Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐHTN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: THIẾT KẾ VI ĐIỀU KHIỂN Đề bài: TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: KS Phạm Quốc Thịnh Nguyễn Thế Dũng Thân Quang Linh Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Mục lục Trang Lời nói đầu Mở đầu Chương 1: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) - Đặt vấn đề 2- Tổng quan mạng cảm biến không dây 2.1 Khái niệm 2.2 Cấu tạo nút cảm biến 2.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 2.4 Kiến trúc giao thức mạng - Một số vấn đề mạng cảm biến không dây 3.1 Định tuyến mạng cảm biến không dây 3.2 Tối ưu lượng mạng cảm biến không dây 3.3 Giao thức mạng cảm biến không dây Chương 2: Chuẩn truyền thông Zigbee IEEE 802.15.4 - Tổng quan chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự đời chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 1.3 Ưu điểm chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 1.4 Những phần tử hệ thống Zigbee 1.5 Những kiểu thiết bị hệ thống Zigbee 1.6 Một số cấu hình mạng chuẩn Zigbee 2- Kiến trúc giao thức mạng chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 2.1 Tầng vật lý 2.2 Vấn đề Layer MAC 2.3 Tầng mạng 2.4 Tầng ứng dụng ZigBee/IEEE 802.15.4 3- Thuật toán định tuyến AODV 4- Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ Zigbee Tài liệu tham khảo 3 4 4 9 10 16 19 18 18 19 20 21 21 22 25 25 27 32 35 36 39 41 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục MỞ ĐẦU Trong vài năm gần mạng cảm biến không dây trở nên quan trọng đời sống hàng ngày Bắt đầu phát triển với ứng dụng quân đội, mạng cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh hay điều khiển giao thông Với hội tụ công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến xử lý tín hiệu… tạo thiết bị cảm biến nhỏ, đa chức với giá thành thấp làm tăng khả ứng dụng mạng cảm biến không dây Hiện mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi quốc gia có khoa học phát triển Mỹ, Nhật, Châu Âu Mạng cảm biến không dây công nghệ mới, nước có khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi thu nhiều thành tựu Tuy nhiên Việt Nam, công nghệ nghiên cứu triển khai lĩnh vực quy mô nhỏ, song với ưu điểm khả tương thích cao nên tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác sống Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORKS - WSNs) - ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ công nghệ linh kiện điện tử công nghệ thông tin tạo thay đổi to lớn sống Mô hình mạng cảm biến không dây đời dựa sở ứng dụng thành tựu Công nghệ truyền thông không dây Nó đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu thực tế ứng dụng rộng rãi Cá c ứ ng dụ ng tiề m củ a mạ n g cả m biế n không dây hiệ n phán đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển giám sát giao thông, kỹ thuật tự động sản xuất công nông nghiệp, điều khiển quy trình, quản lý kiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát kết cấu công trình xây dựng Hiện Việt Nam có ứng dụng mạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, hệ thống điều hòa nhiệt độ nhìn chung công nghệ mẻ Việt Nam - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - WSNs: 2.1 Khái niệm: Mạng cảm biến không dây (WSNs) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vô tuyến (RF connection) node mạng thường (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Đặc điểm mạng cảm nhận không dây vừa có chức mạng vửa có chức cảm nhận Nó hoạt động nguyên lí nút mạng cảm nhận thông số môt trường cần đo, đo đặc thông số sau tiến hành truyền liệu qua trường không dây trạm gốc (nút gốc), để sở nút gốc đưa lệnh xử lý cần thiết truyền số liệu vào máy tính Bản thân nút gốc không thiết phải máy vi tính mà chế tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù lĩnh vực ứng dụng cụ thể Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây Các node mạng thường có chức cảm nhận: Cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các node giao tiếp với truyền liệu trung tâm cách gián tiếp Do để tiết kiệm lượng, sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động trạng thái nghỉ khác Thông thường thời gian node trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Như vậy, đặc trưng mạng cảm biến không dây giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng liệu, lượng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động 2.2 Cấu tạo nút cảm biến: Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Nút cảm biến thiết bị điện tử nhỏ, có khả thu thập, xử lý truyền thông thông tin đến nút khác giới bên Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Đơn vị xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Các nguồn thường hỗ trợ phận lọc tế bào lượng mặt trời Ngoài có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm biến mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Các phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển nút cảm biến cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngoài kích cỡ nút cảm biến số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích biến với biến đổi môi trường 2.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây - WSNs: Như ta biết đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến sau: + Khả chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm biến không hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số nút mạng không hoạt động + Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tượng, số lượng nút cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng số vượt hàng triệu Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lượng lớn nút + Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí toàn mạng Nếu chi phí toàn mạng đắt việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, mạng giá thành hợp lý Do vậy, chi phí nút cảm biến phải giữ mức thấp + Ràng buộc phần cứng : Ví số lượng nút mạng nhiều nên nút cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng sau : Kích thước Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục phải nhỏ, tiêu thụ lượng thấp, có khả nằng hoạt động nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả tự trị hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường + Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát vùng xa xôi Chúng làm việc bên máy móc lớn, đáy biển, vùng ô nhiễm hóa học sinh học, gia đình tòa nhà lớn + Phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến multihop, nút kết nối phương tiện không dây Các đường kết nối tạo nên sóng vô tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống mạng này, phương tiện truyền dẫn phải chọn phải phù hợp toàn giới Hiện nhiều phần cứng nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến lượng thấp dùng thu phát vô tuyến kênh RF hoạt động tần số 916MHz Một cách khác mà nút mạng giao tiếp với hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại giá thành rẻ dễ dàng Cả hai loại hồng ngoại quang yêu cầu phát thu nằm phạm vi nhìn thấy, tức truyền ánh sáng cho + Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, mật độ nút lên tới 20 nút/m3 Do số lượng nút cảm biến lớn nên cần phải thiết lâp cấu hình ổn định + Sự tiêu thụ lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây, coi thiết bị vi điện tử trang bị nguồn lượng giới hạn ([...]... thập dữ liệu, theo dõi, điều khiển 1.6 Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee: Chuẩn Zigbee có 3 cấu hình mạng cơ bản: + Mạng hình sao: Star Network: + Mạng mắt lưới: Mesh Network + Mạng hình cây: Cluster Tree Tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo những cấu hình mạng khác nhau a/ Star Network: Hình 2.1 Mạng hình sao Mạng chỉ có FFD và RFD (hay ZC và ZED) Khi FFD được kích... rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nào nhận được 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. .. dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị trong mạng PAN hơn là được điều khiển bởi thiết bị điều phối mạng Chính khả năng này cung cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee Khi thiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon, khi đó nó sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang truyền dữ liệu Các thiết bị trong mạng luôn luôn... thành công Còn trong CSMA-CA không gán khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi 2.2.4 Các mô hình truyền dữ liệu Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hình truyền dữ liệu: - Từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, - Từ thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, - Giữa các thiết bị cùng loại 29 Ket-noi.com... thống điều khiển, cảm biến (do mạng cảm biến không dây chỉ truyền được 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) 20 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục - Tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài - Mạng tiêu hao ít năng lượng (chỉ với 2 nguồn pin AA, một nốt mạng có thể sống từ 6 tháng đến 2 năm tùy vào... xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng Thực chất đây là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4 Các thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền Đa truy cập (multiple access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài nguyên của một mạng (ở đây là mạng không dây) Tất cả các thiết bi đều có quyền truy... cho phép một thiết bị có thể hoạt động trong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho thiết bị đó Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó Thiết bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe thời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong mạng Một khe... phụ thuộc vào việc là kiểu mạng đó có hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu trong một mạng không hỗ trợ việc phát beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian Thiết bị điều phối Coordinator trả lời bằng khung Ack như hình vẽ Hình 1.5 Liên lạc trong mạng không hỗ... giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và một khe thời gian GTS có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bị chiếm hữu nó không dùng nữa Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản lý khe thời gian Để quản l y mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưu trữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kết nối Mỗi thiết bị trong mạng có thể yêu... từ thiết bị thường thì bản tin sẽ được xóa khỏi danh sách bản tin trong thông tin báo hiệu beacon Hình 1.7 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon Trong trường hợp mạng không hỗ trợ phát beacon (hình4 ) hiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu tới các thiết bị khác, nó sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bị liên quan có thể yêu cầu và tiếp xúc với dữ liệu đó Thiết bị có thể tiếp xúc được với dữ liệu liên quan