Hang ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đôie cuộc sống con người trên thế giới. Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi ngõ ngách trên toàn cầu. Trong mạng viễn thông ngàu nay, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm - nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình hoạt động bằng cách thức mà chỉ có ICT mới có thể làm được. Mạng viễn thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta và đang mở rộng không ngừng đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. tuy vậy trong một dải băng tần co hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cứng tần số hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị… Một trong những công nghệ mới đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghẹ Zigbee. Công nghệ Zigbee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ Zigbee hoạt động ở dải tần 868915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Trong bài tập lớn này, em muốn trình bày về các khảo cứu của em về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của Zigbee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này. Hy vọng thông qua các vẫn đề được đề cập trong bài tập lớn này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ Zigbee IEEE802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng cảu công nghệ này trong cuộc sống.
39 Mục Lục Lời nói đầu Hang ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đôie\r cuộc sống con người trên thế giới. Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi ngõ ngách trên toàn cầu. Trong mạng viễn thông ngàu nay, con người đang quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm chính trị”, mua bán và thử nghiệm - nghĩa là thực hiện tất cả các loại hình hoạt động bằng cách thức mà chỉ có ICT mới có thể làm được. Mạng viễn thông đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta và đang mở rộng không ngừng đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. tuy vậy trong một dải băng tần co hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm năng đó. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. Vì vậy một giải pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phát sinh ví dụ như là can nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cứng tần số hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị… Một trong những công nghệ mới đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghẹ Zigbee. Công nghệ Zigbee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ 39 Zigbee hoạt động ở dải tần 868915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Trong bài tập lớn này, em muốn trình bày về các khảo cứu của em về công nghệ Zigbee và ứng dụng kết nối thiết bị của Zigbee để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này. Hy vọng thông qua các vẫn đề được đề cập trong bài tập lớn này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ Zigbee IEEE802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng cảu công nghệ này trong cuộc sống. Chương 1: Tổng Quan Về Giao Thức Zigbee I. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây Nhiều phương pháp và chuẩn kết nối không dây đã được phát triển trên toàn thế giới dựa trên sự đa dạng về nhu cầu thương mại. Những công nghệ này có thể được xếp loại thành 4 nhóm (PAN, LAN, MAN, WAN) dựa trên những ứng dụng đặc trưng và phạm vi truyền của chúng. Hình 1 mô tả các nhóm này. a. Personal Area Network (PAN) PAN là một mạng sử dụng cho việc kết nối giữa các thiết bị cá nhân (gồm điện thoại và các thiết bị số cá nhân khác). Phạm vi truyền thông của PAN chỉ là vài mét. PAN có thể kết nối các thiết bị với nhau hoặc với mạng Internet. Mạng PAN không dây (Wireless Hình 1. Các nhóm truyền thông không dây. 39 PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các giao thức Infrared (IrDA), Bluetooth. b. Local Area Network (LAN) Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền thông với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được chức năng tương tự như mạng LAN nối dây. WLAN cho phép người dùng di chuyển trong một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học ) mà vẫn kết nối được với mạng. Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có 802.11a/b/g/n. c. Metropolitan Area Network (MAN) Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc trên chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là WiMAX). Nó được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết bị cố định hoặc di động thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến mạng lõi. WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương đối rẻ trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16 km, tuy nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể. Trong hầu hết mọi trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì chất lượng của dịch vụ. d. Wide Area Network (WAN) WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN, LAN hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ điển hình nhất của WAN chính là mạng Internet. WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và máy tính trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng cho các tổ chức đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ liệu di động như GSM, GPRS và 3G II. Giao thức ZigBee a. Giới thiệu 39 ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag của ong mật (honey bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước. b. Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) là một tổ chức phi lợi nhuận nhằm mục đích nghiên cứu phát triển các công nghệ liên quan đến thiết bị điện và điện tử. Trong đó, nhóm 802 chuyên nghiên cứu về các công nghệ mạng và bộ phận 802.15 được dành riêng cho các chuẩn mạng không dây. IEEE 802.15.4 quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm vi 10 mét đến 100 mét và hoạt động ở ba dải tần chính: * Dải 868 - 868.8 MHz (châu Âu): chỉ một kênh tín hiệu, trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s. * Dải 902 - 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc): có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s.v * Dải 2.4 - 2.4835 GHz (hầu hết các nước khác trên thế giới): 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s. c. Cấu trúc của giao thức ZigBee Tương tự như các giao thức truyền thông khác, ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định Hình 2 .Cấu trúc giao thức. 39 nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị d. Thành phần mạng ZigBee Một mạng kiểu ZigBee gồm có 3 loại thiết bị: * ZC (Zigbee Coordinator): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với các mạng khác. * ZR (Zigbee Router): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền thông với các thành phần khác của mạng. * ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó. Các thiết bị này thường được chia làm 2 loại là FFD (Full Function Device) và RFD (Reduced Function Device). Trong đó FFD có thể hoạt động như một Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End Device trong một mạng ZigBee. e. Mô hình mạng ZigBee Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: Mạng hình sao (Star Network) Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED). Khi ZC được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác. Hình 3. Cấu trúc mạng sao. 39 ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau. Mạng hình lưới (Mesh Network) Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận. Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng hình sao, song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường. Hình 4. Cấu trúc mạng lưới Hình 5. Cấu trúc mạng cây Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng như một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator). 39 f. ZigBee và các giao thức truyền thông khác Bảng so sánh ZigBee với các giao thức truyền thông không dây phổ biến như Wifi, Bluetooth và GSM/GPRS/CDMA Chương 2: Chuẩn Giao Thức Zigbee / IEEE 802.15.4 2.1. mô hình giao thức của zigbee / IEEE802.15.4 Zigbee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo tiêu chuẩn IEEE802.15.4. đó là tính tin cậy và đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. dựa vào mô hình như hình 2.1, các nhà 39 sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thichs cùng với nhau. 2.2. Tầng vật lý Zigbee/IEEE802.15.4 Tầng vật lý cungt cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tần vật lý PLME (physical layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thong quia kênh sóng vô tuyến vật lý. Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận song, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền. chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản và Mỹ. 39 Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây. 39 2.2.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý 2.2.1.1. Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250kb/s 2.2.1.1.1. Sơ đồ điều chế Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần 2.4 GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây. Một chuỗi nhị phân “0000b”được biến đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung [...]... và công nghệ hàng đầu được hỗ trợ sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức khỏe, bao gồm Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Awarepoint và RF công nghệ ZigBee và Liên minh sức khỏe Continua: Cải thiện chăm sóc sức khỏe cá nhân ZigBee Alliance đã gia nhập lực lượng với Health Alliance continua , một tổ chức phi lợi nhuận, ngành công nghiệp mở liên minh của các công ty chăm sóc sức khỏe và công nghệ. .. ZigBee ánh sáng liên kết thu được chứng nhận của ZigBee chỉ sản phẩm chiếu sáng tiêu dùng nối mạng của ngành công nghiệp cung cấp đơn giản và khả năng tương tác 39 Kể từ khi ZigBee ánh sáng liên kết là một tiêu chuẩn ZigBee, sản phẩm chiếu sáng sẽ tương thích dễ dàng với các sản phẩm sử dụng chuẩn ZigBee khác đã có trong ngôi nhà của người tiêu dùng, bao gồm ZigBee Trang chủ Tự động hóa, thiết bị ZigBee. .. hoặc thiết bị đầu vào tương tự 39 ZigBee Thiết bị đầu vào hoạt động với ZigBee điều khiển từ xa được trang bị HDTV hiện có, hộp set-top và các thiết bị khác cũng như với các máy tính hiện có ZigBee Thiết bị đầu vào là một tiêu chuẩn được thiết kế đặc biệt cho các ZigBee RF4CE đặc điểm kỹ thuật 4.8 Liên kết ZigBee nhẹ ZigBee ánh sáng liên kết cung cấp cho các ngành công nghiệp chiếu sáng một tiêu chuẩn... cá nhân Continua đã tán ZigBee Chăm sóc sức khỏe như công suất thấp mạng cục bộ của nó (LAN) tiêu chuẩn trong Hướng dẫn thiết kế continua 2010 4.6 ZigBee Home Automation ZigBee Trang chủ Tự động hóa là ngành công nghiệp hàng đầu tiêu chuẩn toàn cầu giúp tạo ra ngôi nhà thông minh tăng cường sự thoải mái, thuận tiện, an ninh và quản lý năng lượng cho người tiêu dùng Đây là công nghệ được lựa chọn cho... vào, ZigBee điều khiển từ xa và ZigBee chăm sóc sức khỏe Các nhà sản xuất hàng đầu các giải pháp chiếu sáng nhà đã đóng góp chuyên môn của họ cho sự phát triển của ZigBee ánh sáng liên kết, bao gồm GE, Greenwave, OSRAM Sylvania và Philips 4.9 Dịch vụ bán lẻ ZigBee ZigBee Dịch vụ bán lẻ là một ngành công nghiệp tiêu chuẩn mới sẽ làm thay đổi môi trường bán lẻ cho các nhà bán lẻ và người tiêu dùng ZigBee. .. cứ ai để mua với sự tự tin Các công ty viễn thông hàng đầu, các nhà sản xuất sản phẩm và các công ty công nghệ dẫn sự phát triển của tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips, Telecom Italia, Telefonica, OKI, Huawei, Motorola và Texas Instruments 4.11 Thiết bị mạng ZigBee Thiết bị mạng ZigBee là loại cho thiết bị cụ thể các tiêu chuẩn được thiết kế để hỗ trợ và mở rộng mạng lưới ZigBee PRO-dựa Các thiết bị phổ... phổ có thể làm việc trên chỉ là về bất kỳ mạng PRO ZigBee Họ cũng làm việc với hầu hết các tiêu chuẩn ZigBee ZigBee Gateway là tiêu chuẩn đầu tiên tham gia thể loại này và công việc đang được tiến hành để phát triển tiêu chuẩn cho cầu và các thiết bị mở rộng phạm vi ZigBee Cổng ZigBee Gateway cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu để kết nối nhiều loại mạng ZigBee Internet hoặc với cung cấp dịch vụ, bao gồm... thân thiện Một số tiện ích hàng đầu thế giới, cung cấp dịch vụ năng lượng, các nhà sản xuất sản phẩm và các công ty công nghệ đang hỗ trợ sự phát triển của ZigBee Smart Energy Một số nhóm tiêu chuẩn khác cũng tham gia với mở rộng phạm vi của ZigBee Smart Energy để nhiều nhà trên toàn thế giới ZigBee Smart Energy là trong việc triển khai hoạt động trong nhiều lĩnh vực Dưới đây là liên kết đến một số... hướng dẫn hoặc thông tin về không gian công cộng với GPS 39 ZigBee Dịch vụ viễn thông hỗ trợ các nhu cầu của một đa dạng, hệ sinh thái toàn cầu của các nhà sản xuất sản phẩm, nhà khai thác mạng điện thoại di động, các doanh nghiệp và các chính phủ khi họ tìm kiếm những cách thức mới để tương tác với công chúng Tất cả các sản phẩm ZigBee Dịch vụ viễn thông là ZigBee chứng nhận để thực hiện bất kể nhà... tiêu dùng Tất cả các sản phẩm ZigBee Trang chủ Tự động hóa là ZigBee chứng nhận để thực hiện bất kể nhà sản xuất, cho phép bất cứ ai để mua với sự tự tin ZigBee Trang chủ Tự động hóa cung cấp một tiêu chuẩn có thể làm cho mỗi gia đình một môi trường năng lượng hiệu quả thông minh hơn, an toàn hơn và nhiều hơn nữa cho người tiêu dùng và gia đình 4.7 ZigBee Thiết bị đầu vào ZigBee Thiết bị đầu vào là một