Điều khiển và giám sát mạng cảm biến Đa Điểm không dây dùng công nghệ zigbee

Việc nghiên cứu va ứng dụng điều khiển thông qua mạng không dây vào thực tế cuộc sống là một điều rét cán thiết trong vai trò làm chủ công nghệ hiện nay.. Áp dụng các kỹ thuật này có thể

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

HGMUIIE

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

DIEU KHIEN VA GIAM SAT MANG CAM BIEN

DA DIEM KHONG DAY DUNG CONG NGHE ZIGBEE

GVHD: TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: TRƯƠNG QUANG TRỰC

SKLOO

TP Hồ Chí Minh, thang 07/2014

BQ GIAO DUC & DAO TAO TRUONG DAI HQC SU PHAM KY THUAT TP HO CHi MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỦ-CÔNG NGHIỆP

DO AN TOT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐÈ TÀI:

DIEU KHIEN VA GIAM SÁT MẠNG CAM

BIEN DA DIEM KHONG DAY DUNG CONG

NGHE ZIGBEE

Th.s Truong Ngoc Anh : Trwong Quan Truc : 10201051

PHAN I

GIOI THIEU

TRUONG DH SU PHAM KY THUAT CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET

NAM

TP HO CHi MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 NHIỆM VỤ ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Võ Thành Triệu MSSV: 10201050

Truong Quan Trực MSSV: 10201051 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mãngành: 01

Hệ đào tạo: Đại học chính quy (K3/7) Mã hệ: 2

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/03/2014

1V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/7/2014

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths.Trương Ngọc Anh

Ths Trương Ngọc Anh

TRUONG DAI HQC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

—=-—=—=—- Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

LICH TRÌNH THỰC HIỆN ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP

Họ tên sinh viên l: Võ Thành Triệu

Họ tên sinh viên 2: Truong Quan Trực

Tên đề tài: DIEU KHIEN VÀ GIÁM SÁT MẠNG CẢM BIEN DA DIEM

KHÔNG DÂY DÙNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE Tuằn/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

1/2014 Ì Nhân để tai tir GVHD

15/3/2014 ` Tim lài liệu trên Internet

29/3/2014) {im hiểu Rasperry Pi

[ T804 7

T

| +

21/6/2014 y hoán chỉnh theo yêu câu dé ra

12/7/2014 Hoan chinh bao cdo

LOI MO ĐẦU

Thế giới ngày nay với khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, cuộc sống con người ngày càng được phát triển tốt hơn Khoa học kỹ thuật đem lại nhiều tiện ích thiết thực hơn cho cuộc sống chúng ta Góp phần không thẻ thiếu để mang lại những thành tựu to lớn là

sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điều khiển các thiết bị không dây Kỹ thuật điều khiển từ xa đã mang đến những thay đổi to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong nhu cầu đời sống hàng ngày của con người Nhờ sự phát triển đó, các thiết bị máy móc ở xa có thể giao tiếp với nhau và được điều khiển, giám sát một cách dễ dàng, các

công việc được thực hiện hiệu quả hơn

Kỹ thuật điều khiển và giám sát thông qua chuẩn giao tiếp không đây là kỹ thuật

của tương lai, là chìa khóa đi vào công nghệ hiện đại Đối với sinh viên chuyên ngành điện

tử, đây lá một lĩnh vực mới, hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng Việt Nam là một nước đang phát triển va wong giai đoạn “Công nghiệp hóa, hiện đại hóa”, như vậy nhu cầu về khoa

học kỹ thuật để đ¿y ứsz cho giai đoạn này là rất cao Vì thế Việt Nam đã và đang đầu tư nhiều kinh phí và nhan lize dé có thể nắm bắt va dần làm chủ được công nghệ

Việc nghiên cứu va ứng dụng điều khiển thông qua mạng không dây vào thực tế cuộc sống là một điều rét cán thiết trong vai trò làm chủ công nghệ hiện nay Để góp phần tạo nên nền tảng ban đáu vững chắc cho việc học tập, tìm hiểu kỹ thuật điều khiển thông, qua các chuẩn giao tiếp không đáy, nhóm thực hiện đề tài đã tập trung nghiên cứu đề tài:

“ĐIÊU KHIÊN VÀ GIÁM SÁT MẠNG CẢM BIẾN DA DIEM KHONG DAY DUNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE”

Những kiến thức và kỹ năng đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được

đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án cuối khóa Vì vậy, nhóm thực hiện đẻ tài cố gắng tận dụng

những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu kết hợp với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng Thầy/Cô thuộc Khoa Điện - Điện Tử để có thê hoàn thành tốt đồ án này

Mặc dù nhóm thực hiện để tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đặt ra và đúng

thời hạn nhưng do còn hạn chế về kiến thức nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những

thiếu sót, hạn chế, mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm Nhóm rất biết ơn

iv

và mong nhận được những ý kiến đóng góp ý kiến của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên

LOI CAM ON

Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tắt cả quý thầy cô giảng dạy tại

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hỗ Chí Minh, đặc biệt là quý thây cô khoa

Điện - Điện Tử Äã giảng dạy và cung cắp những kiến thức bổ ích tạo tiền đỀ quan trong cho nhóm thực hiện đồ án này

Nhóm xin gửi lời càm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn thầy Trương Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cắp các kiến thức và vật tư quan trọng giúp nhóm có nhiều điều kiện thuận lợi trong suối quá trình thực hiện đồ án

Cảm ơn bạn bè và những người thân đã góp ý kiến, giúp đỡ và động viên nhóm hoàn thành để tài này

Sau cung xin giới lời chúc sức khỏe đến các Thây cô và tất cả các bạn!

NHÓM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

'Võ Thành Triệu

Trương Quan Trực

vi

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHÁM ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP

1 Tên đề tài tốt nghiệp:

DIEU KHIEN VA GIAM SÁT MANG CAM BIEN DA DIEM KHONG DAY

DUNG CONG NGHE ZIGBEE Cán bộ hướng dẫn: ThS Trương Ngọc Anh

2 Nhận xét:

3 Đềnghị: Được bảovệ:[1 Bổ sung để được bảo vệ:[] Không được bảo vệ: L1

4 Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (đành cho cán bộ phản biện) Câu

5 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi,

6 Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm

Cán bộ hướng dẫn

vii

MUC LUC

PHAN I: GIỚI THIỆ

PHẢN II: NỘI DUNG

CHUONG ft: DAN NHAP

1.1 Đậi vấn đề

2.2.2 Thiết lập, kết nối và kết nói lại các mạng Xbee

2.2.3 Tái tham gia mang

ZL

ol

2.3.2 Cấu tạo của Raspberry Pi

2.3.3 Giới thiệu bộ xử lý trung tâm của Raspberry

2.3.4 Phụ kiện hỗ trợ kèm theo

2.4 Giới thiệu Arduino

2.4.1 Sơ lược về lịch sử

2.4.2 Giới thiệu về Arduino Uno

2.4.3 Cấu tạo của Arduino Uno

3.1 Yêu cầu của để tái

3.2 Lựa chọn thiết bị ứng dụng mô hình mạng

3.3 Sơ đồ khối hệ thống

3.4 Phân tích hệ thống

3.5 Thiết kế mô hình mạng Xbee

3.6 Thiết lập thông số Xbee

3.7 Sơ đồ kết nối

3.7.1 Master Rasperry Pi kết nối với Xbee

3.7.2 Salve Arduino uno kết nối với Xbee

4.1 Cai dat va sir dung Raspberry Pi

4.2 Cac lénh co ban trén Raspberry Pi

4.3 CAI DAT WEBSERVER

4.3.1 Các phụ kiện cần thiết dé thiét lap Webserver

4.3.2 Cài đặt Apache với PHP

4.3.3 Cài đặt MySQL

4.3.4 Cai dat FPT server

4.3.5 Cai dat phpMyAdmin

4.3.6 Cài đặt thư viện MySQL cho lap trinh Python

4.4 LAP TRINH GIAO DIEN WEB

4.4.1 Bồ cục của trang web điều khiển

CHƯƠNG V: LƯU ĐỎ GIẢI THUẬT

LIET KE HIN

Hinh

Hình 2.1: So sánh các kỹ thuật không dây

Hinh 2.2: Module Xbee

Hình 2.3: Kết nỗi mạng lưới trong Xbee

Hình 2.4: Việc tìm lại đường đi trong mạng lưới XBe‹

Hình 2.5: Thời gian sử dụng Pin của Xbee

Hình 2.6: Các mảng thị trường của XBee

'Hình 2.7: Kiến trúc của XBee

Hình 2.8: Quá trình XBee tạo mạng

Hình 2.9: Quá trình XBee tham gia mạn,

Hình 2.10: Gán địa chỉ Cskip trong cây đối xứng

Ninh 2.14) Raspberry Pi

Hình 2.12: Chu tao cua Raspberry Pi

Hinh 2.13: So 44 chan của Raspberry Pi

Hình 2.19: Giao điện phán m#m lập trình trén Arduino Un

Hình 2.20 Xbee shield v03 kết nối Arduino với Xbee

Hình 2.21: Mô hình Web server

Hình 2.22: Mô tả hoạt động của MySQL

Hình 2.23: Sơ đồ khói hoạt động của 1 web serve:

Hình 2.24: Nguồn code HTML của | trang web

Hình 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.2: Cấu trúc liên kết mạng

Hình 3.3: Giao diện chương trình X-CTU

Hình 3.4: Thông báo kết nối thành công

Hình 3.5: Tab thiết lập của X-CTU

Hình 3.6: Thiết lập các cấp điều khiển

Hình 3.7: Tab sử dụng lệnh AT

Hình 3.8: Sơ đề kết nối UART giữa RPI và Xbee

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối USB giữa RPI và Xbee

Hinh 3.10 : Arduino kết nối với Xbee thông qua Xbee arduino shield

Hình 3.11 : Arduino kết nối với cảm biến DHT11

Hình 3.12: Sơ đồ chân của DHTI1

Hình 3.13: Mô hình giao tiếp DHT11 với MCU

Hình 3.14: Mô hình khởi động giao tiép gita MCU va DHT11

Hình 3.15: Bịt 0 của dữ liệu từ DHT11

Hình 3.16 : Bịt 1 của dữ liệu từ DHT11

Hình 4.1: Anh chup trang dé tai gi NOOBS,

Hình 4.2: Màn hinh lựa chọn hệ điều hành của gói NOOBS

Hình 4.3: Quá trình cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi

Hình 4.7: Hộp thoai Boot behaviour

Hinh 4.8: Giaw didn web

Hinh 5.1: Luu dé siave

Hình 5.2: Lưu đồ C»zzzng trình con đọc dữ liệu DHT11

Hình 5.3: Lưu đồ meser

Hình 5.4 : Lưu đô xáz đựng một wedsite

Hình 6.1 : Giao điện cí

Hình 6.2: Giao điện báng điéu khiến thu thập dữ liệt

Hình 6.3: Mô hình mạng master va slave

Hình 6.4: Slave (Arduino ~ Xbee shieid + Xbee + DHT11)

LIET KE BANG

Bảng 2.1: So sánh xu hướng ứng dụng giữa các giao thức wireless khác và XBee Bang 2.2: Các chân của module Xbee

Bang 2.3: Cskip được tính toán cho stack profile 0x01

Bảng 2.4: So sánh các phương tìm đường trong Xbe‹

Bảng 3.1: So sánh Xbee, Bluetooth, wifi

PHAN II

NOI DUNG

pO AN TOT NGHIEP GVHD: Ths.Trwong Ngoc Anh ee

11 ĐẶT VẤN ĐỀ

Thế giới đang sống trong thời đại các thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển không

ngừng Sự vận động tích cực ấy xuất phát từ nhu cầu của con người, từ những điều rất bình thường trong đời sống sinh hoạt thường ngày đến những nhu cầu đặc biệt trong hoạt động học tập, nghiên cứu, sản xuất Xu hướng thiết bị công nghệ trong những năm gần đây đang nghiêng rõ rệt về các sản phẩm mang tính chất tự động hóa cao, giảm dần sự phụ thuộc vào con người Trong đó, việc áp dụng các kỹ thuật về điều khiển thiết bị qua mạng không dây sử dụng máy tính ngày càng phổ biến

1.2 LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀI

Xã bồi hiện đại với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, con người có thêm nhiều lựa chọn cũng như đặt ra nhiều yêu cầu hơn để phục vụ cho cuộc sống của mình Tốc độ phát triên c2 zriang Íntemet ngày càng nhanh mang con người đến gẦn nhau hơn cũng như giải quyết được øb/2u vấn để hơn Cùng với sản phẩm thông minh ra đời ngày càng đa

dang như máy tính xen t2y, máy tính bảng, và sự phát triển nhanh đến mức chóng mặt của các dòng điện thoại z2z:g rninh đã giúp việc truy cập mạng ngày càng phổ biến hơn Việc truy cập mạng Interet đườn: 42 trở thành một thói quen và cần thiết trong cuộc sống, từ phục

vụ công việc, học tập, tra cứ tim kiếm thông tin cho đến các hoạt động giải trí đều sử dụng

Internet mọi lúc mọi nơi Với những lợi ích thiết thực từ mạng Internet, nhóm nghiên cứu đã

nhận thấy, việc ứng dụng Internet vào trong “mạng cảm biến không dây” là một ý tưởng rất hay, tiện lợi và cần thiết cho con người Nó không những giúp chúng ta theo dõi các thông số

đo được ở mọi lúc mọi nơi mà côn có chức năng ghỉ lại các giá trị để cho chúng ta có thể xem

lại bắt kì giá trị nào vào bất kì thời điểm nào mà chúng ta mong muốn

Để tận dụng những ưu điểm của các kỹ thuật hiện nay, nhóm đã đưa ra giải pháp nhằm giảm đi sự phức tạp trong quá trình thiết kế và sản xuất, sản phẩm có tính ổn định cao, quá trình đưa sản phẩm tới cộng đồng được rút ngắn đáng kể Áp dụng các kỹ thuật này có thể thiết kế và sản xuất ra các mô hình mạng hay các sản phẩm cung cắp các tính năng điều khiển

và giám sát từ xa, bao quát được các đối tượng điều khiển một cách dễ dàng

ĐÔ ÁN TOT NGHIEP GVHD: Ths.Trương Ngọc Anh

Qua tìm hiểu, công nghệ ZigBee ra đời cải thiện việc điều khiển thiết bị qua mang

không dây, với nhiều đặt điểm vượt trọi so với wifi, bluetooth Nhưng công nghệ ZigBee còn khá mới, chưa được sử dụng ở Việt Nam

Bên cạnh đó, việc phát triển không ngừng của các chip vi xử lý đã cho ra đời nhiều KIT vi điều khiển, KIT hệ thống nhúng với nhiều chức năng, hỗ trợ người nghiên cứu lĩnh vực

công nghệ nói chung và lĩnh vực Điện tử nói riêng Sự phát triển của vi điện từ và mạng Internet giúp con người sáng tạo ra thêm nhiều ứng dụng hay, thiết thực mà điển hình là

“mạng cảm biến” Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài này cho Đề Án Tốt

Nghiệp của mình là : “Giám sát và điều khiển mạng cảm biến đa điểm không dây dùng

cing nghé Zighee ”

13 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Với việc nhớm nghiên cứu chọn đề tài “Giám sát và điều khiển mạng cảm biến đa

điểm không dây dòng công nghệ Zigbee”, thiết bị phải đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu như giao tiếp được mạng ízsrmet, hỗ trợ thực thì các chương trình ứng dụng do người dùng lập trình, vừa đóng vai trở Í4 một KÍT ví điều khiển để điều khiển các ngõ vào ngõ ra, các chức

năng truyền dữ liệu giao tiếp với các thiết bị mở rộng khác, Trên thị trường hiện nay, việc tìm

kiếm một thiết bị như vậy ksóng quá khó, nhưng việc lựa chọn thiết bị nào có thể vừa đáp ứng được đầy đủ các chức năng mm2 đề tải cần vừa có giá thành phù hợp vừa hỗ trợ người nghiên cứu tìm ra hướng đi mới là vấn đề mà nhóm nghiên cứu cần nhanh chóng giải quyết

Qua việc tìm hiểu, nhóm nghiên cứu quyết định chọn Raspberry Pi làm đối tượng

nghiên cứu để thực hiện đề tài Với giá thành vừa phải, vừa đáp ứng được các yêu cầu mà đẻ tài cần vừa sử dụng chip vi xừ lý thế hệ mới, Raspberry sẽ là lựa chọn đúng đắn của nhóm

nghiên cứu Việc tiếp cận những KỊT vi điện tử công nghệ mới luôn là sự mong muốn và cũng

là những thử thách cho sinh viên kỹ thuật nói chung và lĩnh vực điện tử nói riêng

Còn về mô hình mạng sử dụng mô hình mạng ZigBee tiêu biểu là sản phẩm Xbee được chọn

để xây dựng mạng cảm biến chỉ tiết xem thêm phần Tổng quan về mạng Xbee

Vấn đề kết nối với cảm biến dùng giả pháp Board Arduino thay cho việc làm vi điều khiển thi

công mạch

=——ễễễỄễễễễ

pO AN TOT NGHIEP GVHD: Ths Truong Ngge Anh

Trong giới hạn thời gian cho phép để hoàn thành đồ án, kết hợp với những kiến thức

tích lũy được trong quá trình học tập, do đó nhóm chúng em chỉ tập trung nghiên cứu về:

© Cách tạo một giao diện Web điều khiển bằng ngôn ngữ Python, HTML, Javascript,

Jquery cơ bản

© _ Thiết lập Web Server trên Raspberry

© _ Sử dụng ngôn ngữ Python đẻ lập trình trên Raspberry và đưa dữ liệu lên Web Server

« _ Sử dụng ngôn ngữ C để lập trình trên Arduino Uno

* _ Thiết lập mô hình mang Zigbee với Xbee

1% DÀN Ý NGHIÊN CỨU

Với yêu cần đề ra và xác định hướng giải quyết, nhóm nghiên cứu xây dựng luận văn

gdm các nội dung chính như sau:

' Mục tiêu đê tai

Y Gidi han dé tai

© Chương 4 Lập trình phần mềm

+⁄ Cấu hình cho Xbee

*⁄ Lập trình giao tiếp cảm biến

w Cài đặt Web Server

*⁄ Tạo giao diện trang Web Server

Chương 5 Lưu đồ giải thuật

—

ĐÔ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Trương Ngọc Anh

Y Master

Y Slave

v Raspberry Pi

© Chương 6 Kết quả nghiên cứu, kết luận và hướng phát triển

vˆ Kết quả nghiên cứu

đối với các sinh »iên Các trang mạng chuyên nghiên cứu về điện tử trên thế giới cũng đã đưa

Raspberry Pi các dự án ngfiiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, và trong các

lĩnh vực đời sống x2 bí Tuy mới ra đời không lâu, nhưng việc nghiên cứu về Raspberry Pi đang diễn ra rất là rzz:Ð mẽ và cảng ngày càng xuất hiện những ứng dụng hết sức là độc đáo

và có tính ứng dung cao Déc biét, Raspberry Pi rất được đông đảo nhiều bạn sinh viên ngành điện điên tử chọn lám đê tải nghiên cứu đỗ án tốt nghiệp Vi thé, Raspberry Pi là một sức hút

thực sự, nơi mà các bạn sinh viên giảu lòng nhiệt huyết và sáng tạo làm cho raspberry ngày

càng trở nên mạnh mẽ hơn Nhưng Raspberry Pi vẫn còn khá là mới mẽ đối với nhiều người ở

Việt Nam vì nó mới ra đời không lâu Nhưng trong tương lai thì Raspberry Pi sẽ trở nên phổ

biến hơn ở Việt Nam vì nó là một chiếc máy tính giá rẻ và rất hiệu quả trong việc học tập và

nâng cao khả năng lập trình

.Một số dự án nghiên cứu về mạng XBee trên thế giới:

- Remote Control Car: http://sinocetchen blogspot.com/

- Anyway remote controlled segway: http://pinterest.com/electrodiy/xbee-projects/

- Raspberry Pi Garage Door Opener: http://www instructables.com/id/Raspberry-Pi-

ĐÔ ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths.Trương Ngọc Anh

———ễễễễ———-

17 Ý NGHĨA THUC TIEN

Mô hình ứng dụng của đề tài “Giám sát và điều khiển mạng cảm biến đa điểm

không dây dùng công nghệ Zigbee ” đem lại một giải pháp khác trong việc giám sát và điều

khiển các hệ thống lớn trong tự động hóa công nghiệp hoặc nhỏ hơn thì các thiết bị điện tử gia

dụng, các thiết bị tự hành, robot, ngoài cách sử dụng RF, Wifi, bluetooth

Với sự phát triển của công nghệ XBee ngày nay, điều này thực sự hữu ích đối với các

hộ gia đình, trường học, xưởng sản xuất, bảo quản, các nhà máy, xí nghiệp Vì phạm vi điều

khiển của mỗi module Xbee có bán kính khá lớn và có thể xây dựng thành I hệ mạng lớn hơn Bên cạnh đó, khả năng mở rộng vùng giám sát, điều khiển là dễ dàng vì chỉ cần cho lắp đặt các tram phát trong những khu vực mong muốn, các thiết bị hòa mạng dé dang

Ngöäi rà, với việc sử dụng Raspberry Pi như là một sự thay thế cho máy vi tính cũng là một vấn đề đáng nói ở đây, ứng dụng phần mềm nhúng Cùng với việc sử dụng các Board Arduino thay cho việc thí công phần cứng để nó dễ dàng đến với môi người không chỉ riêng với những người có c*¿yẻn môn về điện tử,

—————

CHUONG II

CO SO LY THUYET

ĐÔ AN TOT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

_

2.1 Tổng Quan Về Mạng XBee

2.1.1 Thị trường mà XBee nhắm tới

Chuẩn mạng XBee wireless phù hợp với nhu cầu thị trường mà các kỹ thuật

wireless khác không thể đáp ứng (xem Hình 2)

Các giao thức wireless khác | XBee

Tốc độ Nhanh hơn Truyền data thấp

Tính năng Nhiều tính năng Nhắm tới một tỉny stack Nhu cầu Media độ nét cáo Điều khiển thiết bị

| Thời gian sử dụng Pin_ | Vài giờ, vài ngày Hàng năm

+

| Vang disi san phẩm — | 1 đến2 năm Hang thập kỳ

Bảng 2.] So s4: z¿ hướng ứng dụng giữa các giao thức wireless khác và XBee

các chuẩn wireless hướng tới tốc độ nhanh hơn thì XBee nhắm

tới tốc độ truyền đ⁄22 tháp Trơng khi các giao thức wireless khác thêm càng nhiều tính

Trong khi báu

năng thì XBee nhám tới mớt tíny stack mà phù hợp với các vi điều khiển 8-bit Các kỹ thuật wire]ess khác hướng +Z¡ cung cấp truyền data tới Internet hay phân phối dòng media

độ nét cao (high-definition) thi XBee hướng tới điều khiển đèn hoặc gửi dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến Và thiết kế để chạy trong vài giờ hoặc có thể vài ngày bằng pin thì XBee chạy tới hàng năm Một điều đáng chú ý nữa là các kỹ thuật wireless khác cung cấp 12 đến

24 tháng vòng đời cho một sản phẩm thì các sản phâm XBee có thể dùng trong hàng thập

kỷ hoặc hơn trong các ứng dụng đặc trưng

Các dịch vụ mà XBee hướng tới là việc kết nối cảm biến không dây và điều khiển hay đơn giản là điều khiển không dây

—————ễễễễễễễ

CHƯƠNG II: CO SO LY THUYET Trang 9

pO AN TOT NGHIEP GVHD: Ths Truong Ngoc Anh

802.15.4

Range

Hinh 2.1 So sánh các kỹ thuật không dây

Thị ưường 4:&¿ khiến không dây có nhiều yêu cầu mà chỉ có XBee mới phù hợp:

DO AN TOT NGHIEP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

-_ Cự ly truyền thống trong nhà: 30m

- Cyly truyền thing ngoải trời: 90m

- _ Công suất truyền 4í lá ImW (đBm)

-_ Tốc độ truyề 250.000 bps

-_ Tôc độ đữ liệu giao tiếp nhận nói tiếp 12000bps — 250kps

- _ Độ nhạy thu -92dBm (1% tỷ lệ gói lỗi)

= Mang hé tro: Point to Point, Point to MultiPoint, Peer to Peer

- Day nhiét d6 hoat déng -40 — 80 d6 C

ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

2 |DOUT Đầu raUART

3 |DN Đấu vào UART

4 |D08 Dau ra chan 8

5 |Reet hối tạo trạng thai của Xbee

6 |PWMRSSI Chin băm xung, chỉ số 65 dai tin higu Rx

7 PWMI Dau ra bam xung 1

g | Khong ding ‘Not connect

9 | DIRSLEEP_RQDIs | Digu khiéa sleep va dau ra 508

[TT Tp ‘Dau trong tw4, hoặc vào ra số 4

„| CS DIỢT Cỡ điều Khiễn xóa Khi trần vào ra số”

13 | OSLER Chi so trang thai module 1” la Điện áp tham chiếu chân Analoz

Bảng 2.2: Các chân của module XBee

+ XBee có độ tin cậy cao

Sự truyền thông không dây được đánh giá là không có độ tin cậy cao Có thể dẫn chứng điều này bằng việc sử dụng điện thoại di động: bắt cứ ai sử dụng điện thoại đều gặp

sự cố cuộc gọi bị ngắt hoặc đường truyền yếu Tín hiệu chạy qua các vật cản, có thể bị chặn bởi kim loại, nước hoặc khối bê tông và phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp như

thiết kế ăng-ten, sự khuếch đại năng lượng, và thậm chí là các điều kiện thời tiết

Tuy nhiên, điều khiển không dây thường không có cùng vấn đề như trong sử dụng thoại, việc di chuyển để tìm điểm nhận sóng tốt hơn hay việc đợi đẻ cố quay lại sau Hiệp

=——————ễễỄễễễễỄễỄễễ

pO ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Truong Ngoc Anh

——————

hội XBee hiểu điều này, vì vậy sự đặc tả XBee thể hiện điều này XBee được đánh giá có

độ tin cậy cao trong nhiều cách kết nối:

- IBEE 802.15.4 với O-QPSK và DSSS

- CSMA-CA

- 16-bit CRC

~ Có bit báo nhận tại mỗi chặng (hop)

- Việc nối mạng lưới (mesh) đẻ tìm ra đường đi tin cậy

- Có phản hồi khi kết nói điểm-điêm để kiểm tra dữ liệu đến đích

Điều đầu tiên là dựa vào một kỹ thuật wireless rất tin cậy, khoảng cách thấp, sự đặc

ta IEEE 802.15.4 Đặc tả này là một kỹ thuật mạnh, rất hiện đại được xây dựng trên 40 nám kinh nghiệm của IEEE Nó dùng những kỹ thuật được gọi là Offset-Quadrature Phase- Shift Keying (O-QPSK) và Direct Sequenee Spread Spectrum (DSSS), một sự kết hợp của

các kỹ thuật có hiệu suất làm việc tuyệt vời trong các môi trường tỉ lệ tín hiệu truyền nhiễu (signal-to-nivise) thap,

XBee dung “Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance” (CSMA-CA) để

tăng kha nang tin c4y Trước khi truyền, XBee kiểm tra kênh truyền Khi kênh truyền trống, XBee bát đấu t Diéu nay ngăn các sóng khỏi việc gây ra xung đột dữ liệu

CSMA-CA tương tự n#:Zn¿ gj con người làm trong các hội thoại Chúng ta chờ người khác nói xong mới nói

XBee ding 16-bit CRC trên mỗi gói dữ liệu(packet), được gọi là một Fame Checksum (FCS) Diéu nay 4am bao cdc bit dữ liệu chính xác

Mỗi gói dữ liệu được thử lại 3 lần trong toàn bộ 4 lần truyền Nếu có gói không thể truyền qua sau lần truyển thứ tư thì XBee thông báo cho node gửi tín hiệu báo lỗi cho lần truyền này

Một cách khác mà XBee có được khả năng tin cậy là kết nối mạng lưới Mạng lưới

cơ bản cung cấp 3 khả năng tăng cường cho một mạng wireless: mở rộng khoảng cách bằng nhiều chặng (multi-hop), việc tạo mạng ad-hoc và quan trọng là khả tìm đường đi tự động và tự phục hồi

Với mạng lưới, dữ liệu từ node đầu tiên có thể đến bất cứ node nào khác trong mạng XBee, đánh giá khoảng cách bằng các sóng để gửi tín hiệu (xem Hình 2.3)

“=—ễỄễỄễỄễễễ

CHƯƠNG H: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 13

DO AN TOT NGHIỆP GVHD: Thạ Trương Ngọc Anh

Hình 2.3: Kết nối mạng lưới trong XBee Node 1 muốn giao tiếp với node 3, nhưng nó ra khỏi vùng phủ sóng của node 3 XI#ee tự dong tìm ra đường tốt nhất và node 1 sẽ gửi thông tin cho node 2 rồi truyền tiếp dén node 3,

Hãy giờ giá sử rắng, có vài thứ xảy ra đến đường đi này Có thể node 2 hoàn toàn bị

loại bò hoặc chết hay vai vật cán như một bức tường bê-tông hoặc một thùng nước lớn

Điều này không bé zj với Xbee, nó sẽ tự động phát hiện sự thất bại của đường đi và đi

vòng (xem Hinh 2.4)

Hình 2.4: Việc tim lai đường đi trong mạng lưới XBee Thêm vào mạng lưới, XBee cung cấp việc truyền tín hiệu một cách tin cậy, một kỹ thuật cho việc phân phối một tín hiệu đến nhiều node trong mạng XBee cũng cung cấp nhiều đường truyền có thẻ gửi một tín hiệu đến bắt kì các nhóm node Và như một kỹ thuật

tìm đường hỗ trợ, XBee có khả năng tìm đường trong mạng cây (tree routing) để tăng

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 14

ĐÔ ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Truong Ngoc Anh

" XBee sử dụng năng lượng thấp

Các thiết bị trong một mạng XBee có thể chạy trong nhiều năm chi cần 1 cặp pin

AA phụ thuộc ứng dụng

XBee Security Sensor Battery Life

20 : Alkaine ÐaHary Nominal 7

18 Any communication interval | Shelf Life = § Years _

exceeding ~13 sec allows sensor |

16 +1'0 surpass alkaline battery shelf life

Check-in Interval (sec)

Hình 2.5: Thời gian sử dụng Pin của XBee

s* XBee bảo mật cao

Cho việc bảo mat mang, XBee ding National Institute of Standards and

Technology (NIST) Advanced Encryption Standard (AES) Chuan AES-128 là một khối

mã hóa (block cipher) Nó mã hóa và giải mã các gói dữ liệu trong một phương thức khó

để bẽ khóa Đây là một trong những chuẩn nỗi tiếng Nguyên nhân mà nó được dùng bởi

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

—“—=—==—_—_—=——————————_

~ Miễn phí

- Có thể hiện thực trên một vị điều khiển 8-bit

*_ XBee là một chuẩn mở toàn bộ

Có nhiều nhà cung cấp XBee stack, silicon và các giải pháp ứng dụng

Đặc tả XBee có thể được tải miễn phí tir http://www Xbee.org

"_ XBee có tốc độ dữ liêu thấp

Để có được chỉ phí thấp và năng lượng tiêu hao thấp và việc xem xét không gian và thị trường ứng dụng mà XBee nhắm tới, hiệp hội XBee đã quyết định giữ giao thức trong

một môi trường tốc độ truyền dữ liệu thấp

XBee nằm trên các trạm thu phát theo chuẩn IEEE 802.15.4, trong không gian 2.4GHz truyền thông tại 250kbps, nhưng do số lần lặp lại, sự mã hóa, giải mã và giao thức

kết nỗi mạng lưới đẦy đủ được dùng nên dung lượng kênh truyền thực sự khoảng 25kbps

Việc thu phát bán song công cũng là một yếu tố giảm dung lượng kênh truyền từ

~ Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan

iệc điều khiền các thiết bị trong nhà

Lighting Control

Access Control

Patient ct = HVAC

Process Control Lighting Controt

ĐỎ ÁN TOT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

““———ễễễễễễ

2.1.3 Kiến trúc mạng cơ bản của XBee

Kiến trúc mạng XBee chia làm 3 phần chính:

- Ứng dụng

- XBee stack

- Radio

Va được chia thành các lớp, mỗi lớp không biết gì về lớp trên nó Lớp trên được

xem như một “master” mà gửi yêu cầu cho “slave” bên dưới làm

XBee không giống mô hình mạng OSI 7-layer, nhưng nó có vài thành phần giống

gồm PHY (physical), MAC (link layer), NWK (network) Cac lép 4-7 (transport, session, presentation va application) duge chuyển qua các lớp APS (APplication support) va ZDO

(XBee Device Object) trong mô hình XBee

Hình 2.7: Kiến trúc của XBee

Giữa các lớp là “Service Access Points” (SAPs) SAPs cung cấp API tách biệt bên

trong lớp khỏi các lớp trên và bên dưới Giống như đặc tả IEEE 802.15.4, XBee dùng 2

SAPs cho mỗi lớp, một cho dữ liệu và một cho sự quản lý Ví dụ, tất cả các sự truyền thông dữ liệu đến và từ lớp network đi qua “Network Layer Data Entity Service Access

Point° (NLDE-SAP) Các yêu cầu trong đặc tả XBee giống như APSDE-DATA.request

Một yêu cầu gửi dữ liệu ra nhưng chỉ được khởi tạo ở lớp APS

pO AN TOT NGHIỆP GVHD: Ths Truong Ngoc Anh

VV—X—X—X—X—K—X—X—X—_—_———— _

Hai lớp thấp nhất, MAC và PHY được định nghĩa bởi đặc tả IEEE 802.15.4 Lớp PHY đơn giản địch các gói thành các bit OTA và ngược lại Lớp MAC cung cấp khái niệm của một network, gồm một PAN ID và kết nói thông qua các tín hiệu yêu cầu và phản hồi

Nó cũng cung cấp các lệnh cho mỗi chặng và một vài lệnh cho việc tham gia và tạo một

mạng Lớp MAC không có nhiều chặng hay lưới

Lớp NWK có trách nhiệm cho hình thành mạng lưới, gồm việc truyền phát các gói tín hiệu qua mạng, xác định các đường đi cho các gói đa chiều và đảm bảo chúng được gửi

một cach tin cay tir một node đến node khác Lớp network cũng có một tập các lệnh cho

mục đích bảo mật, gồm bảo mật tham gia và tái tham gia mạng Tắt cả các mạng XBee

được bảo mật ở lớp NWK, và toàn bộ tín hiệu đi qua của khung NWK được mã hóa

Lớp APS có nhiệm vụ cho ứng dụng Nó hoạt động như một bộ lọc cho ứng dụng

chạy phía trên nó Còn các điểm kết thúc (endpoints) đơn giản là logic trong các ứng dụng

nay Jap APS cũng lọc các tín hiệu trùng mà hoàn toàn được gửi lên bởi lớp NWK Lớp

APS giữ một báng liên kết cục bộ, một bảng chỉ các node hoặc các nhóm node trong mạng

ấp đến

Lớp ZDO (4s yim XBee Device Profile, ZDP) có trách nhiệm cho quản lý cục bộ

ludi ma node mudn gia

và toàn không gián c¿2 mạng Nó cung cấp các dịch vụ để khám phá các node khác và các

dịch vụ trong mạng +2 cá trách nhiệm trực tiếp cho trạng thái hiện tại của node trên mạng

Các dịch vụ báo mớt được dùng bởi nhiều lớp, và có thể được dùng bởi các lớp

ZDO, APS or NWK, đo 42 nó nám ở cạnh nhau (xem Hình 2.7)

2.2 Network Layer

2.2.1 XBee va IEEE 802.15.4

Tên “XBee” và 802.15.4 thường được dùng qua lại lẫn nhau nhưng nó không giống nhau

Đặc tả 802.15.4 được tạo và hỗ trợ bởi IEEE Đặc tả này định nghĩ các lớp vật lý và

MAC cho mét mạng không dây, cá nhân, năng lượng thấp

IEEE 802.15.4 định nghĩa:

-_ Các cơ chế cho việc tìm mang

- Các cơ chế cho việc thiết lập và kết nối vào mạng,

~_ Các các cơ chế cho thay đổi kênh truyền

~ Các cơ chế việc phát hiện vật cản và nhiễu trên một kênh

- Phương pháp phân phối gói dữ liệu, chốt chặn đơn, ACK, việc dùng CSMA-CA dé

tránh đụng độ

=——————————ễễễỄễ

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 18

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Ảnh

ee

~ _ Phương pháp truyền phát dữ liệu, chốt chin don, khong c6 ACK

IEEE 802.15.4 không định nghĩa về truyền thông đa điểm, gán địa chỉ hay khả năng tương tác với mức ứng dụng

Nếu mạng xây dựng chỉ với một chốt chặn thì 802.15.4 MAC/PHY có thể làm tắt

cả những gì cần, Các nhà cung cấp hỗ trợ một môi trường ứng dụng 802.15.4 mà không

yêu cầu XBee

Ngoài XBee, có nhiều hệ thống protocol hoàn toàn được xây dựng trên tiêu chuẩn 802.15.4, một số là dạng lưới hay mạng hình sao

Nhưng XBee là protocol chính mà được xây dựng trên tiêu chuẩn 802.15.4, thêm

vào một lớp network có khả năng của mạng lưới, peer-to-peer; một lớp bảo mật có khả

năng xử lý các trường hợp bảo mật phức tạp và một lớp ứng dụng cho các ứng dụng có thể

tương thích với nhau,

Irong sơ đồ kiến trúc XBee chuẩn, các lớp MAC và PHY thể hiện dưới IEEE,

trong khi phân con lại thẻ hiện đưới XBee

Công việc e2 lớp MAC là chuyển các gói từ chuỗi byte thành phd RF va ngược

lại Lớp MAC cho phép một mạng được thiết lập, các kênh được chia sẽ, và dữ liệu được

flash) bằng cách cung cáp một lớp MAC giới hạn cho XBee stack của họ

XBee cũng có một số điều chỉnh trong 802.15.4 chuẩn Một trong số đó là mô hình

bảo mật MAC định nghĩa là CCM, được viết tắt tir “counter-mode cipher-block chaining-

message authentication code” CCM yêu cầu bảo mật khác nhau cho mỗi lớp Do ràng

buộc hiệu suất trên các vi xử lý nhỏ, XBee không làm vậy Mô hình bảo mật XBee cũng được gọi là CCM (một điều chỉnh nhỏ của bảo mật MAC CCM)

Một trong các phần thú vị hơn mà ở đó XBee khác với sự đặc tả 802.15.4 là time-

out cho các tín hiệu phản hồi

Trong các mạng với hơn 30 node trong cùng vùng nghe, các time-out 802.15.4 mac

định cho các phản hồi các tín hiệu yêu cầu không cho phép đủ thời gian cho tắt cả các node

phản hồi Đặc tả 802.15.4 đã không được xây dựng với các mạng lớn nhưng XBee thì có

thể

ĐƠ ÁN TĨT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

_——_—_Ư_ƯƠs

Đặc tả 802.15.4 MAC hồn tồn ổn định từ tháng 11 năm 2003 Một số nhà cung cấp chip thậm chí cung cấp 802.15.4 MAC trong ROM Nhưng IEEE vẫn chưa dừng tại

đĩ Năm 2006, IEEE ra một đặc tả 802 15.4 khác được gọi là 802 15.4-2006

Thay đổi lớn nhất trong IEEE 802.15.4-2006 là một PHY tốt hơn cho các dưới

1GHz Trong đặc tả 802.15.4-2003, 868MHz và 900 MHz bị giới hạn 20kbps và 40kbps

Tốc độ truyền dữ liệu tại tần số dưới 1GHz quá chậm cho XBee; cho XBee là 2.4GHz,

hoạt động với 250kbps IEEE 802.15.4-2006 đã thay đổi tất cả Đặc tả này đã thêm 2 PHY

tùy chọn mới cho tần số dưới 1GHz cho phép truyền lên tới 250kbps

2.2.2 Thiết lập, kết nối và kết nối lại các mạng XBee

Trước khi bất cứ các node XBee cĩ thể giao tiếp trên một mạng, nĩ phải thiết lập một mạng mới hay kết nối vào một mạng đang tồn tai Chỉ XBee Coordinator cĩ thể thiết lập một mạng Chỉ XBee Routers và XBee End-Devices cĩ thể kết nối vào mạng Nhiều nhà cung cấp stack cùng cấp khả năng để một node được chỉ định như một ZC, ZRm ZED

tại lúc biên địch (uất kiệm code và RAM) hay tại lúc chạy (giảm các phần OEM-

manufactured)

Mỗi node bá: 44u với một địa chỉ 64-bit IEEE (MAC), được gán bởi OEM trong

sản xuất Trong quá tr¡zh kết nối mạng, mỗi node được gán một địa chỉ 16-bit duy nhất

(NwkAddr) để dùng ki Zjà tiếp với các node khác qua mạng

* Thiết lập mang

XBee Coordinator thié lập mạng Quá trình thiết lập một mạng là xác định một

định danh duy nhát cho mạng được gọi là PAN ID, va chọn một trong 16 kênh 802.15.4

(11-16) để điều hành mạng

Trong suốt quá trịnh thiết lập mạng, một gĩi đơn được gửi over-the-air trên mỗi

kênh: một MAC quét tự động

Một XBee Coordinator cĩ nhiệm vụ sau:

- _ Thiết lập mạng -_ Thiết lập kênh 802.15.4 trên mạng sẽ hoạt động

~ Thiết lập PAN ID ngắn và dài cho mang

~ _ Quyết định stack profile để dùng

- Hoat d6ng như Trust Center cho các ứng dụng bảo mật và mạng,

-_ Hoạt động như người đứng giữa cho việc End-Device-Bind

~ Hoạt động như một router trong lưới routing

- Hoạt động như là gốc của mạng hình cây, nếu nĩ được sử dụng

—————ễễễễễỄễỄễỄỄễỄễ

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 20

ĐỎ ÁN TOT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

———_—_—_——— —_—_—_——

XBee Coordinator thực sự chỉ là một router nếu hệ thống mạng không được ủy

thác Và có nhiều cách để thay thế XBee Coordinator sau khi một hệ thống mạng chạy nếu

thiết bị ZC trục trặc do một số nguyên nhân,

Ứng dụng chạy trên một node XBee Coordinator thực sự quyết định khi nào để

thiết lập một hệ thống mạng, từ một tập các kênh và từ tập các PAN ID Ứng dụng trên ZC

có thể là bất cứ thứ gì: một gateway được kết nối với Internet, một hộp điều khiển, một bộ

ổn nhiệt, đèn hay công tơ điện Các khả năng là vô hạn Khi năng lượng được cấp đến thiết

bị mà chứa XBee Coordinator, nó có thể tức khắc hình thành một mạng, hay có thể đợi một vài sự kiện trước khi tạo mạng Nó thậm chí kiểm tra để xem những mạng nào sẵn sàng ở

đó và quyết định trở thành XBee Router hơn là một Coordinator, nếu một node khác đã hoàn toàn tạo mạng mong muốn Tuy nhiên ứng dụng đã được lập trình, một XBee

Coordinator sé tao mt mạng

NỊ.MI:-NE'F WORK-FORMATION được khởi tạo bởi ZDO để tạo một mạng bởi

ứng dụng Trong Z-ataek:

NLME_NetworicFormationRequest();

Tiép theo X ice got lp MAC dé thé hién 2 hoat dong: energy scan va active scan

Energy scan duge ding 4é xae định kênh nào là kênh tĩnh nhất từ tập các kênh được cụ thể

trong biến thông tin cơ b4n APS, apsChannelMask Energy scan mat 0.5 giây cho mỗi

kênh Kênh có thê thực sự zÈiếu trong I giờ trước đó và quá trình này không phát hiện ra

điều này Việc quét tất cá 1% kénh mắt khoảng 8 giây

Tiếp theo là active scan đơn giản một MAC tín hiệu yêu cầu được trả về không

hoặc hơn các tín hiệu phản hỏi, được dùng để tìm mạng khác trong vùng Active san đảm

bảo XBee không tạo một mạng có cùng PAN ID Hoạt động quét có thể mắt thời gian

———ỄỄ—Ễ_Ễ—————

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 21

ĐÔ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

XBee Router có nhiệm vụ:

- Tim và tham gia mạng,

-_ Duy trì các trạm phát sóng thông qua mạng

~ Tham gia việc tìm đường, gồm khám phá và duy trì đường đi

~ Cho phép các thiết bị khác tham gia mang

~_ Lưu các gói thay cho các children đang sleep

XBee End-Device có nhiệm vụ:

- Tim va tham gia mang

- Kiém tra lần lượt các node cha của nó để xem có bất kỳ các tín hiệu đã được gửi tới

chúng khi chúng sleep hay không

~ _ Tìm một node cha mới nếu kết nối tới node cha cũ bị mắt (NWK rejoin)

- Sleep hầu hết thời gian để tiết kiệm Pin

¬—————— ————————————————

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 22

pO AN TOT NGHIEP GVHD: Ths Trương Ngọc Anh

“”—ễễễ

Việc tham gia mạng là một quá trình của tìm mạng và node nào trong vùng và sau

đó chọn một trong chúng để tham gia Sự kết hợp được cung cấp có thẻ chấp nhận bởi

network, việc tham gia hoàn thành va node tham gia sẽ có 1 địa chỉ trên mạng

Quá trình tham gia sử dụng tín hiệu yêu cầu Bắt kì ZCs và ZRs trong vùng trả lời bằng tín hiệu trả về Các ZCs và ZRs có cùng kênh với node muốn tham gia, và không

phân biệt PAN ID

Các tín hiệu trả về chứa khá nhiều thông tin về mạng XBee, gồm PAN ID, PAN ID

mở rộng, sự cho phép tham gia và node có đủ khả năng cho router hay end-device để tham

gia hay không, Cho điều này, một node đang tìm kiếm đầu tiên phải tham gia mạng, tìm

kiểm ứng dụng phù hợp, nếu không thấy thì rời mạng và thử các mạng khác

ZR va ZED tham gia một node cụ thể, không phải một mạng, dùng 64-bit MAC cho địa chỉ đích và nguồn của MÁC yêu cầu của hệ thống Node thực hiện việc tham gia

được gai lá node con Node nhận yêu cầu được gọi là node cha

ZIt vá Z( cá thế là node cha khác nhưng ZED luôn là node con Mối quan hệ

cha/con không 4 g trzú mạng kiểu lưới Bắt kì các routers nào cũng có thể tìm đường qua bất kì router khác trong vũng nghe trên cùng mạng Tắt cả các routers là ngang hàng

Nếu một node cha bay con cua router ra khi ving nghe (thậm chí rời mạng) không tác động tới các đường 3i, đương đí khác sẽ tới các thiết bị cụ thể này XBee Router không tìm

dung thong qua cde mang káe, chỉ trong cùng PAN ID và kênh

Tuy nhiên, đối với Z£Ds, mới quan hệ node cha/con rất đặc biệt ZEDs trong khi chúng có thể giao tiếp với các node khác trong mạng, chúng chỉ giao tiếp trực tiếp với node cha Hop kế tiếp của ZED luôn là node cha của nó Nếu một ZED mắt kết nối với node

cha, nó phải tìm node cha khác để giữ liên lạc với mạng, được gọi là tham gia lai (rejoin)

Không thường xuyên ZED mắt liên lạc với node cha Sự giao tiếp 2.4GHz bị ảnh hưởng bởi nước và liên kết bị mắt Trong vài giây, ZED sẽ tìm node cha mới, thông báo đến mạng rằng nó hoàn toàn đi chuyển và các giao tiếp tiếp tục

pO AN TÓT NGHIỆP GVHD: Ths Truong Nggc Anh

APL layer NLME-NETWORK- | NWK layer MAC layer |

2Ì DISCOVERY.request — “ MLME-SCAN request -

DISCOVERY.confrm ”

Select channel and PAN ID]

NCMEION requeet - MLME-ASSOCIATE request

Hinh 2.9: Quá trình XBee tham gia mạng

Quá wink them gia cla ZR va ZED được mô tả trong đặc tả XBee Đầu tiên một Jénh quét (beacon request) gửi ra trên mỗi kênh ZC hoặc ZED chờ một thời gian cho lệnh trà về Thời gian được cái bới ứng dụng nhưng mặc định là 0.5 giây trên kênh Khi các tín hiệu được thu thập, chúø2 được phán tích kênh và PAN ID Ngoài ra còn có lệnh cho phép

tham gia để ngan cée node tim gia vào và cũng có thể được dùng để bắt buộc các node có một node cha cụ thể

Sau khí active scan hoán thanh và một node cha phù hợp được chọn, quá trình xác

thực bắt đầu Chú ý rằng node có một địa chỉ trên mạng trước thời gian xác thực bắt đầu

Sự xác thực chỉ có ở mạng bảo mật và đưa thông tin quyền từ chối/cho phép node tham

gia Một node giả mạo mà chỉ giả mạo một địa chỉ trên PAN sẽ không nhận key mạng và

nên không thẻ giao tiếp với các node khác Nếu xác thực không hoàn thành thành công, node cha sẽ thông báo với node con chưa được xác thực rời và đánh dấu địa chỉ đó có thể dùng bởi node khác muốn tham gia

Khi một node hoàn toàn tham gia một mạng, nó có thể giao tiếp với bắt kì node

khác trong toàn bộ mạng Không có yêu cầu cho việc liên kết hoặc các cơ chế khác Đơn giản gửi đữ liệu từ node này đến node khác, miễn là biết địa chỉ ngắn của node đó Tắt nhiên, ứng dụng muốn thấy gói thì Application Profile phải giống nhau ở hai phía và điểm cuối của nguồn trên node gửi và điểm đích trên node nhận phải được đăng ký vơi ZDO

ĐÔ AN TOT NGHIEP GVHD: Ths Truong Ngoc Anh

rr

2.2.3 Tái tham gia mạng

Việc tái tham gia giả sử node sẵn sàng tham gia mạng, có một PAN ID, extended

PAN ID, seeurity key, và địa chỉ ngắn Có nhiều nguyên nhân một node cần phải tái tham

gia mạng:

- M6t ZED mt lién lạc với node cha của nó

- Năng lượng bị thay thế và nhiều hay tất cả cdc node trong mang tái tham

gia silently

- _ Tham gia một mạng bảo mật nếu permit-joining tắt

ZED luôn giao tiếp trực tiếp với node cha của nó Nếu node cha không trả lời, child phải tìm node cha mới để giữ giao tiếp trên mạng Node con tự quyết khi nào nó mắt node

cha, XPee không cụ thẻ số lần thử kết nối lại hay truyền tín hiệu trước khi ZED cho rằng

nó không thể giao tiếp với node cha

Quá trình tái tham gia bắt đầu với một tín hiệu yêu cầu để tìm node cha pha hop

Nó chi quan lâm wn kha nang con vị trí trong mạng nhưng việc cho phép tham gia mạng

phụ thuộc vào node eh2 Sau khi yêu cầu tham gia mang, ZED lấy một node (cùng PAN)

làm node cha, thực hién tái tham gia, nhận một địa chỉ ngắn mới (chỉ trong stack profile

0x01) và cuối cùng göát một device-annouce để nói cho mạng rằng node hoàn toàn di chuyển Bước cuối rất quan trong dé bao vé rang budc trong mang

Một loại khác ca việc tái tham gia là “silent rejoin” Silent rejoin không được đặc

tả trong XBee, nhưng tất cá các nhả cung cấp stack có vì nó cần thiết trong một mạng hiện thực với bất kì kích thước nảo Ví dụ, tưởng tượng rằng năng lượng bị tái cung cấp đến tất

ca cdc router trong một mạng 1000 node Khi năng lượng có trở lại, nếu tất cả các node đều

cố gắng tham gia (tái tham gia) mạng cùng một lúc thì mạng sẽ thất bại vì quá nhiều lưu

lượng trong mạng cùng lúc Nhưng khi các routers biết thông tin mạng của nó (PAN ID, extended PAN ID, NwkAddr, security key), chúng tự động kết nối Các node XBee không

cần nói chuyện để duy trì trạng thái mạng Khi mất điện có thể xem như mạng không nói

chuyện trong một lúc Khi điện có trở lại, mỗi router nhận chế độ trên PAN ID, extended PAN ID, NwkAddr, mã an toàn chính xác như thẻ mạng không bao giờ tắt Điều này gọi là silent rejion

Silent Rejion cũng được dùng khi mạng chuyển đến kênh mới, một đặc tính mới

trong XBee 2007 và Pro Silent rejoin chỉ làm việc nếu các node có một vài loại lưu trữ vĩnh viễn (non-volatile memory)

Một cách dùng khác của tái tham gia là dùng NWK-Rejoin để tham gia một mạng

=