DẪN NHẬP
Hình 2.1: So sánh tốc độ truyền của mạng ZigBee với một số mạng không dây khác.
ZigBee là một công nghệ không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nhà thông minh (SmartHome), năng lượng thông minh (Smart Energy) và chăm sóc sức khỏe (Health Care) Mạng ZigBee có ba cấu hình cơ bản: mạng hình sao, mạng hình lưới và mạng hình cây, cho phép thiết lập các kết nối linh hoạt giữa các thiết bị Giao thức AODV được sử dụng để định dạng tuyến đường, trong khi quá trình chọn node gốc và thiết lập kết nối giữa Coordinator (CH) và các node thành viên diễn ra để hình thành nhánh nhiều bậc Địa chỉ nhóm trực tiếp được gán cho các node trung gian trong mạng cây đa nhánh Mô hình giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4 hỗ trợ băng tầng hệ thống và cấu trúc siêu khung, đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả Các khung tin mã hóa ở tầng MAC và mạng được thiết kế để bảo mật thông tin Thiết bị như SIM900A được sử dụng để gửi và nhận tin nhắn SMS, trong khi cảm biến nhiệt độ LM35 cung cấp thông tin môi trường cho các ứng dụng.
CƠ SỞ LÝ LUẬN
TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE
ZigBee là một tập hợp các giao thức mạng không dây với khoảng cách ngắn và tốc độ truyền dữ liệu thấp, hoạt động trên ba dải tần số 868MHz, 915MHz và 2.4GHz Được phát triển bởi tổ chức ZigBee Alliance vào năm 2004, ZigBee ra đời để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp mà Wifi và Bluetooth không thể đảm nhiệm ZigBee chủ yếu nhắm đến các mạng điều khiển cho nhà thông minh, tự động hóa, theo dõi thông tin trong lĩnh vực y tế và quản lý năng lượng hiệu quả Với độ trễ thấp, tiêu hao năng lượng ít, chi phí thấp, ít lỗi và thời gian sử dụng pin dài (một cặp pin AA có thể hoạt động tới hai năm), ZigBee là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống này.
ZigBee là giao thức truyền thông cao cấp dựa trên chuẩn không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho mạng cá nhân PAN Giao thức này phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng ít, đồng thời đảm bảo khả năng linh hoạt trong phạm vi rộng.
Tên gọi ZigBee được lấy cảm hứng từ điệu nhảy zigzag của loài ong mật, mà chúng sử dụng để giao tiếp thông tin về vị trí của hoa và nguồn nước ZigBee nổi bật với khả năng kết nối không dây hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và khả năng mở rộng mạng lưới, phù hợp cho các ứng dụng trong tự động hóa nhà ở và IoT.
ZigBee là một chuẩn giao tiếp không dây, tương tự như UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G và Bluetooth, nhưng có những đặc điểm kỹ thuật và vật lý riêng biệt Chính vì vậy, ZigBee chỉ phù hợp với một số ứng dụng nhất định.
Giao thức ZigBee sử dụng tín hiệu radio để truyền dữ liệu, thường hoạt động trong dải tần 2.4GHz – 2.835GHz, một dải tần phổ biến được nhiều thiết bị hỗ trợ Với ZigBee, người dùng có thể khai thác tới 16 kênh tín hiệu trong dải tần này, mỗi kênh cách nhau 5MHz, cho phép tốc độ truyền tối đa lên đến 250kb/s.
Các đặc điểm chính của mạng ZigBee:
Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps.
Công suất tiêu thụ thấp, ít hao phí điện năng.
Thời gian sử dụng pin rất dài.
Cài đặt và bảo trì dễ dàng.
Có thể mở rộng đến 65000 node.
Chi phí đầu tư thấp.
So sánh giải pháp ZigBee với các giải pháp không dây khác
ZigBee là công nghệ lý tưởng cho các ứng dụng sử dụng pin với tốc độ dữ liệu thấp, chi phí thấp và thời gian sử dụng pin lâu dài Trong nhiều trường hợp, thiết bị ZigBee chỉ hoạt động một khoảng thời gian ngắn, phần lớn thời gian còn lại nó ở chế độ tiết kiệm năng lượng hoặc chế độ ngủ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ pin.
ZigBee nổi bật với tầm hoạt động xa, tiêu thụ điện năng thấp và khả năng mở rộng mạng lưới tốt hơn so với Bluetooth và Wifi Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu của Bluetooth lại vượt trội hơn hẳn so với ZigBee.
So sánh các thông số cơ bản của mạng ZigBee với Bluetooth và Wifi.
Thời gian sống nuôi bằng pin
Số lượng node trong mạng Ứng dụng
Hình 2.1: So sánh tốc độ truyền của mạng ZigBee với một số mạng không dây khác.
Ngoài ra mạng ZigBee còn có các đặc trưng phù hợp vượt trội với các hệ thống công nghiệp như:
Mạng ZigBee hình lưới có tính ổn định cao nhờ vào khả năng tự thích nghi, cho phép hệ thống tự xây dựng lại và duy trì hoạt động bình thường ngay cả khi một số node bị hỏng Ngoài ra, mạng này còn có khả năng tìm kiếm lộ trình thay thế khi đường đi thông thường bị chặn, điều này rất quan trọng trong các tình huống xảy ra trong hệ thống công nghiệp.
Chuẩn ZigBee đảm bảo tính bảo mật cao với nhiều lớp bảo vệ, bao gồm xác thực cơ bản, mã hóa AES 128 bit, và các biện pháp bảo mật trong quá trình cấu hình thành phần cũng như khi thêm nút mới vào mạng.
Mạng ZigBee nổi bật với khả năng hỗ trợ chuẩn mở, tương thích với nhiều nhà cung cấp và ứng dụng đa dạng Được cải tiến liên tục, ZigBee ngày càng phát triển rộng rãi, trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng IoT.
ZigBee nhà thông minh (SmartHome)
ZigBee nhà thông minh cung cấp tiêu chuẩn toàn cầu cho các sản phẩm tương thích, cho phép kiểm soát thiết bị chiếu sáng, quản lý năng lượng và an ninh, đồng thời kết nối với các mạng ZigBee khác Hệ thống này giúp người tiêu dùng tiết kiệm chi phí, nâng cao cảm giác an toàn và tận hưởng tiện nghi dễ dàng, ít tốn kém trong việc duy trì ZigBee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng từ các nhà cung cấp dịch vụ và sản phẩm, giúp phát triển các sản phẩm cần thiết cho ngôi nhà thông minh Những sản phẩm này lý tưởng cho việc xây dựng mới, dễ sử dụng, duy trì và cài đặt.
Hình 2.3: ZigBee nhà thông minh (SmartHome).
ZigBee điều khiển từ xa
ZigBee điều khiển từ xa là một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến, dễ sử dụng, cho phép điều khiển thiết bị bằng RF hoạt động không cần nhìn thẳng, với khả năng hai chiều, phạm vi mở rộng và tuổi thọ pin lâu dài Thiết bị này được thiết kế để tương thích với nhiều loại thiết bị rạp hát tại nhà, hộp set-top và các thiết bị âm thanh khác Với ZigBee điều khiển từ xa, người dùng có thể kiểm soát các thiết bị từ các phòng gần đó, ngay cả khi có vật cản như tường gỗ, đồ nội thất hoặc vật liệu thủy tinh.
ZigBee năng lượng thông minh (Smart Energy):
ZigBee năng lượng thông minh là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm như theo dõi, kiểm soát và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng nước Tiêu chuẩn này giúp người tiêu dùng tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách cung cấp thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ và tiết kiệm chi phí ZigBee hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, giúp các nhà sản xuất sản phẩm và các dự án của chính phủ đáp ứng nhu cầu năng lượng và nước trong tương lai.
Hình 2.4: ZigBee năng lượng thông minh (Smart Energy).
ZigBee chăm sóc sức khỏe (Health Care):
ZigBee chăm sóc sức khỏe là một giải pháp hiệu quả để theo dõi huyết áp và nhịp tim của bệnh nhân tại nhà thông qua các thiết bị đeo Thiết bị ZigBee thu thập thông tin sức khỏe và truyền dữ liệu không dây đến máy chủ địa phương, như máy tính cá nhân của bệnh nhân, để thực hiện phân tích ban đầu Thông tin quan trọng sau đó được gửi tới y tá hoặc nhân viên vật lý trị liệu qua Internet để phân tích sâu hơn Các công ty như Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor và Awarepoint đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe.
Hình 2.5: ZigBee chăm sóc sức khỏe (Health Care).
Các thiết bị trong mạng.
Trong một mạng ZigBee gồm có 3 loại thiết bị chính là ZC (ZigBee Coordinator), ZR (ZigBee Router) và ZED (ZigBee End Device):
ZC (ZigBee Coordinator) là thiết bị chính trong mạng ZigBee, có nhiệm vụ quyết định cấu trúc mạng, quy định cách gán địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ Mỗi mạng ZigBee chỉ có một Coordinator duy nhất, và đây cũng là thành phần duy nhất có khả năng giao tiếp với các mạng khác.
GIỚI THIỆU CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4
2.2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4.
ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ tiên tiến được phát triển gần đây, xây dựng các tầng ứng dụng và mạng dựa trên chuẩn PHY và MAC của IEEE 802.15.4 Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm như độ tin cậy cao, thiết kế đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng thích ứng tốt với các môi trường mạng khác nhau Nhờ vào mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4, các nhà sản xuất có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau mà vẫn đảm bảo tính tương thích lẫn nhau.
Hình 2.17: Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4.
2.2.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4.
Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ chính: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY Dịch vụ dữ liệu PHY chịu trách nhiệm điều khiển việc thu phát các khối dữ liệu.
PPDU (Physical Protocol Data Unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.
Tầng vật lý có các tính năng quan trọng như kích hoạt, giảm kích hoạt và giảm các bộ phận nhận sóng Nó cũng thực hiện việc phát hiện năng lượng, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, cùng với việc thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của
Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ và có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau.
Băng tần và tốc độ truyền.
Các kênh truyền và tần số.
Hình 2.18: Băng tầng hệ thốn g của ZigB ee.
Các thông số kỹ thuật ở tầng vật lý của IEEE 802.15.4:
Chỉ số ED (Energy Detection) được đo bởi bộ thu ED và là một phần quan trọng trong thuật toán chọn kênh Nó phản ánh mức độ công suất năng lượng của tín hiệu nhận được, nhưng không tham gia vào quá trình giải mã hay nhận dạng tín hiệu trong kênh Thời gian để phát hiện và xử lý tín hiệu tương đương với 8 ký hiệu.
Giá trị nhỏ nhất của
ED (=0) khi mà công suất nhận được ít hơn mức
+10 dB so với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là
Chỉ số chất lượng đường truyền
LQI là chỉ số thể hiện chất lượng gói tin nhận được, giúp đánh giá tỷ số tín hiệu trên tập SNR Giá trị LQI này sẽ được chuyển giao cho tầng mạng và tầng ứng dụng để xử lý.
Chỉ số đánh quá đ ư ợ c s ử d ụ n g đ ể x e m k ê n h tr u y ề n rỗ i h a y b ậ n.
“N ăng lượn g vư ợt ng ưỡng
CA sẽ th ông báo kênh truyề n bậ n tro ngkh i dò ra bấ t kỳ năng lượn g nà o vư ợt ng ưỡng
Asẽ th okên htruy ềnbận chỉkhi dòra tínhiệ ucó đặctính trảiphổ vàđiề uchế củaIEE
E802 15.4. Tínhiệ unày cóthể thấp hoặc caohơn ngưỡng ED.
Cảm biến sóng kết hợp với nan gương vượ tngưỡng giúp thông báo tình trạng kênh truyền bận khi phát hiện tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.
Định dạng khung tin PPDU.
Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin:
SHR (Synchronization Header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit.
PHR (Physical Header): chứa thông tin độ dài khung.
PHY Payload: chứa khung tin của tầng MAC. Định dạng khung PPDU
2.2.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC.
Tầng điều khiển môi trường truy cập MAC cung cấp hai dịch vụ chính: dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC Tầng này giao tiếp với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC Dịch vụ dữ liệu chịu trách nhiệm quản lý việc thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.
Tầng MAC có nhiệm vụ quản lý phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền tải trong mạng, điều khiển truy cập kênh và quản lý khe thời gian GTS Ngoài ra, tầng này cũng đảm nhận việc điều khiển kết nối, giải phóng kết nối và phát khung Ack.
LR-WPAN sử dụng cấu trúc siêu khung, trong đó mỗi siêu khung được chia thành 16 khe và giới hạn bởi từng mạng Cột mốc beacon được gửi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung, giúp đồng bộ các thiết bị, nhận dạng PAN và mô tả kiến trúc siêu khung Nếu một PAN coordinator không muốn sử dụng siêu khung, họ phải phát mốc beacon để đảm bảo sự kết nối.
Hình 2.19: Cấu trúc siêu khung.
Siêu khung có 2 phần “hoạt động” và “nghỉ” cụ thể như sau:
Phần “nghỉ” PAN Coordinator không giao tiếp với các thiết bị trong mạng PAN và làm việc ở các node công suất thấp.
Phần "hoạt động" của mạng bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn tranh chấp truy cập (CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFD) Trong giai đoạn CAP, các thiết bị phải cạnh tranh để sử dụng kênh truyền thông qua kỹ thuật CSMA-CA Ngược lại, CFD bao gồm các khe thời gian GTS, thường xuất hiện ở cuối siêu khung tích cực, bắt đầu ngay sau CAP PAN coordinator có thể xác định 7 GTSs, mỗi GTS chiếm nhiều hơn một khe thời gian Khung CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP Nếu độ dài của CFD bằng 0, CAP sẽ kết thúc tại cuối siêu khung Tất cả các khung tin, ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau khung Ack trong lệnh yêu cầu, sẽ sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh Khung CFP sẽ được phát ngay sau CAP và kết thúc trước khi phát beacon của khung tiếp theo, với kích thước của CFP do tổng độ dài của các khe GTSs được cấp phát quyết định, và CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy cập kênh.
Khoảng cách giữa hai khung (IFS) là thời gian cần thiết cho tầng PHY để xử lý một gói tin nhận được Độ dài của IFS phụ thuộc vào kích thước của khung vừa được truyền.
Hình 2.20: Khoảng cách giữa 2 khung.
2.2.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-
Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-
CA là một phương pháp hiệu quả để tránh xung đột trong mạng đa truy cập, sử dụng cảm biến sóng Trước khi thực hiện truyền dữ liệu, các node mạng sẽ lắng nghe tín hiệu thông báo để đảm bảo không xảy ra xung đột Mỗi node sẽ phát tín hiệu yêu cầu kênh truyền trước, sau đó mới tiến hành truyền thực sự, giúp tối ưu hóa quá trình truyền thông.
2.2.3.3 Định dạng khung tin MAC.
Mỗi khung tin bao gồm các thành phần sau:
Phần đầu khung MHR (MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiển khung tin, số chuỗi và trường địa chỉ.
Phần tải trọng khung (MAC payload): chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung Khung tin của bản tin xác nhận Ack không có phần này.
Phần cuối khung MFR (MAC footer): chứa chuỗi kiểm tra khung FCS
(Frame Check Sequence). Định dạng khung MAC.
Octets: 2 1 Điều Số khiển chuỗi khung
Tầng vật lý trong mô hình giao thức ZigBee được xây dựng dựa trên tầng điều khiển dữ liệu, cho phép mạng hoạt động độc lập hoặc phối hợp với các mạng khác Tầng này cần đảm bảo thực hiện các chức năng quan trọng để duy trì hiệu suất và ổn định của mạng.
Tham gia làm thành viên của 1 mạng đang hoạt động hoặc là tách ra khỏi mạng khi đang là thành viên của 1 mạng nào đó.
Cấu hình thiết bị mới như hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới tham gia vào mạng.
Để đảm bảo việc truyền tin trong mạng không bị tranh chấp, cần đồng bộ hóa các thiết bị thông qua gói tin thông báo beacon.
Gán các thông tin bảo mật vào gói tin sau đó gửi xuống tầng dưới.
Định tuyến là quá trình giúp gói tin đến đúng đích mong muốn Thuật toán ZigBee được coi là một thuật toán định tuyến phân cấp, sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.
Dịch vụ bảo mật:
TỔNG QUAN VỀ MODULE SIM900
Module SIM900 là một modem GSM tiên tiến với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn Nó hoạt động dựa trên công nghệ GSM/GPRS ở các băng tần GSM 850Mhz, EGSM 900Mhz, DCS 1800Mhz và PCS 1900Mhz Tính năng GPRS của SIM900 hỗ trợ nhiều lớp, mang lại hiệu suất cao trong việc truyền tải thông tin.
SIM900 hỗ trợ giao tiếp ăng-ten RF với hai tùy chọn: đầu nối ăng-ten Murata MM9329-2700 và pad ăng-ten Khách hàng có thể hàn ăng-ten của mình vào các pad ăng-ten này.
Các SIM900 được thiết kế với kỹ thuật tiết kiệm năng lượng: dòng điện tiêu thụ thấp nhất là 2.5mA trong chế độ SLEEP.
SIM900 tích hợp giao thức TCP/IP và mở rộng lệnh AT, giúp khách hàng dễ dàng sử dụng giao thức này Điều này rất hữu ích cho các ứng dụng truyền dữ liệu.
Module SIM900 được thiết kế nhỏ gọn, với giá thành thấp và hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
(A) có các tính năng cơ bản của một chiếc điện thoại như gọi điện thoại, nhắn tin, truy cập GPRS …
Giống như một điện thoại di động GSM, một modem GSM yêu cầu 1 thẻ sim với một mạng không dây để hoạt động.
Hình 2.23: SIM900A và sơ đồ chân.
Chức năng các chân SIM900A.
8 GND Đặc điểm của Module SIM900.
Các tính năng chủ chốt của SIM900.
SIM giao diện Ăng-ten bên ngoài
Bộ công cụ ứng dụng
SIM Đồng hồ thời gian thực
Chức năng hẹn giờ Đặc điểm vật lý
Cách thiết lập lệnh AT cho module SIM900A.
Thiết lập cấu hình mặc định.
(1) ATZ: Reset modem, kiểm tra modem đã hoạt động bình thường chưa Gửi nhiều lần cho chắc ăn, cho đến khi nhận được chuỗi
ATZOK
(2) ATE0: Tắt chế độ echo lệnh Chuỗi trả về:
ATE0OK
(3) AT+CLIP=1: Định dạng chuỗi trả về khi nhận cuộc gọi.
Thông thường, ở chế độ mặc định, khi có cuộc gọi đến, chuỗi trả về sẽ có dạng: RING
Sau khi lệnh AT+CLIP=1 đã được thực thi, chuỗi trả về sẽ có dạng:
RING
+CLIP: "0975800171",129,"",,"",0
Chuỗi trả về chứa thông tin về số điện thoại gọi đến, giúp xác định xem có nên nhận hay từ chối cuộc gọi Đây là bước kết thúc cho quá trình khởi tạo nhận cuộc gọi, trước khi tiến hành các thao tác truyền nhận tin nhắn tiếp theo.
(4) AT&W: Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh ATE0 và
AT+CLIP vào bộ nhớ.
(5) AT+CMGF=1: Thiết lập quá trình truyền nhận tin nhắn được thực hiện ở chế độ text (mặc định là ở chế độ PDU).
Chuỗi trả về sẽ có dạng: OK
(6) AT+CNMI=0,2,0,0,0: Thiết lập chế độ thông báo cho TE khi MT nhận được tin nhắn mới.
Chuỗi trả về sẽ có dạng: OK
Sau khi lệnh được thiết lập, tin nhắn mới sẽ được lưu trữ trong SIM mà không có thông báo nào được truyền về TE TE chỉ đọc tin nhắn lưu trong SIM khi cần thiết.
(7) AT+CSAS: Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh AT+CMGF và AT+CNMI.
Lưu ý rằng các lệnh được cung cấp nhằm thiết lập cấu hình cần thiết để gửi và nhận tin nhắn cũng như cuộc gọi Sau khi lưu lại, các thông số này sẽ trở thành cấu hình mặc định và không bị mất ngay cả khi xảy ra mất điện Hãy đảm bảo bạn đã đọc và hiểu các tin nhắn SMS.
Hình 2.25: Khởi tạo vùng nhớ.
(1) AT+CMGD=1: Xóa tin nhắn ở vùng nhớ 1 trong SIM
Chuỗi trả về sẽ có dạng: OK
(2) AT+CMGD=2: Tác dụng tương tự như lệnh số 1 Lệnh này được dùng để xóa tin nhắn được lưu trong ngăn số 2.
Bộ nhớ lưu tin nhắn trong SIM được cấu trúc thành nhiều ngăn, ví dụ như loại Super SIM của Mobiphone có thể chứa tới 50 ngăn, mỗi ngăn lưu trữ nội dung của một tin nhắn Các tin nhắn này bao gồm tin nhắn từ tổng đài, thông báo kết quả gửi tin nhắn trước đó và tin nhắn từ thuê bao khác Mỗi ngăn được xác định bằng một số thứ tự riêng biệt.
Khi nhận được tin nhắn mới, nội dung tin nhắn sẽ được lưu trong một ngăn trống có số thứ tự nhỏ nhất có thể.
Việc xóa nội dung tin nhắn ở hai ngăn 1 và 2 giúp lưu trữ tin nhắn nhận được một cách hiệu quả, dễ dàng xác định vị trí lưu trữ và thao tác với các tin nhắn mới Điều này giảm thiểu khả năng thất lạc tin nhắn trong các vùng nhớ không kiểm soát, mang lại sự tiện lợi cho người dùng.
Khi bộ nhớ tin nhắn của máy tính (MT) đầy, MT sẽ không thể nhận thêm tin nhắn mới Những tin nhắn gửi đến trong trường hợp này sẽ được lưu trữ trên tổng đài và chỉ được gửi đến MT khi có không gian trống trong bộ nhớ Để đảm bảo khả năng nhận tin nhắn mới, việc xóa nội dung trong các ngăn 1 và 2 là cần thiết.
Nhận và đọc tin nhắn SMS.
Hình 2.26: Nhận và đọc tin nhắn SMS.
Mọi thao tác liên quan đến quá trình nhận tin nhắn đều được thực hiện trên hai ngăn 1 và 2 của bộ nhớ nằm trong SIM.
(1) Đọc tin nhắn trong ngăn 1 bằng lệnh AT+CMGR=1.
(2A) Nếu ngăn 1 không chứa tin nhắn, chỉ có chuỗi sau được trả về:
OK
(2B) Nếu ngăn 1 có chứa tin nhắn, nội dung tin nhắn sẽ được gửi trả về TE với định dạng như sau:
NỘI DUNG
OK
Các tham số trong chuỗi trả về bao gồm trạng thái tin nhắn (REC UNREAD), số điện thoại gửi tin nhắn (+84908298419), thời gian gửi tin nhắn (07/05/15,09:32:05+28) và nội dung tin nhắn Đây là định dạng mặc định của module SIM900 khi khởi động Để thiết lập dạng mở rộng, người dùng có thể sử dụng lệnh AT+CSDH=1 trước khi đọc tin nhắn.
(3) Sau khi đọc, tin nhắn được xóa đi bằng lệnh AT+CMGD=1.
Thao tác tương tự đối với tin nhắn chứa trong ngắn thứ 2 các bước 4,5A (5B) và 6.
Hình 2.27: Gửi tin nhắn SMS.
(1) Gửi tin nhắn đến thuê bao bằng cách sử dụng lệnh AT+CMGS=”số điện thoại”.
(2) Nếu lệnh (1) được thực hiện thành công, chuỗi trả về sẽ có dạng:
> (kí tự “>” và 1 khoảng trắng).
(3) Gửi nội dung tin nhắn và kết thúc bằng kí tự có mã ASCII:
(3A) Gửi kí tự ESC (mã ASCII là 27) nếu không muốn tiếp tục gửi tin nhắn nữa Khi đó TE sẽ gửi trả về chuỗi OK.
(4) Chuỗi trả về thông báo kết quả quá trình gửi tin nhắn Chuỗi trả về có định dạng như sau:
+CMGS: 62
OK
Số tham chiếu 62 đại diện cho tin nhắn đã gửi, và sau mỗi lần gửi, giá trị này tăng lên 1 Giá trị của số tham chiếu này nằm trong khoảng từ 0 đến 255.
Thời gian gửi tin nhắn qua mạng Mobifone thường mất khoảng 2-3 giây Tuy nhiên, nếu sóng yếu hoặc không ổn định (có thể kiểm tra bằng cách tháo antenna), hoặc chức năng RF của modem bị vô hiệu hóa (do sử dụng lệnh AT+CFUN=0 hoặc AT+CFUN=4), hoặc số lượng tin nhắn trong hàng đợi của tổng đài vượt quá giới hạn cho phép, hoặc bộ nhớ tin nhắn của thiết bị nhận đã đầy, thì thiết bị sẽ nhận được thông báo lỗi.
+CMS ERROR: 193
+CMS ERROR: 515
CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU
CC2530 là giải pháp System-on-Chip hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng, lý tưởng cho các ứng dụng IEEE 802.15.4 như point-to-point, star và ZigBee PRO Thiết bị này có bốn loại với bộ nhớ Flash từ 32 đến 256 KB, tích hợp bộ truyền nhận RF hiệu suất cao, MCU 8051 công nghiệp nâng cao, và 8 KB RAM cùng nhiều ngoại vi mạnh mẽ Một số đặc điểm nổi bật của CC2530 bao gồm bộ nhớ Flash lên đến 256 KB với 20K chu kỳ xóa cho phép cập nhật ứng dụng qua mạng không dây, 8 KB RAM hỗ trợ các ứng dụng phức tạp và cấu trúc ZigBee, cùng khả năng lập trình công suất phát tối đa.
+ 4.5 dBm; tiờu thụ ớt hơn 1 àA khi bị tụt nguồn hoặc chạy ở chế độ nghỉ (sleep mode).
CC2530 là một vi điều khiển mạnh mẽ hỗ trợ các giao thức như ZigBee PRO, ZigBee RF4CE, và 6LoWPAN, cùng với các giải pháp nền tảng 802.15.4 Với độ nhạy tín hiệu cao và khả năng lập trình công suất, CC2530 giúp tối ưu hóa thời gian sống của pin Thiết bị này còn có tỷ lệ lỗi gói tin thấp, rất phù hợp cho các ứng dụng sử dụng pin.
CC2530 là một vi điều khiển thường được sử dụng trong các thiết bị đo đạc năng lượng thông minh, điều khiển từ xa, và nhà thông minh Nó cũng được áp dụng trong các hệ thống điều khiển và hiển thị trong ngành công nghiệp, cũng như trong các mạng cảm biến năng lượng thấp.
Cảm biến nhiệt độ LM35.
LM35 là cảm biến nhiệt độ chính xác, đo nhiệt độ theo độ C Hai loại phổ biến của cảm biến này là loại đóng gói IC và loại đóng gói plastic.
Hình 2.29: Cảm biến nhiệt độ LM35. Đặc điểm của cảm biến nhiệt độ LM35:
Số liệu đo được điều chỉnh trực tiếp thành o C.
Sai số khoảng 0.5 oC tại 25 o C.
Phạm vi giới hạn nhiệt độ từ − 55 o C tới + 150 o C.
Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0.08 o C trong điều kiện không khí là tĩnh.
Mức độ phi tuyến tiêu biểu ±1⁄4 o C.
Trở kháng ngõ ra thấp, 0.1 Ω với tại 1 mA.
PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG
3.2.1 Nhiệm vụ của module thu thập dữ liệu.
Module thu thập dữ liệu có khả năng cập nhật nhiệt độ tại vị trí thiết bị Khi nhận lệnh đo nhiệt từ node trung tâm, module sẽ tiến hành đo và gửi dữ liệu cùng trạng thái hiện tại của thiết bị công suất Ngoài ra, khi nhận yêu cầu điều khiển động cơ, module cũng sẽ thực hiện điều khiển động cơ công suất kết nối và gửi lại trạng thái hiện tại về node trung tâm.
3.2.2 Nhiệm vụ của khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm có vai trò quan trọng trong việc gửi yêu cầu đo nhiệt độ tới các node con Sau khi nhận dữ liệu từ các node, khối xử lý trung tâm xác định địa chỉ gói tin và lưu trữ toàn bộ nội dung vào một mảng Sau 5 phút, khối trung tâm sẽ cập nhật thông tin nhiệt độ cho người dùng bằng cách gửi tin nhắn SMS chứa vị trí node, trạng thái và nhiệt độ.
Khi nhận được tin nhắn yêu cầu điều khiển, node trung tâm sẽ gửi lệnh yêu cầu SIM mở nội dung tin nhắn Sau đó, node trung tâm xác định vị trí node cần thực hiện điều khiển và gửi lệnh điều khiển đến node đó.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
3.3.1 Sơ đồ khối khối xử lý trung tâm.
Hình 3.2: Sơ đồ khối node trung tâm.
3.3.2 Yêu cầu của node trung tâm.
Gửi yêu cầu đo nhiệt độ đến các node con Sau đó, nhận kết quả từ các node gửi về lưu vào mảng.
Gửi thông tin thu thập được đến người dùng bằng cách xuất các lệnh yêu cầu từ module sim, nhằm thực hiện việc gửi dữ liệu đến các thuê bao đã được định trước.
Nhận thông báo sau đó xử lý thông bao và gửi đến vị trí node cần thực hiện và yêu cầu thực hiện.
3.3.3 Thiết kế node trung tâm.
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế node trung tâm.
Node trung tâm bao gồm: Một module SIM900 kết nối với Zigbee GB2530
Sơ đồ kết nối chân Zigbee GB2530 và SIM900.
Chân TX của Zigbee nối với chân RX của module SIM900.
Chân RX của Zigbee nối với chân TX của module SIM900.
Chân VCC của Zigbee được nối với chânVCC (+3.3VDC) mở rộng của module SIM900.
Chân GND của Zigbee được nối với GND của module SIM900.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG KHỐI THU THẬP DỮ LIỆU
Vai trò của module thu thập dữ liệu.
Module thu thập dữ liệu có chức năng quan trọng trong việc thu thập và xử lý thông tin từ yêu cầu của node trung tâm Sau khi hoàn thành, module sẽ gửi dữ liệu đã thu thập về node trung tâm để tiếp tục xử lý.
Thiết kế module thu thập dữ liệu.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý module thu thập dữ liệu.
Sản phẩm phần cứng module thu thập dữ liệu.
Hình 3.5: Hình mặt trước module thu thập dữ liệu.
Khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm Zigbee GB2530 tích hợp vi điều khiển CC2530, nổi bật với khả năng chống nhiễu và quá dòng Thiết kế nhỏ gọn và dễ sử dụng, khối xử lý này còn trang bị anten 2.4 GHz, giúp nâng cao khả năng truyền nhận dữ liệu ở khoảng cách xa hơn.
Khối thu thập dữ liệu.
Cảm biến nhiệt độ LM35 là thiết bị lý tưởng để thu thập dữ liệu nhiệt độ tại vị trí lắp đặt Với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tìm thấy trên thị trường và giá thành hợp lý, LM35 tiêu thụ ít năng lượng, có khoảng đo rộng và độ chính xác cao.
Khối UART, DEBUG và chọn nguồn VCC.
Khối UART, DEBUG và nguồn VCC trên mạch được thiết kế để hỗ trợ lập trình, nạp code và demo mạch một cách dễ dàng và thuận tiện Với kích thước linh kiện nhỏ gọn, việc thiết kế không gặp khó khăn và không ảnh hưởng đến hoạt động của module.
LẬP TRÌNH PHẦN MỀM
3.5.1 Nạp code cho chương trình ZigBee.
Sử dụng phần mềm IAR Information Center for 8051 để tiến hành viết code và nạp cho Zigbee GB2530.
IAR Embedded Workbench là một phần mềm tích hợp mạnh mẽ, bao gồm trình biên dịch và công cụ gỡ lỗi, giúp người dùng thực hiện công việc một cách liền mạch mà không bị gián đoạn.
Phần mềm được phát triển bằng ngôn ngữ C mang lại khả năng giao tiếp và thao tác dễ dàng cho người dùng Chương trình có quy trình cài đặt và sử dụng đơn giản, với giao diện thân thiện, giúp người dùng thao tác một cách thoải mái.
Hình 3.6: Giao diện chương trình IAR Information Center for 8051.
Quá trình lập trình cho ZigBee bằng ngôn ngữ C gồm 2 phần:
1: Thông báo lỗi và cảnh báo sau khi biên dịch chương trình.
2: Nội dung lập trình cho ZigBee.
Hình 3.7: Viết chương trình cho ZigBee.
Sau khi hoàn tất quá trình biên dịch, bạn cần sử dụng mạch nạp SmartRF04EB để nạp chương trình cho Zigbee GB2530 Mạch nạp này không chỉ giúp nạp code mà còn hỗ trợ phát hiện và sửa lỗi trong quá trình nạp, mang lại lợi ích lớn cho việc lập trình.
ZigBee GB2530 giao tiếp máy tính thông qua UART Sử dụng phần mềm Terminal để chạy demo code chương trình, cấu hình cho Zigbee…
Một số lệnh dùng để cấu hình và test ZigBee GB2530 bằng phần mềm Terminal:
?dc: Cấu hình thiết bị là coordinator.
?dr: Cấu hình thiết bị là router.
?de: Cấu hình thiết bị là end device.
?Ps: Địa chỉ của thiết bị.
?Pd: Chức năng của thiết bị.
?Pa: Yêu cầu thực hiện đo nhiệt độ
LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG
3.6.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống.
XỬ LÝ NỘI DUNG SMS
GỬI YÊU CẦU TỚI CÁC NODE
XÓA VÙNG NHỚ TRÊN SIM
BÁO CÁO YÊU CẦU MỚI TỪ TRUNG TÂM
BÁO NHẬN NỘI DUNG MỚI
XỬ LÝ NỘI DUNG, LƯU VÀO MẢNG
XUẤT NỘI DUNG ĐẾN SIM
GỬI YÊU CẦU ĐO NHIỆT ĐỘ
3.6.2 Lưu đồ thuật toán module trung tâm.
KIỂM TRA NỘI DUNG MỚI
XỬ LÝ NỘI DUNG, ĐIỀU KHIỂN
KIỂM TRA ĐỊA CHỈ CẦN THỰC HIỆN
THỰC HIỆN GỬI YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN
H ìn h 3.12: L ư u đồ thuật toán module trung tâm.
3.6.3 Lưu đồ thuật toán module thu thập dữ liệu.
Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán module thu thập dữ liệu.
