CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.3 Tổng quan về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4
2.3.1 Giới thiệu về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4
Với sự phát triển và tiến bộ không ngừng của công nghệ truyền thông, thì truyền thông trong mạng không dây đang là một công nghệ mới với nhiều tính năng ứng dụng trong khoa học cũng nhƣ trong đời sống. Song những yêu cầu về tối ƣu năng lƣợng, truyền thông... luôn là những vấn đề quan trọng trong mạng truyền thông không dây (đặc biệt là mạng cảm biến không dây - WSNs). Hiện nay, ngoài những vấn đề trên thì mạng cảm biến không dây có những yêu cầu khác nhƣ là:
- Dễ dàng lắp đặt, vận hành, ít lỗi, khả năng tương thích cao và giá thành thấp.
- Độ rộng phổ lớn, không cần phải mở rộng thêm băng thông, tốc độ đường truyền cao, ổn định. Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. Do đó người ta đã sử dụng một số phương pháp khác như sử dụng lại kênh tần số... nhưng vẫn còn những vấn đề phát sinh nhƣ gây nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cùng tần số, hoặc xung đột giữa các thiết bị...
Do đó ứng dụng Chuẩn Zigbee vào mạng cảm biến không dây sẽ là một giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề trên.
2.3.2 Sự đời của chuẩn Zigbee:
* Chuẩn Zigbee (chuẩn IEEE 802.15.4) là một chuẩn thuộc nhóm chuẩn IEEE 802.15. Nhóm chuẩn này ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN. Chuẩn WPAN là chuẩn của mạng cá nhân không dây, dùng để điều khiển dữ liệu trong không gian nhỏ và truyền tin trong khoảng cách tương đối ngắn (bán kính hoạt động nhỏ hơn 30m). Song chuẩn WPAN tiêu tốn ít năng lƣợng hơn, độ suy hao năng lƣợng thấp, vận hành trong không gian nhỏ, cơ sở hạ tầng không yêu cầu cao nhƣng vẫn liên lạc hiệu quả. [12]
33
Nhóm chuẩn WPAN (IEEE 802.15) đƣợc chia ra làm 3 loại:
Sự phân chia này đƣợc dựa vào 3 yếu tố là:
+ Tốc độ truyền tin
+ Mức tiêu hao năng lƣợng + Chất lƣợng phục vụ QoS
- IEEE 802.15.3: (Untra Wide Band): Ứng dụng đa phương tiện, chất lượng phục vụ cao. Sử dụng phần lớn phổ để trao đổi dữ liệu. Tín hiệu cho mỗi băng tần thường nhỏ và ít bị nhiễu bởi các tín hiệu khác. IEEE 802.15.3 có khả năng truyền hàng trăm Mbit/s trong phạm vi hàng trăm mét.
- IEEE 802.15.1: (Bluethoot): Sử dụng trong mạng điện thoại tế bào, máy tính cá nhân bỏ túi PDA, có QoS phù hợp. Chuẩn này đƣợc phát triển có khả năng kết nối với 7 thiết bị con, đƣợc thiết kế để thay dây dẫn trong kết nối các thiết bị ngoại vi. Phiên bản mới nhất là 2.0 + ERD có khả năng truyền 3Mbit/s trong khoảng 100.
- IEEE 802.15.4: (Zigbee): Ứng dụng vào mạng cảm biến dùng để điều khiển, cảm biến và truyền dữ liệu.
+ IEEE 802.15.4 hoạt động ở dải tần 2,4GHz với 255 thiết bị. Phạm vi truyền khoảng 10m với tốc độ truyền 250kbps.
+ IEEE 802.15.4a hoạt động ở dải tần 868MHz, 900MHz với 65000 thiết bị. Phạm vi hoạt động 75m với tốc độ truyền tin 20kbps.
Tùy vào từng ứng dụng mà chuẩn Zigbee sẽ hoạt động trên từng băng tần khác nhau (Băng tần 2,4GHz chỉ truyền đƣợc 10m so với 75m của băng tần 868MHz và 900MHz nhƣng tốc độ truyền tin là 250kbps). [12,17]
IEEE.802.15.3 IEEE.802.15.1 IEEE.802.15.4
34
QoS Cao Trung bình Thấp
Ứng dụng Đa phương tiện Điện thoại, TB ngoại vi
Cảm biến, truyền D.liệu Khả năng
hoạt động
10 - 80m 10m 10 - 75m
Tốc độ bit 500 Mbps 1 - 3Mbps
250kbps 20 - 40kbps
Dải tần
2,4GHz 5 GHz
2,4GHz
2,4GHz 915; 868 MHz
PP giao tiếp Truyền file có d.lƣợng lớn
Truyền file hình ảnh, thoại..
Truyền gói tin nhỏ Bảng 2.1-Bảng so sánh các thông số hoạt động trong nhóm chuẩn WPAN.
2.3.3 Ƣu điểm của chuẩn Zigbee
- Áp dụng cho hệ thống điều khiển, cảm biến (do mạng cảm biến không dây chỉ truyền đƣợc tối đa là 250kbps ở dải tần 2,4GHz cho nên ứng dụng chủ yếu của mạng là cảm biến và điều khiển, mạng không dùng để truyền dữ liệu).
- Tốc độ truyền tin thấp nhƣng chu kỳ hoạt động dài.
- Mạng tiêu hao ít năng lƣợng (chỉ với 2 nguồn pin AA, một node mạng có thể sống từ 6 tháng đến 2 năm tùy vào từng ứng dụng). Thời gian nhận gửi một gói tin của mạng khoảng 15msec. Các node mạng giao tiếp với nhau bằng phương thức truyền từng gói tin nhỏ.
35
- Giá thành thấp, ít lỗi dễ mở rộng, có khả năng tương thích cao với các điều kiện tự nhiên.
- Tầng mạng của Zigbee có một ƣu điểm nổi bật là giảm đƣợc sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối. [12]
(Đây là mạng không dây mắt lưới tiêu chuẩn cho nên nó có những ưu điểm của mạng mắt lưới: Các node truyền tải dữ liệu, âm thanh, câu lệnh với nhau, cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ node này sang node khác cho đến khi thiết lập đƣợc kết nối).
2.3.4 Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee Mạng cần phải có tối thiểu 2 phần tử:
- FFD (Full Function Devide): Đảm nhận các chức năng trong mạng. FFD có khả năng hoạt động nhƣ một:
+ Điều phối viên của toàn mạng PAN + Điều phối viên của một mạng con + Thành viên trong mạng.
- RFD (Reduced Function Devide): Đảm nhận một số chức năng hạn chế với các ứng dụng đơn giản, dữ liệu nhỏ. [11]
2.3.5 Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee
- ZC (Zigbee Coordinator): Đây là 1 FFD, nó là gốc mạng hình cây, là thiết bị bắc cầu tới mạng khác. Đặc trƣng của ZC:
+ Thiết lập một mạng mới.
+ Truyền tín hiệu mạng.
+ Quản lý node mạng.
36 + Hoạt động tiêu biểu là nhận trạng thái.
+ Lưu trữ thông tin mạng, khoá bảo mật.
- ZR (Zigbee Router): Đây là 1 FFD, nó có các chức năng nhƣ:
+ Định tuyến trung gian truyền dữ liệu + Cho phép mở rộng mạng
+ Theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như node bình thường
- ZED (Zigbee End Devide): Đây là 1 FFD hoặc 1 RFD, nó không chuyển tiếp dữ liệu nhƣng có một số đặc điểm nhƣ:
+ Yêu cầu bộ nhớ, khả năng tính toán thấp nên giá thành thấp + Chức năng chủ yếu là thu thập dữ liệu, theo dõi, điều khiển 2.3.6 Một số cấu hình mạ cơ bản của chuẩn Zigbee
Chuẩn Zigbee có 3 cấu hình mạng cơ bản:
+ Mạng hình sao + Mạng mắt lưới + Mạng hình cây
Tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo những cấu hình mạng khác nhau. [12, 13]
2.3.6.1 Mạng hình sao:
Hình 2.8-Mạng hình sao.
37
Mạng chỉ có FFD và RFD (hay ZC và ZED). Khi FFD đƣợc kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để mạng hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất, kết nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Mạng chỉ có một ZC duy nhất đóng vai trò nhƣ một điều phối viên toàn mạng, khi đƣợc kích hoạt, ZC này sẽ hoạt động. Tuỳ vào năng lƣợng kênh và số mạng tìm đƣợc trên mỗi kênh mà ZC sẽ thành lập mạng với một PAN ID 16bit.
Sau đó nó sẽ cho phép các node con tham gia liên kết với mạng. Trong mạng này ZED đóng vai trò là một RFD. Hoạt động của RFD này chỉ là thu thập dữ liệu, điều khiển và cảm biến. Các ZED này không thể truyền tin trực tiếp cho nhau đƣợc mà chỉ có thể truyền qua ZC.
2.3.6.2 Mạng mắ ƣới
Mạng mắt lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ node này sang node khác cho đến khi thiết lập đƣợc kết nối.
Hình 2.9 – Mô hình mạng hình mắ ƣới
38
Hình 2.10-Mạng hình mắt lưới với các thiết bị Đặc điểm của mạng:
- Hình thành tương tự như mạng hình sao. Song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR này đóng vai trò nhƣ một RFD,dùng để định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu nhƣ một node bình thường.
- Đƣợc kết hợp bởi cấu trúc mạng hình sao và cấu trúc mạng ngang hàng.
- Đây là mạng chuyển của Zigbee, tất cả các node trong mạng có thể truy cập ngang hàng trong truyền thông.
- Ứng dụng trong đo lường, điều khiển, theo dõi cảnh báo...
2.3.6.3 Mạng hình cây
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây nhƣ một node rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động nhƣ là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.
39
Hình 2.11-Mạng hình cây.
Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhƣng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
Bộ điều phối mạng PAN coordinator này có một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận đƣợc khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng. Từ đó có thể hình thành đƣợc các CLH1,CLH2,...
Những thiết bị của Zigbee lưu trữ thông tin về node cha và node con trong khoảng bộ nhớ không đổi gọi là bảng neighbor. Khi đƣợc kích hoạt, một thiết bị con đƣợc xác định thông qua bảng này. Nó sẽ thực hiện một thông báo mồ côi để phát quảng bá trong mạng. Những thiết bị nhận đƣợc thông báo (là các node cha) sẽ kiểm tra bảng neighbor của chúng. Nếu đúng thì sẽ thông báo lại địa chỉ cho node con. Còn nếu sai thì node con sẽ tham gia vào mạng nhƣ một thiết bị mới ở mức độ sâu nhất.