Chỉ duy nhất thiết bị gốc mới có thể gửi bản tin tới tất cả các nốt trong mạng, bản tin này đựợc chuyển dọc theo tuyến đường của các nhánh. Các nốt trung gian thì chuyển tiếp các gói tin quảng bá từ nhánh gốc đến các nhánh con.
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN 3.1. Thiết kế hệ thống tổng thể 3.1. Thiết kế hệ thống tổng thể 3.1.1. Sơ đồ hệ thống -Nút cảm biến -Nút trung tâm -Máy tính giám sát Nút cảm biến Nút trung tâm Máy tính giám sát Nút cảm biến Nút cảm biến Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống 3.1.2. Chức năng các thành phần trong hệ thống -Các nút cảm biến: Mơđun giao tiếp mạng khơng dây Cảm biến Nút cảm biến Hình 3.2. Thành phần của nút cảm biến
Mạng cảm biến cảnh báo cháy sẽ bao gồm rất nhiều các nút cảm biến (có thể lên tới hàng nghìn nút) bố trí theo các vị trí khác nhau, tùy theo cấu trúc và địa hình của nơi đặt các nút cảm biến.
được các yếu tố có thể gây ra cháy, từ đó gửi về cho nút trung tâm. Mỗi nút cảm biến được trang bị các sensor cần thiết để có thể cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, độ tăng nhiệt, cảm biến khói và các chất khí có thể gây cháy… Thành phần thứ hai của nút cảm biến là môđun giao tiếp mạng không dây, ở trong mạng thực tế là mođun zigbee hoạt động ở dải tần 2,4 GHz. Mơđun này cho phép các nút cảm biến có thể giao tiếp được với nhau, tạo thành một mạng adhoc phục vụ mục đích truyền tin trong môi trường vô tuyến.
-Nút trung tâm Môđun giao tiếp mạng khơng dây Mơđun giao tiếp máy tính Nút trung tâm
Hình 3.3. Thành phần của nút trung tâm
Đây là nút mạng có vai trị thu nhận thơng tin truyền về từ các nút cảm biến và gửi trực tiếp về máy tính giám sát. Để thực hiện chức năng này, nút trung tâm cũng phải được trang bị một môđun truyền thơng khơng dây và ngồi ra cịn phải có thêm một mơđun thực hiện việc giao tiếp với máy tính.
- Máy tính giám sát: có chức năng thu nhận thơng tin từ mạng các nút cảm biến, hiển thị qua giao diện người dùng để người giám sát có thể biết được thơng tin ở từng địa điểm đặt các nút cảm biến. Khi phát hiện ra nguy cơ gây cháy (ví dụ: nhiệt độ tại một khu vực nào đó tăng cao, hay nồng độ khí gas vượt quá giới hạn cho phép…) máy tính sẽ phát ra tín hiệu cảnh báo qua loa, qua màn hình để từ đó người giám sát có thể thực hiện các phản ứng kịp thời nhằm xử lý các tác nhân cháy.
3.2. Triển khai mạng chi tiết 3.2.1. Sơ đồ khối môđun zigbee 3.2.1. Sơ đồ khối mơđun zigbee
Thành phần chính của mơđun là chip MRF24J40. Bên trong chip gồm có các khối cơ bản: Khối giao tiếp với vi điều khiển (giao tiếp dữ liệu theo chuẩn SPI), khối xử lý khung tin lớp MAC, khối vật lý, khối bộ nhớ, khối quản lý năng lượng. Các thành phần kết nối trực tiếp với chip là bộ dao động ngoài 20 MHz dùng thạch anh, mạch phối hợp trở kháng ra ăngten vi dải và chip MCU.
Hình 3.4. Giao tiếp giữa môđun điều khiển và môđun mạng khơng dây
3.2.2. Cơ chế nhận gói tin
Hình biểu diễn cấu trúc của gói tin thu từ mơi trường vơ tuyến (PPDU) qua xử lý của tầng vật lý và tầng MAC để chuyển thành bản tin trong thanh ghi RXFIFO. Khi gói tin đi từ mơi tường truyền vơ tuyến đến bộ thu, lớp MAC sẽ tính tốn được thơng số về độ mạnh của tín hiệu thu được rồi thêm thơng số RSSI vào gói tin rồi chuyển vào thanh ghi cho bản tin thu. Đồng thời, lớp MAC cũng cắt đi phần mào đầu Preamble và SFD trong PPDU để tạo thành cấu trúc bản tin tầng vật lý gồm có PHR-tiêu đề và PHY Payload-tải. Gói tin trong thanh ghi thu RXFIFO sẽ
bao gồm các thành phần: chiều dài khung, tiêu đề MAC, đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC, chuỗi kiểm tra khung FCS, phần chỉ thị chất lượng link LQI, RSSI
Hình 3.5. Cấu trúc bản tin từ kênh truyền tới thanh ghi dữ liệu thu
• Bản tin của Zigbee phân ra làm 3 loại: Lệnh, dữ liệu và beacon
• Loại bản tin đang được sử dụng trong mạng là loại Dữ liệu nên có thể cấu
hình cho mơđun nhận bản tin dữ liệu hoặc tất cả các loại bản tin
• Chế độ nhận Normal: chỉ chấp nhận các gói tin với CRC chính xác và thỏa
mãn đầy đủ các yêu cầu của chuẩn IEEE 802.15.4 Bộ lọc khung
Các chế độ nhận
Hình 3.6. Các thanh ghi điều khiển chế độ nhận bản tin 3.2.3. Cơ chế phát gói tin 3.2.3. Cơ chế phát gói tin
Hình biểu diễn gói tin từ thanh ghi phát TXFIFO, qua xử lý bởi tầng PHY và MAC để đến bộ phát, phát ra mơi trường vơ tuyến. Trong hình có đầy đủ 3 dạng khung tin ở tầng MAC: Khung dữ liệu, khung điều khiển MAC và khung beacon.
Hình 3.7. Cấu trúc bản tin từ thanh ghi dữ liệu tới kênh truyền 3.2.4. Truyền khung 3.2.4. Truyền khung
Có 4 dạng khung truyển khác nhau của lớp MAC: ACK, dữ liệu, beacon và khung lệnh MAC thông qua 4 thanh ghi đệm TX FIFO có chức năng tương ứng với từng khung Dữ liệu
a) Khung lệnh MAC chung
MAC header – MRH
- Frame control: Loại khung 3bit
Các giá trị của trường loại khung
000 Beacon
001 Dữ liệu
010 ACK
011 Lệnh MAC
100-111 Dành sẵn
- Secutity enable: bảo mật
- Frame spending: Chỉ ra cho bên nhận rằng cịn dữ liệu gửi cho nó, Thường
dùng trong chế độ nonbeacon và beacon ở thời gian CAP.
- Ack request: =1 yêu cầu gửi lại khung ACK
- PAN ID Compression: =1 chi co dia chi PAN id đích được chứa trong khung
truyền. Địa chỉ nguốn sẽ cho là giống đc đích
- Destination Addressing Mode: Mode dia chi đich: 16 hay 64
Giá trị trường chế độ đánh địa chỉ nguồn và đích
Giá trị chế độ địa chỉ Mô tả
00 Định danh PAN và trường địa chỉ trống
01 Dành sẵn
10 Địa chỉ ngắn 16 bit 11 Địa chỉ mở rộng 64 bit
- Frame version: Loại chuẩn IEEE 802.15.4 nào đc sử dụng: do có nhiều
chuẩn, nhiều update sau này.
- Source addressing Mode: Mode địa chỉ nguồn là 16 hay 64
- Sequence Number:
Có thể chứa chuỗi số beacon BSN hay chuối số dữ liệu DSN
Giúp phân biết nhiều kiểu chuỗi khác nhau: Nếu nhận đc 2 gói tin có cùng chuỗi số này --> cùng gói tin này đã đc gửi lại--> nếu gói trc đã nhận thành cơng thì bỏ gói tin sau đi
Giá tri BSN và DSN đc lưu trong bảng thuộc tính MAC PIB
Các giá trị này đc khởi tạo ngẫu nhiên và tăng lên 1 sau mỗi lần truyền
- Auxiliary Security HDR: Có thể có hoặc khơng, Chứa thơng tin về mức độ
bảo mật và khóa bảo mật dùng để bảo vệ lớp MAC
MAC footer – MFR, Trường Frame check sequence: kiểm tra các khả năng lỗi
ở các gói nhận được bằng cách dùng 16 bit cho CRC
b) Khung dữ liệu
Điều khiển khung
Số
chuỗi Các trường địa chỉ
Tiêu đề bảo
mật phụ Tải dữ liệu FCS
Tiêu đề MAC Tải MAC MFR
c) Khung lệnh MAC Điều khiển khung Số chuỗi Các trường địa chỉ Tiêu đề bảo mật phụ Định dang khung lệnh Tải lệnh FCS
Tiêu đề MAC Tải MAC MFR
d) Khung Beacon
e) Khung ACK
Dùng báo hiệu nhận chính xác từ bên thu, phân biệt đây có phải là dữ liệu dành cho modul đó khơng bằng thiết lập bít Frame spending:
Điều khiển khung Số chuỗi FCS Tiêu đề MAC MFR f) Các thanh ghi đệm
Thanh ghi đêm TX normal FIFO: dùng truyền dữ liệu hoặc khung lệnh MAC trong CAP beacon-enable và trong tất cả quá trình truyền trong nonbeacon-enable.
TX Beacon FIFO: phát khung beacon
TX GTS1 FIFO và TX GTS2 FIFO: gửi dữ liệu trong quá trình CFP
Số octet 1 1 m n Cấu trúc gói Chiều dài tiêu đề (m) Chiều dài khung (m+n)
Tiêu đề Tải dữ liệu
Địa chỉ bộ nhớ TX normal FIFO
g) Các bước truyền dữ liệu trên TX Normal FIFO
- Đưa dữ liệu vào thanh ghi TX Normal FIFO theo dạng khung chuẩn như trên.
+ Nếu yêu cầu ACK thì set bít ACK request ở phần MAC Header bằng 1, và PIC sẽ thiết lập yêu cầu truyền ACK thơng qua TXNACKREG
+ Nếu gói tin cần được mã hóa thiết lập bít security trong phần header lên 1 và Pic sẽ thiết lập TXNSECEN bằng 1
- Tiến hành truyền gói bằng thiết lập bit TXTRIG bằng 1, bít này được tự động xóa bởi phần cứng
- Cờ ngắt thông báo trạng thái truyền nhận TXNSTAT ngắt TXNIF.TXNIF bằng 1: truyền không thành công quá số lần quy định, bằng 0 truyền thành công
h) TX beacon FIFO
Truyền khung beacon trong mạng beacon - enable và truyền khi có yêu cầu trong mạng non-beacon Số octet 1 1 m n Cấu trúc gói Chiều dài tiêu đề (m) Chiều dài khung (m+n) Tiêu đề Tải Địa chỉ bộ nhớ TX Beacon FIFO 0x080 0x081 0x082-(0x082+m-1) (0x082+m)-(0x082+m+n-1) i) TX GTSx FIFO
Truyền dữ liệu và khung lệnh MAC trong khoảng thời gian CFP của siêu khung trong mạng beacon-enable
Số octet 1 1 m n Cấu trúc gói Chiều dài tiêu đề (m) Chiều dài khung (m+n) Tiêu đề Tải Địa chỉ bộ nhớ TX GTS1 FIFO 0x100 0x101 0x102-(0x102+m-1) (0x102+m)-(0x102+m+n-1) Địa chỉ bộ nhớ TX GTS1 FIFO 0x180 0x181 0x182-(0x182+m-1) (0x182+m)-(0x182+m+n-1) j) Tín hiệu ACK
Xác nhận tín hiệu đã nhận được chính xác, bên phát sẽ tự động coi rằng quá trình truyền bị lỗi sau khi chờ macAckWaitDuration(54 ký tự). ACK gửi đi mà không theo cơ chế CSMA/CA
Chip cung cấp phần cứng hỗ trợ cho các chức năng sau
- Ack request – originator: bên phát yêu cầu ACK trong trường FC của MAC header và chờ tối đa 54 ký tự, nếu không thấy ACK coi là truyền lỗi và sẽ thực hiện truyền lại. Sau số thời gian truyền lại tối đa sẽ báo lên lớp trên về truyền thất bại
- Ack request – recipient: bên thu tự động gửi trả ACK khi có bít u cầu trong trường điều khiển khung FC được đặt
- Reception of Ack with Frame Pending bit - Transmission of Ack with Frame Pending bit
k) Giá trị RSSI và Cơng suất tín hiệu thu được (dBm)
RSSI/ED là giá trị ước lượng cơng suất tín hiệu thu được trong băng thơng của một kênh IEEE 802.15.4. Các RSSI giá trị là một giá trị 8-bit, từ 0-255. Tương quan giữa các giá trị RSSI với mức cơng suất thu được thể hiện trong hình
3.3. Thử nghiệm hiệu năng mạng không dây chuẩn WPAN
Kết quả thử nghiệm hiệu năng IEEE 802.15.4 được thực hiện bởi nhà nghiên cứu Jin-Shyan Lee thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Đài Loan
3.3.1. Cấu hình thử nghiệm
Bốn bo mạch thí nghiệm được thiết kế để đánh giá hoạt động của IEEE 802.15.4, bao gồm ảnh hưởng của 1) các dữ liệu được truyền trực tiếp và gián tiếp, 2) CSMA-CA, 3) Kích thước tải dữ liệu, và 4) chế độ có beacon. Các thí nghiệm được chạy trong cấu trúc sao một chặng như trong hình.
Khoảng cách giữa thiết bị điều phối và mỗi thiết bị là 1 mét. Thiết bị 1 là nút thu phát chính liên tục gửi các gói dữ liệu đến thiết bị điều phối. Các thiết bị 2-4 làm nút phát lưu lượng phụ. Trong mỗi thí nghiệm đều khơng dùng cơ chế truyền lại khung và 10.000 gói dữ liệu được truyền từ thiết bị điều phối (truyền gián tiếp) và từ thiết bị 1 (truyền trực tiếp). Chế độ địa chỉ ngắn 16 bit được sử dụng cho các thử nghiệm. Ngồi ra, nếu tất cả các gói truyền thành cơng, 10.000 gói xác nhận khác sẽ được truyền để đáp ứng với từng gói dữ liệu. Thí nghiệm được thực hiện khi mạng đạt trạng thái ổn định, tức là sau khi tất cả các thiết bị kết thúc việc quét kênh và các thủ tục liên quan để tham gia PAN. Ở đây tốc độ dữ liệu, cường độ tín hiệu nhận được (RSSI), và tỷ lệ chuyển gói được xác định theo bộ thơng số được thiết lập.
3.3.2. Kết quả
Truyền dữ liệu trực tiếp và gián tiếp
Trong thí nghiệm này, tỷ lệ dữ liệu thơ được định nghĩa là
Trong đó, x = {dữ liệu, ACK, lệnh, beacon}
Nx là số lượng các gói tin truyền đối với từng loại khung, (LPPDU)x là chiều dài gói PPDU (byte) cho mỗi loại khung, Tstart và Tend là thời gian bắt đầu và kết thúc việc truyền tin.
Thí nghiệm này được thực hiện theo chế độ không beacon và việc truyền lại khung đã bị vơ hiệu hóa. Kích thước dữ liệu MSDU được thiết lập tới giá trị bằng MaxMACFrameSize (102 byte). Hình dưới cho thấy tỷ lệ dữ liệu thơ cho truyền dữ liệu trực tiếp và gián tiếp. Tốc độ dữ liệu có biến thể nhẹ với mức trung bình là 153,02 kbps đối với chuyển dữ liệu trực tiếp và 65,69 kbps đối với truyền dữ liệu gián tiếp. Theo tốc độ dữ liệu lý thuyết 250 kbps, các tỷ lệ sử dụng là 61,21% và 26,28%. Đối với truyền dữ liệu gián tiếp, tốc độ dữ liệu giảm đáng kể do tốc độ polling của các thiết bị mạng (gửi yêu cầu dữ liệu định kỳ).
Hình 3.9. Tốc độ dữ liệu truyền trực tiếp và gián tiếp trong mạng không beacon[7]
Thông số RSSI cho truyền dữ liệu trực tiếp và gián tiếp đo được với mức trung bình là -34,35 dBm và -40,87 dBm. RSSI khác nhau trong việc truyền trực tiếp và gián tiếp, điều này có thể do một số yếu tố gây ra. Ví dụ như chúng được xác định bởi hai thiết bị khác nhau, và nhiễu mơi trường có thể ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu.
Hình 3.10. Giá trị RSSI với việc truyền trực tiếp và gián tiếp trong mạng không beacon[7]
Ảnh hưởng của cơ chế CSMA-CA
Qua CSMA-CA, các gói dữ liệu có thể khơng gửi được khi kênh truyền bận, hoặc gói bị lỗi hoặc thậm chí bị mất. Ở đây, tốc độ dữ liệu hiệu dụng được định nghĩa
Trong đó Ndata là số lượng gói dữ liệu khả dụng, và (LMSDU) data là chiều dài MSDU (tức kích cỡ tải MAC) của khung dữ liệu. Ở đây, kích thước dữ liệu MSDU được cố định là 20 byte. 10.000 gói dữ liệu được truyền từ thiết bị 1 tới thiết bị điều phối (truyền dữ liệu trực tiếp). macMaxCSMABackoffs được đặt là 4 và số mũ backoff là 3. Hình 3.9. cho thấy tốc độ dữ liệu hiệu dụng và tỷ lệ chuyển gói giữa thiết bị điều phối và thiết bị 1 trong các trường hợp số lượng thiết bị khác nhau với tải lưu lượng thay đổi (tạo ra bởi Thiết bị 2-4). Kết quả cho thấy với sự gia tăng của thiết bị, cả tốc độ dữ liệu hiệu dụng và tỷ lệ chuyển gói giảm do sự hiện diện của các va chạm và số backoff ngẫu nhiên. Hơn nữa, với tải lưu lượng lớn hơn từ các thiết bị khác, cả tốc độ dữ liệu và tỷ lệ chuyển gói đều giảm vì khả năng va chạm tăng lên.
Hình 3.11. Tốc độ dữ liệu hiệu dụng và tỉ lệ chuyển gói khi dùng CSMA-CA với tải lƣu lƣợng biến thiên trong mạng khơng beacon[7]
Ảnh hưởng của kích thước tải dữ liệu
Hình 3.10. cho thấy tốc dữ liệu hiệu dụng và tỷ lệ chuyển gói giữa thiết bị điều phối và thiết bị 1 ứng với thử nghiệm dùng số thiết bị khác nhau với kích thước tải dữ liệu (MSDU) khác nhau. Tải lưu lượng được tạo ra bởi thiết bị 2-4 được đặt cố định là 100 kbps. Tương tự, 10.000 gói dữ liệu được truyền từ thiết bị 1 tới thiết bị điều phối (truyền dữ liệu trực tiếp).
Kết quả cho thấy khi kích thước tải tăng lên, tốc độ dữ liệu cũng tăng do ảnh hưởng của phần tiêu đề giảm nên dẫn đến hiệu quả mã hóa dữ liệu tăng lên. Mặt khác, tỷ lệ chuyển gói chỉ thay đổi nhẹ khi tải dữ liệu biến đổi. Tỷ lệ này đối với tải 102-byte là thấp nhất khi 4 thiết bị tạo ra lưu lượng tải. Điều
này là do khi số lượng thiết bị tăng lên, kích thước gói tin lớn sẽ có nhiều khả