Tìm hiểu công nghệ zigbee ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ ZIGBEE Sinh viên thực hiện: Dương Ngọc Ninh Trương Ngọc Lĩnh Hoàng Bá Lợi hướng dẫn: Võ Thanh Tú Huế, tháng năm 2021 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .3 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE .4 1.Khái niệm: Cấu trúc Zigbee: Mơ hình mạng Zigbee: Đặc điểm Zigbee: .10 Ưu điểm nhược điểm Zigbee: 11 Các ứng dụng zigbee: .13 CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 16 Mơ hình hệ thống: 16 Truyền liệu: 19 PHẦN KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .23 PHẦN MỞ ĐẦU Trong mạng viễn thông ngày nay, người quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm trị”, mua bán thử nghiệm- nghĩa thực tất loại hình hoạt động cách mà có ICT làm Mạng viễn thơng tạo cầu nối liên kết loài người khắp hành tinh chúng ta, mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hư vọng khơng chút bí ẩn Tuy vậy, dải băng tần eo hẹp tồn đọng nhiều thách thức muốn đạt đầy đủ tiềm Các nhà khoa học giới nghĩ đến việc sử dụng băng tần cao hơn, việc vấp phải nhiều trở ngại cơng nghệ điện tử chế tạo chưa theo kịp Vì giải pháp cấp bách đưa sử dụng chung kênh tần số, cịn nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ can nhiễu lẫn thiết bị tần số, vấn đề xung đột thiết bị… Một công nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu công nghệ ZigBee Sau nhóm tụi em trình bày rõ công nghệ Mong nhận lời nhận xét từ thầy để nhóm em hồn thiện tốt PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE 1.Khái niệm: ZigBee giao thức mạng không dây dùng để kết nối thiết bị với 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 802.15.4 có tầng tầng vật lý tầng MAC (medicum Access Control) Hiện công nghệ cho đời nhiều loại sóng Wifi, Bluetooth, hồng ngoại… Tuy nhiên sóng Bluetooth hay hồng ngoại khơng thể sử dụng để truyền tín hiệu nhà hạn chế độ phủ khả truyền tải Sóng Zigbee phát triển để truyền tín hiệu hệ thống nhà thơng minh ổn định tiết kiệm điện loại sóng Phiên Zigbee 2004 Zigbee 2006 Chi tiết Đây phiên ZigBee - gọi ZigBee 1.0, đời vào tháng 6/2005 Phiên giới thiệu khái niệm chùm, đời vào tháng 9/2006 Zigbee 2007 Zigbee PRO RF4CE Phiên đời tháng 10/2007 có hai loại hình dạng khác Phiên phiên năm 2007 nâng cấp lên để cài đặt nhanh tăng tính bảo mật cho hệ thống Là dạng tần sóng vơ tuyến cho thiết bị điện tử có ứng dụng âm nghe nhìn, đời năm 2009 Phiên đời năm 2015 Zigbee PRO 2015 Zigbee 3.0 Là Zigbee PRO 2017 cập nhật từ Zigbee PRO 2015 Cấu trúc Zigbee: Ngoài tầng vật lý tầng MAC xác định tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee cịn có thêm tầng hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị đối tượng ứng dụng - Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hồn điều biết gói tín hiệu vào khơng gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu mạnh môi trường nhiễu - Tầng MAC: sử dụng công nghệ đa truy cập nhận biết song mang CSMA để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định xác định hình dạng mạng, giúp hệ thống mạnh vững - Tầng mạng - NWK tầng phức tạp ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Tầng xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa ZigBee thay địa tầng MAC bên - Tầng hỗ trợ ứng dụng - APS tầng kết nối với tầng mạng nơi cài đặt ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt gói liệu trùng lắp từ tầng mạng - Tầng đối tượng thiết bị - ZDO có trách nhiệm quản lý thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý yêu cầu xác định trạng thái thiết bị - Tầng đối tượng ứng dụng người dùng - APO: tầng mà người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng cho phép người dùng tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống 3 Mô hình mạng Zigbee: Các nút mạng mạng Zigbee liên kết với theo cấu trúc: - Cấu trúc hình (star) - Cấu trúc hình lưới (mech) - Cấu trúc bó cụm hình Sự đa dạng cấu trúc mạng cho phép công nghệ Zigbee ứng dụng cách rộng rã a Cấu trúc liên kết mạng hình (star): - Gồm nút trung tâm, tất nút khác kết nối với nút trung tâm này, mạng hình bị hạn chế khoảng cách mở rộng Thiết bị FFD thiết bị đầy đủ tính Thiết bị RFD thiết bị tính thu gọn - Khi FFD kích hoạt lần tạo nên mạng độc lập trở thành điều phối mạng PAN (thiết bị điều phối mạng) Mỗi mạng hình phải có số nhận dạng cá nhân riêng để hoạt động cách độc lập Khi FFD RFD kết nối tới PAN b Cấu trúc liên kết mạng hình lưới (mesh): Gồm nút trung tâm , nút mạng kết nối với Khi đường truyền bị lỗi , tự động tìm đường truyền khác, tăng tính tin kết nối mạng - Thực chất kết hợp kiểu cấu trúc mạng hình mạng hàng ngang, cấu trúc mạng thiết bị tạo kết nối với thiết bị khác miễn thiết bị nằm phạm vi phủ sóng thiết bị Các ứng dụng cấu trúc áp dụng đo lường điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo kiểm kê c Cấu trúc liên kết mạng hình (cluster-tree): Gồm nút trung tâm , nút khác liên kết với theo mơ hình giống rễ cây, mạng có khả mở rộng cao, tăng khoảng cách quy mô hệ thống Đặc điểm Zigbee: - Tín hiệu cơng nghệ Zigbee truyền xa đến 75m tính từ trạm phát khoảng cách xa nhiều tiếp tục phát từ nút liên kết hệ thống - Các liệu truyền theo gói, gói tối đa 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104bytes Tiêu chuẩn hỗ trợ địa 64bit địa ngắn 16bit Loại địa 64bit xác định thiết bị có địa IP Khi mạng thiết lập, địa ngắn sử dụng cho phép 65000 nút liên kết - ZigBee hoạt động ba dải tầng sóng là: + Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu Nhật: Trong giải có kênh (kênh số 0) tốc độ truyền thấp khoảng 20kb/s + Dải 915MHz khu vực Bắc Mỹ: Có 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 tốc độ khoảng 40kb/s + Dải 2.4GHz nước cịn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 tốc độ truyền tải cao tới 250kb/s Ưu điểm nhược điểm Zigbee: a Ưu điểm: Khi sử dụng Zigbee, bạn có nút điều phối để điều khiển nút kết nối khác Nếu nút không hoạt động (vì số lý đó) kết nối với nút thứ hai mạng lưới, lúc nút điều phối tự động kết nối với nút thứ hai nút khác phạm vi Ngồi có số ưu điểm là: - 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 nhà thông minh dễ dàng - Tiết kiệm lượng: ZigBee tiêu tốn lượng giúp tiết kiệm điện tối đa - 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 - ZigBee hoạt động ổn định khu vực có mật độ tín hiệu dày đặc có nhiều tín hiệu gây nhiễu nhờ khả đánh giá chất lượng, phát lượng tiếp nhận đánh giá kênh rõ ràng b Nhược điểm: - Không thể phủ rộng hết tồn nhà có diện tích q rộng, cần thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng - Khơng xun tường mạnh được, nhà nhiều phịng bị giảm tín hiệu - Độ ổn định không thiết bị dây Tuy nhiên nhược điểm chung tất loại sóng khác Các ứng dụng 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 thơng qua tự động hóa cơng nghệ ZigBee Tự động hóa : Các thiết bị RFID (Radio Frequency Identification) 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 CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH Mơ hình hệ thống: Hệ thống sử dụng mơ hình mạng Zigbee hình (Start Network): Mạng có Coordinator (ZC) End Device (ZED) Khi ZC kích hoạt lần trở thành điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình có PAN ID riêng để hoạt động độc lập Mạng có ZC kết nối với FFD RFD khác ZED không truyền trực tiếp liệu cho Sơ đồ khối tổng quan gate noteway 2 Truyền liệu: Các nút cảm biến thực truyền nhận liệu đến thiết bị chủ Gateway thông qua giao thức Zigbee Khi nút cảm biến nhận liệu từ Gateway gửi đến (là địa Node), gửi khung truyền gồm 12 ký tự (bao gồm thông số cảm biến) đến Gateway Khung truyền chuỗi 12 ký tự gồm: ký tự địa Nút cảm biến, ký tự nhiệt độ, ký tự độ ẩm không khí, ký tự độ ẩm đất ký tự “#” để kết thúc khung Từ thiết bị chủ Gateway truyền liệu từ nút cảm biến lên Server thông qua Internet giao thức TCP/IP Gateway gửi liệu địa Node khoảng thời gian định từ Node đến Node Khi nhận liệu Node gửi về, thực kiểm tra xem liệu từ Node gửi Sau thực tách chuỗi nhận từ Node, gửi thơng số cảm biến Node lên Server Khi thiết bị trung tâm Gateway nhận từ Node sensor chuỗi qua mạng Zigbee thông qua giao tiếp UART, vi điều khiển xử lý tách chuỗi để lấy tên địa Node gửi liệu đến, giá trị cảm biến Node đo đạc Sau đó, gửi liệu tách lưu Web Server Thành phần thiết bị trung tâm bao gồm: module nguồn, vi điều khiển có khả kết nối WiFi, hình hiển thị LCD truyền tín hiệu khơng dây (Zigbee) Trạm giám sát thiết bị thu thập liệu thông số môi trường gửi từ nút cảm biến Thiết bị phân tích gói tin mà nút cảm biến gửi đến, lấy thông số môi trường mà nút cảm biến đo được, hiển thị chúng lên hình LCD gửi chúng lên sở liệu qua Wifi PHẦN KẾT LUẬN Hệ thống ZigBee tối ưu hóa để chắn tiêu thụ lượng thấp Chỉ có nút có điều khiển cảm biến trung tâm có sử dụng nguồn điện lại nút khác khơng cần lương (có thể vận hành chế độ sleep mode) Điều giúp cho pin dùng thiết bị sử dụng cơng nghệ ZigBee có tuổi thọ cao tính đến hàng năm mà khơng cần thay Mặc dù ngày có nhiều lựa chon cho mạng không dây, ZigBee lựa chọn nhà sản xuất thiết bị hàng đầu tính ứng dụng điều khiển từ xa, cảm biến hệ thống thi hành (Rờ le, van đóng mở…), tính ổn định cao, bảo mật, khả mở rộng, giá thành rẻ, tiêu thụ điện thấp, hệ thống mở cho nhiều nhà sản xuất, ngày cải tiến tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO "The Zigbee Alliance Rebrands as Connectivity Standards Alliance" zigbeealliance.org Retrieved May 12, 2021 https://vi.giosmart.vn/cong-nghe-zigbee http://www.zigbee.org/About/AboutTechnology/ZigBee Technology.aspx http://www.wisegeek.org/what-is-zigbee.htm Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Wireless Automation Systems: Optimizing Reliability, Security and Coexistence, 2008 Implementing ZigBee™ in Existing Industrial Automation Networks, Sensors Expo 2005