Luận văn Tìm hiểu về công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4

Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Lời cảm ơn Lời đầu tiên cho phép em được gửi tới Ban giám hiệu của trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ và thầy cô của khoa Công nghệ thông tin lời cám ơn chân thành nhất. Thầy cô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em được học tập, làm việc và sáng tạo trong một ngôi trường giàu thành tích của ngành giáo dục Việt Nam. Trong suốt quá trình học tập tại trường, thầy cô đã dạy cho em những kỹ năng tốt nhất để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em cũng xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths. Lê Mạnh Hải là giảng viên trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cám ơn vì sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của thầy trong suốt quá trình thực hiện. Khi bắt tay vào thực hiện đồ án thì kiến thức và sự hiểu biết của em về lĩnh vực này gần như chỉ là con số không. Với những kiến thức uyên bác và sự nhiệt tình của thầy, thầy đã dẫn dắt em đi đến những bước cuối cùng của đồ án. Em xin gửi lời cám ơn đến gia đình và bạn bè những người đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Một lần nữa em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy cô, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. - - 1 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 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 số đã 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 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 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 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 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 đề được đề cập trong bản luận văn này, bạn đọc sẽ có được sự đánh 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. - - 2 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải MỤC LỤC Lời nói đầu ...................................................................................................................2 PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ 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 - - 3 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 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 Sơ đồ điều 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 Sơ đồ điều 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 số đánh 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 sử 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 - - 4 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 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 - - 5 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2.2 Yêu cầu của máy chủ............................................................................................61 2.3 Lắp ráp và cài đặt .................................................................................................61 2.3.1 Lắp ráp các phần cho PICDEM Z .................................................................62 2.3.2 Cài đặt các tập tin phần 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 - - 6 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 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 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................108 CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................111 - - 7 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Đặt vấn đề Ngày nay mặc dù cáp và dây điện vẫn đóng vai trò chính trong truyền và nhận thông tin, việc sử dụng tai nghe không dây, lướt web tại điểm truy cập wifi... đang trở nên quen thuộc và tác động đến đời sống hàng ngày. Với các chuẩn kết nối không dây đã quá quen thuộc và phổ biến như chuẩn kết nối internet Wi-fi 802.11b/g, bluetooth đã khá phổ biến trong các thiết bị điện thoại di động... Tuy nhiên, hiện nay công nghệ không dây đang hướng tới các thiết bị gia dụng như kết nối các bộ phận chức năng trong nhà để điều chỉnh và kiểm soát từ xa hệ thống gaz, điện nước, ánh sáng, các thông tin ứng dụng như điện thoại, truyền hình, mạng internet... việc sử dụng chuẩn Wi-fi 802.11 không còn là lựa chọn thiết thực bởi giá thành quá đắt, bluetooth lại chỉ kết nối được trong khoảng không gian ngắn khoảng 10m. Và chuẩn kết nối không dây IEEE 802.15.4 ra đời nhằm thiết lập mạng cá nhân không dây WPAN phục vụ truyền thông tin trong khoảng cách tương đối ngắn. Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng, giá thành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, ít tiêu hao năng lượng mà vẫn đem lại hiệu quả cao trong liên lạc, khoảng cách truyền tin có thể lên tới 75m. 2. Nhiệm vụ luận văn Nghiên cứu các mô hình, giao thức chuẩn kết nối không dây Zigbee IEEE 802.15.4 và ứng dụng kết nối thiết bị. 3. Bố cục luận văn Đồ án được chia làm 3 phần: PHẦN A: Tổng quan về đề tài - - 8 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải PHẦN B: Lý thuyết Chương I: Công nghệ Zigbee: Tổng quan về chuẩn Zigbee 802.15.4, các cấu trúc liên kết mạng. Chương II: Mô hình giao thức Zigbee, thuật toán truyền tin, các mô hình truyền dữ liệu. Chương III: Các thuật toán định tuyến Zigbee PHẦN C: Ứng dụng kết nối thiết bị Chương I: Tổng quan về bộ trình diễn Picdem Z Chương II: Lắp ráp cài đặt gói phần mềm thiết bị Chương III: Các bước cấu hình thực nghiệm thiết bị Chương IV: Cài đặt cấu hình gói phần mềm phân tích thiết bị - - 9 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải PHẦN B: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN 1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) Mạng cá nhân không dây được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như mạng WLAN(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp. 1.2 Sự phát triển của mạng WPAN Trong suốt giữa thế kỷ 20 mạng điện thoại có dây đã được sử dụng rộng rãi và là một nhu cầu tất yếu cho cuộc sống. Tuy nhiên một thực tế đặt ra là khi xã hội ngày càng phát triển, các nhu cầu dịch vụ cũng vì thế mà tăng theo, trong thông tin liên lạc chi phí cho những phát sinh của mạng điện thoại có dây cũng tăng cộng thêm nhu cầu về tính cơ động trong thông tin liên lạc,…Và mạng điện thoại tế bào ra đời chính là xu phát triển, mở rộng tất yếu của mạng điện thoại có dây. Mạng điện thoại tế bào và biện pháp sử dụng lại tần số là phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyến hạn chế (Ví dụ như các chuẩn GSM, IS- 136, IS- 95). Trong thời gian giữa những năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 ra đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao. Trong khi mà IEEE 802.11 đề cập đến những thứ như là tốc độ truyền tin trong Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng dữ liệu trong khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), thì WPAN lại - - 10 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn (bán kính 30m). Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ, kích thước bé. Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết được vấn đề hạn chế về băng tần như hiện nay. Nhóm chuẩn IEEE 802.15 ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN. 1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thong qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lựơng và chất lượng dịch vụ (QoS: quality of service). • WPAN tốc độ