Thạc Sĩ Tìm hiểu về công nghệ Zigbee IEEE 802.15.4

Lời nói đầu

Hàng 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 đổi cuộc sống của con người trên thế giới.

Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật sốđã lan rộng đến mọi ngõ

ngách trên toàn cầu.

Trong mạng viễn thông ngày này, 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 eo 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 nghĩđến việc sử dụng các băng tần cao

hơn, nhưng việc này đang vấp phải nhiều trở ngại vì công nghệđiện 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 cùng tần số, hay là vấn đề xung đột giữa các thiết bị . Một trong những công nghệ

mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công

nghệ ZigBee.

Công nghệ ZigBee là công nghệđược 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 868/915 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 luận văn này, em muốn trình bày 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 vấn đềđược đề cập trong bản luận văn này, bạn đọc sẽ có

được sựđánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai

trò cũng như tiềm năng của công nghệ này trong cuộc sống.
MỤC LỤC

Lời nói đầu .2

PHẦN A: TỔNG QUAN VỀĐỀ TÀI 8

1. Đặt vấn đề 8

2. Nhiệm vụ luận văn 8

3. Bố cục luận văn .8

PHẦN B: LÝ THUYẾT 10

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN 10

1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 10

1.2 Sự phát triển của mạng WPAN .10

1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN 11

1.4 Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 .11

1.4.1 Khái niệm 11

1.4.2 Đặc điểm 12

1.4.3 Ưu điểm của ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1 .13

1.5 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 14

1.5.1 Thành phần của mạng LR-WPAN 14

1.5.2 Kiến trúc liên kết mạng .14

1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star) 15

1.5.2.2 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh) 16

1.5.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree) 16

CHƯƠNG II: CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4 .18

2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 18
2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 18

2.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý 20

2.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz 20

2.2.1.1.1 Sơđồđiều chế .20

2.2.1.1.2 Bộ chuyển bit thành ký tự .21

2.2.1.1.3 Bộ chuyển ký tự thành chip 21

2.2.1.2 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz .22

2.2.1.2.1 Sơđồđiều chế .23

2.2.1.2.2 Bộ mã hóa vi phân 23

2.2.1.2.3 Bộ ánh xạ bit thành chip 23

2.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 .24

2.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) 24

2.2.2.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) .24

2.2.2.3 Chỉ sốđánh giá kênh truyền (CCA) 25

2.2.3 Định dạng khung tin PPDU .25

2.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 26

2.3.1 Cấu trúc siêu khung 26

2.3.1.1 Khung CAP .27

2.3.1.2 Khung CFP 28

2.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) .28

2.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập s ử dụng cảm biến sóng mang

CSMA-CA .29

2.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu 32

2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 35
2.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS .35

2.3.6 Định dạng khung tin MAC .37

2.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 38

2.4.1 Dịch vụ mạng 38

2.4.2 Dịch vụ bảo mật 39

2.5 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 41

CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZigBee/IEEE

802.15.4 .42

3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance

Vector) .42

3.2 Thuật toán hình cây 45

3.2.1 Thuật tóan hình cây đơn nhánh 45

3.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh .49

PHẦN C: ỨNG DỤNG KẾT NỐI THIẾT BỊ PICDEM Z .55

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z 55

1.1 Giới thiệu .55

1.2 Ứng dụng .55

1.3 Thành phần của bộ trình diễn Picdem Z .56

1.4 Tổng quan về bộ trình diễn Picdem Z 56

1.5 Board mạch chủ Picdem Z .57

1.6 Card RF Picdem Z 59

1.7 Đĩa phần mềm Picdem Z 60

CHƯƠNG II: CÀI ĐẶT BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z 61

2.1 Giới thiệu .61
2.2 Yêu cầu của máy chủ 61

2.3 Lắp ráp và cài đặt .61

2.3.1 Lắp ráp các ph ần cho PICDEM Z .62

2.3.2 Cài đặt các tập tin ph ần mềm PICDEM Z .63

2.4 Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn 64

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z .67

3.1 Giới thiệu .67

3.2 Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo 67

3.2.1 Thay đổi giá trị ID Node .68

3.2.2 Thay đổi cấu hình Association và Binding 69

3.2.3 Giải phóng Entire Neighbor và Binding Table .72

3.2.4 Giải phóng Individual Association và Blinding Entry 74

3.3 Kiểm tra hiệu suất RF 75

3.4 Sửa đổi cấu hình phần cứng 76

3.5 Phát triển ứng dụng 77

3.6 Tạo tập tin nguồn ứng dụng 77

3.6.1 Lập trình ứng dụng .77

3.6.2 Phục hồi Demo Firmware 78

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ TRÌNH PHÂN TÍCH MẠNG KHÔNG

DÂY ZENA™ 79

4.1 Giới thiệu .79

4.2 Tổng quan về trình phân tích ZENA™ 79

4.3 Cài đặt trình phân tích ZENA™ .80

4.4 Công cụ cấu hình Microchip Stack .81
4.4.1 Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee .81

4.4.2 Xác định thông tin thu phát sóng .83

4.4.3 Xác định hiện trạng và thông tin đểm cuối .85

4.4.4 Xác định thông tin bảo mật 87

4.4.5 Xác định thông tin tầng ZDO và APS 89

4.4.6 Xác định thông tin tầng NWK và MAC .92

4.4.7 Xác định thông tin PIC MCU .95

4.5 Giám sát mạng 97

4.5.1 Giám sát thời gian thực Real-Time 98

4.5.2 Phân tích dữ liệu bắt được .106

4.5.3 Sử dụng bộ lọc gói 106

PHỤ LỤC .108

H ƯỚNG PHÁT TRIỂN C ỦA ĐỀ TÀI .108

CÁC TỪ VIẾT TẮT .109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111