Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-ĐỖ VĂN KHÁNH
THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2017
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUỐC UY
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lục: giờ ngày tháng năm 2017
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
‐ Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông
Trang 3MỞ ĐẦU
Cách đây một vài năm mọi người đang nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế giới như thế nào Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết
bị có những thử thách nhất định Các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy và WiFi đều không thích hợp cho những ứng dụng tầm xa Mạng di động (cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa device-to- device vì quá tốn năng lượng Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch vụ
Điểm quan trọng của ứng dụng IoT yêu cầu chỉ truyền rất ít bit dữ liệu để theo dõi (monitor) các thiết bị tầm xa Hệ thống mạng di động thì không phù hợp với vấn đề năng lượng pin (battery) và hiệu quả kinh tế khi gửi ít dữ liệu đi Vì vậy, giao thức zigbee được đưa ra cho những ứng dụng này Zigbee thích hợp cho việc gửi một lượng nhỏ dữ liệu, độ tin cậy cao với kết nối không dây, trong khi thời lượng pin dài
Từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là
“THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IoT”
Nhờ sự hướng dẫn cũng như định hướng của thầy hướng dẫn, học viên thực hiện tìm kiếm và thu thập tài liệu, bài báo đã được công bố để tìm hiểu lý thuyết cơ bản về mạng mesh cũng như công nghệ zigbee, từ đó tìm hiều và phân tích các kết quả đã có được và thiết kế một mạng mesh mô hình nhỏ chạy thực tế để khảo sát đưa ra kết quả và định hướng nghiên cứu tiếp sau này
Luận văn được xây dựng với nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về IOT
Chương 2: Giới thiệu mạng MESH
Trang 4Chương 3: Công nghệ ZIGBEE
Chương 4: Các ứng dụng và triển khai thiết kế mô hình mạng mesh
Trang 5CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Giới thiệu chung về IoT
1.1.1 Khái niệm về IoT
Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính
IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống
vi cơ điện tử (MEMS) và Internet Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng
như một số loại cảm biến khác
1.2 Tình hình phát triển IoT trên thế giới và Việt Nam
1.2.1 Xu hướng phát triển của thế giới
Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có
28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo 13 tỉ còn lại là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng
Trang 61.2.2 Xu hướng phát triển của Việt Nam
Hiện các nhà mạng Việt Nam đã bắt đầu thử nghiệm triển khai 4G, các dịch vụ IoT cũng có tiềm năng phát triển và triển khai tại Việt Nam trên nền tảng này Việt Nam nên quan tâm đến dịch vụ IoT tiếp cận số đông đại chúng như các giải pháp giao thông và an toàn an ninh cần được
ưu tiên hơn Tuy nhiên, Việt Nam cũng cần linh hoạt cao, bởi giải pháp mới sẽ mang lại cơ hội để đạt đến tính hiệu quả cao
Việt Nam cũng đã có những cuộc thi khởi nghiệp, cộng đồng mở IoT Đã có nhiều ứng dụng IoT ở Việt Nam trong lĩnh vực nông nghiệp, giám sát chất lượng nước, giao thông, thực phẩm… Việt Nam khuyến khích các doanh nghiệp khởi nghiệp triển khai trồng trọt rau hữu cơ, làm nông thông minh Thủ tướng Chính phủ đã yêu cầu Ngân hàng Trung ương tăng giá trị gói tín dụng ưũu đãi cho các công ty nông nghiệp công nghệ cao Giới trẻ sẽ tham gia vào 3 viễn cảnh mà IoT có thể mang lại: Nhà thông minh nơi các ứng dụng chính có thể “giao tiếp” với nhau (36%); Các tòa nhà thông minh có thể tối ưu sử dụng năng lượng theo các thay đổi về thời tiết và số người sở hữu (29%); Hệ thống giao thông có thể điều chỉnh thời gian thực để giảm thiểu tình trạng đường xá (23%)
1.3 Công nghệ trong IoT
1.3.1 Công nghệ trong IoT
Các giao thức chính
‐ MQTT: một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ (D2S)
Trang 7‐ XMPP: giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy chủ
‐ DDS: giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D)
‐ AMQP: hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)
Giao thức truyền thông không dây
‐ Zigbee
‐ BLE (Bluetooth low energy)
‐ RFID
Cảm biến sensor
Trong Internet of Things, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm,
1.3.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT
Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau:
‐ Lớp ứng dụng (Application Layer): Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực tiếp với người dùng
để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IOT [7]
‐ Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support layer)
Trang 8+Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ
dữ liệu
+ Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IOT khác nhau
sẽ có nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù
‐ Lớp mạng (Network Layer)
+ Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…
+ Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…
‐ Lớp thiết bị (Device Layer): Lớp Device chính là các phần cứng vật
lý trong hệ thống IOT
1.4 Các ứng dụng trong IoT
1.4.1 Các ứng dụng trong IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT
‐ Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải
‐ Ứng dụng trong nông nghiệp
Trang 9‐ Ứng dụng trong nhà thông minh
‐ Ứng dụng trong thành phố thông minh
‐ Ứng dụng trong lưới điện thông minh
1.4.2 Các thách thức trong việc nghiên cứu, triển khai IoT
‐ Chưa có ngôn ngữ chung
Hiện tại các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe
‐ Hàng rào subnetwork
Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lí Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết
bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác
‐ Tiền và chi phí
Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là khi có một động lực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được Hiện tại, các động lực này không nhiều
Trang 101.5 Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày tóm tắt và hiểu rõ hơn về khái niệm, kiến trúc,
mô hình, các ứng dụng cũng như thách thức trong môi trường IoT Như vậy Internet of Things hiểu đơn giản là một mạng lưới các vật thể được gắn cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa Internet
Of Things ngày này đang phát triển một cách vô cùng mạnh mẽ Có thể nói IoT đang dần thay đổi thể giới và trở thành xu hướng của thời đại, khi
mà nhắc đến bất kỳ một lĩnh vực nào đều có thể nghe đến IoT ở đó
Trang 11CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MẠNG MESH
2.1 Mạng không dây
2.1.1 Các khái niệm cơ bản
Mesh network theo chuẩn 802.16 là những liên kết vô tuyến kiểu mạng lưới với nhiều các điểm truy nhập (APs: access points) trong những khu vực địa lý rộng lớn Mỗi thiết bị đầu cuối sử dụng công nghệ không dây (WTs:wireless terminals) sẽ kết nối với một AP tại điểm nối của mạng,và AP này sẽ gởi lưu lượng của WT trên xương sống của mạng (những node kết nối trong mạng) đến POP (point of presence).POP là nơi kết nối mesh network với Internet Từ đó chỉ cần một luồng Internet tốc độ cao đã sử dụng được cho nhiều APs
Mesh network truyền thông tin giữa các node,có khả năng tự tìm đường đi mới ở những nơi bị che chắn, nhờ vậy mạng vẫn được duy trì khi
có node bị lỗi hoặc chất lượng kết nối kém
2.1.2 Phân chia các mạng không dây
Cũng tương tự với hệ thống mạng dây, cách phân chia cơ bản nhất của các hệ thống mạng không dây là theo phạm vi phủ sóng
WMANS: Wireless Metropolitan Area Networks – Hệ thống mạng
đô thi không dây
WWANS: Wireless Wide Area Networks – Hệ thống mạng diện rộng không dây
2.1.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng không dây
Wifi
Bluetooth
Kết nối hồng ngoại
Trang 12Zigbee
WiMAX
NFC
Mạng 3G/4G
2.2 Kiến trúc MESH
Mesh bao gồm hai loại node: mesh router và mesh client Một mesh router bao gồm chức năng định tuyến, chức năng cửa ngõ/trạm lặp (gateway/repeater) Để nâng cao sự linh hoạt của mạng lưới, một mesh router thường được trang bị với nhiều giao diện không dây được xây dựng trên hoặc công nghệ truy nhập không dây giống hay khác nhau So sánh với router wirless thông thường, một mesh router có thể có cùng diện bao phủ nhưng với công suất phát thấp hơn nhiều thông qua việc truyền thông nhiều hop Giao thức MAC (Medium access control) trong mesh router được tăng cường với sự mở rộng tốt hơn trong điều kiện lưới nhiều hop Mesh client có thể truy nhập mạng thông qua mesh router như là với các client khác Trong khi infrastructure cung cấp kết nối tới mạng như là Internet, Wi-fi, Wimax, mạng cảm biến, mạng thông tin di động, khả năng định tuyến của client cung cấp kết nối và bảo vệ bên trong WMN
2.2.1 Dữ liệu truyền trong Mesh network
TDMA (Time division multiple access) là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian, thời gian làm việc của tài nguyên thông tin chia làm nhiều khung, mỗi khung chia làm nhiều khe, mỗi khe cho phép 1 user làm việc Cơ sở việc phân biệt user là dựa vào khung thời gian Tín hiệu thu phát gián đoạn
OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) là một phương pháp điều chế đặc biệt của điều chế FDM.OFDM sử dụng kỹ thuật điều
Trang 13chế sóng mang chồng phổ, nghĩa là dữ liệu của sóng mang này sẽ chồng lên dữ liệu của các sóng mang lân cận và luồng dữ liệu ở tốc độ cao được chia nhỏ thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn.Do các sóng mang này chồng phổ lên nhau nên sẽ xảy ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các sóng mang,nên các sóng mang này cần trực giao với nhau (orthogonal) Để tránh nhiễu giữa các symbol (nhiễu ISI) kỹ thuật điều chế này sẽ thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ giữa các symbol
Sử dụng TDMA và OFDM trong mesh network
Các symbol trong điều chế OFDM được nhóm lại vào trong các khung TDMA (có chiều dài bằng nhau) tạo thành 2 khung con
Khung con thứ nhất là khung điều khiển Khung này sẽ gởi các gói tin chứa thông tin lịch trình,các node sẽ phát đi các tin lịch trình này
Khung con thứ hai là khung cấu hình mạng,các gói tin trong khung này chứa các thông tin của topo,thông tin dự phòng,và quản lý các thông báo
Việc quản lý các symbol này được đơn giản hóa bằng việc nhóm chúng lại và truyền đi.Trong khung con điều khiển,các symbol được nhóm lại thành 7 symbol trong một khung, 4 symbol được sử dụng để truyền thông tin điều khiển trong khi 3 symbol còn lại được dùng để bảo vệ.Trong khung con chứa dữ liệu,các symbol được nhóm lại và nó phụ thuộc vào dữ liệu truyền đi,ví dụ như hình vẽ để truyển 3 data cần 6 symbol
Trang 14CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ZIGBEE
3.1 Công nghệ zigbee
Công nghệ Zigbee là chồng giao thức truyền thông cho mạng vô tuyến phạm vi ngắn với tốc độ dữ liệu thấp, tiêu tốn ít năng lượng
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
3.1.1 Thành phần mạng Zigbee
Có 2 loại thiết bị trong một mạng không dây IEEE 802.15.4 : FFD(Full Function Device) và RFD (Reduced Function Device) Một FFD có khả năng thực hiện tất cả các chức năng được mô tả trong IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhiệm bất cứ một vai trò nào trong mạng Zigbee Một RFD có khả năng giới hạn hơn so với FFD
3.1.2 Cấu hình mạng
Trong truyền thông dùng giao thức Zigbee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới
Trong lớp mạng Zigbee cho phép 3 kiểu thiết bị:ZigBee coordinator( ZC);ZigBee Router(ZR);ZigBee End Device ( ZED)
Zigbee Coordinator (ZC):Chỉ có duy nhất 1 ZC trong bất kỳ mạng Zigbee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp