Mặc dù nhiều cảm biến kết nối trực tiếp với bộ điều khiển và trạm xử lý (ví dụ: sử dụng mạng cục bộ), ngày càng nhiều cảm biến truyền dữ liệu được thu thập
không dây đến trạm xử lý tập trung. Điều này rất quan trọng vì nhiều ứng dụng mạng yêu cầu hàng trăm hoặc hàng nghìn nút cảm biến, thường được triển khai ở các khu vực xa xôi và không thể tiếp cận. Do đó, một cảm biến không dây không chỉ có một thành phần cảm biến, mà còn có khả năng xử lý, truyền thông và lưu trữ tại chỗ. Với những cải tiến này, một nút cảm biến thường không chỉ chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu mà còn phân tích trong mạng, tương quan và hợp nhất dữ liệu cảm biến và dữ liệu từ các nút cảm biến khác. Khi nhiều cảm biến hợp tác với nhau để giám sát các môi trường cụ thể lớn, chúng tạo thành một mạng cảm biến
không dây (WSN).
Các nút cảm biến không chỉ truyền thông với nhau mà còn truyền thông với một trạm cơ sở/trạm gốc (BS) thông qua khối thu phát vô tuyến, nhằm gửi dữ liệu cảm biến của chúng đến các hệ thống xử lý, quan sát, phân tích và lưu trữ từ xa. Ví dụ, Hình 2.1 cho thấy hai khu vực cảm biến theo dõi hai vùng địa lý khác nhau và kết nối với Internet bằng các trạm cơ sở của chúng. Khả năng của các nút cảm biến
trong WSN có thể rất khác nhau, nghĩa là, các nút cảm biến đơn giản có thể theo dõi một hiện tượng vật lý đơn lẻ, trong khi các thiết bị phức tạp hơn có thể kết hợp nhiều kỹ thuật cảm biến khác nhau (ví dụ: âm thanh, quang học, từ tính). Chúng cũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, ví dụ, sử dụng các công nghệ siêu âm, hồng ngoại hoặc tần số vô tuyến với tốc độ dữ liệu và độ trễ khác nhau.
Hình 2.2. Minh họa các mạng cảm biến vô tuyến.
Trong khi các cảm biến đơn giản chỉ có thể thu thập và truyền thông tin về môi trường quan sát, các thiết bị cảm biến công suất lớn hơn (nghĩa là, các thiết bị có khả năng xử lý, năng lượng và lưu trữ lớn hơn) cũng có thể thực hiện thêm các chức năng xử lý và tổng hợp dữ liệu. Các thiết bị như vậy thường đảm nhận thêm
trách nhiệm trong WSN, ví dụ, chúng có thể hình thành các đường trục kết nối thông tin cho các thiết bị cảm biến hạn chế tài nguyên khác sử dụng để tiếp cận trạm gốc. Ngoài ra, một số thiết bị cảm biến có thể được tích hợp thêm các công nghệ khác nhau, ví dụ: các máy thu GPS, cho phép chúng xác định chính xác vị trí của chúng.
Mạng Zigbee
- Lược sử phát triển
Khi các mạng ZigBee bắt đầu được quan tâm đến vào năm 1998, mọi người nhận ra rằng bên cạnh các mạng yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, có nhiều mạng không
dây yêu cầu độ trễ thấp và tiêu thụ năng lượng thấp nhưng tốc độ dữ liệu không cao, chẳng hạn như mạng điều khiển hoặc mạng cảm biến. Các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản ZigBee 1.0 được phát hành vào ngày 14 tháng 12 năm 2004, để hỗ trợ phần nào cho những yêu cầu đó. Mạng ZigBee thực sự là một tiêu chuẩn được xác
định bởi hai tổ chức, đó là nhóm nhiệm vụ 4 của IEEE 802.15 WPAN và ZigBee Alliance. IEEE 802.15.4, được thành lập vào tháng 5 năm 2003, dựa trên định nghĩa về lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC). ZigBee Alliance xác định phân lớp hỗ trợ ứng dụng (APS), đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO), hồ sơ thiết bị ZigBee (ZDP), khung ứng dụng, lớp mạng (NWK) và dịch vụ bảo mật ZigBee. ZigBee Alliance cũng mô tả cho các ứng dụng. Các lớp PHY và MAC chuẩn IEEE 802.15.4 cùng với lớp hỗ trợ ứng dụng cho phép mạng ZigBee đạt được mức độ chi phí thấp, tiêu thụ công suất thấp, phạm vi hoạt động ngắn, dễ thực hiện và có mức độ tiếp cận truyền thông bảo mật phù hợp. ZigBee thường được sử dụng cho điều khiển công nghiệp, cảm biến nhúng, thu thập dữ liệu y tế, cảnh báo khói và xâm nhập, tự động hóa tòanhà, tự động hóa nhà, v.v.
- Kiến trúc mạng:
Chồng giao thức ZigBee như minh họa trong Hình 2.3, lớp PHY và lớp MAC được xác định theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4. ZigBee Alliance xây dựng trên nền tảng này, cung cấp lớp mạng (NWK) và nền tảng cho các tiêu chuẩn lớp ứng dụng, bao gồm lớp con hỗ trợ ứng dụng (APS), các đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) và các đối tượng ứng dụng do nhà sản xuất xác định [7].
- Lớp mạng:được xây dựng dựa trên các tính năng của IEEE 802.15.4 MAC để cho phép khả năng mở rộng vùng phủ sóng. Cụm bổ sung có thể được thêm vào; mạng có thể được hợp nhất hoặc chia nhỏ. Lớp ZigBee NWK chủ yếu chịu trách nhiệm thiết lập một kết nối mạng mới và rời khỏi một mạng, định cấu hình ngăn xếp để hoạt động khi một thiết bị mới tham gia vào mạng, gán địa chỉ cho thiết bị đang tham gia mạng, hoạt động này do điều phối viên thực hiện, định tuyến dung dữ liệu đến các đích của chúng, cho phép thiết bị đồng bộ hóa với thiết bị khác thông qua việc truy tìm các chỉ thị thông báo hay thăm dò, và áp dụng các hoạt động bảo mật.
- Lớp ứng dụng: bao gồm lớp con APS và ZDO. Về mặt logic, nó bao gồm các ứng dụng do nhà sản xuất xác định, có thể là phần cứng hoặc phần mềm. Lớp con APS cung cấp các dịch vụ khai thác và ràng buộc. Discovery được sử dụng để
phát hiện các thiết bị đang hoạt động trong phạm vi của nó. Liên kết được sử dụng để kết hợp hai hoặc nhiều thiết bị với nhau và chuyển tiếp tin nhắn giữa các thiết bị liên kết.
Hình 2.3. Kiến trúc mạng Zigbee. - Mô hình mạng Zigbee
Mạng ZigBee hỗ trợ ba cấu trúc liên kết mạng: cấu trúc liên kết hình sao, cấu trúc liên kết ngang hàng và cấu trúc liên kết cây cụm.Hình 2.4 cho thấy ba cấu trúc liên kết đó. Mạng hình sao phù hợp với các yêu cầu đơn giản với mức tiêu thụ điện năng thấp. Mạng ngang hàng có khả năng tin cậy mức độ cao và cung cấp nhiều đường dẫn khác nhau trong mạng. Cấu trúc liên kết cây cụm thực sự chỉ sử dụng cấu trúc liên kết hình sao lai và cấu trúc liên kết ngang hàng, mang lại lợi ích cho cả mức độ tin cậy cao và hỗ trợ cho các nút nguồn pin.
Hình 2.4. Mô hình mạng Zigbee. - Các chuẩn IEEE 802.15.4
WPAN (Mạng khu vực cá nhân không dây) được sử dụng để truyền tải thông tin trong khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như WLAN (mạng cục bộ không dây), các kết nối được thực hiện qua WPAN liên quan đến một phần hoặc
không có cơ sở hạ tầng (infrastucture). Tính năng này cho phép thực hiện các giải pháp nhỏ, tiết kiệm điện, không tốn kém cho nhiều loại thiết bị. Phạm vi của tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 là xác định các thông số kỹ thuật của lớp vật lý (PHY) và lớp phụ kiểm soát truy cập môi trường (MAC) cho kết nối không dây tốc độ dữ liệu thấp với các thiết bị cố định, cầm tay và di độngkhông có pin hoặc yêu cầu tiêu thụ pin rất hạn chế thường hoạt động trong phạm vi hoạt động cá nhân (POS: personal
operating space) cỡ 10m.
Có thể thấy trước rằng, tùy thuộc vào ứng dụng, phạm vi dài hơn với tốc độ dữ liệu thấp hơn có thể là một sự thỏa hiệp chấp nhận được. Mục đích của dự án
này là hướng tới mức tồn tại đồng thời với các thiết bị không dây khác liên hợp với
các nhóm, chẳng hạn như 802.15.2 và 802.11/ETSI-BRAN/MMAC 5GSG.
LR-WPAN là một mạng truyền thông đơn giản, chi phí thấp, cho phép kết nối không dây trong các ứng dụng có công suất hạn chế và yêu cầu thông lượng vừa phải. Các mục tiêu chính của LR-WPAN là dễ cài đặt, truyền dữ liệu đáng tin cậy, tầm hoạt động ngắn, chi phí cực thấp và tuổi thọ pin hợp lý trong khi vẫn duy trì một giao thức đơn giản và linh hoạt. Một số đặc điểm bao gồm:
o Tốc độ dữ liệu vô tuyến 250 kb/s, 40 kb/s và 20 kb/s. o Hoạt động kiểu ngang hàng hoặc hình sao.
o Được phân bổ địa chỉ ngắn 16 bit hoặc mở rộng 64 bit. o Phân bổ các khe thời gian bảo vệ (GTS).
o Sử dụng kỹ thuật đa truy câp cảm nhận sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA-CA).
o Giao thức truyền thông điệp được sử dụng để mang lại độtin cậy truyền dẫn. o Tiêu thụ năng lượng thấp.
o Có cơ chế phát hiện năng lượng (ED). o Sử dụng LQI (Chỉ báo chất lượng liên kết).
o 16 kênh ở băng tần 2450 MHz, 10 kênh ở băng tần 915 MHz và 1 kênh ở
băng tần 868 MHz.
Hai kiểu thiết bị khác nhau có thể tham gia vào mạng LR-WPAN. Một FFD (thiết bị đầy đủ chức năng) và một thiết bị chức năng hạn chế (RFD). FFD có thể hoạt động ở ba chế độ phục vụ nhưmột bộ điều phối PAN (mạng khu vực cá nhân), một bộ điều phối hoặc một thiết bị. FFD có thể thông tin với RFD hoặc các FFD
khác, trong khi RFD chỉ có thể thông tin với FFD.RFD dành cho các ứng dụng cực kỳ đơn giản, chẳng hạn như công tắc đèn hoặc cảm biến hồng ngoại thụ động. Chúng không cần gửi một lượng lớn dữ liệu và có thể chỉ kết hợp với một FFD duy nhất tại một thời điểm. Do đó, RFD có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tài
nguyên và dung lượng bộ nhớ tối thiểu.
Công nghệ liên kếtmạng:
Tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng, LR-WPAN có thể hoạt động trong một trong hai cấu trúc liên kết: cấu trúc liên kết hình sao hoặc cấu trúc liên kết ngang hàng. Trong cấu trúc liên kết hình sao, truyền thông được thiết lập giữa các thiết bị và một bộ điều khiển trung tâm duy nhất, được gọi là bộ điều phối PAN. Một thiết bị thường có một số ứng dụng liên quan và là điểm khởi tạo hoặc điểm kết thúc cho các truyền thông trong mạng. Bộ điều phối PAN cũng có thể có một ứng dụng cụ thể, nhưng nó có thể được sử dụng để bắt đầu, kết thúc hoặc định tuyến truyền
thông trong mạng. Bộ điều phối PAN là bộ điều khiển chính của PAN. Tất cả các thiết bị hoạt động trên một mạng cấu trúc liên kết sẽ có địa chỉ mở rộng 64-bit duy
nhất. Địa chỉ này có thể được sử dụng để truyền thông trực tiếp trong PAN hoặc nó có thể được trao đổi để lấy một địa chỉ ngắn do bộ điều phối PAN cấp phát khi thiết bị kếthợp.
Bộ điều phối PAN có thể được cấp nguồn chính, trong khi các thiết bị rất có thể sẽ được cấp nguồn bằng pin. Các ứng dụng đạt được lợi ích từ cấu trúc liên kết hình sao bao gồm tự động hóa gia đình, thiết bị ngoại vi máy tính cá nhân (PC), đồ
chơi và trò chơi cũng như chăm sóc sức khỏe cá nhân. Cấu trúc liên kết ngang hàng cũng có bộ điều phối PAN. Tuy nhiên, nó khác với cấu trúc liên kết hình sao ở chỗ bất kỳ thiết bị nào cũng có thể truyền thông với thiết bị khác miễn là chúng nằm trong phạm vi truyền dẫn của nhau.
Cấu trúc cơ bản của mạng hình sao có thể được chỉ ra như trong Hình 2.5.
Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên, FFD có thể thiết lập mạng riêng và trở
thành bộ điều phối PAN. Tất cả các mạng có tô-pô dạng sao hoạt động độc lập với tất cả các mạng tô-pô sao khác hiện đang hoạt động. Điều này đạt được bằng cách chọn một bộ nhận dạng PAN, hiện không được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào khác
trong dải nhiễucủatruyền dẫnvô tuyến. Khi bộnhận dạng PAN được chọn, bộ điều phối PAN có thể cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng của nó. Cả hai loại thiết bị FFD và RFD đều có thể tham gia vào mạng.
Trong cấu trúc liên kết ngang hàng, mỗi một thiết bị có khả năng truyền thông với bất kỳ thiết bị nào đó trong phạm vi ảnh hưởng vô tuyến của nó. Ví dụ, một thiết bị sẽ được chỉ định làm bộ điều phối PAN, vì là thiết bị đầu tiên truyền thông trên kênh. Các cấu trúc mạng khác có thể được xây dựng theo cấu trúc liên kết ngang hàng và có thể áp đặt các hạn chế cấu trúc liên kết đối với việc hình thành mạng.
Hình 2.5. Minh họa tô-pô mạng của IEEE 802.15.4
Một ví dụ về việc sử dụng cấu trúc liên kết truyền thông ngang hàng là cây cụm. Mạng cụm cây là một trường hợp đặc biệt của mạng ngang hàng trong đóhầu hết các thiết bị là FFD. RFD có thể kết nối với mạng cây cụm như một nút rời ở cuối nhánh, vì nó chỉ có thể kết hợp với một FFD tại một thời điểm. Bất kỳ FFD nào cũng có thể hoạt động như một bộ điều phối và cung cấp dịch vụ đồng bộ hóa cho các thiết bị khác hoặc bộ điều phối khác. Chỉ một trong những bộ điều phối này có thể là bộ điều phối PAN tổng thể, có thể có tài nguyên tính toán lớn hơn bất kỳ thiết bị nào khác trong PAN.
Bộ điều phối PAN tạo thành cụm đầu tiên bằng cách tự thiết lập là CLH (đầu cụm) với CID (định danh cụm) bằng 0, chọn mã nhận dạng PAN không sử dụng và phát các khung báo hiệu đến các thiết bị lân cận. Một thiết bị ứng viên nhận được khung báo hiệu có thể yêu cầu tham gia mạng tại CLH. Nếu bộ điều phối PAN cho phép thiết bị tham gia, nó sẽ thêm thiết bị mới làm thiết bị con trong danh sách hàng
xóm của nó. Sau đó, thiết bị mới được tham gia sẽ thêm CLH làm cha mẹ của nó trong danh sách hàng xóm của nó và bắt đầu truyền các báo hiệu định kỳ. Các thiết bị ứng cử viên khác sau đócó thể tham gia mạng tại thiết bị đó. Nếu thiết bị ứng cử viên ban đầu không thể tham gia mạng tại CLH, nó sẽ tìm kiếm một thiết bị cha khác.
Dạng đơn giản nhất của mạng cụm cây là một mạng cụm đơn lẻ, nhưng các
ứng dụng hoặc yêu cầu mạng được xác định trước được đáp ứng, bộ điều phối PAN có thể hướng dẫn một thiết bị trở thành CLH của một cụm mới liền kề với cụm đầu tiên. Các thiết bị khác dần dần kết nối và tạo thành cấu trúc mạng đa cụm.
Kiến trúc mạng:
Kiến trúc LR-WPAN được định nghĩa theo một số khối để đơn giản hóa tiêu chuẩn. Các khối này được gọi là các lớp. Mỗi lớp chịu trách nhiệm về một phần của tiêu chuẩn và cung cấp dịch vụ cho các lớp cao hơn. Các giao diện giữa các lớp dùng để xác định các liên kết logic được mô tả trong tiêu chuẩn này. Thiết bị LR-WPAN
bao gồm PHY, chứa bộ thu phát RF (tần số vô tuyến) cùng với cơ chế điều khiển mức thấp của nó và phân lớp MAC cung cấp quyền truy cập vào kênh vật lý cho tất cả các loại truyền thông tin. Hình 2.6 cho thấy các khối này dưới dạng biểu diễn đồ họa. Các lớp trên bao gồm một lớp mạng, cung cấp cấu hình mạng, thao tác và định tuyến tin nhắn, và một lớp ứng dụng, cung cấp chức năng dự định của thiết bị.
Hình 2.6. Kiến trúc mạng WPAN.
Định nghĩa của các lớp trên nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn này. IEEE 802.2 Loại 1 LLC (điều khiển liên kết logic) có thể truy cập phân lớp MAC thông
qua SSCS (phân lớp hội tụ dịch vụ xác định). Kiến trúc LR-WPAN có thể được
triển khai dưới dạng thiết bị nhúng hoặc thiết bị yêu cầu sự hỗ trợ của thiết bị bên
Lớp vật lý (PHY):
PHY cung cấp hai dịch vụ: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY giao tiếp với PLME (thực thể quản lý lớp vật lý). Dịch vụ dữ liệu PHY cho phép truyền và nhận PPDU (đơn vị dữ liệu giao thức PHY) qua kênh vô tuyếnvật lý. Các
tính năng của PHY là kích hoạt và hủy kích hoạt bộ thu phát vô tuyến, ED (Phát