Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Nghiên cứu mạng không dây zigbee và ứng dụng kết nối thiêt bị
Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải Lời cảm ơn Lời cho phép em gửi tới Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ thầy cô khoa Công nghệ thông tin lời cám ơn chân thành Thầy cô tạo điều kiện thuận lợi để chúng em học tập, làm việc sáng tạo trường giàu thành tích ngành giáo dục Việt Nam Trong suốt q trình học tập trường, thầy dạy cho em kỹ tốt để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths Lê Mạnh Hải giảng viên trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cám ơn bảo hướng dẫn tận tình thầy suốt trình thực Khi bắt tay vào thực đồ án kiến thức hiểu biết em lĩnh vực gần số không Với kiến thức uyên bác nhiệt tình thầy, thầy dẫn dắt em đến bước cuối đồ án Em xin gửi lời cám ơn đến gia đình bạn bè người giúp đỡ em nhiều suốt trình thực đồ án Một lần em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy cô, gia đình bạn bè giúp đỡ em hồn thành luận văn tốt nghiệp - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải Lời nói đầu Hàng ngày thấy ví dụ cách thức mà công nghệ thông tin viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi sống người giới Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến ngõ ngách toàn cầu Trong mạng viễn thông ngày này, người quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, “làm trị”, mua bán thử nghiệm – nghĩa thực tất loại hình hoạt động cách thức mà có ICT làm Mạng viễn thơng tạo cầu nối liên kết loài người khắp hành tinh chúng ta, mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng không chút bí ẩn Tuy vậy, dải băng tần eo hẹp tồn đọng nhiều thách thức muốn đạt đầy đủ tiềm Các nhà khoa học giới nghĩ đến việc sử dụng băng tần cao hơn, việc vấp phải nhiều trở ngại cơng nghệ điện tử chế tạo chưa theo kịp Vì giải pháp cấp bách đưa sử dụng chung kênh tần số, nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ can nhiễu lẫn thiết bị tần số, vấn đề xung đột thiết bị Một công nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu công nghệ ZigBee Công nghệ ZigBee công nghệ áp dụng cho hệ thống điều khiển cảm biến có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động dài Công nghệ ZigBee hoạt động dải tần 868/915 MHz 2,4 GHz, với ưu điểm độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng, khả tương thích cao Trong luận văn này, em muốn trình bày khảo cứu em cơng nghệ ZigBee ứng dụng kết nối thiết bị ZigBee để hiểu rõ cơng nghệ Hy vọng thông qua vấn đề đề cập luận văn này, bạn đọc có đánh giá hiểu biết sâu sắc cơng nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 vai trị tiềm công nghệ sống - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải MỤC LỤC Lời nói đầu PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Đặt vấn đề Nhiệm vụ luận văn Bố cục luận văn 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 mạng WPAN 10 1.3 Phân loại chuẩn mạng WPAN 11 1.4 Khái quát ZigBee/ IEEE 802.15.4 11 1.4.1 Khái niệm 11 1.4.2 Đặc điểm 12 1.4.3 Ưu điểm 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 mạng LR-WPAN 14 1.5.2 Kiến trúc liên kết mạng 14 1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình (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 (cluster-tree) 16 CHƯƠNG II: CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4 18 2.1 Mơ hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4 18 - - 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 tầng vật lý 20 2.2.1.1 Điều chế tín hiệu tầng PHY 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 tầng PHY 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 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 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 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 mơ hình truyền liệu 32 2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 35 - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải 2.3.5 Quản lý phân phối khe thời gian đảm bảo GTS .35 2.3.6 Định dạng khung tin MAC 37 2.4 Tầng mạng 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 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 45 3.2.1 Thuật tóan hình đơn nhánh 45 3.2.2 Thuật tốn hình 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 trình diễn Picdem Z 56 1.4 Tổng quan 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 - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải 2.2 Yêu cầu máy chủ 61 2.3 Lắp ráp cài đặt .61 2.3.1 Lắp ráp phần cho PICDEM Z 62 2.3.2 Cài đặt tập tin phần mềm PICDEM Z 63 2.4 Việc thực thi ứng dụng demo lập trình sẵn 64 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z .67 3.1 Giới thiệu .67 3.2 Sửa đổi cấu hình ứng dụng demo 67 3.2.1 Thay đổi giá trị ID Node .68 3.2.2 Thay đổi cấu hình Association Binding 69 3.2.3 Giải phóng Entire Neighbor Binding Table .72 3.2.4 Giải phóng Individual Association 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 KHƠNG DÂY ZENA™ 79 4.1 Giới thiệu .79 4.2 Tổng quan trình phân tích ZENA™ 79 4.3 Cài đặt trình phân tích ZENA™ .80 4.4 Cơng cụ cấu hình Microchip Stack 81 - - 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 trạng thông tin đểm cuối 85 4.4.4 Xác định thông tin bảo mật 87 4.4.5 Xác định thông tin tầng ZDO APS 89 4.4.6 Xác định thông tin tầng NWK 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 liệu bắt 106 4.5.3 Sử dụng lọc gói 106 PHỤ LỤC 108 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 108 CÁC TỪ VIẾT TẮT .109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Đặt vấn đề Ngày cáp dây điện đóng vai trị truyền nhận thơng tin, việc sử dụng tai nghe không dây, lướt web điểm truy cập wifi trở nên quen thuộc tác động đến đời sống hàng ngày Với chuẩn kết nối không dây quen thuộc phổ biến chuẩn kết nối internet Wi-fi 802.11b/g, bluetooth phổ biến thiết bị điện thoại di động Tuy nhiên, công nghệ không dây hướng tới thiết bị gia dụng kết nối phận chức nhà để điều chỉnh kiểm soát từ xa hệ thống gaz, điện nước, ánh sáng, thông tin ứng dụng điện thoại, truyền hình, mạng internet việc sử dụng chuẩn Wi-fi 802.11 khơng cịn lựa chọn thiết thực giá thành đắt, bluetooth lại kết nối khoảng không gian ngắn khoảng 10m Và chuẩn kết nối không dây IEEE 802.15.4 đời nhằm thiết lập mạng cá nhân không dây WPAN phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn Mạng WPAN liên lạc hiệu mà khơng địi hỏi nhiều sở hạ tầng, giá thành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, tiêu hao lượng mà đem lại hiệu cao liên lạc, khoảng cách truyền tin lên tới 75m Nhiệm vụ luận văn Nghiên cứu mơ hình, giao thức chuẩn kết nối khơng dây Zigbee IEEE 802.15.4 ứng dụng kết nối thiết bị Bố cục luận văn Đồ án chia làm phần: PHẦN A: Tổng quan đề tài - - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths Lê Mạnh Hải PHẦN B: Lý thuyết Chương I: Công nghệ Zigbee: Tổng quan chuẩn Zigbee 802.15.4, cấu trúc liên kết mạng Chương II: Mơ hình giao thức Zigbee, thuật tốn truyền tin, mơ hình truyền liệu Chương III: Các thuật toán định tuyến Zigbee PHẦN C: Ứng dụng kết nối thiết bị Chương I: Tổng quan 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 - - 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 sử dụng để phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn Không giống mạng WLAN(mạng cục không dây), mạng WPAN liên lạc hiệu mà khơng địi hỏi nhiều sở hạ tầng Tính cho phép có thêm hướng giải rẻ tiền, nhỏ gọn mà đem lại hiệu suất cao liên lạc băng tần eo hẹp 1.2 Sự phát triển mạng WPAN Trong suốt kỷ 20 mạng điện thoại có dây sử dụng rộng rãi nhu cầu tất yếu cho sống Tuy nhiên thực tế đặt xã hội ngày phát triển, nhu cầu dịch vụ mà tăng theo, thơng tin liên lạc chi phí cho phát sinh mạng điện thoại có dây tăng cộng thêm nhu cầu tính động thơng tin liên lạc,…Và mạng điện thoại tế bào đời xu phát triển, mở rộng tất yếu mạng điện thoại có dây Mạng điện thoại tế bào biện pháp sử dụng lại tần số phương pháp để giải vấn đề nhiều người dùng độc lập dải tần vơ tuyến hạn chế (Ví dụ chuẩn GSM, IS136, IS- 95) Trong thời gian năm 198x, chuẩn IEEE 802.11 đời phục vụ cho mạng WLAN (wireless local area network) nhằm thỏa mãn nhu cầu vùng tế bào nhỏ lại có lưu lượng liệu mật độ người dùng cao Trong mà IEEE 802.11 đề cập đến thứ tốc độ truyền tin Ethernet, chuyển tiếp tin, lưu lượng liệu khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), WPAN lại - 10 - ... thiết bị lân cận Thiết bị nhận khung tin yêu cầu kết nối vào mạng với CLH Nếu điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị kết nối ghi tên thiết bị vào danh sách Cứ thiết bị kết nối. .. chuẩn kết nối không dây quen thuộc phổ biến chuẩn kết nối internet Wi-fi 802.11b/g, bluetooth phổ biến thiết bị điện thoại di động Tuy nhiên, công nghệ không dây hướng tới thiết bị gia dụng kết nối. .. trúc liên kết mạng Hiện Zigbee tổ chức chuẩn IEEE đưa số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ Zigbee Các node mạng mạng Zigbee liên kết với theo cấu trúc mạng hình (star) cấu trúc mạng hình lưới
