Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zingbee 802.15.4 và Ethernet

Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện toán, các công nghệ mạng hữu tuyến và vô tuyến cũng phát triển không ngừng và

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.Hồ Chí Minh 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

VÕ THANH TÙNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.Hồ Chí Minh 2014

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Võ Thanh Tùng Năm sinh: 1986

Cơ quan công tác : Công ty TNHH cơ khí - cân điện tử - tự động Tín Thành Tiến Khoá: 20.1

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60.52.70

Cán bộ hướng dẫn: GS-TS Lê Hùng Lân Bộ môn: Điều khiển học

1 Tên đề tài : Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công

nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn Ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện qua giao diện Web server nhúng vào vi điều khiển AVR

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:

 Phương pháp nghiên cứu : nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP,

chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee và dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu thiết kế hệ thống thực tế

 Kết quả đạt được : dựa vào lý thuyết đã nghiên cứu đã áp dụng thiết kế

thành công hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR Đề xuất các giải pháp phát triển để có thể áp dụng mô hình đã thiết kế vào sản xuất và ứng dụng

phục vụ cuộc sống con người

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn: Ngày 10 tháng 5 năm 2014

Học viên GS.TS Lê Hùng Lân

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC I LỜI MỞ ĐẦU V

VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX

CHƯƠNG 1 - GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN 1

1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện 1

1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication)[15 ] 1

1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 [ 2 ] 2

1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ] 4

1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ] 6

1.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Wifi [ 16 ] 8

1.1.6 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Bluetooth [ 13 ] 9

1.1.7 Ưu điểm của Zigbee [ 5 ] 11

1.2 12

1.2.1 Giao thức TCP/IP [ 1 ] 12

1.2.2 Công nghệ Ethernet [ 4 ] 23

1.3 27

1.3.1 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 27

1.3.2 Thành phần của mạng LR-WPAN 27

1.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 [ 8 ] 31

1.4 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 42

2.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ và báo cháy 42

2.1.1 Khái quát 42

2.1.2 Nhiệm vụ 42

2.1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động 42

2.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động 44

2.1.5 Khái niệm – nhiệm vụ của đầu báo cháy 46

2.2 Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga 47

2.3 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa 48

2.3.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống 48

2.3.2 Kết cấu bản tin điều khiển 48

2.3.3 Kết cấu hệ thống 49

2.4 Hệ thống chống trộm 49

2.5 Kết luận chương 52

CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER 53

3.1 Mô hình hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện 53

3.2 Giới thiệu về Arduino và trình biên dịch [ 10 ] 54

3.3 Giới thiệu về linh kiện và chức năng trong mô hình 57

3.3.1 Giới thiệu về IC ATMEGA 2560 [ 12 ] 57

3.3.2 Giới thiệu về IC DS18B20 61

3.3.3 Giới thiệu về IC ATMEGA 16 [ 12 ] 66

3.3.4 70

3.3.5 R 72

3.3.6 -2 75

3.3.7 77

3.3.8 Giới thiệu về IC W5100 [ 11 ] 78

3.3.9 83

3.3.10 86

3.3.11 Giới thiệu IC cảm biến dòng ACS712-20 87

CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER AVR 90

4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 90

4.2 Gới thiệu về chức năng trong mô hình 93

4.2.1 g tâm ( ATmega2560 ) 93

4.2.2 94

4.2.3 94

4.2.4 n Zigbee 94

4.2.5 94

4.2.6 94

4.3 Giải thuật phần mềm 94

4.3.1 94

4.3.2 97

4.3.3 Giải thuật truy cập web server 97

4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều 99

4.3.5 Giải thuật báo trộm : 101

4.3.6 Giải thuật báo cháy: 102

4.4 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

 Kết luận 106

 Hạn chế 107

 Đề xuất hướng phát triển của đề tài 107

LỜI CẢM ƠN 108

LỜI CAM ĐOAN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện toán, các công nghệ mạng hữu tuyến và vô tuyến cũng phát triển không ngừng và được chuẩn hóa liên tục để có thể đáp ứng các yêu cầu của người dùng trong việc chia sẻ và quản lý thông tin một cách nhanh chóng, hiệu quả và đạt độ an toàn cao Sự phát triển của các thế hệ đo và điều khiển đi lên từ thế hệ cơ khí, điện, điện tử vi mạch rời, sử dụng các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật xử

lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao Các thiết bị hệ thống đo điều khiển thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử được nhiễu

và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú Sự phát triển này đã tạo ra những ứng dụng phong phú thiết thực phục vụ cho sản xuất và đời sống con người Xuất phát từ nhu cầu thực tế ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để phục vụ tối đa cho con người một cuộc sống tiện nghi - văn minh - hiện đại và an

toàn nên ý tưởng nghiên cứu “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện

ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet” đã ra đời

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee 802.15.4 ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào

vi điều khiển AVR

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP, nghiên cứu chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , nghiên cứu phương án ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , kế thừa phát triển dựa trên các nghiên cứu trước trong và ngoài nước , dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu áp dụng thiết kế mô hình hệ thống thực tế

5 Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày thông qua 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết

bị điện

Chương 2: Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện

Chương 3: Nghiên cứu phương án thiết kế mô hình giám sát điều khiển thiết bị

điện từ xa qua thông qua giao diện web server

Chương 4: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua

giao diện web server

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập CBC Cipher Block Chaining Thuật toán mã hóa khối Chaining CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền

CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự do

DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol Giao thức cấu hình động máy chủ

FFD Full Function Device Chức năng thiết bị đầy đủ

ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin trên

LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lượng đường truyền

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

mạng

MFR MAC Footer Cuối khung MAC

PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý

PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY

RARP Reverse Address Resolution

Protocol Giao thức phân giải ngược địa chỉ RFD Reduced Function Device Giảm chức năng thiết bị

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SPI Serial Peripheral Interface Giao diện nối tiếp với thiết bị ngoại

vi TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền thông

UDP User Datagram Protocol Giao thức truyền nhận dữ liệu dưới

dạng các gói tin

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

1.2 Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN 5

1.14 Mô hình giao thức của ZigBee 31

3.1 Mô hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa 53

3.5 Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20 62

3.17 Phương pháp kết nối trực tiếp 82

CHƯƠNG 1- GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết bị điện từ xa Ưu điểm nổi bật của công nghệ Zigbee so với các công nghệ khác Tìm hiểu về mạng ethernet, giao thức TCP/IP, tổng quan về mạng và giao thức của Zigbee

1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện

1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication) [ 15 ]

 Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực

Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực là hệ thống hỗ trợ đọc công tơ điện Sau đó hệ thống này được phát triển bổ sung thêm các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển Từ chức năng ban đầu là tự động đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát hoạt động, cảnh báo và điều khiển đã được phát triển

Ở Việt Nam hiện nay, người sử dụng internet gia đình có thể kết nối thông qua đường dây điện thoại (tốc độ chậm 56Kbps) hoặc qua ADSL (chi phí tuy

có giảm nhưng vẫn ở mức cao) Vì thế, PLC sẽ có thể là 1 lựa chọn tốt vì những ưu điểm sau:

Cung cấp khả năng kết nối tới mạng truy nhập, đây là một tính năng rất hấp dẫn của PLC

Cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần (1,7 - 30Mhz)

Tuy nhiên đứng về mặt đường truyền thì đường dây điện không phải được thiết kế để truyền tải thông tin vì vậy kỹ thuật PLC ra đời chính là để giải quyết vấn đề này

Hiện nay, PLC chia làm hai lớp chính PLIC và PLOCcheettitPLIC

(Powerline Indoor Telecoms)

Đây chính là công nghệ PLC để sử dụng trong nhà, tức là chúng ta có thể sử dụng mạng điện lưới trong nhà để thiết lập một mạng trao đổi thông tin giữa các thiết bị dùng trong nhà với nhau

PLOC (Powerline Ourdoor Telecoms)

Đây là kỹ thuật PLC sử dụng để trao đổi thông tin giữa các trạm điện với nhau và với mạng gia đình BPL chính là ứng dụng của PLOC có khả năng cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập Internet băng rộng với tốc độ vượt trội so với ADSL (40Mbps)

Phân chia tần số

Theo tiêu chuẩn của châu Âu năm 1991(EN 50065-1 standard) xác định chuẩn tín hiệu trên đường hạ thế nằm trong khoảng từ 3Khz tới 148,5Khz (băng tần không cần đăng ký) Trong băng tần này được chia thành 5 băng con Trong đó, hai băng đầu 3 - 9 và 9 - 95Khz là dành cho nhà cung cấp điện lực và ba băng còn lại dành cho khách hàng Băng A, sóng mang có thể từ 9Khz tới 95Khz dùng cho việc trao đổi thông tin giữa khách hàng và nhà cung cấp Băng C được dùng cho khách hàng sử dụng các giao thức truy nhập, băng B cũng được dùng cho khách hàng tuy nhiên không có giao thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do Các hệ thống PLC hoạt động ở dải tần đến 30MHz được xem xét như là hệ thống PLC băng rộng

1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 [ 2 ]

Chuẩn RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền tốc độ có thể lên tới 11.520.000 baud cho khoảng cách là 4000 feet (1200m).Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra thì 2 dây nhiễu giống nhau Điều này làm cho điện

áp sai lệch giữa 2 dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn thu được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu

Bảng 1.1 Tóm tắc các thông số chuẩn RS485

-1.5

6 -6

V

V

Dòng ngắn mạch ngõ ra điều khiển với điểm chung 1 ngõ ra nối ±250 mA

Thời gian cạnh lên ngõ ra điều khiển RL =54Ω

Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1 trở kháng đặc tính (Characteristic impedence-Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor ) là điện trở đặt tại 2 điểm tận cùng kết thúc của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị

trở kháng của dây xoắn thường khoảng 100 – 120 Ω

Cách thức truyền mã ASCII theo chuẩn RS 485

1 Truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 Bình thường đường truyền rãnh ( Idle line ) sẽ ở mức cao, VAB > 200mV Tín hiệu TX Control cho phép phát tín hiệu đi Mỗi bít tín hiệu TXD phát đi sẽ được biểu diễn tương ứng với dạng tín hiệu VAB theo chuẩn RS485 Bít 1 tương ứng với VAB dương, bít 0 tương ứng với VAB âm Sau khi phát đi đủ 10 bít thì đường truyền lại lên

mức cao báo hiệu trạng thái rãnh của đường truyền

1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ]

 CAN ( Controller Area Network : Mạng điều khiển khu vực) là giao thức giao tiếp có khung truyền dữ liệu lớn với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống nhiễu cực kỳ tốt CAN được phát triển đầu tiên bởi nhà cung cấp phụ tùng xe ô tô của Đức (Robert Bosch) vào giữa những năm 80 Nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng nhiều của khách hàng trong vấn đề an toàn, tiện nghi bên cạnh đó để tuân theo yêu cầu việc giảm bớt ô nhiễm và tiêu thụ năng lượng

 Ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhiều hệ thống điện tử như : hệ thống chống trượt bánh xe, bộ điều khiển động cơ, bộ điều hòa nhiệt độ, bộ đóng cửa …với mục đích chính là làm cho những hệ thống của ô tô trở nên an toàn, ổn định và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn giản hóa hệ thống, tiết kiệm chi phí sản xuất thì CAN đã được phát triển

năm 1991, CAN có chuẩn phát triển cuối cùng là Version 2.0 ( gồm : Version 2.0A

và Version 2.0B ) hầu như mọi nhà sản xuất chíp lớn như : Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxim IC, Fairchild, Microchip, Philip, Texas Intrument, Tmicro… đều sản xuất rachip CAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành ngoại vi ( Peripheral ) của vi điều khiển Do đó việc thực hiện chuẩn CAN trở nên cực kỳ đơn giản, rút ngắn thời gian thiết kế và chi phí thực hiện rẻ

 Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn (Reliability and Safety) nhờ cơ chế truy cập chống xung đột đường truyền khá thông minh : CSMD (Carrier sense Multiple Access/ Collision Detecsion ) và cơ chế phát hiện ,

xử lý lỗi cực mạnh, nên tất cả lỗi hầu như được phát hiện Theo thống kê, xác xuất

để một khung truyền của CAN bị lỗi mà không được phát hiện

Hình 1.2 Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN Nghĩa là : giả sử 0.7 giây môi trường tác động lên đường truyền CAN làm lỗi

1 bit dữ liệu tốc độ truyền 500kbit/s hoạt động 8h/ ngày và 365 ngày/năm thì trung bình 1000 năm có một khung truyền bị lỗi mà không được phát hiện

 Mạng CAN thuộc hệ thống dựa vào bức điện ( adress base system )

Những hệ thống dựa vào địa chỉ thì mỗi nốt mạng được gán một địa chỉ nhất định nên khi có thêm hay bớt một nhóm nốt trong hệ thống buộc phải thiết kế lại tốn thời gian và chi phí

Những hệ thống dựa vào bức điện sẽ có tính mở hơn vì mỗi loại bức điện ( Message ) sẽ được gán một số căn cước Khi thêm bớt một nốt hay nhóm nốt cũng không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống Có thể có nhiều nốt cùng nhận bức điện và cùng thực hiện tác vụ ( task ) hay thực hiện những công việc khác nhau, hoặc cũng có

thể không làm gì cả…Do đó, hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở và linh hoạt dễ dàng thay đổi mà không thiết kế lại hệ thống

Ngoài ra CAN còn dùng để truyền dữ liệu lớn (Trong khung truyền có thể chứa 0 đến 8 byte dữ liệu ) có tốc độ tương đối cao ( 1Mbyte o khoảng cách

40 m ) ổn định đáp ứng thời gian thực trong nhiều môi trường khác nhau

Các chuẩn Fieldbus : DeviceNet, CAN open, J1939….thường dùng trong công nghiệp là chuẩn CAN mở rộng ( lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu của các chuẩn này là CAN )

Đó là tất cả lý do CAN được mở rộng trong nhiều ngành công nghiệp khác ngoài ngành ô tô : máy công nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa , dây chuyền sản xuất tự động …và trở thành giao thức giao tiếp phổ biến

1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ]

 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.Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này 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 như Bluetooth Một điều nổi bật là ZigBee

có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu)

 Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu)

Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau

 Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau

(mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được

thiết kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh Nhiệm

vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của đường truyền (LQI)

và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác

 Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN Ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế

có tên là RFD (reduced-function device) Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

 FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái : là điều phối viên của toàn mạng PAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD

1.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Wifi [ 16 ]

 Đôi nét về sự ra đời và phát triển của công nghệ Wifi

WiFi được nhiều người cho rằng là viết tắt của Wireless-Fidelity Tuy nhiên không phải mọi người điều đồng ý về điều đó Wifi là tên viết ngắn gọn thường dùng để chỉ công nghệ IEEE 802.11 Các dự án của IEEE được chia ra làm nhiều dự

án nhỏ hơn cho những nhóm làm việc độc lập phát triển và nghiên cứu các chuẩn, những vấn đề cần thiết, những lỗi xảy ra Một trong những dự án nhỏ của dự án 802

là dự án IEEE 802.3 là nhóm làm việc tạo ra chuẩn hóa cho Ethernet 802.4 là nhóm làm việc nhằm tạo ra chuẩn Token Bus và nhóm 802.11 nhằm tạo ra chuẩn hóa cho Wireless LAN ( Local Area Network ) Số hiệu được gán cho mỗi nhóm được đặt tên không theo thứ tự nào cả

Dự án phát triển mạng nội bộ không dây WLAN ( Wireless Local Area Network ) được bắt đầu năm 1990 Mục đích của dự án này là nhằm xây dựng một cách thức kết nối không dây giữa những thiết bị ( station ) cố định hoặc di động mà đòi hỏi sự thiết lập nhanh chóng trong một khu vực cục bộ bằng cách sử dụng những bang tần khác nhau Vào năm 2001, chuẩn quốc tế đầu tiên về mạng 802.11

đã được công bố

 Các chuẩn WLAN hiện nay :

IEEE 802.11 : là chuẩn gốc của WLAN và là chuẩn có tốc độ thấp nhất trong cả hai kỹ thuật dựa trên tần số radio và tần số ánh sáng

IEEE 802.11b : có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn chuẩn này được gọi

là Wifi bởi tổ chức Wireless Ethernet Compatibilyti Alliance ( WECA ) Tốc độ dự liệu lý thuyết là 11Mbps ( Megabit per second ) Trên thực tế tốc độ lớn nhất có thể đạt là 6 Mbps với vùng phủ sóng tầm 300m trong môi trường không vật cản ( outdoor) Băng tần sử dụng là 2,4 GHz(cùng bang tần với Bluetooth và microwave)

IEEE 802.11a : có tốc độ truyền cao hơn 802.11b ( 54 Mbps lý thuyết

và tầm 30 Mbps lớn nhất có thể trong thực tế ) nhưng không có tính tương thích ngược và sử dụng tần số 5GHz

IEEE 802.11g : là chuẩn dựa trên chuẩn 802.11 có tốc độ truyền ngang

với 802.11a, có khả năng tương thích với 802.11b Chuẩn này hoạt động trên tầng

giao nối kết ( roaming ) giữa hai AP mà liên lạc không bị gián đoạn

IEEE 802.11i : nhằm tăng cường tính bảo mật của Wifi

IEEE802.11 u : nhằm cải tiến việc kết nối với nhiều mạng khác

(interworking) và còn nhiều chuẩn khác nữa như 802.11k (radio reource management), 11r (roaming), 11h (transmission power control), 11p (vehicular network) Mỗi một chuẩn này nhằm cải thiện hoặc giải quyết một vấn đề cụ thể

1.1.6 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Bluetooth [ 13 ]

 Khái niệm về Bluetooth

Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs)

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz

 Các phiên bản Bluetooth

Phiên bản 1.0 và 1.0B có tốc độ 1Mbps ( thực tế chỉ khoảng 700kbps ) nhưng gặp nhiều vấn đề về tương thích giữa các sản phẩm khác nhà sản xuất

Bluetooth 1.1 là phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhưng tốc độ cũng tương tự Bluetooth 1.2 đây là phiên bản bắt đầu có nhiều cải tiến, thời gian dò tìm và kết nối nhanh hơn, tốc độ truyền thực tế cũng cao hơn721 kbps so với 700 của chuẩn 1.1

Bluetooth 2.0 +ERD ra đời 7/2007 là thế hệ nâng cấp mạnh mẽ của phiên bản 2.0.Thế hệ này ổn định hơn chia sẻ nhanh hơn, kết nối nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng sử dụng hơn Phiên bản 2.1 +ERD còn có thêm cơ chế kết nối phạm vi nhỏ giúp kết nối hàng loạt các máy tính và thiết bị trong một phạm vi một vùng nhỏ hay một phân khu nhỏ qua ứng dụng kết nối Bluetooth

Bluetooth 3.0 + HS ( High Speed) ra đời vào 21/4/2009 với tốc độ lý thuyết lên đến 24 Mbps do thêm tính năng của chuẩn 802.11 (Wi-Fi) Đối với những thiết bị Bluetooth 3.0 nhưng không có +HS sẽ không đạt được tốc độ trên.Tuy tốc độ cao nhưng Bluetooth vẫn chủ yếu hỗ trợ các nhu cầu như chia sẽ File nhanh, kết nối với loa, tai nghe … chứ không dùng kết nối qua Interner như Wi-Fi.Tuy nhiên, dự kiến chuẩn mới 3.0 này sẽ là thế hệ chuẩn kết nối nâng Bluetooth lên tầm cao hơn, giúp thiết bị tương tác tốt hơn, tăng cường năng lực kết nối giữa các thiết bị cá nhân với nhau, tiết kiệm pin và năng lượng, song vẫn đạt mức kết nối tốt nhất có thể

Ngày 30/6/2010 Bluetooth Sig đã đưa ra Bluetooth phiên bản 4.0 là sự kết hợp của “classis Bluetooth” ( Bluetooth 2.1 và 3.0), “ Bluetooth high speed” ( Bluetooth 3.0+ HS) và “ Bluetooth low energy - Bluetooth năng lượng thấp” ( Bluetooth smart ready / Bluetooth smart) “ Bluetooth low energy” là một phần của Bluetooth 4.0 với một giao thức ngăn xếp hoàn toàn mới để những kết nối đơn giản được thực hiện nhanh chóng Nó là một sự chuyển đổi những giao thức tiêu chuẩn của Bluetooth 1.0 vào 4.0 nhằm phục vụ cho những ứng dụng năng lượng cực thấp

Bluetooth smart chỉ hoạt động ở chế độ đơn tần ( single radio) hướng đến khả năng phát tín hiệu cho các thiết bị trong lĩnh vực y tế ( đo nhịp tim…) thông qua một cảm biến tích hợp, các thông tin thu được chỉ có thể được gửi qua thiết bị có Bluetooth Smart Ready Các thiết bị Bluetooth smart sẽ không có tốc độ cao như 3.0 nhưng bù lại chúng tiêu thụ năng lượng rất thấp, pin của chúng thậm chí chỉ hoạt đông trong vài năm

Trong khi đó, phiên bản Bluetooth smart ready hoạt động ở hai dãy tín hiệu (dual radio) lại hội đủ các điều kiện trên và hoàn toàn tương thích ngược với

3.0.Thiết bị Bluetooth Smatr Ready có thể vừa kết nối với các thiết bị Bluetooth thông thường vừa có khả năng nhận dữ liệu truyền tải từ các thiết bị Bluetooth smart Các thiết bị chuẩn Bluetooth smart ready gồm điện thoại, máy tính bảng, tivi

và PC và đã được triển khai trên iphone 4s, Mac Mini, Macbook Air

gắn nhãn Bluetooth Smart Ready nó có thể dùng cho các thiết bị thuộc nhãn Bluetooth Smart Ready, Bluetooth smart và Bluetooth.Trong khi đó Bluetooth chỉ tương thích với Bluetooth, Bluetooth Smart ready và nhãn Bluetooth Smart chỉ

có thể tương thích với Bluetooth Smart Ready mà thôi

1.1.7 Ưu điểm của Zigbee [ 5 ]

 Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lượng Một nốt mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với

nguồn là hai Ắcqui AA

 Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-1600m (trong trường hợp có khuếch đại)

 Tốc độ truyền của Zigbee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz

 Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng

 Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15

 Công nghệ ZigBee được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến

có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài Với các ưu điểm n ổ i b ậ t

là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng

tương thích cao và giá thành thiết bị thấp

1.2 M

1.2.1 Giao thức TCP/IP [ 1 ]

TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (giao thức điều khiển truyền thông)/Internet Protocol (giao thức Internet) Ngày nay, TCP/IP được

sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng Internet toàn cầu TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức TCP và IP mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức Chúng ta gọi đó là 1 hệ giao thức hay bộ giao thức (Suite Of Protocols)

Các giao thức TCP/IP có vai trò xác định quá trình liên lạc trong mạng và quan trọng hơn cả là định nghĩa “hình dáng” của một đơn vị dữ liệu và những thông tin chứa trong nó để máy tính đích có thể dịch thông tin một cách chính xác TCP/IP

và các giao thức liên quan tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh quản lý quá trình dữ liệu được xử lý, chuyển và nhận trên một mạng sử dụng TCP/IP Một hệ thống các giao thức liên quan, chẳng hạn như TCP/IP, được gọi là bộ giao thức

Một chuẩn TCP/IP là một hệ thống các quy định quản lý việc trao đổi trên các mạng TCP/IP Bộ lọc TCP/IP là một phần mềm có chức năng cho phép một máy tính hoà vào mạng TCP/IP

Mục đích của các chuẩn TCP/IP là nhằm đảm bảo tính tương thích của tất cả

bộ lọc TCP/IP thuộc bất kỳ phiên bản nào hoặc của bất kỳ hãng sản xuất nào

Hai đặc điểm quan trọng của TCP/IP tạo ra môi trường phi tập trung gồm: + Xác nhận mút đầu cuối: hai máy tính đang kết nối với nhau đóng vai trò hai đầu mút ở mỗi đầu của dây truyền Chức năng này xác nhận và kiểm tra sự trao đổi giữa 2 máy Về cơ bản, tất cả các máy đều có vai trò bình đẳng

+ Định tuyến động: các đầu mút được kết nối với nhau thông qua nhiều đường dẫn, và các bộ định tuyến làm nhiệm vụ chọn đường cho dữ liệu dựa trên các điều kiện hiện tại

 Nhiệm vụ và thành phần của giao thức

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet

do ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency) Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông đƣợc công nhận thành chuẩn cho Internet Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP TCP/IP đƣợc xem là giản lƣợc của mô hình tham chiếu OSI với bốn lớp, trong mô hình này là (theo thứ tự từ trên xuống):

Applications Transport

Internetwork

Network Interface and Hardware

Applications TCP/UDP

Network Interface and Hardware

ICMP ARP/RARP

IP

Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới (lớp vận chuyển) qua cổng Việc dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào chứa bên trong gói dữ liệu Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng chuẩn thường dùng cùng cổng Ví dụ như giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu

và cổng 21 cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…

Lớp vận chuyển

Lớp vận chuyển có chức năng cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy hoàn toàn TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối Khi dữ liệu nhận, giao thức TCP lấy những gói được gửi từ lớp Internet và đặt chúng theo thứ tự của nó Bởi vì những gói có thể đến vị trí đích theo phương thức không theo một thứ tự, và kiểm tra nếu nội dung của gói nhận có nguyên vẹn hay không và gửi tín hiệu Acknowledge – chấp nhận tới bên gửi, cho biết gói dữ liệu đã đến đích an toàn Nếu không có tín hiệu Acknowledge của bên nhận (có nghĩa là dữ liệu chưa đến đích

hoặc có lỗi), bên truyền sẽ truyền lại gói dữ liệu bị mất

Bên cạnh TCP, một giao thức khác cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển

đó là UDP (User Data Protocol) Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không hướng kết nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu

Như vậy TCP được coi là một giao thức tin cậy, trong khi UDP được coi là giao thức không đáng tin cậy Tuy nhiên UDP lại đơn giản hơn và có hiệu suất nhanh hơn TCP, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lí giao thức tối thiểu và thường được dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của người sử dụng, ví dụ tiêu biểu là giao thức SNMP

Cả hai giao thức UDP và TCP sẽ lấy dữ liệu từ lớp ứng dụng và thêm header vào khi truyền dữ liệu Khi nhận dữ liệu, header sẽ bị gỡ trước khi gửi dữ liệu đến cổng thích hợp Trong header này có một vài thông tin điều khiển liên quan đến số cổng nguồn, số cổng tới đích, chuỗi số (để hệ thống sắp xếp lại dữ liệu và hệ thống

Acknowledge sử dụng trong TCP) và Checksum (dùng để tính toán xem dữ liệu đến đích có bị lỗi hay không)

Header của UDP có 8 byte trong khi header của TCP có 20 hoặc 24 byte (tùy theo kiểu byte lựa chọn)

Dữ liệu ở lớp này sẽ được chuyển tới lớp mạng nếu truyền dữ liệu hoặc được gửi từ lớp mạng tới nếu nhận dữ liệu

Với giao thức IP, lớp mạng được sử dụng có nhiệm vụ thêm header tới gói

dữ liệu được nhận từ lớp vận chuyển, là một loại dữ liệu điều khiển khác, nó sẽ thêm địa chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích – có nghĩa là địa chỉ IP của bên gửi dữ liệu

và bên nhận dữ liệu

Mỗi gói dữ liệu (datagram) của IP có kích thước lớn nhất là 65.535 byte, bao gồm cả mào đầu (header) mà có thể dùng 20 hoặc 24 byte, phụ thuộc vào sự lựa chọn trong chương trình sử dụng Như vậy gói dữ liệu (datagram) của IP có thể mang 65.515 byte hoặc 65.511 byte, giao thức IP sẽ cắt gói xuống thành nhiều gói

dữ liệu (datagram) nếu thấy cần thiết

Đối với lớp mạng, dữ liệu có thể lên tới 1500 byte, nghĩa là kích thước lớn nhất trường dữ liệu của khung (frame) được gửi lên mạng MTU (Maximum Transfer Unit) có giá trị 1500 byte Như vậy hệ điều hành tự động cấu hình giao thức IP để tạo ra gói dữ liệu (datagram) của IP có chiều dài 1500 byte mà không phải là 65.535 byte

Hình 1.5 dưới minh họa gói dữ liệu (datagram) được tạo ra từ lớp mạng bằng giao thức IP Như chúng ta đã đề cập mào đầu (header) được giao thức IP thêm vào bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích và một vài thông tin điều khiển

Lớp liên mạng

Lớp liên mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu Gói dữ liệu (datagram) được tạo từ lớp mạng sẽ được gửi xuống tới lớp liên mạng nếu truyền dữ liệu, hoặc lớp liên mạng sẽ lấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp Internet nếu chúng ta nhận dữ liệu Như đã đề cập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dưới có ba lớp LLC (Logic Link Control), MAC (Media Access Control) và lớp vật lí Physical

Lớp MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền thông) có nhiệm vụ lắp ráp khung (frame) mà sẽ được gửi lên mạng, thêm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích Địa chỉ MAC là địa chỉ vật lí của card mạng Những khung (frame) mà đích tới mạng khác sẽ dùng địa chỉ MAC của router như là địa chỉ đích

Những lớp LLC và MAC sẽ thêm những mào đầu (header) của chúng tới gói

dữ liệu (datagram) mà nhận được từ lớp Internet Do đó, cấu trúc đầy đủ của khung (frame) được tạo ra từ hai lớp đó được thể hiện trong hình vẽ ( hình vẽ 1.5)

Lớp vật lí đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, jack cắm Lớp này có nhiệm vụ chuyển đổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện (đối với hệ thống dây dẫn mạng bằng cable) hoặc thành song từ trường (đối với hệ thống mạng không dây)

Hình 1.4 Cấu trúc gói dữ liệu TCP/IP

1.2.1.1 Cấu trúc gói tin TCP/IP và giao thức TCP/IP

 Cấu trúc gói tin IP

Gói tin (packet) IP có dạng:

Bit 0 3 4 7 9 15 16 31

lengh Type of service Total length

Hình 1.5 Cấu trúc gói tin IP

+ Ver-4 bít: chỉ phiên bản (version) hiện hành của IP đang được dùng, nếu trường này khác với phiên bản IP của thiết bị nhận, thiết bị nhận sẽ loại bỏ các gói tin này

Data Lớp ứng

dụng

Data TCP/IP

Header

Lớp vận chuyển

Data

Data TCP/IP

Header

IP Header

TCP/IP Header

IP Header LLC

Header

Lớp mạng

MAC CRC MAC

Header

+ IHL (IP Header Length)-4bít: chỉ độ dài phần mào đầu (header) của gói tin, tính theo từ 32 bít

+ TOS (Type of Service)-1byte: cho biết dịch vụ nào mà gói tin muốn sử dụng chẳng hạn như độ ưu tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy

Cụ thể như sau:

+ 3 bít đầu (Precedence): chỉ quyền ưu tiên gửi gói tin, từ gói tin bình thường

là 0 đến gói tin kiểm soát mạng là 7

+ 1 bít tiếp theo (Delay): chỉ độ trễ yêu cầu, 0 ứng với gói tin có độ trễ bình thường, 1 ứng với gói tin có độ trễ thấp

+ 1 bít tiếp theo (Throughput): chỉ thông lượng yêu cầu sử dụng để truyền gói tin với lựa chọn truyền trên đường thông suất thấp hay trên đường thông suất cao, 0 ứng với thông lượng bình thường, 1 ứng với thông lượng cao

+ 1 bít tiếp theo (Reliability): chỉ độ tin cậy yêu cầu, 0 ứng với độ tin cậy bình thường, 1 ứng với độ tin cậy cao

- Total Length-2byte: chỉ độ dài toàn bộ gói tin tính cả phần mào đầu (header), tính theo đơn vị byte

- Indentification-16 bít: cùng với các tham số khác như địa chỉ nguồn (Source Address), địa chỉ đích (Destination Address) dùng để định danh duy nhất một gói tin trong thời gian nó tồn tại trên mạng

- Flags: Các gói tin khi truyền trên đường đi có thể bị phân thành nhiều gói tin nhỏ Trường Flags dùng để điều khiển phân đoạn và lắp ghép gói tin

Cụ thể như sau:

+ Bít 0: chưa sử dụng, luôn lấy giá trị 0

+ Bít 1: 0 ứng với gói tin bị phân đoạn, 1 ứng với gói tin không bị phân đoạn + Bít 2: 0 ứng với gói tin thuộc phân đoạn cuối cùng của gói tin gốc, 1 ứng với gói tin không phải là phân đoạn cuối cùng của gói tin gốc

- Fragment Offset-13bít: chỉ vị trí của phân đoạn trong gói tin gốc, tính theo đơn vị 8 byte

- Time To Live-1byte: quy định thời gian tồn tại tính bằng giây của gói tin trong mạng Thời gian này được đặt bởi trạm gửi và giảm đi (thường quy ước là 1) khi gói tin đi qua mỗi router của liên mạng Một giá trị tối thiểu phải đủ lớn để mạng hoạt động tốt

- Protocol: Chỉ tầng giao thức kế tiếp sẽ nhận vùng dữ liệu ở trạm đích TCP ứng với giá trị 6, UDP ứng với giá trị 17, 1 ứng với ICMP

- Header Checksum-2byte: Dùng để phát hiện lỗi header của gói tin xảy ra trong quá trình truyền của nó

- Source IP Address-4byte: địa chỉ IP của nơi truyền gói tin

- Destination IP Address-4byte: địa chỉ IP của nơi nhận gói tin

- IP Option-độ dài thay đổi: khai báo các lựa chọn do người sử dụng yêu cầu,

ví dụ như: mức độ bảo mật, đường mà gói tin được gửi đi, thông tin giờ hiện tại (timestamp) ở mỗi router

- Padding-độ dài thay đổi: dùng để đảm bảo phần mào đầu (header) luôn kết thúc ở một mốc 32 bít

- Data: chứa thông tin lớp trên, chiều dài thay đổi đến 64Kb

 Cấu trúc gói tin TCP

Đơn vị dữ liệu trong TCP được gọi là phân đoạn mạng (Segment) với cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Cấu trúc gói tin TCP

- Source Port-2 byte: số hiệu cổng TCP của trạm nguồn

- Destination Port-2byte: số hiệu cổng TCP của trạm đích

- Sequence number: số hiệu của byte đầu tiên của phân đoạn mạng (segment), nếu cờ SYN bật thì nó là số thứ tự gói ban đầu và byte đầu tiên được gửi có số thứ tự này cộng thêm 1 Nếu không có cờ SYN thì đây là số thứ tự của byte đầu tiên

- Acknowledgment Number-2byte: nếu cờ ACK bật thì giá trị của trường chính là số thứ tự gói tin tiếp theo mà bên nhận cần Báo là nhận tốt các segment mà trạm đích đã gửi cho trạm nguồn

- Data offset-4bit: độ dài của phần header tính theo đơn vị từ 32 bit Tham số này chỉ ra vị trí bắt đầu của nguồn dữ liệu

- Reserved-6 bít

- Flags: các bít điều khiển

+ URG: vùng con trỏ khẩn (Urgent pointer) có hiệu lực

+ ACK: vùng báo nhận ACK number có hiệu lực

+ PSH: chức năng PUSH

+ RST: khởi động lại liên kết

+ SYN: đồng bộ hoá số hiệu tuần tự

+ FIND: không còn dữ liệu từ trạm nguồn

- Window-2byte: số byte dữ liệu bắt đầu từ byte được chỉ ra trong ACK number mà trạm nguồn đã sẵn sàng để nhận

- Checksum: kiểm tra cho cả phần mào đầu (header) lẫn dữ liệu

- Urgent Pointer-2byte: nếu cờ URG bật thì giá trị trường này chính là số từ

16 bit mà số thứ tự gói tin (sequence number) cần dịch trái

- Option-2byte: vùng tuỳ chọn, khai báo các option của TCP trong đó có độ dài tối đa của vùng TCP data trong một phân đoạn mạng (segment)

- Padding: phần chèn thêm vào mào đầu (header) để đảm bảo phần header luôn kết thúc ở một mốc 32 bít

- TCP data: chứa dữ liệu của tầng trên có độ dài tối đa ngầm định là 536byte Giá trị này có thể khai báo trong trường Option

Quá trình thiếp lập kết nối của giao thức TCP:

Không giống như giao thức UDP(giao thức có thể lập tức gửi mà không cần thiết lập kết nối), TCP đòi hỏi phải thiết lập kết nối trước khi bắt đầu gửi dữ liệu và kết thúc kết nối khi việc gửi dữ liệu hoàn tất Cụ thể các kết nối của TCP có 3 giải pháp: thiết lập kết nối, truyền dữ liệu và kết thúc kết nối

Các trạng thái của kết nối:

- LISTEN: đang đợi yêu cầu kết nối từ một TCP và cổng bất kỳ ở xa (trạng thái này thường do các TCP server đặt)

- SYN-SENT: đang đợi TCP ở xa gửi một gói tin TCP với các cờ SYN và ACK được bật (trạng thái này thường do các TCP client cài đặt)

- SYN-RECEIVED: đang đợi TCP ở xa gửi lại một tin báo nhận sau khi đã gửi cho TCP ở xa đó một tin báo nhận kết nối (connnection acknowledgmen, thường do TCP server đặt)

- ESTABLISHED: cổng đã sẵn sàng nhận/gửi dữ liệu với TCP ở xa (đặt bởi TCP client và server)

- TIME-WAIT: đang đợi qua đủ thời gian để chắc chắn là TCP ở xa nhận được đã nhận được tin báo nhận về yêu cầu kết thúc kết nối của nó Một kết nối có thể ở trạng thái TIME-WAIT trong vòng tối đa 4 phút

Thiết lập kết nối

Để thiết lập một kết nối, TCP sử dụng một quy trình bắt tay 3 bước Trước khi client thử kết nối với một server, server phải đăng ký một cổng và mở cổng đó cho các kết nối và đây được gọi là mở bị động Một khi mở bị động đã được thiết lập thì một client có thể bắt đầu mở chủ động Để thiết lập một kết nối, quy trình bắt tay 3 bước xảy ra như sau:

- Máy chủ động được thực hiện bằng các gửi một SYN cho server

- Server trả lời bằng một SYN-ACK

- Cuối cùng, client gửi một ACK lại cho server

Hình 1.7 Thiết lập kết nối TCP Đến đây cả client và server đều đã nhận được một tin báo nhận ACK về kết nối

Truyền dữ liệu

Một số đặc điểm cơ bản của TCP để phân biệt với UDP:

+ Truyền dữ liệu không lỗi (do có cơ chế sữa lỗi/truyền lại)

+ Truyền các gói dữ liệu theo đúng thứ tự

+ Truyền lại các gói dữ liệu mất trên đường truyền

+ Loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp

Hình 1.8 Kết thúc kết nối TCP

1.2.2 Công nghệ Ethernet [ 4 ]

 Công nghệ Ethernet

Là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa vào khung dữ liệu dành cho mạng LAN Tên ETHERNET được xuất phát từ khái niệm Ête trong ngành vật lý học Ethernet định nghĩa một loạt các định nghĩa nối dây và phát tín

hiệu cho tầng vật lý Hai phương tiện để truy nhập tại phần MAC (điều khiển truy

nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu và một định dạng chung cho

việc định địa chỉ Vì vậy, khi nhắc đến Ethernet ta sẽ liên hệ đến lớp 1 và lớp 2 trong mô hình OSI Hai lớp này thuộc về phần cứng Ethernet , trong khi các lớp còn lại thuộc về việc xử lý của phần mềm

Ethernet đã được chuẩn hóa thành IEEE 802.3 cấu trúc mạng hình sao, hình

thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) đã trở thành công nghệ mạng LAN được sử

dụng rộng rãi nhất từ thập niên 1990 cho tới nay Trong những năm gần đây, mạng wi-fi, dạng LAN không dây đã được chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã được sử dụng bên cạnh hoặc thay thế Ethernet trong nhiều cấu hình mạng

 Kỹ thuật truyền dẫn

Về mặt logic, Ethernet có cấu trúc bus Cấu trúc mạng vật lí có thể là đường thẳng hoặc hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn Bốn loại cáp thông dụng nhất: cáp đồng trục dầy, cáp đồng trục mỏng, cáp đôi dây xoắn, cáp quang

Bảng 1.2 Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng

phương pháp truyền tải dải cơ sở và chiều dài một đoạn mạng tối đa 500m Loại cáp đồng trục thứ hai có kí hiệu 10BASE2 được gọi là cáp mỏng (thin Ethernet), rẻ hơn nhưng hạn chế một đoạn mạng ở phạm vi 200m và số lượng 30 trạm

Với 10BASE5, bộ nối được gọi là vòi hút (vampire tap), đóng vai trò một bộ thu phát (transceiver) Bộ thu phát chứa vi mạch điện tử thực hiện chức năng nghe ngóng đường truyền và nhận biết xung đột Trong trường hợp xung đột được phát hiện, bộ thu phát gửi một tín hiệu không hợp lệ để tất cả các bộ thu phát khác cũng nhận biết được rằng xung đột đã xảy ra Như vậy, chức năng của module giao diện mạng được giảm nhẹ Cáp nối giữa bộ thu phát và card giao diện mạng được gọi là cáp thu phát, có thể dài tới 50m và chứa tới năm đôi dây xoắn bọc lót riêng biệt (STP) Hai đôi dây cần cho trao đổi dữ liệu, hai đôi cho truyền tín hiệu điều khiển, còn đôi dây thứ năm có thể sử dụng để cung cấp nguồn cho bộ thu phát Một số bộ thu phát cho phép nối tới tám trạm qua các cổng khác nhau, nhờ vậy tiết kiệm được

số lượng bộ nối cũng như công lắp đặt

Với 10BASE2, card giao diện mạng được nối với cáp đồng trục thông qua bộ nối thụ động BNC hình chữ T Bộ thu phát được tích hợp trong bảng mạch điện tử của module giao diện mạng bên trong máy tính Như vậy, mỗi trạm có một bộ thu phát riêng biệt

Về bản chất, cả hai kiểu dây với cáp đồng trục như nói trên đều thực hiện cấu trúc bus (vật lí cũng như logic), vì thế có ưu điểm là tiết kiệm dây Tuy nhiên, các lỗi phần cứng như đứt cáp, lỏng bộ phận nối rất khó phát hiện trực tuyến Mặc dù đã

có một số biện pháp khắc phục, phương pháp tin cậy hơn là sử dụng cấu trúc hình sao với một bộ chia (hub) hoặc một bộ chuyển mạch (switch) Cấu trúc này thông thường được áp dụng với cáp đôi dây xoắn, nhưng cũng áp dụng được với cáp đồng trục

Đa số cấu hình mạng Ethernet có kết nối với thiết bị điều khiển thường sử dụng chuẩn chung 10BASE-T Trong mạng này các trạm được nối với nhau qua một bộ chia giống như cách nối các mạng điện thoại

Ưu điểm của cấu trúc này là việc bổ sung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng cũng như việc phát hiện lỗi cáp truyền rất đơn giản

Nhược điểm có thể thấy rõ nhất đó là tốn dây dẫn và công đi dây cũng như chi phí cho bộ chia chất lượng cao cũng là một vấn đề Bên cạnh đó, khoảng cách tối đa cho phép từ một trạm tới bộ chia thường bị hạn chế trong vòng 100 – 150m

Bên cạnh cáp đồng trục và cáp đôi dây xoắn thì cáp quang cũng được sử dụng nhiều trong Ethernet, trong đó đặc biệt là 10BASE-F Với cách ghép nối duy nhất là điểm – điểm, cấu trúc mạng có thể là daisy-chain, hình sao hoặc hình cây Thông thường, chi phí cho các bộ nối và thiết bị đầu cuối rất lớn nhưng khả năng kháng nhiễu tốt và tốc độ truyền cao là các yếu tố quyết định trong nhiều phạm vi ứng dụng

Trong nhiều trường hợp, ta có thể sử dụng phối kết hợp nhiều loại trong một mạng Ethernet Ví dụ, cáp quang hoặc cáp đồng trục dầy có thể sử dụng là đường trục chính hay xương sống (backbone) trong cấu trúc cây, với các đường nhánh là cáp mỏng hoặc đôi dây xoắn Đối với mạng quy mô lớn, có thể sử dụng các bộ lặp, nhưng đường dẫn giữa hai bộ thu phát không được phép dài quá 2,5km cũng như không đi qua quá bốn bộ lặp

Địa chỉ đích

Địa chỉ nguồn

Độ dài kiểu gói Dữ liệu PAD FCS

7 byte 1 byte 6 byte 6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte

Hình 1.9 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet

Mở đầu (Preamble) của khung MAC là trường 7 byte giống nhau có giá trị

55H, được bên nhận sử dụng để đồng bộ nhịp với bên gửi Việc đồng bộ hóa chỉ được thực hiện một lần cho cả bức điện

Một byte SFD (Start of Frame Delimiter) chứa dãy bit 10101011, đánh dấu khởi đầu khung MAC

Theo 802.3, địa chỉ đích và địa chỉ nguồn có thể là 2 hoặc 6 byte, nhưng chuẩn qui định cho truyền dải cơ sở 10 Mb/s chỉ sử dụng địa chỉ 6 byte Bit cao nhất trong địa chỉ đích có giá trị 0 cho các địa chỉ thông thường và giá trị 1 cho các địa chỉ nhóm Đối với các thông báo gửi tới các trạm (broadcast), tất cả các bit trong địa chỉ đích sẽ là 1

Có hai loại địa chỉ Ethernet là các địa chỉ cục bộ và các địa chỉ toàn cầu, được phân biệt bởi bit 46 (bit gần cao nhất) Các địa chỉ cục bộ có thể đổ cứng hoặc đặt bằng phần mềm và không có ý nghĩa ngoài mạng cục bộ Ngược lại, một địa chỉ toàn cầu được IEEE cấp phát, luôn được cố định trong vi mạch để đảm bảo sự thống nhất trên toàn thế giới Với 46 bit có thể có tổng cộng 7* 13

10 địa chỉ cục bộ Tuy nhiên số lượng các trạm cho phép trong một hệ thống mạng công nghiệp còn phụ thuộc vào kiểu cáp truyền, giao thức phía trên cũng như đặc tính của các thiết bị tham gia mạng

Một sự khác nhau giữa Ethernet và IEEE 802.3 là ý nghĩa ô tiếp sau phần địa chỉ Theo đặc tả Ethernet, hai byte này chứa mã giao thức chuyển gói phía trên Cụ thể, mã 0800 chỉ giao thức IP (Internet Protocol) và mã 0806 chỉ giao thức ARP (Address Resolution Protocol) Theo chuẩn IEEE 802.3, ô này dùng để chỉ số byte

dữ liệu (từ 0 đến 1500) Với điều kiện ràng buộc giữa tốc độ truyền v (tính bằng bit/s), chiều dài bức điện n và khoảng cách truyền l (tính bằng mét) của phương

pháp CSMA/CD

Để đảm bảo tốc độ truyền 10Mbit/s và khoảng cách truyền 2500m thì một bức điện phải dài hơn 250 bit hay 32 byte Xét tới cả thời gian trễ qua bốn bộ lặp, chuẩn 802.3 qui định chiều dài khung tối thiểu là 64 byte (51,2us), không kể phần

mở đầu và byte SFD Như vậy ô dữ liệu phải có chiều dài tối thiểu là 46 byte Trong trường hợp dữ liệu thực ngắn hơn 46 byte, ô PAD (Padding) được sử dụng để lấp đầy

Ô cuối cùng trong khung MAC là FCS (Frame Check Sequence) gồm 4 byte chứa mã CRC (Cyclic Redundancy Check) với đa thức phát

1 )

(x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x

Phần thông tin kiểm soát lỗi bao gồm các ô địa chỉ, ô chiều dài, ô dữ liệu

1.3.1 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi

áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng

1.3.2 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN Ngoài ra còn

có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD

1.3.2.1 Kiến trúc liên kết mạng [ 9 ]

Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ ZigBee Các node mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao cấu trúc mạng hình lưới cấu trúc bó cụm hình cây Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cách rộng rãi Hình 1.12 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp:

tô pô sao, tô pô mắt lưới, tô pô cây