Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 🙠🙠🙠 MÔN: DỰ ÁN KỸ THUẬT NÂNG CAO GVHD: TÔN THẤT PHÙNG Đề tài : Nghiên cứu công nghệ Zigbee Lớp học phần : DHDTVT15A Nhóm : GVHD : Tơn Thất Phùng 0 Tieu luan Nhận xét giảng viên hướng dẫn …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… 0 Tieu luan LỜI NÓI ĐẦU Ngày đất nước ta giai đoạn phát triển cơng nghiệp hóa địa hóa Đi đơi với phát triến kinh tế nói chung khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ đất nước ta giới Môn học dự án kĩ thuật nâng cao môn học đặc biệt quan trọng tất sinh viên học ngành Điện Tử trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Đây tiền đề giúp cho sinh viên tiếp cận với thành tựu công nghệ điện tử tiên tiến giới Việt Nam Bên cạnh mơn học cịn mơn sở cho nhiều môn học khác Thông qua việc thực đồ án giúp sinh viên nắm vững kiến thức, hiểu biết sâu ngành Điện Tử nói chung ngành Điện tử viễn thơng nói riêng Hơn hết, mơn học cịn giúp sinh viên đánh giá khả thân môn học đồng thời biết cách vận dụng môn học vào thực tế Là sinh viên ngành Điện tử viễn thông trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM, sau học kỳ vừa qua, bảo tận tình quý giảng viên môn Thiết kế kỹ thuật nâng cao, chúng em học hỏi nhiều điều bổ ích Theo kế hoạch kết thúc môn, đề tài đồ án nhóm là: Tìm hiểu cơng nghệ Zigbee 0 Tieu luan LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày đất nước ta giai đoạn phát triển công nghiệp hóa đại hóa Trong thời đại cơng nghệ số này, xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu cao Các thiết bị tự động hóa áp dụng mạng viễn thơng dùng tín hiệu truyền tin người áp dụng vào sống hàng ngày nhằm nâng cao chất lượng sống dần trở nên phổ biến Mặc dù cáp điện đóng vai trị chúng truyền nhận thông tin việc sử dụng lại thiết bị không dây trở nên ngày quen thuộc với chúng ta.Công nghệ không dây ngày hướng tới thiết bị gia dụng kết nối phận chức nhà để điều chỉnh kiểm soát hệ thống nhà ga, điện, nước,mạng internet….Nên việc sử dụng cách truyền nhận không dây với hình thức sử dụng chuẩn wi-fi 802.11 (giá thành cao) bluetooth (không đáp ứng khoảng cách truyền nhận ) khơng cịn đáp ứng yêu cầu người sử dụng Và chuẩn kết không dây IEEE 802.15.4 đời nhằm thiết lập mạng cá nhân không dây WPAN phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn Mạng WPAN liên lạc hiệu mà khơng địi hỏi nhiều sở hạ tầng, giá thành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, tiêu hao lượng mà đem lại hiệu cao liên lạc, khoảng cách truyền tin lên tới 75m Vì nhóm em tìm cơng nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu cao cơng nghệ ZigBee 0 Tieu luan LỜI CẢM ƠN Tri thức biển mênh mông, người cụ thể muốn nắm bắt tri thức để làm hành trang cho đời, không loại trừ phải học tập Chúng ta sinh lớn lên nuôi dưỡng cha mẹ hạnh phúc thầy cô “gieo mầm tri thức" để mai trưởng thành cơng dân tốt có hội cống hiến cho xã hội Khi nhận đề tài tìm hiểu cơng nghệ Zigbee nhóm cịn gặp nhiều khó khăn nhiều trở ngại, nhiên với giúp đỡ thầy Tơn Thất Phùng hướng dẫn tận tình, chu đáo bảo hỗ trợ chúng em suốt q trình thực đồ án.Cuối nhóm cố gắng nỗ lực hoàn toàn Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Khoa Công nghệ điện tử Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh truyền đạt trang bị cho em kiến thức tảng hữu ích suốt thời gian học tập trường Những thầy giảng dạy, khơng đơn học sách mà kinh nghiệm mà thầy tích góp giúp em nhiều việc hoàn thành đồ án, hành trang tốt giúp chúng em hoàn thành thật tốt trách nhiệm người sinh viên mẫu mực trường Chúng em xin chân thành cảm ơn ! 0 Tieu luan Bảng tiến độ công việc Tuần Công việc thực Chọn nhóm Khái qt tìm hiểu mơn học Chọn đề tài thiết kế sơ đồ khối Tìm hiểu đưa sơ đồ nguyên lý mạch Tìm kiếm linh kiện phù hợp sử dụng đề tài Sử dụng phần mềm để mô 10 Tiến hành lắp ráp thay đổi cho phù hợp Kiểm tra khả truyền nhận mơ hình Tìm cách đo đánh giá tốc độ đường truyền Làm báo cáo 11 Làm báo cáo 12 Làm báo cáo 0 Tieu luan MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI LỜI CẢM ƠN Bảng tiến độ công việc I Tổng quan mạng Zigbee .1 Khái niệm Cấu trúc mạng Zigbee Mơ hình mạng Zigbee Các dải tần số hoạt động zigbee Thành phần mạng zigbee .3 Ưu điểm Zigbee Nhược điểm Zigbee Các ứng dụng phổ biến Zigbee .4 Sơ đồ khối II Phần cứng phần mền cần sử dụng .6 Giới thiệu Module CC2530 .6 a Giới thiệu b Tính c Ứng dụng d Thông số kĩ thuật .7 e Các bước cấu hình .7 III Phần mềm 10 a Giới thiệu phần mềm 10 b Giao diện phần mềm .10 Thực hành kiểm tra so sánh đánh giá .11 0 Tieu luan So sánh lý thuyết 11 Điều kiện hoạt động 12 Sơ đồ nguyên lý mạch 12 Đánh giá kết đo 12 Chứng minh thực nhiệm 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO .15 0 Tieu luan I Tổng quan mạng Zigbee Khái niệm Công nghệ ZigBee xây dựng dựa tiêu chuẩn 802.15.4 tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, cấu trúc 802.15 Cơng nghệ ZigBee dùng sóng radio có tầng Hơn ZigBee thiết lập tầng khác nhờ mà thiết bị nhà sản xuất dù khác tiêu chuẩn kết nối với vận hành vùng bảo mật hệ thống Nhờ chức điều khiển từ xa không dây, truyền liệu ổn định, tiêu thụ lượng cực thấp, công nghệ mở giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho ứng dụng, đặc biệt ứng dụng nhà thông minh Cấu trúc mạng Zigbee Cũng giống truyền thông công nghiệp, thực giao thức truyền thơng, người ta thường phải dựa mơ hình kiến trúc chuẩn Bất kỳ giao thức truyền thông qui chiếu tới lớp mơ hình kiến trúc tương ứng Trong truyền thơng cơng nghiệp ta biết đến mơ hình qui chiếu OSI lớp Cấu trúc mạng Zigbee 0 Tieu luan ZigBee có kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, tầng vật lý tầng MAC (Medium Access Control) định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4 Sau ZigBee Alliance định nghĩa thêm thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo ứng dụng) Trong đó, việc thêm vào ZDO cải tiến đáng kể nhất, đối tượng thực nhiều tác vụ định nghĩa vai trò thiết bị, tổ chức yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị… Mơ hình mạng Zigbee Zigbee có ba dạng hình hỗ trợ dạng hình sao, dạng hình lưới dạng hình Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng sử dụng tùy vào trường hợp khác Dạng hình Dạng hình Dạng hình lưới Thiết bị điều phối mạng PAN Thiết bị đầy đủ tính FFD – Full Function Device Thiết bị tính thu gọn RFD – Reduce Device + Với dạng hình (Star network): nút liên kết với nút chủ vị trí trung tâm + Với dạng hình lưới (Mesh network): Mạng có độ tin cậy cao, nút mạng lưới có khả liên kết với nút khác, cho phép tín hiệu truyền liên tục mạng bền vững Nếu có cản trở hệ thống tự nhảy sang nút khác + Với dạng hình (Cluster network): Là mở rộng hình lưới phủ sóng mở rộng cao Các dải tần số hoạt động zigbee 0 Tieu luan ZigBee có kiến trúc nhiều tầng chuẩn 802.15.4, có tầng vật lý tầng MAC, hoạt động dải tầng sóng: + Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ + Dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật + Dải 2.4GHz cho nước khác Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác tốc độ đường truyền liệu đạt tới 250kbps Trong dải 868 MHz có kênh tín hiệu tốc độ đường truyền liệu đạt tới 20kbps Như tiêu chuẩn hoạt động khắp toàn cầu , dải tầng sóng khác Thành phần mạng zigbee Trong mạng Zigbee có loại thiết bị : + Zigbee Coordinator (ZC): Đây gọi thiết bị gốc có nhiệm vụ định kết cấu mạng, quy đinh cách đánh địa lưu trữ bảng địa Mỗi mang có ZC thiết bị “nói chuyện” với mạng khác + Zigbee Router (ZR): Thiết bị có nhiệm vụ định tuyến trung gian việc truyền liệu, tự phát lập đồ nút xung quanh theo dõi điều khiển nút hoạt động bình thường + Zigbee End Device (ZED): Gọi thiết bị điểm cuối giao tiếp với ZC ZR gần Chúng có nhiệm vụ đọc thơng tin từ thành phần vật lý, chúng thường trạng thái nghỉ làm việc cần chuyển nhận thơng điệp Q trình thiết lập mạng Zigbee sau: Quét mạng (Network Scan): Các thiết bị mạng quét kênh tín hiệu, ví dụ dùng dải tần 2,4GHz có 16 kênh để quét, sau thiết bị chọn kênh phù hợp để giao tiếp mạng Ta gọi chiếm chỗ: ocupacy + Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị tạo mạng kênh gia nhập vào mạng tồn sẵn 0 Tieu luan + Phát thiết bị: Thiết bị yêu cầu mạng phát địa kênh kích hoạt + Phát dịch vụ: Thiết bị quét dịch vụ hỗ trợ thiết bị phạm vi mạng + Liên kết: Thiết bị giao tiếp với thông qua lệnh tin nhắn điều khiển Ưu điểm Zigbee Nhờ vào đặc điểm truyền tải tín hiệu xa ổn định nên Zigbee sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp tự động hóa đặc biệt hệ thống truyền thông không dây Dưới ưu điểm áp dụng ZigBee: + Dễ dàng lắp đặt: Việc lắp đặt thiết bị dùng ZigBee dễ dàng + Kết nối internet: Bạn dễ dàng điều khiển thiết bị thông qua kết nối Internet từ đâu giới Giúp điều khiển giám sát dễ dàng + Tiết kiệm lượng: ZigBee tiêu tốn lượng giúp tiết kiệm điện tối đa + Khả mở rộng cực lớn: Các thiết bị hệ thống kết nối với tạo nên vùng phủ sóng cực lớn, giúp thiết bị nhà thơng minh kết nối với dễ dàng + Sử dụng mã hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao + Dễ dàng mở rộng: Zigbee mở rộng tới 65.000 thiết bị hệ thống Nhược điểm Zigbee Mặc dù có nhiều ưu điểm ZigBee có vài nhược điểm ví dụ như: + Khơng thể phủ rộng hết tồn khu vực có diện tích q rộng, cần thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng + Không xuyên tường mạnh được, khu vực truyền thông có nhiều vật cản bị giảm tín hiệu 0 Tieu luan + Độ ổn định không thiết bị dây Tuy nhiên nhược điểm chung tất loại sóng khác Các ứng dụng phổ biến Zigbee - Nhà thông minh: Công nghệ ZigBee chứng tỏ công nghệ đáng tin cậy việc thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome) Các ứng dụng khác kiểm soát giám sát mức tiêu thụ lượng, quản lý nước, kiểm soát ánh sáng , vv thực dễ dàng thông qua tự động hóa cơng nghệ ZigBee - Tự động hóa : Các thiết bị RFID dựa ZigBee giúp cung cấp quản lý truy cập đáng tin cậy ngành công nghiệp Các ứng dụng khác ngành công nghiệp bao gồm kiểm sốt q trình, quản lý lượng, theo dõi nhân sự, v.v - Chăm sóc sức khỏe: Một ví dụ phổ biến tự động hóa chăm sóc sức khỏe theo dõi sức khỏe từ xa Một người đeo thiết bị ZigBee với cảm biến đo thông số thể thu thập thông tin sức khỏe Thông tin truyền mạng ZigBee đến mạng Giao thức Internet (IP) sau đến nhân viên chăm sóc sức khỏe (bác sĩ y tá), người sau kê đơn thuốc phù hợp dựa thông tin nhận - Quản lý, giám sát lượng: Các hoạt động Zigbee lưới điện thông minh bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa , định vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v.v Sơ đồ khối Sơ đồ khối phát Sơ đồ khối phát 0 Tieu luan Sơ đồ khối thu Sơ đồ khối thu II Phần cứng phần mền cần sử dụng Giới thiệu Module CC2530 a Giới thiệu CC2530 Module sử dụng chip ( SoC ) dùng cho ứng dụng IÊ 802.15.4 2,4Hz, Zigbee RF 4CE kết hợp hiệu suất tuyệt vời thu phát RF hàng đầu với MCU 8051 nâng cao tiêu chuẩn công nghiệp, hệ thống nhớ flash lập trình, RAM KB nhiều tính mạnh mẽ khác CC2530 có bốn loại khác phiên flash: CC2530F32/64/128/256, với 32/64/128/256 KB nhớ flash tương ứng CC2530 có chế độ hoạt động khác nhau, làm cho phù hợp với hệ thống yêu cầu mức tiêu thụ điện cực thấp Thời gian chuyển đổi ngắn chế độ hoạt động đảm bảo tiêu thụ lượng thấp Kết hợp với ngăn xếp giao thức ZigBee đơn vị vàng hàng đầu ngành (Z- Stack ™) từ Texas Thiết bị, CC2530F256 cung cấp giải pháp ZigBee hoàn chỉnh mạnh mẽ Được kết hợp với ngăn xếp RemoTI trạng thái vàng từ Texas Instruments, CC2530F64 trở lên cung cấp cung cấp giải pháp điều khiển từ xa ZigBee RF4CE mạnh mẽ hồn chỉnh b Tính - Độ nhạy tốt - Cần thành phần kết nối ngồi - Cơng suất đầu lên đến 4,5dBm - Với tần số vơ tuyến tồn giới - Cơng suất thấp ( Active Mode RX : 24mA) 0 Tieu luan c Ứng dụng - Hệ thống chiếu sáng - Kiểm sốt giám sát cơng nghiệp - Mạng cảm biến không dây công suất thấp - Điện tử gia dụng - Chăm sóc sức khỏe - Hệ thống IEE 802.15.4 2,4Hz - Hệ thống điều khiển từ xa RF4CE ( 64-KB Flash cao ) - Hệ thống Zigbee ( 256 KB Flash ) - Tự động hóa tịa nhà d Thơng số kĩ thuật - IC RF Zigbee CC2530 PA V2 - Mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530 V1 - Điện áp sử dụng : - Vdc - Dòng tiêu thụ : < 30mA - Chuẩn truyền sóng zigbee 2.4Ghz - Tốc độ truyền sóng tối đa 3300bps - Cơng suất truyền : 4.5 dbm - Khoảng cách truyền lý tưởng : < 300m - Tần số sóng mang 2.4GHZ, khả xạ xuyên thấu vật cản cao - Giao thức Serial (UART) TTL 3.3V, tốc độ giao thức (baudrate) tùy chỉnh từ 2440 tối đa 115200 e Các bước cấu hình Bước :Khơng cấp nguồn, nhấn giữ nút key,sao cấp nguồn, ( led module nhấp nháy báo hiệu truy cập chế độ set cấu hình) Thả nút nhấn ra, lại nhấn nút để chọn mức voudrate phù hợp theo bảng 0 Tieu luan Bước : Sau chọn Baudrate xong, nhấn tì (nhấn giữ) nút ấn để sang bước (4 led module nhấp nháy báo hiệu truy cập bước 2) Thả nút nhấn ra, lại nhấn nút để chọn kênh (Chanel), lưu ý để module truyền cho bước bạn cần cài đặt chọn kênh giống Bước : Sau chọn Chanel xong, nhấn tì nút ấn để sang bước (4 led module nhấp nháy báo hiệu truy cập bước 3) Thả nút nhấn ra, lại nhấn nút để chọn chế độ truyền dẫn Nó có chế độ truyền dẫn: + Point to Point: Dùng để truyền nhận moudle cho (Ta lựa chọn địa (tránh trùng với module người khác) 16 địa khác nhau) Module thứ chọn cấu hình point A Module thứ hai chọn cấu hình point B + Broadcast: Người dùng tạo mạng lưới truyền dẫn Node để tạo nhà mạng cho riêng mình, chất IoT chưa bạn laugh (cái bạn nên tìm hiểu thêm) 0 Tieu luan Cấu hình cho trường hợp broadcast Bước : Sau chọn kiểu truyền nhận xong, nhấn tì nút ấn để sang bước 4 led module nhấp nháy báo hiệu cài đặt thành công lưu mãi Lưu ý thiết đặt lưu có hiệu lực bạn đến bước Để thiết đặt lại rút nguồn quay bước 0 Tieu luan Chân UART UART hay thu-phát không đồng đa hình thức giao tiếp kỹ thuật số thiết bị với thiết bị đơn giản lâu đời Bạn tìm thấy thiết bị UART phần mạch tích hợp (IC) dạng thành phần riêng lẻ Các UART giao tiếp hai nút riêng biệt cách sử dụng cặp dẫn nối đất chung Sơ đồ nối dây kiểu UART - Cách sử dụng : Chúng ta kết nối dây module USB UART CP2102 với module ZIGBEE CC2530 theo sơ đồ hình Sơ đồ kết nối dây USB2 Module CC2530 UART CP2102 10 0 Tieu luan Phần mềm a Giới thiệu phần mềm Form1 cơng cụ dược nhóm chúng em thiết kế nhằm mục đích hoạt động thiết bị đầu cuối xử lý cổng nối tiếp, giao thức UDP / IP TCT / IP b Giao diện phần mềm Phần mềm giao diện người gửi Phần mềm giao diện người nhận - Thực bước sau laptop nhân laptop gửi: Bước : Ở phần TÊN CỔNG COM chọn cổng COM mà module Zigbee CC2530 PA V2 kết nối với laptop Bước : Ở phần BAUNDRATE chọn dùng với tốc độ cài đặt module CC2530 PA V2 (Cụ thể 9600) Bước : Ở mục liệu gửi đi, gõ kí tự muốn truyền kết hiển thị sang phần mền Form1 máy tính khác 11 0 Tieu luan Sơ đồ kết nối chân thiết bị Chi tiết khối : + Module Zigbee: module Zigbee CC2530, có chức truyền liệu khơng dây theo giao thức Zigbee với khối khác, giao đường truyền UART đến mạch chuyển USB-UART + Mạch chuyển USB-UART: chuyển đổi qua lại hai giao diện truyền nhận tín hiệu theo chuẩn TTL USB + Laptop/Desktop: máy tính chạy hệ điều hành Windows, có cổng USB để kết nối với mạch chuyển USB-UART Máy tính chứa phần mềm - phần mềm giao tiếp với hệ thống Zigbee thông qua cổng USB III Thực hành kiểm tra so sánh đánh giá So sánh lý thuyết Thông số Tần số Phạm vi Dữ liệu truyền Năng lượng tiêu thụ Ứng dụng Wifi 1GHz