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.

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 WPAN10

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/IEEE802.15.113

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 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 CFP28

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

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 Z55

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 Z59

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 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 demo67

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 APS89

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