CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU CÁC MODULE VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
3.1 Giao thức Zigbee:
3.1.5 Cấu trúc của giao thức Zigbee:
Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee cịn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng.
Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết và gói tín hiệu vào không gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong mơi trường nhiễu.
Tầng MAC (Medium Access Control): sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết song mang CSMA để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định và xác định hình dạng mạng, giúp hệ thống mạnh và vững chắc.
Tầng mạng – NWK là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới. Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới.
Tầng hỗ trợ ứng dụng – APS là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng
Tầng đối tượng thiết bị – ZDO có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định trạng thái của thiết bị.
Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng – APO: là tầng mà ở đây người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này cho phép người dùng có thể tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống.
47
Hình 3.1: Cấu trúc của zigbee 3.1.6 Thành phần mạng Zigbee: 3.1.6 Thành phần mạng Zigbee:
Một mạng 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 ZC (Zigbee 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 bảng đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nút bình thường. Các ZR (Zigbee Router) thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền thông với các thành phần khác trong mạng.
- ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ để truyền thông với ZC (Zigbee Coordinator) hoặc ZR (Zigbee Router) ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt động/đọc thơng 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.
48
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 ZC, ZR hoặc ZED cịn RFD chỉ có thể đóng vai trị như “End Device” trong một mạng Zigbee.
3.1.7 Mơ hình mạng Zibee:
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:
3.1.7.1.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. Chỉ có mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng biệt để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Hình 3.2: Mơ hình mạng hình sao zigbee
3.1.7.2.Mạng hình lưới (Mesh Network):
Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thơng 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 bị lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến giao thơng với các nút lân cận.
Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng sao, song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trị định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường.
49
Hình 3.3: Mơ hình mạng hình lưới zigbee
3.1.7.3.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 mơ phủ sóng và kahr năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
Hình 3.4: Mơ hình mạng hình cây zigbee 3.1.8 Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4: 3.1.8 Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4:
50
Tầng vật lý trong mơ hình của giao thức ZigBee được xây dựng trên nền của tầng điều khiển dữ liệu, nhờ những đặc điểm của tầng MAC mà tầng vật lý có thể kéo dài việc đưa tin, có thể mở rộng được qui mơ mạng dễ dàng, một mạng có thể hoạt động cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức năng như là:
- Thiết lập một mạng mới.
- Tham gia làm thành viên của một mạng đang hoạt hoặc là tách ra khỏi mạng khi đang là thành viên của một mạng nào đó.
- Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới tham gia vào mạng.
- Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà khơng bị tranh chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thơng báo beacon.
- Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dưới.
- Định tuyến, giúp gói tin có thể đến được đúng đích mong muốn. Có thể nói rằng thuật tốn của ZigBee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu được áp dụng từng trường hợp thích hợp.
Dịch vụ bảo mật:
Khi khung tin tầng MAC cần được bảo mật, thì ZigBee sử dụng dịch vụ bảo mật của tầng MAC để bảo vệ các khung lệnh MAC, các thông tin báo hiệu beacon, và các khung tin xác nhận Ack. Đối với các bản tin chỉ phải chuyển qua một bước nhảy đơn, tức là truyền trực tiếp từ nốt mạng này đến nốt mạng lân cận của nó, thì ZigBee chỉ cần sử dụng khung tin bảo mật MAC để mã hóa bảo vệ thơng tin. Nhưng đối với các bản tin phải chuyển gián tiếp qua nhiều nốt mạng mới tới được đích thì nó cần phải nhờ vào tầng mạng để làm công việc bảo mật này. Tầng điều khiển dữ liệu MAC sử dụng thuật toán AES (chuẩn mã hóa cao cấp). Nói chung thì tầng MAC là một q trình mã hóa, nhưng cơng việc thiết lập các khóa key, chỉ ra mức độ bảo mật, và điều khiển q trình mã hóa thì lại thuộc về các tầng trên. Khi tầng MAC phát hoặc nhận một khung tin nào đó được bảo mật, đầu tiên nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích hoặc nguồn của khung tin đó, tìm ra cái khóa kết hợp với địa chỉ đích hoặc địa chỉ nguồn, sau đó sử dụng cái khóa này để xử lý khung tin theo qui trình bảo mật mà cái khóa đó qui định. Mỗi khóa key được kết hợp với một qui trình bảo mật đơn lẻ. Ở đầu mỗi khung tin của MAC ln có 1 bit để chỉ rõ khung tin này có được bảo mật hay khơng. Khi phát một khung tin, mà khung tin này yêu
51
cầu cần được bảo tồn ngun vẹn. Khi đó phần đầu khung và phần tải trọng khung MAC sẽ tính tóan cân nhắc để tạo ra một trường mã hóa tin nguyên vẹn (MIC- Message Integrity) phù hợp, MIC gồm khoảng 4,8 hoặc 16 octets. MIC sẽ được gán thêm vào bên phải phần tải trọng của MAC. Phần thêm vào để mã hóa khung tin
Hình 3.5: Dịch vụ bảo mật của zigbee
Khi khung tin phát đi địi hỏi phải có độ tin cậy cao, thì biện pháp được sử dụng để mã hóa thơng tin là số chuỗi và số khung sẽ được gán thêm vào bên trái phần tải trọng khung tin MAC. Trong khi nhận gói tin, nếu phát hiện thấy MIC thì lập tức nó sẽ kiểm tra xem khung tin nào bị mã hóa để giải mã. Cứ mỗi khi có một bản tin gửi đi thì thiết bị phát sẽ tăng số đếm khung lên và thiết bị nhận sẽ theo dõi căn cứ vào số này. Nhờ vậy nếu như có một bản tin nào có số đếm khung tin đã bị nhận dạng một lần thì thiết bị nhận sẽ bật cờ báo lỗi bảo mật. Bộ mã hóa của tầng MAC dựa trên ba trạng thái của hệ thống. - Để bảo đảm tính nguyên vẹn: Mã hóa sử dụng AES với bộ đếm CTR.
- Để bảo đảm tính tinh cậy: Mã hóa sử dụng AES với chuỗi khối mã CBC- MAC. - Để đảm bảo tính tin cậy cũng như nguyên vẹn của bản tin thì kết hợp cả hai trạng thái
CTR và CBC-MAC trên thành trạng thái CCM.
Tầng mạng cũng sử dụng chuẩn mã hóa AES. Tuy nhiên khác với tầng điều khiển dữ liệu MAC, bộ mã hóa của tầng mạng làm việc dựa trên trạng thái CCM* của hệ thống. Trạng thái này thực chất là sự cải biên từ CCM của tầng MAC, nó thêm vào chuẩn mã hóa này các chức năng là chỉ mã hóa tính tin cậy và chỉ mã hóa tính ngun vẹn. Sử dụng CCM* giúp làm đơn giản hóa q trình mã hóa dữ liệu của tầng mạng, các chuỗi mã hóa này có thể dùng lại khóa key của chuỗi mã hóa khác. Như vậy thì khóa key này khơng hồn tồn cịn là ranh giới của các chuỗi mã hóa nữa. Khi tầng mạng phát hoặc nhận một gói tin được mã hóa theo qui ước bởi nhà cung cấp dịch vụ, nó sẽ kiểm tra địa chỉ nguồn hoặc đích của khung tin để tìm ra khóa key liên quan tới địa chỉ đó, sau đó sẽ áp dụng bộ mã hóa này giải mã hoặc mã hóa cho khung tin. Tương tự như q trình mã
52
hóa tầng MAC, việc điều khiển q trình mã hóa này được thực hiện bởi các tầng cao hơn, các số đếm khung và MIC cũng được thêm vào để mã hóa khung tin.
Phần thêm vào để mã hóa khung tin
Hình 3.6: Phần thêm vào để mã hóa khung tin 3.1.9 Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4: 3.1.9 Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4:
Lớp ứng dụng của ZIGBEE/IEEE802.15.4 thực chất gồm các ba tầng như hình vẽ trên, các tầng này tương ứng với các tầng phiên, trình diễn và ứng dụng trong mơ hình OSI 7 tầng.
Trong ZIGBEE/IEEE 802.15.4 thì chức năng của tầng Application Framework là: - Dị tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng phủsóng của
thiết bị đang hoạt động hay khơng.
- Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng. Chức năng của tầng Application Profiles là:
- Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng. (thiết bị điều phối mạng, hay thiết bị đầu cuối, FFD hay RFD….).
- Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.
- Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị mạng.
Chức năng của tầng Application là thực hiện các chức năng do nhà sản xuất qui định (giao diện…) để bổ sung thêm vào các chức năng do ZigBee qui định.
3.2 Mạch nguồn cho TestBoard: 3.2.1 Giới thiệu: 3.2.1 Giới thiệu:
Mạch có chức năng dùng để cấp nguồn cho test board kích thước chuẩn như MB- 102 hoặc loại MB-102 Mini với 2 cổng ngõ ra 5V và 3.3V. Board có mở rộng thêm các header để lấy nguồn phía trên, có cơng tắc chọn nguồn cấp 5V hoặc 3.V. Có thể cấp nguồn cho board qua cổng USB hay Jack DC.
53
Hình 3.7: Mạch nguồn TestBoard 3.2.2 Thông số kỹ thuật: 3.2.2 Thông số kỹ thuật:
-Điện áp cung cấp: 6,5 ~ 12V hoặc xài nguồn USB -Điện áp ra: 5V và 3V3
-Dòng tối đa: 700mA
-Có các Jumper để lựa chọn điện áp 3V và 5V cắm, kích thước module có thể cắm vừa trên Test Board
-Kích thước: 5,3 cm x 3,5 cm 3.2.3 Cách sử dụng: Bảng 3.1: Cách sử dụng mạch nguồn TestBoard Mạch nguồn pin HC-06 pin DRF 1609H pin +3.3V 1 (VCC) -3.3V 2 (GND +5V VCC -5V GND
54
3.3 Module RF Zigbee UART DRF 1609H: 3.3.1 Giới thiệu: 3.3.1 Giới thiệu:
Module RF Zigbee UART DRF 1609H là phiên bản update của DRF 1605H với nhân xử lý SoC ẢM Cortex M3 CC2630 từ chính hãng TI cho tốc độ truyền nhận cao hơn và khả năng hoạt động ổn định tối đa, ngồi ra mạch cịn hỗ trợ thêm các tính năng như: multilevel-routing, network forwading up to 200,...
Module RF Zigbee UART DRF 1609H được nhập khẩu chính hãng từ hãng DTK, mạch có chất lượng gia cơng tốt, kích thước nhỏ gọn, sử dụng chuẩn chân cắm 2.54mm rất dễ lắp đặt, mạch có phần mền cấu hình đi kèm, chỉ cần có thêm mạch chuyển USB- UART hoặc đế chuyển USB cho mạch là đã có thể dễ dàng kết nối trực tiếp với máy tính và cài đặt cấu hình thơng qua phần mềm chính hãng DTK.
Module RF Zigbee UART DRF 1609H có khoảng cách truyền xa trong điều kiện lý tưởng có thể lên đến 1.6Km, thích hợp cho các ứng dụng truyền nhận dữ liệu sử dụng mạng Zigbee: thu thập dữ liệu, IoT,...
3.3.2 Thông số kỹ thuật:
• Model: DRF 1609H.
• IC trung tâm: SoC ARM Cortex M3 CC2630 chính hãng TI.
• Điện áp sử dụng: 2.6~3.6V DC, thông thường 3.3V DC.
• Dịng điện tiêu thụ: 25mA (tại 3.3V DC).
• Chuẩn truyền sóng Zigbee 2.4GHZ, có thể cấu hình thay đổi 2405MHZ – 2480MHZ, Step: 5MHZ.
• Khoảng cách truyền nhận lý tưởng: 1.6Km
• Receiver sensitivity: -98d/bm.
• Có thể cài đặt cấu hình hoạt động Coordinator hoặc Router.
• Serial format: 8-N-1(default), có thể cài đặt 8-E-1, 8-O-1.
• Tốc độ Baudrate: 38400bps(default), 9600bps, 19200 bps, 38400bps,
57600bps, 115200bps.
• Nhiệt độ hoạt động: -40~85 độ C
55
Hình 3.8: Thơng số kỹ thuật Module RF Zigbee UART DRF 1609H 3.3.3 Cách sử dụng:
Khá đơn giản, chúng ta chỉ cần cấp nguồn vào 2 chân 1 và 2 tương ứng +3.3 1 (VCC)
GND 2 (GND)
Và truyền nhận tín hiệu thơng qua 2 chân 5 và 6 nhận dữ liệu từ DRF 1609H thông qua chân 5 (TX) truyền dữ liệu đến DRF 1609H thông qua chân 6 (RX)
Bảng 3.2: Cách sử dụng Module RF Zigbee UART DRF 1609H
DRF 1609H pin HC-06 pin Mạch nguồn pin
TX RX RX TX 1 (VCC) +3.3 2 (GND) -3.3 3.4 Module HC-06: 3.4.1 Giới thiệu.
Module Bluetooth HC 06 là cầu nối giữa vi điều khiển Arduino với các thiết bị ngoại vi như: smartphone, laptop, USB Bluetooth thông qua Bluetooth (giao tiếp serial gởi và nhận tín hiệu 2 chiều).
56
Đây là loại Module mà cách kết nối là: sử dụng thiết bị ngoại vi để dị tín hiệu kết nối bluetooth mà HC 06 phát ra. Sau khi kết nối thành cơng có thể gởi tín hiệu từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi này hoặc ngược lại.
Hình 3.9: Module HC-06 3.4.2 Thơng số kỹ thuật. 3.4.2 Thông số kỹ thuật.
• Sử dụng chip CSR Bluetooth V2.0.
• Hoạt động ở mức điện áp: 3.1 - 4.2V.
• Dịng điện khi hoạt động: khi ghép đôi là từ 30 - 40mA, sau khi ghép đôi hoạt động truyền nhận bình thường là 8mA.
• Dải tần số hoạt động: 2.4GHz.
• Tốc độ truyền dữ liệu : 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200..
• Kích thước nhỏ gọn: 27 x 13 x 2 mm.
• Nhiệt độ lưu trữ : -40ºC - 85ºC, nhiệt độ hoạt động -25ºC - 75ºC.
• Giao tiếp : Bluetooth Serial Port.
• Thiết lập mặc định: Baud rate: 9600, N, 8, 1; Pairing code 1234.
3.4.3 Cách sử dụng.
Module HC 06 có 4 chân, chúng ta sẽ kết nối với Module DRF 1609H như sau: +5V VCC