Xây dựng module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 4
1.1 Tổng quan về truyền thông ........................................................................................4
1.1.1 Giới thiệu về mạng truyền thông công nghiệp .......................................................4
1.1.2 Vai trị của mạng truyền thơng cơng nghiệp ..........................................................5
1.1.3 Chế độ truyền tải của mạng truyền thông công nghiệp ..........................................6
1.1.4 Giao thức Modbus ..................................................................................................7
1.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây ..................................................................9
1.2.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ................................................................9
1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .....................................................................10
1.2.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây......................................................11
1.2.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ....................................................................13
1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây ...................................................................15
1.3 Tổng quan công nghệ truyền thông ZigBee ............................................................17
1.3.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông ZigBee ..........................................................17
1.3.2 Một số đặc điểm công nghệ ZigBee .....................................................................18
1.3.3 Cấu trúc giao thức ZigBee ....................................................................................19
1.3.4 Những phần tử cơ bản trong ZigBee ....................................................................20
1.3.5 Cấu trúc liên kết mạng ..........................................................................................21
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................... 23
2.1 Khảo sát hệ thống SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm ứng dụng cơng nghệ có
dây .................................................................................................................................23
2.2 Mơ hình hệ thống SCADA ứng dụng cơng nghệ khơng dây ..................................25
2.3 Phân tích hệ thống ...................................................................................................26
2.3.1 Sơ đồ khối module truyền thông không dây (WCM) ...........................................26
i

2.3.2 Sơ đồ khối Data Collection Node (DCN).............................................................26
2.3.3 Sơ đồ khối Gateway Node (GN) ..........................................................................27
2.3.4 Tính chọn các thiết bị sử dụng trong hệ thống .....................................................27
2.4 Thiết kế phần cứng, giao diện HMI/WINCC ..........................................................39
2.4.1 Thiết kế phần cứng ...............................................................................................39
2.4.2 Thiết kế giao diện HMI KTP400 ..........................................................................45
2.4.3 Thiết kế giao diện WinCC Flexible ......................................................................46
2.5 Lưu đồ thuật tốn .....................................................................................................46
2.6 Cấu hình cho thiết bị................................................................................................49
2.6.1 Cấu hình cho thiết bị DCN ...................................................................................49
2.6.2 Cấu hình cho thiết bị GN ......................................................................................50
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ............................................ 52
3.1 Kết quả các node khơng dây ....................................................................................52
3.1.1 Hình ảnh hồn thiện Module truyền thơng khơng dây (WCM) ...........................52
3.1.2 Hình ảnh hồn thiện thiết bị DCN ........................................................................52
3.1.3 Hình ảnh hồn thiện thiết bị GN...........................................................................52
3.1.4 Vận hành hệ thống ................................................................................................53
3.2 Kết quả giao diện giám sát và điều khiển ................................................................53
3.2.1 Giao diện giám sát và điều khiển trên HMI KTP-400 .........................................53
3.2.2 Giao diện giám sát và điều khiển trên WinCC Flexible .......................................53
3.3 Đánh giá ...................................................................................................................54
3.3.1 Đánh giá khoảng cách truyền giữa các nút trong mạng .......................................54
3.3.2 Đánh giá mở rộng tầm hoạt động .........................................................................55
3.3.3 Đánh giá khả năng định tuyến ..............................................................................56
3.3.4 Đánh giá tỷ lệ truyền/nhận gói tin ........................................................................56
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 60

ii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Nối dây truyền thơng (a) và nối mạng cơng ngiệp (b) ................................... 5
Hình 1.2: truyền bit song song ....................................................................................... 6
Hình 1.3: truyền bít nối tiếp .......................................................................................... 7
Hình 1.4: Q trình truyền thơng dữ liệu...................................................................... 7
Hình 1.5: Sơ đồ ghép nối mạng Modbus ........................................................................ 8
Hình 1. 6: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ............................................................ 10
Hình 1. 7: Cấu trúc nút cảm biến ................................................................................. 11
Hình 1. 8: Kiến trúc mạng đơn bước ............................................................................ 14
Hình 1. 9: Kiến trúc mạng đa bước .............................................................................. 14
Hình 1. 10: Kiến trúc mạng hỗn hợp ............................................................................ 15
Hình 1. 11: Ứng dụng trong nơng nghiệp .................................................................... 16
Hình 1. 12: Băng tần của chuẩn ZigBee ...................................................................... 17
Hình 1. 13: Cấu trúc giao thức .................................................................................... 19
Hình 1. 14: Cấu trúc mạng hình sao ............................................................................ 21
Hình 1. 15: Cấu trúc mạng hình lưới ........................................................................... 22
Hình 1. 16: Cấu trúc mạng hình cây ............................................................................ 22
Hình 2. 1: Mơ hình SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm.......................................... 23
Hình 2. 2: Mơ hình mạng lắp SCADA dây chuyền lắp ráp sản phẩm ......................... 23
Hình 2. 3: Sơ đồ hệ thống mạng truyền thơng khơng dây ............................................ 25
Hình 2. 4: Sơ đồ khối module truyền thông không dây ................................................ 26
Hình 2. 5: Sơ đồ khối DCN........................................................................................... 26
Hình 2. 6: Sơ đồ khối GN ............................................................................................. 27
Hình 2. 8: Adapter 12VDC - 2A ................................................................................... 28
Hình 2. 9: Cấu tạo của S7-1200 ................................................................................... 29
Hình 2. 10: Cảm biến nhiệt độ PT100 .......................................................................... 31
Hình 2. 11: Cảm biến DHT11 ...................................................................................... 32

Hình 2. 12: Module chuyển đổi tín hiệu dịng áp HW-685 .......................................... 33
Hình 2. 13: Module chuyển đổi tín hiệu 4-20Ma ......................................................... 34
Hình 2. 14: Module Ethernet Shield ............................................................................. 35
iii


Hình 2. 15: Arduino Uno R3 ........................................................................................ 35
Hình 2. 16: Module Xbee.............................................................................................. 38
Hình 2. 17: Hình ảnh màn hình HMI- KTP400 của siemens ...................................... 38
Hình 2. 18: Sơ đồ nguyên lý thiết bị WCM ...................................................................39
Hình 2. 19: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN kết nối PLC................................................ 41
Hình 2. 20: Sơ đồ nguyên lý thiết bị DCN với cảm biến DHT11 ................................. 42
Hình 2. 21: Sơ đồ nguyên lý thiết bị GN ...................................................................... 44
Hình 2. 22: Giao diện HMI_1 giám sát thu thập dữ liệu ............................................. 45
Hình 2. 23: Giao diện WinCC_1 giám sát dữ liệu ....................................................... 46
Hình 2. 24: Lưu đồ truyền thông không dây node mạng WCM-DCN và WCM-GN .... 47
Hình 2. 25: Lưu đồ truyền dữ liệu node DCN 1 và node WCM-DCN 1truyền dữ liệu 47
Hình 2. 26: Lưu đồ truyền dữ liệu node WCM-DCN 2 với DHT11 ............................. 48
Hình 2. 27: Lưu đồ truyền nhận dữ liệu node GN và WCM-GN ................................. 48
Hình 2. 28: Khối lệnh MB_CLIENT của DCN ............................................................. 49
Hình 2. 29: Data_block_1 của DCN ............................................................................ 50
Hình 2. 30: Data_block_2 của DCN ............................................................................ 50
Hình 2. 31: khối lệnh nhận và truyền dữ liệu MB_CLIENT của GN ........................... 50
Hình 2. 32: Khối nhận Data_block_2 của GN ............................................................. 51
Hình 3. 1: Hình ảnh Module truyền thơng khơng dây (WCM)..................................... 52
Hình 3. 2: Hình ảnh thiết bị DCN có PLC ................................................................... 52
Hình 3. 3: Hình ảnh thiết bị GN ................................................................................... 52
Hình 3. 4: Hình ảnh tổng qt mơ hình hệ thống......................................................... 53
Hình 3. 5: Nhiệt độ hiển thị trên HMI .......................................................................... 53
Hình 3. 6: Giá trị nhiệt độ trên WinCC ........................................................................ 54

Hình 3. 7: Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút trong mạng ................................... 55
Hình 3. 8: Khoảng cách truyền/nhận giữa hai nút ....................................................... 55
Hình 3. 9: Mơ hình mở rộng hoạt động........................................................................ 55
Hình 3. 10: Mơ hình mạng phục hồi liên kết ................................................................56
Hình 3. 11: Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 20 m khơng có vật cản.............. 57
Hình 3. 12: Tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 20 m có vật cản ........................ 57
iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Băng tần và tốc độ dữ liệu ...........................................................................18
Bảng 1. 2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee ........................................................18
Bảng 2. 1: Phân loại I/O PLC S7-1200 theo CPU………………………………………..30

v


MỞ ĐẦU
1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ
TÀI TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của 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 mạng cảm biến không dây vào hầu hết các lĩnh vực của xã hội như quốc
phịng, cơng nghiệp, nơng nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản.
Tại Việt Nam, một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như:
Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Đại học Công
nghệ Thông Tin và Truyền thông đang tích cực nghiên cứu về lĩnh vực mạng cảm
biến khơng dây, cũng như nghiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mạng

cảm biến không dây như hệ thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an
ninh chống trộm và cảnh báo cháy, ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao,
trong giao thông và thành phố thông minh.
7.2. Danh mục các cơng trình đã cơng bố thuộc lĩnh vực của đề tài
[1]. Đặng Văn Ngọc, Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng
công nghệ Zigbee, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 166, số
6, 2017, trang 53-60.
[2]. Vu Thanh Vinh, Dang Van Ngoc, Joeri GERRITS, A study onpower
consumption of wireless sensor network in greenhouse environment monitoring, Kỷ
yếu hội thảo toàn quốc về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin – REV,
2016, trang 69-73
[3]. Đặng văn Ngọc, Nguyễn Duy Minh, Ninh Văn Hoạt, Xây dựng bộ chuyển
đổi tín hiệu đầu vào cho plc sử dụng chuẩn ethernet,Tạp chí Khoa học và Công
nghệ - ĐH Thái Nguyên, tập 204, số 11, 2019, trang 173-179.
2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử,
công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy
mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh ở nhiều lĩnh vực của xã hội từ
cơng nghiệp, nơng nghiệp, từ quốc phịng dân dụng, và từ quản lý đến giải trí. Đồng
thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra rất

1


nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai sản phẩm ứng dụng hệ
thống thông minh trên tồn cầu, trong đó hệ thống cảm biến đóng vài trị quan trọng
trong hệ thống thơng minh này.
Lĩnh vực mạng cảm biến, cũng như mạng cảm biến không dây được cả cộng
đồng khoa học và cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu và
phát triển bởi việc ứng dụng ứng tất yếu và phổ biến trong nhiều xã hội như trong

hệ thống điện tử, điện - điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực
phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, mơi
trường thủy sản, nơng lâm nghiệp và y tế.
Chính vì vậy, việc thực hiện để tài “Xây dựng module truyền thông không
dây cho PLC theo chuẩn ZigBee” là rất cần thiết nhằm góp phần bổ sung kiến thức
lý thuyết và thực hành cho các môn học liên quan của sinh viên ngành Công nghệ
kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Đồng thời là
nền tảng để phát triển các ứng dụng trong đời sống.
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Xây dựng được module truyền thông không dây cho PLC theo chuẩn ZigBee
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
4.1. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, cơng 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 chế tạo các nút cảm biến và nút định tuyến trong mạng
cảm biến không dây
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo các module truyền thông không dây sử dụng chuẩn ZigBee
cho PLC được sử dụng trong nghiên cứu và thực hành cho các môn học liên quan
của sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều
khiển và tự động hóa. Đồng thời là nền tảng để phát triển các ứng dụng trong đời
sống.
5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN
5.1. Nội dung nghiên cứu
+ Nghiên cứu về phương pháp truyền thông trong PLC của hãng Siemems

2

+ Tìm hiểu về chuẩn ZigBee
+ Phân tích thiết kế module truyền thông không dây cho PLC
+ Xây dựng module truyền thông không dây
+ Đánh giá và thử nghiệm
5.2. Tiến độ thực hiện
STT

Các nội dung, công
việc thực hiện chủ
yếu

Sản phẩm phải
đạt

Thời gian
(bắt đầu-kết

Người thực hiện

thúc)

Nghiên cứu về
1

2

phương pháp truyền
thông trong PLC của
hãng Siemems.
Tìm hiểu về chuẩn

ZigBee

Báo cáo

Báo cáo

01/01/2020-

Hồng Thị Thương

28/02/2020

Đặng Văn Ngọc

01/03/2020-

Hồng Thị Thương

31/03/2020

Đặng Văn Ngọc

3

Phân tích thiết kế
module truyền thông
không dây cho PLC

Sơ đồ mạch
nguyên lý, mạch

in, lưu đồ thuật
tốn

01/04/202030/06/2020

Đặng Văn Ngọc
Hồng Thị Thương

4

Xây dựng module
truyền thơng khơng
dây

Phần cứng và
chương trình

01/07/202031/09/2020

Đặng Văn Ngọc
Hồng Thị Thương

Báo cáo đánh
giá thử nghiệm

01/10/202030/11/2020

Đặng Văn Ngọc
Hoàng Thị Thương

Quyển báo cáo
đề tài

01/12/202031/12/2020

Hoàng Thị Thương
Đặng Văn Ngọc

Đánh giá và thử
5

nghiệm
Hoàn thiện báo cáo

6

tổng kết

3


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Tổng quan về truyền thông
1.1.1 Giới thiệu về mạng truyền thông công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp hay mạng công nghiệp
là một khái niệm chung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng
để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp
phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến,
thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí
nghiệp, quản lý cơng ty.

Để thấy rõ đề cập của lĩnh vực truyền thông công nghiệp, ta cần phân biệt với
các hệ thống mạng viễn thơng và mạng máy tính. Về cơ sở kỹ thuật, mạng công
nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên có
những điểm khác biệt sau:
+ Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn
hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thơng, tính
năng thời gian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông( truyền
tải dải rộng) dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,..) thường phức tạp hơn
nhiều so với mạng công nghiệp.
+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ
thuật, trong đó cong người đóng vai trị chủ yếu. Vì vậy các dạng thơng tin cần trao
đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu. Đối tượng của mạng công
nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâm duy nhất
là dữ liệu.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy
tính, có thể so sánh với mạng máy tính thơng thường ở các điểm giống nhau và khác
nhau như sau:
+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2 lĩnh vực.
+ Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong cơng nghiệp được
coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công
ty) trong mô hình phân cáp của mạng cơng nghiệp.

4


+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích
trong mơi trường cơng nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với
một mạng máy tính thơng thường, trong khi đó mạng máy tính thường yêu cầu cao
hơn về độ bảo mật,
+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng

Lan cho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp
mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thơng. Trong
khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng cơng nghiệp thường có tính chất độc lập,
phạm vi hoạt động tương đối hẹp.
Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các
u cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại
được đặt ra hàng đầu.
1.1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong
bất cứ một giải pháp tự động hóa nào. Một bộ điều khiển cần được kết nối với cảm
biến và cơ cấu chấp hành. Giữa các hộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân
tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá
trình sản xuất. Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển
cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi, giám sát
tồn bộ q trình sản xuất và hệ thống điều khiển.

Hình 1.1: Nối dây truyền thơng (a) và nối mạng công ngiệp (b)
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế
cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại những lợi ích
sau:
5


+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.
+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dế dàng hơn.
+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thơng tin.
+ Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.
+ Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đốn, định vị lỗi, sự
cố của các thiết bị.
+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điều

khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát
hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thơng tin của hệ thống điều
khiển giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.1.3 Chế độ truyền tải của mạng truyền thông công nghiệp
 Chế độ truyền tải song song
Phương pháp truyền bít song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ
của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ
thuộc vào số kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của bus song song, ví dụ 8 bit, 6
bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bus được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ
hóa và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng
cách giữa các đối tượng truyền thơng tăng lên. Ngồi ra giá thành cho các bus song
song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng của các phương pháp này chỉ
hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về tốc độ truyền.

Hình 1.2: truyền bit song song
 Truyền bit nối tiếp
Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bước được chuyển đi một cách tuần
tự qua một đường truyền duy nhất( hình 1.6).

6


Hình 1.3: truyền bít nối tiếp
Tuy tốc độ bít vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy
của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương
pháp tryền này.
Một mạng tryền thơng cơng nghiệp có nhiệm vụ kết nối các thiết bị kỹ thuật
có khả năng xử lý thơng tin hay nói cách khác là xử lý dữ liệu. Những thiết bị đó dù
tồn tại dưới dạng này hay dạng khác cũng đều là những máy tính, có bộ vi xử lý và
hệ thống bus nội bộ song song. Vì vậy, để có thể dùng phương pháp truyền nối tiếp,

ta cần trọn các bộ chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp.

Hình 1.4: Q trình truyền thơng dữ liệu
1.1.4 Giao thức Modbus
ModBus do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm
1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây
xoắn đơn. Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả
RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop).

7


Modbus đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng trong ngành tự động hóa,
và Modicon đã cho ra mắt cơng chúng như một protocol miễn phí.
Modbus là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều
“tớ”. “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. “Tớ” Modbus RTU thường là
các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop. Khi
một chủ Modbus RTU muốn có thơng tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về
dữ liệu cần, tóm tắt dị lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận
thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng.
Các thiết bị trên mạng Modbus khơng thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản
ứng. Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới”. Một số nhà sản xuất
đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ Modbus, tuy nhiên chúng
cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo.

Hình 1.5: Sơ đồ ghép nối mạng Modbus
Hiện nay, có 03 chuẩn Modbus đang được sử dụng phổ biến trong công
nghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP
Tất cả thơng điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa
3 loại Modbus là cách thức thông điệp được mã hóa. Cụ thể:

Mọi thơng điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4
bit. Đối với mỗi một byte thơng tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với

8


Modbus RTU hay Modbus/TCP. Tuy nhiên, Modbus ASC II chậm nhất trong số 3
loại protocol, nhưng lại thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng
radio do ASC II sử dụng các tính năng phân định thơng điệp. Do tính năng phân
định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch
sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di
động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thơng khó tính khác.


Modbus RTU: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte
truyền thông cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS 232
hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud. Tốc độ phổ biến
nhất là 9600 đến 19200 baud. Modbus RTU là protocol công nghiệp được sử
dụng rộng rãi nhất, do đó hầu như trong bài viết này chỉ tập trung đề cập đến
cơ sở và ứng dụng của nó.



Modbus TCP: Modbus/TCP đơn giản là Modbus qua Ethernet. Thay vì sử
dụng thiết bị này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP
được sử dụng. Với Modbus/TCP, dữ liệu Modbus được tóm lược đơn giản
trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ Modbus/ IP sẽ
ngay lập tức hỗ trợ Modbus/TCP.
Modbus gateway là một thiết bị cho phép chuyển đổi qua lại giữa giao

thức Modbus RTU và Modbus TCP. Thông thường thiết bị sẽ có 01 cổng serial
(RS232/RS485) và 01 cổng Ethernet.
1.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.2.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến khơng dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
node với nhau bằng kết nối sóng vơ tuyến (RF connection) trong đó các node mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được
phân bố một cách khơng có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm
vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động
lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong mơi trường khắc nghiệt
(chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…).

9


Hình 1. 1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây
1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến
riêng lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý. Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất
nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát khơng dây, nguồn ni. Các
nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm.
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản [6]:

 Đơn vị cảm biến (sensing unit).
 Đơn vị xử lý (processing unit).
 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit).
 Bộ nguồn (power unit).
Ngồi ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ
xử lý.

10


Hình 1. 2: Cấu trúc nút cảm biến
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết
định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất
quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ mơi trường như năng lượng mặt trời.
Ngồi ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều u cầu có
độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đơi lúc cần phải dịch chuyển các nút
cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành
phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngồi kích cỡ, các nút cảm biến cịn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như
là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể
tự hoạt động, và thích nghi với sự biến đổi của môi trường.
1.2.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến,
các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất
khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống:

11

Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một số
lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều
chỉnh chi phí của tồn mạng. Nếu chi phí của tồn mạng đắt hơn chi phí triển khai
nút cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng khơng có giá thành hợp lý. Do
vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vì trong mạng có một
số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần
cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những
nơi có mật độ cao, hoạt động khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với mơi
trường…
Dễ triển khai (Deployment): Là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến
không dây. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền
thông khi làm việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải
tự cấu hình.Thêm vào đó, sự truyền thơng giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong
suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng cần có
khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.
Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển
khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1 feet = 30.48 cm). Mật độ các nút lên
tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu
hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây, có
thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn.
Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng khơng thể thực hiện được.
Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian
sống của pin. Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một nút đóng
vai trị kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm
biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại
các gói và tổ chức lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng

một vai trò quan trọng.

12


Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi
trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thơng tin là rất quan trọng. Các hoạt
động của một tịa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt
độ và ánh sáng của tịa nhà đó. Những thơng tin này có thể được sử dụng để sắp xếp
một kế hoạch tấn cơng vào một cơng ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật
các thơng tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất
quan trọng. Khơng chỉ duy trì tính bí mật, nó cịn phải có khả năng xác thực dữ liệu
truyền.Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng
dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng
thơng. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó
ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian
sống mong đợi.
1.2.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằng
sóng vơ tuyến. Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng
nhất định. Căn cứ vào quá trình truyền nhận thơng tin trong WSN, có thể nhận thấy
các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng ln hoạt động ở một trong hai
vai trị:
 Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn –sources).
 Thiết bị nhận thơng tin (thiết bị đích –sink)
Các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trị là thiết bị Sources
hoặc thiết bị Sink tùy vào từng kiến trúc của mạng. Ngồi ra, thiết bị sink cịn có thể
là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chức năng liên kết mạng
WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có
chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về

phịng trung tâm.
Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước
single-hop và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop). Một WSN có thể sử dụng một
trong hai kiểu cấu trúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai.

13


1.2.4.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)
Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết
mà trong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trị
thiết bị nguồn, nút cảm biến cịn lại đóng vai trị thiết bị đích. Thiết bị đích và thiết
bị nguồn ln trao đổi trực tiếp tồn bộ thơng tin với nhau.

Hình 1. 3: Kiến trúc mạng đơn bước
1.2.4.2 Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)
Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết
mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai
trị thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trị thiết bị đích, ngồi ra cịn có một
hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với vai trị như một trạm trung gian, chuyển
tiếp tồn bộ thơng tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết
bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác.

Hình 1. 4: Kiến trúc mạng đa bước

14


1.2.4.3 Kiến trúc mạng hỗn hợp
Tổ hợp cả hai kiểu liên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến

cho kiến trúc mạng WSN linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp. Khi
đó ta có kiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source).

Hình 1. 5: Kiến trúc mạng hỗn hợp
1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây
1.2.5.1 Ứng dụng trong công nghiệp
Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái
thiết bị, nhiệt độ và áp suất
Giám sát hệ thống nồi hơi, thơng hơi và điều hịa khơng khí của các toà nhà.
1.2.5.2 Ứng dụng trong y tế
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả
năng giao tiếp cho người khuyết tật
Giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
1.2.5.3 Ứng dụng trong dân dụng
Hệ thống nhà thông minh, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh.

15


Hệ thống giao thông thông minh.
1.2.5.4 Ứng dụng trong quân sự
Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính xác
khi ném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch.
Cảm biến môi trường: sự phát hiện mìn, chất độc.
Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí qn sự.
1.2.5.5 Ứng dụng trong nơng nghiệp, lâm nghiệp
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng
lớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để
kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây.

Hình 1. 6: Ứng dụng trong nông nghiệp
Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để
cảnh báo cháy rừng.

16


Các nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát
sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng.
1.3 Tổng quan công nghệ truyền thông ZigBee
1.3.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông ZigBee
Tên gọi ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những
thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc
“Zig-Zag” của loài ong “honey Bee”. Tên của cơng nghệ này được hình thành từ
việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết
cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề
nào đó.
Cơng nghệ ZigBee là cơng nghệ truyền tin sử dụng sóng vơ tuyến ở dải tần
khơng 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 [9]. Tốc độ dữ liệu
đạt 250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz.

Hình 1. 7: Băng tần của chuẩn ZigBee

17


Bảng 1. 1: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Bảng 1. 2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee
Tần số trung tâm (MHz)

Số lượng kênh (N)

Kênh

868

1

0

915

10

1 – 10

2450

16

11 – 26

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
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 Một số đặc điểm công nghệ ZigBee
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều
khiển từ xa và tự động hóa. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền
tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có
thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin.
Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh
network). Các thiết bị khơng dây sử dụng cơng nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền
tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất

18


phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Về khả năng tiêu thụ điện, các module sử
dụng chuẩn ZigBee sẽ có tuổi thọ từ 6 tháng đến 2 năm nếu sử dụng đơi pin AA.
ZigBee có khả năng kết nối với hơn 65000 nút.
1.3.3 Cấu trúc 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 sẽ 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 mơ 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 [10].

Hình 1. 8: Cấu trúc giao thức

Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp phụ ứng
dụng mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO).

19


Về mặt kỹ thuật, một lớp khung làm việc ứng dụng cũng tồn tại, nhưng sẽ
được nhóm vào lớp APS. 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 chip, và thông số tốc độ truyền. Hầu hết các
ứng dụng ZigBee hoạt động trên băng tần ISM 2.4 GHz, với
tốc độ dữ liệu 250kbps.

MAC

Quản lý truyền dữ liệu RF giữa những thiết bị hàng
xóm (point to point). MAC bao gồm các dịch vụ như thử lại
truyền dẫn, quản lý xác nhận và kỹ thuật tránh va chạm
(CSMA-CA).

Network

Cộng thêm khả năng định tuyến cái này cho phép gói
tin dữ liệu RF đi qua nhiều thiết bị (nhiều bước nhảy) để
tuyến đường dữ liệu từ nguồn tới đích (peer to peer)

APS

Lớp ứng dụng này định nghĩa đối tượng định địa chỉ
khác nhau bao gồm: cá nhân, cụm, và điểm cuối

ZDO

Lớp ứng dụng này cung cấp thiết bị và chức năng tìm ra
dịch vụ và khả năng quản lý mạng nâng cao

1.3.4 Những phần tử cơ bản trong ZigBee
Mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:
 ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee ln ln 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 device để tham gia vào mạng, hỗ trợ
trong việc định tuyến dữ liệu. Khơng ngủ nên là sử dụng nguồn chính.
 ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi
thơng tin, nhận thơng tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào
mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu. Router phải ln ln hoạt động, vì vậy
nó phải được cấp nguồn chính. Một mạng có thể có nhiều router.

20