NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEEIEEE802.15.4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE802.15.4 Họ tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠI NGUYỄN HỮU THUẬN Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2008 - 2012 Tháng 06 năm 2012     NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE802.15.4   Tác giả NGUYỄN QUỐC ĐẠI - NGUYỄN HỮU THUẬN Khóa luận đệ trình để đáp ứng nhu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn KS NGUYỄN TRUNG TRỰC - TS NGUYỄN VĂN HÙNG Tháng 06 năm 2012   i     LỜI CẢM ƠN Thơng qua khóa luận tốt nghiệp tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Tất quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt cho tơi kiến thức quý báu làm tảng sau Đặc biệt quý thầy cô Bộ môn Cơ Điện Tử - khoa Cơ Khí Cơng Nghệ dạy bảo, trang bị cho kiến thức chuyên ngành làm hành trang bước vào thực tế - Giáo viên hướng dẫn: Thầy TS.Nguyễn Văn Hùng-KS.Nguyễn Trung Trực tận tình giúp đỡ từ bắt đầu đến hồn thành khóa luận - Tập thể lớp DH08CD chia sẻ kiến thức học hỏi thời gian qua - Tất bạn bè người thân động viên, giúp đỡ vượt qua khó khăn q trình thực Vì thời gian không nhiều kiến thức, kinh nghiệm hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong góp ý chân thành từ phía thầy bạn đọc Xin chân thành cảm ơn Nguyễn Hữu Thuận Nguyễn Quốc Đại   ii     TĨM TẮT Khóa luận “NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE802.15.4” Được thực trường đại học trường đại học Nông Lâm TP.HCM Thời gian từ 03/2012 đến 06/2012 Nội dung thực hiện: nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZigBee/IEEE802.15.4  Tổng quan mạng WPAN  Chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4  Mơ hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4  Các tầng cấp mơ hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4  Nghiên cứu việc truyền nhận liệu thô chuẩn khơng dây ZigBee/IEEE802.15.4  Tìm hiểu thu phát không dây MRF24J40MB vi điều khiển Pic18f26k20 Kết thực hiện: Tìm hiểu chuẩn kết nối khơng dây ZigBee.IEEE802.15.4, dùng mơ hình kết nối máy tính với giao diện điều khiển để thực việc truyền nhận liệu   iii     MỤC LỤC TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi Chương .1 MỞ ĐẦU .1 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục đích .1 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương .3 TỔNG QUAN .3 2.1 Tổng quan mạng WPAN 2.1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 2.1.2 Sự phát triển mạng WPAN .3 2.1.3 Phân loại chuẩn WPAN 2.2 Khái quát ZigBee/IEEE802.15.4 2.2.1 Khái quát chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE 2.2.2 Đặc điểm chuẩn truyền thông 802.15.4/ZIGBEE 2.2.3 So sánh ZigBee chuẩn WPAN khác 2.3 Cấu trúc mạng ZIGBEE 2.3.1 Mơ hình giao thức Zigbee .7 2.3.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE802.15.4 .7 2.3.3 Các thông số kỹ thuật tầng PHY ZigBee/IEEE802.15.4 2.3.4 Tầng điều khiển liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC .10 2.3.5 Tầng mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 .17 2.3.6 Tầng ứng dụng ZigBee/IEEE 802.15.4 19   iv     2.4 Kiến trúc mạng ZIGBEE 19 2.4.1 Thành phần mạng ZigBee/IEEE802.15.4 LR-WPAN .19 2.4.2 Cấu trúc liên kết mạng hình (Star) 20 2.4.3 Cấu trúc liên kết mạng hình (cluster-tree) 21 2.4.4 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) 22 2.5 Giới thiệu PIC18F26K20 22 2.6 Giới thiệu module mrf24j40mb microchip 23 2.6.1 Nhân module, chip MRF24J40 23 2.6.2 Các tính năng: 23 2.6.3 Hoạt động: 24 2.6.4 Các tính RF / Analog: 24 2.6.5 Cấu trúc nhớ MRF24J40 .24 2.6.6 SPI MRF .27 2.6.7 Cơ chế hoạt động MRF24J40 28 2.6.8 Truyền/nhận data thô với MRF24J40 28 2.6.9 Module MRF24J40MB 29 Chương 31 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIÊN CỨU 31 3.1 Nội dung nghiên cứu .31 3.2 Phương pháp nghiên cứu 31 Chương 32 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 32 4.1 Lựa chọn khảo sát hệ thống thu thập ẩm độ đất – giám sát - điều khiển không dây 1ha 32 4.1.1 Mô tả hệ thống .32 4.1.2 Sơ đồ bố trí hệ thống 33 4.1.2.2 Trạm 35 4.2 Thiết kế mạch điều khiển 39 4.2.1 Sơ đồ khối 39   v     4.2.2 Ghép nối .43 4.2.3 Giải thuật 44 4.2.4 Giao diện 48 4.2.5 Nhận xét kết luận 57 Chương 58 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .58 5.1 Kết luận 58 5.2 Đề nghị: 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59   vi     DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT   WPAN Wireless personal area network WLAN Wireless local area network USB Universal Serial Bus UWB Ultra-wideband PDA Personal digital assistant QoS Quality of service PDA Personal Digital Assistant LR-WPAN Low-rate wireless personal area network MAC Medium access control PHY Physical layer GTS Guaranteed time slot LQI Link quality indication ED Energy detection CCA Clear channel assessment FFD Full-function device RFD Reduced-function device PAN ID Personal area network identifier CID Cluster identifier CLH Cluster head O-QPSK Offset quadrature phase-shift keying SHR Synchronization header PHR PHY header PSDU PHY service data unit MPDU MAC protocol data unit CFP Contention-free period CAP Contention access period CSMA-CA Carrier sense multiple access with collision avoidance BI Beacon interval vii       BO Beacon order IFS Interframe space or spacing ACK Acknowledgment MHR MAC header MFR MAC footer CBC-MAC Cipher block chaining message authentication code viii     DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Những thiết bi thường sử dụng WPAN Hình 2.2: Mơ hình giao thức ZigBee Hình 2.3: Kênh giải băng tần ZigBee Hình 2.4: Định dạng khung PPDU 10 Hình 2.5: Cấu trúc siêu khung 11 Hình 2.6: Lưu đồ giải thuật chế CSMA/CA 12 Hình 2.7: Truyền liệu đến thiết bị điều phối không hỗ trợ beacon .14 Hình 2.8: Truyền liệu đến thiết bị điều phối có hỗ trợ beacon 14 Hình 2.9: Truyền liệu đến thiết bị thành viên có hỗ trợ beacon 15 Hình 2.10: Truyền liệu đến thiết bị thành viên không hỗ trợ beacon 16 Hình 2.11: Sơ đồ khung lệnh MAC 16 Hình 2.12: Cấu trúc mạng hình 20 Hình 2.13: Cấu trúc mạng hình 21 Hình 2.14: Cấu trúc mạng mesh 22 Hình 2.15 : Sơ đồ chân Pic18f26k20 22 Hình 2.16: Sơ đồ chân chip MRF24J40 24 Hình 2.17: Sơ đồ kêt nối MRF PIC .25 Hình 2.18: Short address read 27 Hình 2.19: Short address write 27 Hình 2.20: Long address read 27 Hình 2.21: Long address write 28 Hình 2.22: Sơ đồ khôi mạch PIC18 28 Hình 2.23: MRF24J40MB 29 Hình 2.24: Sơ đồ chân module MRF24J40MB 29 Hình 4.1: Vị trí trạm 32 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí hệ thống 34 Hình 4.3: Mơ hình mạng lớp lớp sử dụng hệ thống 35 Hình 4.4: Bố trí đường ống .37   ix     4.3.2.2 Lưu đồ giải thuật node mạng  Zigbee End Device Hình 4.11: Sơ đồ khối node End Device Một node End Device hệ thống thu thập ẩm độ đất theo chuẩn ZigBee có tính sau   45     - Khi bật lên, hệ thống phát lệnh dò mạng gia nhập mạng thích hợp Tồn phần thời gian node trạng thái ngủ, tắt transceiver để tiết kiệm lượng Dòng tiêu thụ node lúc tính uA Khi node trạng thái ngủ, message gửi đến node hồn tồn khơng nhận mà lưu trữ đệm node cha Khi node thức dậy, phát lệnh hỏi đến cha xem có message cho khơng, đến lúc này, message nhận xử lí Tiếp theo hệ thống đọc độ ẩm gửi đến trạm chủ Kết thúc trình, node ngủ tiếp  ZigBee Router Hình 4.12: Sơ đồ khối node Router   46     So với End Device, router thiết bị đầy đủ chức (FFD) thức Router đảm nhận q trình chuyển tiếp, đệm xử lí liệu  ZigBee Coordinator Hình 4.13: Sơ đồ khối node Coordinator Một node Coordinator mạng ZigBee Khi bật nguồn, node dò khơng gian xung quanh, kênh cho phép mức lượng có sẵn khơng lớn mức định trước Thỏa điều kiện đó, node thành lập mạng, sẵn sàng cho node khác gia nhập  Nhận liệu đến Việc nhận liệu thực theo trình tự sau đây: -   Module MRF nhận liệu, gây thay đổi cạnh chân INT0 (ngắt PIC) PIC nhảy vào hàm ngắt, kiểm tra xem liệu có phải cờ ngắt ngồi hay khơng Nếu đúng, phát lệnh copy liệu từ đệm MRF qua đệm nhận SRAM 47     - Set Primitive cho lần xử lí kế APSDE_Data_indication Hình 4.14: Lưu đồ nhận liệu không dây qua MRF24j40 sử dụng ngắt 4.2.4 Giao diện 4.2.4.1 Sơ đồ cách truyền nhận liệu qua giao diện máy tính Hình 4.15: Sơ đồ truyền nhân liệu máy tính   48     4.2.4.2 Các bước thực  Khởi động phần mềm Hình 4.16: Giao diện khởi động  Chọn Serial Hình 4.17: Chọn giao diện điều khiển  Cài đặt thông số   49     Hình 4.18: Cài đặt thơng số  Số thông số cần cài đặt ta chọn cổng com ảo theo máy, chọn Baud(tốc độ truyền), Data chiều dài liệu, Parity kiểm tra liệu  Số khởi động kết nối  Số nhập liệu cần gởi   50      Khởi động Cordinater Hình 4.19: Khởi động Cordinater  Số báo hiệu thiết bị kết nối Cordinater  Số báo hiệu Cordinater mở mạng thành công  Số phím điều khiển  cho phép khơng cho phép node gia nhập mạng  yêu cầu liệu từ node mạng  yêu cầu liệu từ nhóm khác  gởi liệu đến node mạng  gởi liệu đến nhóm khác  Thiết lập gỡ bỏ giao tiếp với nhóm khác  kiểm tra thơng tin mạng   51      Cho phép node gia nhập mạng Hình 4.20: kết nối với RFD Chọn để kết nối với RFD   52      Khởi động RFD xin gia nhập mạng Hình 4.21: RFD gia nhập mạng thành công Ta thấy RFD gia nhập mạng 1AAA thành công Chọn để kiểm tra thông tin mạng ta thấy RFD kết nối với Cordinater có địa mạng ngắn 0000, địa MAC AAAAAAAAAAAAAAAA tên CRD   53      Kiểm tra bên Cordinater Hình 4.22: Kiểm tra RFD Ta thấy node mạng RFD có địa ngắn 796F địa MAC 0000000004111989 với tên RFD gia nhập mạng thành công   54      Chọn để yêu cầu liệu từ RFD Hình 4.23: Yêu cầu liệu từ RFD  Chọn để yêu cầu liệu  Chọn số bytes muốn yêu cầu  Chọn địa RFD muốn yêu cầu liệu ta kết nối với RFD có địa ngắn 796F  Sau tin nhắn gởi thành công ta thấy liệu yêu cầu gởi tới ta mong muốn   55      Chọn để gởi liệu đến RFD Hình 4.24: Gởi liệu đến RFD       Chọn để gởi liệu đến RFD Chọn số bytes muốn gởi Chọn giá trị bytes Chọn địa RFD muốn gởi liệu 56      Nhận liệu từ Cordinater Hình 4.25: Nhận liệu từ Cordinater Sau Cordinater gởi liệu thành công ta thấy RFD nhận liệu ta yêu cầu Việc yêu cầu liệu gởi liệu từ RFD làm hoàn toàn tương tự Cordinater 4.2.5 Nhận xét kết luận Nhận xét: Mạch chạy ổn định, thu phát liệu tốt, phần mềm giao diện điều khiển dễ dàng Kết luận: Mạch truyền nhận liệu với tốc độ truyền tin thấp, node tiêu hao lượng, chi phí thấp, khả giám sát hỗ trợ tới 65000 node mạng để hướng tới ứng dụng điều khiển từ xa tự động hóa Với kết đạt khả ứng dụng cơng nghệ truyền thông không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 vào thực tế khả thi   57     Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Do giới hạn thời gian thực tiểu luận thiết bị khơng cho phép, khóa luận sâu vào lý thuyết để nắm rõ chuẩn kết nối không dây này, ưu nhược điểm ứng dụng thực tế, tiềm phát triển tương lai 5.2 Đề nghị - Đồ án, với phân tích kĩ thuật chi phí chứng minh lợi điểm ZigBee với hệ thống tự động tòa nhà - Với chế đánh địa thành phần riêng lẻ lên đến 65000 node, ZigBee cho phép quản lí chi tiết đến thiết bị cơng tắc, cảm biến, rơ le, đảm bảo điều khiển quán chung cho hệ thống - Có thể phát triển ZigBee hệ thống quản lí chung cho tồn ứng dụng tự động nhà cao tầng, từ điều hòa, thơng gió đến báo cháy, chiếu sáng Điều cho phép việc điều khiển vận hành toàn hệ thống mức tổng thể, nhằm tiết kiệm lượng đạt hiệu cao   58     TÀI LIỆU THAM KHẢO Performance Analysis of IEEE 802.15.4 and ZigBee for Large-Scale Wireless Sensor Network Applications By Mikko Kohvakka, Mauri Kuorilehto, Marko Hännikäinen, Timo D Hämäläinen Bài viết WSN evolution Đức Tuấn vntelecom.org Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu ZigBee Ngơ Quang Anh Các viết ZigBee, IEEE 802.15.4, 6lowpan wikipedia.org ProblemSolvingfor Wireless Sensor Networks by Ana-BelenGarcıaHernando, Jose-Fernan, Martınez-Ortega, Juan-Manue, Lopez-Navarro l AggelikiPrayati, LuisRedondo-Lopez,MsC Advanced PIC Microcontroller Projects in C, from USB to ZigBee with 18F devices, by Dogan Ibrahim Hands on Zigbee - Implementing 802.15.4 with Microcontrollers, by Fred Eady Microchip forum, http://www.microchip.com/forums/ ZigBee-Specification, ZigBee Home Automation Profile, ZigBee AFG Framework, ZigBee.org 10 FreakZ - open source Zigbee stack, http://www.freaklabs.org 11 The C programming Language, by Brian W Kernighan and Dennis M Ritchie 12 WI-FITM, BLUETOOTHTM, ZIGBEETM AND WIMAXTM, by H LABIOD, H AFIFI, C DE SANTIS 13 ZigBee2006 Application Note 01232A, by Derrick P Lattibeaudiere – Microchip 14 MRF24J40 datasheet, Microchip 15 Other book, app note about PIC16F, PIC18F, DS18B20 – 1Wire   59