TR ƯỜNG HỌC VINH NGHỆ ĐẠI AN -01/2013 KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ===== ===== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC tài: NGHIÊN cúu VÊ CỒNG NGHỆ ZIGBEE VÀ ÚNG DUNG KẾT NỐI THIẾT BI CỦA ZIGBEE Ngưòi hướng dẫn THS DƯƠNG ĐÌNH TÚ Sinh viên thực NGUYỄN ĐỨC LONG Lớp Mã số sinh viên 49K - ĐTVT 0851080335 Bộ GIẢO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP Họ tên sinh viên: 0851080335 Nguyễn Đức Long số Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Dương Đình Tú Cán phản biện: ThS Cao Thanh Nghĩa Nhận xét cán hộ phản hiện: Ngày tháng năm Cán hộ phản (Ký, ghi rõ họ tên) hiệu sinh viên: MỤC L ỤC Trang LỜI NÓI ĐẨU i TĨM TẮT ĐƠ ÁN .ii DA NH MỤC CÁ c HÌNH VẼ iii DA NH MỤC CẢ c BẢNG V THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi Chương TÔNG QUAN VỀ CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4 1.1 Tổng quan ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 1.1.1 Khái niệm ZIGBEE 1.1.2 .Đặc điểm chuẩn ZIGBEE 1.1.3 ưu điểm ZIGBEE/ĨEEE802.15.4 với Bluetooth/ĨEEE802.15.1 1.2 Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 1.2.1 .Thành phần mạng LR-WPAN 1.2.2 Kiến trúc liên kết mạng 1.3 Mơ hình giao thức ZIGBEE/IEEE802.15.4 1.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4 1.3.2 .Tầng điều khiển liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC 1.3.3 Tầng mạng ZIGBEE/IEEE802.15.4 14 1.3.4 Tầng ứng dụng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 16 1.4 Ket luận chương 17 Chương CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYÊN CỦA IIGBEE/ỈEEE 802.15.4 3.1 Giới thiệu trình diễn PICDEM z 31 3.2 Thành phần trình diễn PICDEM z 31 3.2.1 Board mạch chủ PICDEM z 32 3.2.2 Card RF PICDEM z 34 3.2.3 Đĩa phần mềm PICDEM z 34 3.3 Thực thi ứng dụng demo lập trình sẵn 35 3.4 Sửa đơi câu hình ứng dụng demo .36 3.4.1 Thay đối giá trị ID Node .37 3.4.2 Thay đổi cấu hình Association Binding .38 3.5 Kiểm tra hiệu suất RF 41 3.6 Sửa đơi cấu hình phần cứng 42 3.7 Phát triển ứng dụng .42 3.8 Tạo tập tin nguồn ứng dụng 42 3.8.1 Lập trình ứng dụng .43 3.8.2 .Phục hồi Demo Firmware .43 3.9 Ket luận chương 44 Chương PHẢN MỀM PHẢN TÍCH MẠNG KHÔNG DÂ Y ZENA ™ 45 4.1 Giới thiệu phần mềm phân tích mạng khơng dây ZENA™ 45 4.2 Cơng cụ cấu hình Microchip Stack .46 4.2.1 Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee 46 4.2.2 Xác định thơng tin thu phát sóng 47 4.2.3 Xác định trạng thông tin đếm cuối 48 4.2.4 Xác định thông tin bảo mật 50 LƠI NOI ĐAU Mạng viễn thông ngày không ngừng mở rộng phát triển Các nhà khoa học giới nghiên cứu để sử dụng băng tần cao hơn, nhiên việc gặp nhiều khó khăn cơng nghệ điện tử chưa theo kịp Vì giải pháp đưa sử dụng chung kênh tần số Một công nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu cao công nghệ ZigBee Công nghệ ZigBee áp dụng cho hệ thống điều khiến 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 bật độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, lồi, dễ mở rộng, khả tương thích cao giá thành thiết bị thấp Với ý nghĩa thực tiễn vậy, em lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu công nghệ Zigbee ứng dụng kết noi thiết bị Zigbeể\ Nội dung đồ án thể qua chương sau: Chương 1: Tổng quan chuẩn Z1GBEE/IEEE 802.15.4 Chương 2: Các thuật toán định tuyến ZĨGBEE/IEEE 802.15.4 Chương 3: Bộ trình diễn PICDEM z Vinh, tháng 01 năm 2013 Sinh viên thực TĨM TẮT ĐƠ ÁN Hiện nay, cơng nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 coi hướng giải hiệu cho vấn đề liên lạc dải băng tần eo hẹp liệu pháp sử dụng chung kênh tần số thiết bị Công nghệ ZigBee hoạt động băng tần 868/915 MHz Châu Âu 2.4 GHz Mỳ Nhật, áp dụng hệ thống điều khiên có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động lâu dài Công nghệ tỏ ưu việt chuẩn Wifi 802.11, Bluetooth mức độ tiêu hao lượng thấp, độ trễ truyền tin nhỏ, dễ dàng mở rộng, giá thành thấp, lỗi, khả tương thích cao Trong khn khổ đồ án này, em nghiên cứu công nghệ Zigbee ứng dụng kết nối ABSTRACT Currently, ZIGBEE/IEEE 802.15.4 technology is considered as etĩective solution for communicative problem in the tight ữequency band and the therapy for using the same trequency channel between decvices ZigBee technology oparates at ữequency band of 868/915 Mhz in europe and 2.4 Ghz in us and Japan, is applied the control Systems of low transmission speed and long operation period This technology proves more preeminent than Wifi 802.11 Standard, Bluetooth in low energy consumption, small transmission latency, easy extending, low cost, low errors and high compatibility 11 DANH MỰC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc liên kết mạng Hình 1.2 Cấu trúc mạng hình Hình 1.3 Cấu trúc mạng mesh Hình 1.4 Cấu trúc mạng hình Hình 1.5 Mơ hình giao thức ZigBee Hình 1.6 .Băng tần hệ thống ZigBee Hình 1.7 .Cấu trúc siêu khung 10 Hình 1.8 .Liên lạc mạng khơng hồ trợ bcacon 11 Hình 1.9 Liên lạc mạng có hỗ trợ beacon 11 Hình 1.10 .Kết nối mạng hỗ trợ bcacon 12 Hình 1.11 Kết nối mạng khơng hỗ trợ phát beacon 13 Hình 1.12 .Khung tin mã hóa tầng MAC 15 Hình 1.13 .Khung tin mã hóa tầng mạng 16 Hình 2.1 Định dạng tuyến đường giao thức AODV 20 Hình 2.2 Quá trình chọn nốt gốc (CH) iii Bảng ndpoint Bảng Security 48 50 51 Bảng ZDO 52 Bảng APS 54 Bảng NWK/MAC 56 58 Bảng PIC 60 Cửa sô giám sát mạng giao thức ZigBee™ 61 63 Yêu cầu liên kết trả lời Thông điệp ứng dụng với APS level cknowledge IV 64 65 IEEE WPAN Institute of Electrical andViện công nghệ Điện Điện Tử Electronic Engineers Mỹ Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây QoS Quality of Service FFD Full Function Device Chất lượng dịch vụ THUẬTMỤC NGỮ VIÉT DANH CẢc TẦT BẢNG Chức thiết bị đầy đủ RFD Reduced Function Device Giảm chức thiết bị CID Bảng 1.1 .Băng tần tốc độ liệu Cluster Identiíìer Cụm nhận dạng Synchronization Header Đồng hóa tiêu đề SHR Trang Bảng 1.2 Kênh truyền tần số Acknowledgment Xác nhận PAN ID PAN identifier Chỉ số nhận dạng cá nhân BảngControl 1.3 Định dạng khung PPDU MAC Media Access Điều khiển truy nhập môi trường Ack PHY GTS CCA LQI Physical Layer Tầng vật lý Bảng 1.4 Định dạng khung MAC Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo 14 Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền BảngIndication 3.1 Các bước cho ràng buộc cấu hình Link Quality Chỉ số chất lượng đường truyền 40 Energy Detection Năng lượng truyền Bảng 4.1 Bảng lựa chọn cấu hình thiết bị giao thức ZigBee PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý 47 PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY Bảng 4.2 Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng ZigBee PHR PHY Header Chứa thông tin độ dài khung 48 sublayer managementĐiểm truy cập dịch thực thể giao thức ZigBee 4.3 .Cấu hình vụ ProLile/Endpoint MLMESAP MAC Bảng ED SAP MPDU entity quản lý tầng MAC 49 Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ Bảng 4.4 .Cấu hình thiết bị giao thức ZigBee MAC Protocol Data Unit Giao thức liệu MAC CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự CSMA-CA Carrier Sense Multiple AccessPhương pháp tránh xung đột đa Collision Avoidance truy cập nhờ cảm biến sóng MHR MAC Header Đầu khung MAC MFR MAC Footer Cuối khung MAC MIC Message Integrity Mã hóa tin nguyên vẹn FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiêm tra khung FCFS F irst-come-fĩrst-serve Đen trước phục vụ trước CTR Counter Bộ đếm CBC Cipher Block Chaining Thuật tốn mã hóa khối Chaining RREQ Route Reply Packet AES Advance Encryption Standard RouteVI Vtrả lời packet Chuẩn mã hóa cao cấp AODV DD Ad hoc On Demand Distance Thuật toán định tuyến theo yêu cầu Vcctor Designated Device Thiết bị gốc ... rộng, khả tương thích cao giá thành thiết bị thấp Với ý nghĩa thực tiễn vậy, em lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp ? ?Nghiên cứu công nghệ Zigbee ứng dụng kết noi thiết bị Zigbeể\ Nội dung đồ án thể qua... dụng mạng liên lạc đạt hiệu cao công nghệ ZigBee Công nghệ ZigBee áp dụng cho hệ thống điều khiến cảm biến có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động dài Công nghệ ZigBee hoạt động dải tần 868/915... hệ thống ZIGBEE/ ĨEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần tạo nên mạng thiết bị có tên FFD, thiết bị đảm nhận tất chức 1.2.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình (Star) o • Thiết bị FFD o Thiết bị RFD