phổ biến, các phương
thức bảo mật và bộ giao thức của Wi-Fi.
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ WI-FI GATEWAY
Phân tích yêu cầu, từ đó đưa ra sơ đồ tổng quan và lựa chọn thiết bị sử dụng là
Arduino Mega2560, module ESP-01 và module Xbee S2.
Giới thiệu về module Wi-Fi ESP-01, giới thiệu phần cứng và gói phần mềm
SDK. Trình bày các phương pháp biên dịch firmware, nạp firmware và tập lệnh điều
khiển đối với module ESP-01.
Từ sơ đồ tổng quát thiết kế sơ đồ khối và thiết kế sơ đồ nguyên lý. Thiết kế
phần mềm cho Wi-Fi Gateway, đồng thời thiết kế phần mềm điều khiển trên điện
thoại.
CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
Đưa ra các kịch bản hoạt động đối với hệ thống điều khiển. Đo và đánh giá
cũng như đưa ra các giải pháp.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và
đánh giá nội dung liên quan đến đề tài.
- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung
nghiên cứu trong quá trình thiết kế bộ điều khiển sử dụng Wi-Fi Gateway. Từ đó

đưa ra phương án chế tạo bộ điều khiển phù hợp

13


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ
1.1. Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng
Trong một tòa nhà, cùng với hệ thống điều hòa không khí và thông gió
(HVAC) thì hệ thống chiếu sáng luôn là một trong 2 hệ thống tiêu tốn nhiều năng
lượng nhất. Trung bình khoảng 20-40% năng lượng của một tòa nhà là giành cho
chiếu sáng. Ở Mỹ và nhiều nước phát triển, việc triển khai hệ thống lighting control
gần như là bắt buộc trong mọi tòa nhà thương mại. Quản lý năng lượng hiệu quả
trong chiếu sáng cùng với nhu cầu giải trí và thẩm mĩ của con người ngày càng tăng
đã đặt ra hai bài toán:
- Chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
- Đòi hỏi áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để ánh sáng trình diễn theo ý
muốn.
Để giải quyết hiệu quả hai bài toán trên người ta đang hướng đến việc quản lý
tập trung, liên kết các hệ thống riêng này thành một thể thống nhất. Chính vì thế
lighting control cũng được phát triển theo hướng ứng dụng thiết lập mạng và tích
hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà cùng với nhiều hệ thống khác. Đây là một đặc
trưng hiện đại và cũng là ưu điểm của lighting control so với hệ thống thông
thường. Để thiết lập mạng điều khiển chiếu sáng có hai phương pháp là sử dụng các
chuẩn chiếu sáng có dây và các chuẩn chiếu sáng không dây.
1.2. Chuẩn chiếu sáng có dây
Trước những năm 90, phần lớn các chuẩn trong các hệ thống tự động hóa tòa
nhà nói chung và điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên giao thức có bản
quyền của từng hãng sản xuất. Thậm chí, đến nay một số hãng có tên tuổi vẫn sử
dụng các chuẩn của riêng mình như JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI.
Dưới đây là các giao thức hỗ trợ của một số hãng sản xuất thiết bị chiếu sáng. Theo

tài liệu [1]
STT
1
2
3
4

Tên hãng sản xuất
ABB Control Inc
Advance Transformer
Agilent Technologies Inc
Douglas Lighting Controls

Giao thức
Custom, BACnet, Modicon and LON
0-10VDC, 2-Wire
LAN/WAN Ethernet
LONworks

14


5

Inc
MagneTek

Lighting 0-10VDC, DMX512, DALI

6

Products Group
Siemens

Building BACnet, MODbus, LONworkds, DMX512

Technologies Ltd
7
IBECS
1-Wire
Phần dưới đây trình bày một số giao thức có dây thường gặp trong điều khiển
chiếu sáng.
1.2.1. DALI
a. Giới thiệu
DALI hay Digital Addressable Lighting Interface là một chuẩn chuẩn điều
khiển hệ thống chiếu sáng bằng kỹ thuật số. Với hệ thống điều khiển chiếu sáng
theo tín hiệu DALI, các bộ đèn có thể đánh địa chỉ và được điều khiển riêng rẽ.
Trong một hệ thống chiếu sáng bao gồm rất nhiều các bộ đèn khác nhau, hệ thống
DALI giúp điều khiển riêng rẽ từng bộ đèn, phân nhóm, và tạo lập các cảnh chiếu
sáng khác nhau, có thể tăng giảm độ sáng của các bộ đèn bằng tay qua công tắc
nhấn, màn hình cảm biến, qua remote hay được điều chỉnh tự động qua cảm biến
ánh sáng.
Ngoài ra, hệ thống DALI còn có thể điều khiển rèm cửa, tích hợp hệ thống an
ninh báo cháy, báo trộm. Từ một vị trí, nhưng ta có thể theo dõi được tình trạng hoạt
động của toàn bộ hệ thống điện và chiếu sáng.
b. Đặc điểm
Một số đặc điểm của mạng DALI theo tiêu chuẩn IEC60929:
- Số lượng thiết bị lớn nhất có thể: 64 thiết bị.
- Số nhóm: 16.
- Số địa điểm trên một nhóm: 16.

- Cáp dữ liệu: 2 dây.
- Phương pháp mã hóa dữ liệu: Manchester.
- Tốc độ truyền dữ liệu: 1200 bit/s.
- Nguồn cấp cho mạng 24VDC, 250mA.
- Khoảng cách 300m hoặc 2VDC điện áp rơi.
15


c. Sơ đồ kết nối

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối giao thức DALI
Một hệ thống DALI có thể có một hay nhiều thiết bị chiếu sáng kết nối trên
DALI bus cùng với bộ điều khiển. Bộ điều khiển có thể giám sát và điều khiển ánh
sáng trên DALI bus nhờ dữ liệu trên DALI bus là 2 chiều và không đồng bộ.
1.2.2. DMX512
a. Giới thiệu
DMX là viết tắt của Digital Multiplex, là kỹ thuật truyền tín hiệu cho những
thiết bị kỹ thuật số có thể được truyền qua dây cáp. Nó chính là giao thức chung
dùng để điều khiển thiết bị đèn sân khấu hay các loại đèn kỹ xảo trên toàn thế giới.
DMX512 là 1 tiêu chuẩn truyền thông kỹ thuật số được sử dụng để kết nối những
bộ vi xử lý điều khiển ánh sáng. Nó sử dụng cáp truyền dữ liệu đặc biệt để truyền
thông tin đến các thiết bị chiếu sáng (Dimmers, thay đổi màu sắc, điều khiển
Spotlights từ xa,....)
DMX512 sử dụng connector gồm 5 chân là:
Chân 1: Signal Common
Chân 2: data 1Chân 3: data 1+
Chân 4: data 2Chân 5: data 2+

16

Hình 1.2: XLR5 connector
b. Đặc điểm
- Số lượng thiết bị không quá 32 thiết bị trên 1 bus.
- Số kênh: 512
- Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbit/s.
- Điện áp làm việc 6VDC mỗi chân, 250mA.
- Khoảng cách không quá 1.200m
c. Sơ đồ kết nối

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521
Mỗi một mạng lưới gồm một bộ điều khiển DMX512 – là master, ngoài ra nó
còn có một hay nhiều Slave Device. Mỗi một Slave Device có một cổng DMX512
IN và một OUT. Các bộ điều khiển chỉ có một kết nối OUT được kết nối với Slave
Device đầu tiên
1.3. Chuẩn chiếu sáng không dây
Các chuẩn không dây sử dụng trong chiếu sáng có thể kể đến như Insteon, Zwave, Zigbee. Tuy nhiên Zigbee là một chuẩn mở, còn Z-wave và Insteon không
phải. Với Z-wave, chuẩn giao thức và phần cứng để vận hành chuẩn giao thức này
hoàn toàn do Sigma Designs cung cấp, các công ty muốn sử dụng Z-wave chỉ có thể
17


mua các tài liệu, phần cứng từ 1 bên và chi phí này tương đối cao.
Trong khi đó, Zigbee với ưu thế là một chuẩn mở có thể mua phần cứng, phần
mềm, tài liệu từ nhiều hãng lớn trên thế giới như Texas Instrument, NXP, Silab,
AVR, Microchip…v.v. Ngoài ra còn có thể tìm các module Zigbee từ các hãng như
Atmel, CEL, Digi, Jennic, Lemos, và RFM. Nhờ tính mở đó, việc tiếp cận và phát
triển các sản phẩm Zigbee dễ dàng hơn nhiều so với Z-wave, đồng thời chi phí cũng
thấp hơn Z-wave nhiều do hãng phát triển có nhiều lựa chọn và cạnh tranh hơn.
Chính vì vậy trong nội dung luận văn này sẽ tập trung đi sâu vào việc sử dụng

chuẩn Zigbee.
1.3.1. Giới thiệu về Zigbee
Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần
không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng
dụng công nghiệp, khoa học và y tế. Tần số 2.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế
giới, tần số 915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu. Tốc độ dữ liệu đạt
250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz [2].

Hình 1.4: Băng tần của chuẩn ZigBee
Qua hình 1.4 có thể thấy với tần số là 868MHz thì có 1 kênh truyền, ở tần số
900 MHz có 10 kênh truyền và ở tần số 2.4GHz có 16 kênh truyền.
ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE
802.15.4 MAC/PHY. ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của
802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới. Chuẩn ZigBee 1.0
18


được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee
Alliance. Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm.
ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home
automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và
giám sát y tế.
1.3.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee
IEEE 802.15.4 và liên minh ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ
giao thức stack. IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp
hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp. IEEE
802.15.4 đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách
xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và
hình lưới. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo
duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp.

Hình 1.5. Cấu trúc giao thức
Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp ứng dụng
mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO). Lớp ZigBee thì được thể hiện
trong bản bên dưới.
Lớp ZigBee
PHY

Miêu tả
Định nghĩa hoạt động lớp vật lý của thiết bị ZigBee bao gồm cả
nhận độ nhạy, từ chối kênh, công suất đầu ra, số kênh, điều chế
19


chip, và thông số tốc độ truyền. Hầu hết các ứng dụng ZigBee hoạt
MAC

động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với tốc độ dữ liệu 250 kbps.
Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị gần nhau (point to
point). MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại truyền dẫn, quản lý

Network

xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm (CSMA-CA).
Có khả năng định tuyến, lớp này cho phép gói tin dữ liệu RF đi qua
nhiều thiết bị (nhiều bước nhảy) để tuyến đường dữ liệu từ nguồn

APS

tới đích (peer to peer).

Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ khác nhau bao

ZDO

gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối.
Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra dịch vụ và

khả năng quản lý mạng nâng cao.
1.3.3. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee
Một mạng Zigbee gồm nhiều thành phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo nên
một mạng là thiết bị có tên FFD (full function device), thiết bị này đảm nhận tất cả
các chức năng trong mạng và hoạt động như một điều phối mạng PAN (personal
area network), ngoài ra còn một thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên
RFD (reduced function device). Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, thiết
bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên toàn mạng PAN,
điều phối viên một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng.
RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu.
Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD nhưng một RFD chỉ làm
việc với một FFD
- ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một
thiết bị Coordinator. Nó lựa chọn một kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để bắt
đầu mạng, có thể cho phép những router và end device tham gia vào mạng, hỗ trợ
trong việc định tuyến dữ liệu. Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính.
- ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi
thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào

20

mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu. Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy
nó phải được cấp nguồn chính. Một mạng có thể có nhiều router.
- ZigBee End Device (ZED): Nó phải tham gia một ZigBee PAN trước khi nó
có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thể cho phép các thiết bị khác tham gia vào
mạng. ZED phải luôn luôn truyền và nhận dữ liệu RF qua phụ huynh của nó, không
thể định tuyến dữ liệu. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái ngủ (sleep
mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi
một thông điệp nào đó và có thể cấp nguồn pin.
1.3.4. Cấu trúc liên kết mạng
Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng
chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới.
a. Mạng hình sao (Star Network)
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một
thiết bị điều khiển trung tâm gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD được kích
hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối
mạng Pan. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng
mình được gọi là PAN ID, nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc
lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả
các mạng trong tầm phủ sóng đều phản có một PAN ID duy nhất

Hình 1.6. Cấu trúc mạng hình sao.
b. Mạng hình lưới (Mesh Network)
Đối với loại mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN
coordinator). Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng
ngang hàng. Ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kì thiết
21


bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trọng phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng
dụng của cấu trúc này khá rộng, có thể áp dụng cho các mạch đo lường và điều

khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê ( cảnh báo cháy
rừng…). Mạng hình 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. Mỗi nút trong mạng lưới đều có
khả năng kết nối và định tuyến với các nút lân cận. Cũng chính khả năng chuyển
tiếp và định tuyến gói tin đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn
là trở ngại.

Hình 1.7. Cấu trúc mạng hình lưới.
c. Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết
bị là FFD và những RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút 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 coordinator khác vì
thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.
Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất
PAN coordinator.

22


Hình 1.8. Cấu trúc mạng hình cây.
1.3.5. Địa chỉ
Tất các thiết bị ZigBee có hai chế độ địa chỉ khác nhau, chế độ địa chỉ 64 bit
và chế độ địa chỉ 16 bit. Đặc trưng của mỗi chế độ địa chỉ được miêu tả như sau:
a. Địa chỉ thiết bị 16 bit
Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng nhỏ, số lượng nút cố định. 16 bit địa chỉ
sử dụng một số hex 16 bit để xác định từng nguồn radio và địa chỉ đích.
b. Địa chỉ thiết bị 64 bit
Địa chỉ 64 bit là một địa chỉ thiết bị duy nhất được ấn định trong lúc sản xuất.

Địa chỉ này là duy nhất cho mỗi thiết bị vật lý. Địa chỉ 64 bit bao gồm 3byte nhận
diện duy nhất (OUI) ấn định bởi IEEE. 5byte còn lại quản lý bởi OEM - tổ chức
quản lý sản xuất. Địa chỉ 64 bit cũng được gọi là địa chỉ mở rộng.
Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng lớn, số lượng nút mở và có thể được thêm
trong tương lai.

23


1.3.6. Truyền dẫn dữ liệu
Gói tin dữ liệu ZigBee có thể được truyền kiểu Unicast hoặc truyền quảng bá.
Truyền dẫn Unicast gửi dữ liệu từ một thiết bị nguồn đến một thiết bị đích, trong
khi truyền quảng bá là gửi đến nhiều hoặc tất cả những thiết bị trong mạng [3].
a. Truyền dữ liệu quảng bá
Truyền quảng bá trong các giao thức ZigBee có xu hướng được truyền bá khắp
toàn bộ mạng lưới như vậy tất cả các nút nhận được gói tin. Để quảng bá trong
mạng IEEE 802.15.4 chế độ địa chỉ ngắn được sử dụng và địa chỉ đích được đặt là
0xffff. Địa chỉ này được chấp nhận bởi tất cả các thiết bị mà nhận gói như địa chỉ
của chúng. Định danh PAN cũng có thể được đặt là 0xffff. Thiết bị nhận sẽ chấp
nhận 0xffff như là một định danh PAN hợp lệ. Địa chỉ MAC 0xffff được biết như là
địa chỉ quảng bá.

Hình 1.9. Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá.
b. Truyền dẫn Unicast
Truyền Unicast được gửi từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích khác. Thiết bị đích
có thể là một láng giềng trực tiếp của nguồn, hoặc nó có thể là một vài bước nhảy.
Truyền unicast này được gửi cùng một đường nhiều bước nhảy yêu cầu một số
phương tiện thiết lập một tuyến đường đến thiết bị đích.

Hình 1.10. Sơ đồ truyền unicast.

24


1.4. Kết luận
Để chuyển các dữ liệu lên Internet hay nhận dữ liệu điều khiển ngược trở lại
các cảm biến/thiết bị chấp hành phải có địa chỉ. Trong lĩnh vực công nghệ thông tin
dự đoán 50 tỉ thiết bị sẽ có trong không gian IoT vào năm 2020 – theo tài liệu [10] ,
và điều đó sẽ trờ thành cực kỳ tốn kém chi phí để gán địa chỉ IP cho mỗi cảm biến
và quản lý mạng lưới liên quan đến IP. Thay vào đó, cảm biến/thiết bị chấp hành có
thể được nối mạng bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn không dây, như ZigBee. Lần
lượt, các mạng Zigbee đó dựa vào các cổng giao tiếp với Wi-Fi (Wi-Fi Router) để
chuyển tiếp thông tin lên mạng hoặc tới người sử dụng. Chính vì vậy bài toán trong
luận văn đặt ra là thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee hay tạm gọi là Wi-Fi Gateway.

25