Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - ĐỖ VĂN KHÁNH THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2018 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - ĐỖ VĂN KHÁNH THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 85.20.2088 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS NGUYỄN QUỐC UY HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tải tạp chí trang web theo danh mục tài liệu tham khảo Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Tác giả luận văn ĐỖ VĂN KHÁNH ii LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hồn thành Luận văn này, tơi nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu gia đình, thầy cơ, anh chị, em bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám đốc Học viện, thầy cô giảng dạy làm việc Khoa Quốc tế Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn Tiến sĩ Nguyễn Quốc Uy, người thầy kính mến hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em bên cạnh động viên, tạo điều kiện giúp đỡ suốt qua trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn cao học Tác giả luận văn ĐỖ VĂN KHÁNH iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v DANH SÁCH BẢNG vi DANH SÁCH HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu chung IoT 1.2 Tình hình phát triển IoT giới Việt Nam 1.2.1 Xu hướng phát triển giới .6 1.2.2 Xu hướng phát triển Việt Nam 1.3 Công nghệ IoT .9 1.3.1 Công nghệ IoT 1.3.2 Đặc điểm hệ thống IoT .16 1.4 Các ứng dụng IoT .19 1.4.1 Các ứng dụng IoT 19 1.4.2 Các thách thức việc nghiên cứu, triển khai IoT 24 1.5 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MẠNG MESH 27 2.1 Mạng không dây 27 2.1.1 Các khái niệm .27 2.1.2 Phân chia mạng không dây 28 2.1.3 Các công nghệ sử dụng mạng không dây .28 2.2 Kiến trúc MESH 32 iv 2.3 Tổng kết chương 37 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ZIGBEE 38 3.1 Công nghệ zigbee 38 3.1.1 Thành phần mạng Zigbee 40 3.1.2 Cấu hình mạng 40 3.1.3 Mơ hình chồng giao thức Zigbee .43 3.2 Các tầng zigbee .44 3.2.1 Tầng vật lý 44 3.2.2 Tầng điều khiển liệu 48 3.2.3 Tầng mạng Zigbee .50 3.2.4 Tầng ứng dụng Zigbee .51 3.3 Thuật toán định tuyến 52 3.3.1 Cấu hình lưới mesh 52 3.3.2 Khám phá tuyến .53 3.4 Tổng kết chương 55 CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG MESH 56 4.1 Một số ứng dụng cụ thể 56 4.2 Triển khai .57 4.2.1 Kiến trúc mạng 58 4.2.2 Thiết kế phần cứng 59 4.3 Tổng kết chương 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Bluetooth lượng thấp BLE Bluetooth low energy CAN Controller Area Network D2D Device to device Thiết bị tới thiết bị HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn IEEE Giao thức truyền thông bus nối tiếp Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện-điện tử Electronics Engineers Giao thức truy cập thông điệp IMAP Internet Message Access Protocol IOT Internet of Thing Internet vạn vật LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn M2M Mobile to mobile Thoại với thoại MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập vừa MQTT Message Queuing Telemetry Transport internet Bản tin hàng đợi truyền từ xa PAN Personal Area Network RFID Radio Frequency Identification WMN Wireless Mesh Networks Mạng lưới vô tuyến WPAN WSN Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Networks Mạng cá nhân không dây Mạng cảm biến không dây Extensible Messaging and Presence Giao thức diện nhắn tin Protocol mở rộng XMPP Mạng khu vực cá nhân Nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến vi DANH SÁCH BẢNG Bảng dải tần số khác 45 Bảng Kênh truyền giải tần số .45 Bảng 3 Mã hóa liệu 46 Bảng Mô tả giá trị chip đầu vào 47 Bảng Định dạng khung tin PPDU 48 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Internet of Thing Hình Ví dụ MQTT 10 Hình Ví dụ XMPP 11 Hình Năng lực truyền thơng 12 Hình Mơ hình vận hành hệ thống RFID thư viện 13 Hình Mơ hình mạng Zigbee 14 Hình Một số loại cảm biến hay gặp 15 Hình Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT .16 Hình Tổng quan mơ hình hệ thống IoT .17 Hình 10 Tổng quan ứng dụng IoT 20 Hình 11 Theo dõi lộ trình xe chở hàng .20 Hình 12 Theo dõi tình trạng sinh trưởng trồng .21 Hình 13 Mơ hình ứng dụng nhà thông minh 22 Hình 14 Thành phố thơng minh 23 Hình 15 Mơ hình lưới điện thơng minh .23 Hình Hybrid WMN 33 Hình 2 Khả truyền dẫn khung 34 Hình Đánh địa mesh network .36 Hình Các mơ hình mạng 42 Hình Mơ hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 .44 Hình 3 Phân tích path-cost 52 Hình Phân tích path-cost 54 Hình Mơ hình nhà thông minh 58 Hình Sơ đồ nguyên lý .59 Hình Mơ hình mạch 3D 60 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Cách vài năm người nói Internet of Things thay đổi giới Nhưng tầm nhìn việc kết nối hàng tỷ thiết bị có thử thách định Các mạng khơng dây Bluetooth, Bluetooth Low Energy WiFi khơng thích hợp cho ứng dụng tầm xa Mạng di động (cellular) dùng để giao tiếp từ xa device-to- device tốn lượng Nhìn chung, tất loại mạng đắt đỏ phần cứng dịch vụ Điểm quan trọng ứng dụng IoT yêu cầu truyền bit liệu để theo dõi (monitor) thiết bị tầm xa Hệ thống mạng di động khơng phù hợp với vấn đề lượng pin (battery) hiệu kinh tế gửi liệu Vì vậy, giao thức zigbee đưa cho ứng dụng Zigbee thích hợp cho việc gửi lượng nhỏ liệu, độ tin cậy cao với kết nối không dây, thời lượng pin dài Từ lý trên, đề tài nghiên cứu luận văn chọn “THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IoT” Tổng quan vấn đề nghiên cứu: IOT xu hướng mạnh mẽ toàn giới, mở hội chưa có cho kinh tế, doanh nghiệp, tổ chức cá nhân để cạnh tranh môi trường Phạm vi ứng dụng công nghệ IoT thực rộng lớn đa dạng, từ quản lý giao thông, quản lý thị, quản lý mơi trường, ứng phó khẩn cấp đến mua sắm thông minh, dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe, nhà thơng minh hướng tới thành phố thơng minh Có thể thấy Internet of Things (IoT) tự chứng minh tiềm số đáng kinh ngạc: “3,8 tỷ thiết bị kết nối vào cuối năm 2014, nhanh chóng tăng lên thành 4,9 tỷ vào tháng 11 năm 2016 Và trì tốc độ tăng 49 phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian bảo đảm GTS (Guaranteed Time Slots), điều khiển kết nối giải phóng kết nối, Phát khung Ack Cấu trúc siêu khung LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network) cho phép sử dụng cấu trúc siêu khung, định dạng siêu khung đình rõ bơi PAN coordinator Mỗi siêu khung giới hạn mạng chia thành 16 khe Cột mốc báo hiệu dò đường beacon gửi khe siêu khung, PAN coordinator khơng muốn sử dụng siêu khung phải dừng viêc phát mốc beacon Mốc beacon có nhiệm vụ đồng thiết bị đính kiềm, nhận dạng PAN chứa nội dung mô tả cấu trúc siêu khung Siêu khung có phần: Phần “nghỉ”: PAN coordinator không giao tiếp với thiết bị mạng PAN, làm việc node công suất thấp Phần “hoạt động”: gồm giai đọan giai đoạn tranh chấp truy cập (CAPContention Access Period) giai đoạn tranh chấp tự (CFP-Contention Free Period), giai đoạn tranh chấp mạng khoảng thời gian tranh chấp trạm để có hội dùng kênh truyền Bất kỳ thiết bị muốn liên lạc thời gian CAP phải cạnh tranh với thiết bị khác cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) Ngược lại, CFD gồm có khe thời gian đảm bảo GTSs, khe thời gian GTS thường xuất cuối siêu khung tích cực mà siêu khung bắt đầu khe sát sau CAP PAN coordinator định vị số GTSs, GTS chiếm nhiều khe thời gian Khoảng thời gian tồn phần khác siêu khung định nghĩa giá trị macBeaconOder (BO) macSuperFrameOrder MacBeaconOder mô tả khoảng thời gian mà điều phối coordinator truyền khung báo tín hiệu tìm đường Giá trị macSuperFrameOrder cho biết độ dài 50 phần tích cực siêu khung Phần tích cực siêu khung chia thành ba phần: CAP, CFD Beacon Mốc beacon phát vào đầu khe số mà không cần sử dụng CSMA CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) phương pháp tánh xung đột đa truy nhập nhờ vào cảm biến sóng Các thiết bị mạng liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước truyền Đa truy nhập cho thấy nhiều thiết bị kêt nối chia sẻ tài nguyên mạng Thuật toán CSMA-CA sử dụng trước phát liệu trước phát khung tin MAC phần CAP Thuật tốn khơng sử dụng để phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack, khung tin liệu phần CFP Mỗi thiết bị chứa biến số:NB, BW, BE Trong NB số lần mà thuật toán bị yêu cầu rút lại cố gắng truyền Biến CW độ dài cửa sổ tranh chấp, cho biết khoảng thời gian cần thiết để làm đường truyền trước phát Biến BE ch biết thiết bị phải chờ để truy nhập vào kênh Đầu khung MHR (MAC Header): gồm trường thông tin điều khiển khung tin, số chuỗi, trường địa Tải khung (MAC Payload): chứa thông tin chi tiết kiểu khung Khung tin tin xác nhận Ack hay không Cuối khung MFR (MAC Footer): chứa chuỗi kiểm tra khung FCS(Frame Check Sequense) 3.2.3 Tầng mạng Zigbee Tầng vật lý mơ hình giao thức Zigbee xây dựng dựa tầng điều khiển liệu Một mạng hoạt động mạng khác riêng biệt Tầng vật lý phải đảm nhận chức là: Thiết lập mạng Tham gia làm thành viên mạng hoạt động tách khỏi mạng thành viên mạng 51 Cấu hình thiết bị hệ thống yêu cầu, gán địa cho thiết bị tham gia vào mạng Đồng hóa thiết bị mạng để truyền tin mà khơng bị tranh chấp, thực đồng hóa gói tin thơng báo beacon Bảo mật: gán thơng tin bảo mật vào gói tin gửi xuống tầng Định tuyến, giúp gói tin đến tin mong muốn Có thể nói thuật tốn Zigbee thuật tốn định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu áp dụng trường hợp thích hợp Khi khung tin tầng MAC cần bảo mật, Zigbee sử dụng dịch vụ bảo mật tần MAC để bảo vệ khung lệnh MAC, thông tin báo hiệu beacon, khung tin xác nhận Ack Đối với tin phải chuyển qua bước nhảy đơn, tức truyền trức tiếp từ nôt mạng sang nốt mạng lân cận nó, Zigbee cần sử dụng khung tin bảo mật MAC để mã hóa bảo vê thơng tin Nhưng tin phải chuyển gián tiếp qua nhiều nốt mạng tới đích cần phải nhờ vào tầng mạng để làm công việc bảo mật 3.2.4 Tầng ứng dụng Zigbee Chức tầng ứng dụng application Framework Zigbee là: Dò tìm xem có nốt thiết bị khác hoạt động vùng phủ sóng thiết bị hoạt động hay khơng Duy trì kết nối, chuyển tiếp thơng tin nốt mạng Chức application Profiles là: Xác định vai trò thiết bị mạng Thiết lập trả lời yêu cầu kết nối Thành lập mối quan hệ thiết bị mạng Chức tầng Application thực chức nhà sản xuất qui định để bổ sung thêm vào chức Zigbee qui định 52 3.3 Thuật tốn định tuyến 3.3.1 Cấu hình lưới mesh Khác với cấu hình cây, cấu hình mắt lưới khơng có mối quan hệ phân cấp Bất thiết bị mạng lưới liên lạc với thiết bị khác trực tiếp sử dụng thiết bị có khả định tuyến để chuyển tiếp gói tin thay cho nguồn tin Trong cấu hình lưới tuyến đường từ thiết bị nguồn tới đích tạo dựa u cầu thay đổi mơi trường thay đổi Chức làm tăng độ tin cậy kết nối vơ tuyến Nếu lý mà thiết bị nguồn khơng thể kết nối với thiết bị đích dựa tuyến thiết lập trước đó, thiết bị có khả định tuyến mạng hoạt động để tìm tuyến thay khác từ thiết bị nguồn tới thiết bị đích Định tuyến tiến trình chọn đường tốt mà tin chuyển tiếp tới thiết bị đích Zigbee coordinator router đáp ứng cho việc khám phá trì tuyến mạng Một Zigbee end device tiến hành khám phá tuyến Zigbee coordinator hay router tiến hành khám phá tuyến thay cho thiết bị cuối Chiều dài (L) đường định nghĩa số thiết bị đường Hình 3 Phân tích path-cost Tham số chất lượng liên kết, số hop dự trữ lượng dùng để định đường tối ưu cho kịch định tuyến Để đơn giản tiến trình này, liên kết kết hợp với link cost Xác suất việc truyền gói thành cơng liên kết xác định giá liên kết Xác suất truyền thành công thấp giá liên kết thấp Giá liên két C{[Di,Di+1]} 53 Có cách khác để xác định giá liên kết Chuẩn Zigbee dùng đẳng thức: C{l} = The lesser of and round (1/P4) Trong đó: C{l} giá liên kết l P xác suất truyền thành cơng gói liên kết l Hàm round hàm lấy số nguyên gần Xác suất truyền thành cơng P tính tốn dùng giải pháp khác chuẩn Zigbee cho phép người thực thi chọn giải pháp mà họ thấy ràng thích hợp cho ứng dụng họ Tuy nhiên, tính tốn khởi tạo cho xác suất việc truyền thành cơng phải dựa trung bình LQI LQI ghi lại cho gói nhận được, mơ tả mức lượng tín hiệu hay SNR Tổng quát, hội nhận thành cơng gói tăng LQI tăng Để so sánh đường khác nhau, đường kết hợp với path cost Path cost (C{P}) đơn giản tổng giá liên kết đường C{P} = = Tuyến với giá thấp tốt cho việc truyền gói Zigbee coordinator router tạo trì bảng định tuyến Một bảng định tuyến sử dụng để xác dịnh next hop định tuyến tin tới đích cụ thể 3.3.2 Khám phá tuyến Lớp APL dùng NLME-ROUTE-DISCOVERY.request primitive để yêu cầu lớp mạng khám phá tuyến cho unicast, multicast Nếu yêu cầu khám phá tuyến bao gồm địa thiết bị cụ thể địa đích, lớp mạng tiến hành khám phá tuyến unicast Một tuyến unicast luôn bắt đầu với địa nguồn kết thúc địc đích Khám phá tuyến multicast khởi tạo địa đích địa nhóm multicast 16 bit Cuối cùng, lớp APL khơng cung cấp địa đích nào, lớp mạng hiểu APL yêu cầu khám phá tuyến many-to-one 54 Hình Phân path-cost Hình 3.43.Phân tíchtích path-cost Hình 3.4 ví dụ khám phá tuyến unicast Trong kịch này, thiết bị A có ý định tìm tuyến tới thiết bị F Thiết bị A bắt đầu khám phá tuyến việc broadcast lệnh route request Lệnh route request bao gồm route request identifier, địa đích trường path-cost Route request identifier số trình tự bit tăng lớp mạng đưa route request Trường path-cost dùng để tính tốn tổng giá tuyến Thiết bị A thiết lập giá trị Path cost tới trước broadcast lệnh route request Lệnh broadcast nhận tất thiết bị mà chúng phạm vi vô tuyến thiết bị A lắng nghe kênh tần số Hình 3.4 thiết bị B C nhận lệnh route request Thiết bị A đợi cho passive ack broadcast không thành công, thiết bị A thử broadcast lại khoảng thời gian định sau khởi tạo broadcast Nếu thiết bị nhận route request Zibee end device, bỏ qua route request khơng có khả định tuyến Hình 3.4 đơn giản, thiết bị định vị thiết bị A thiết bị F Zigbee coordinator Zigbee router Device B Zigbee router thiết bị B có khả định tuyến (bảng định tuyến khơng đầy) cộng path cost từ thiết bị A tới thiết bị B tới trường path cost lệnh rout request broadcast lệnh route request Nếu bảng khám phá tuyến thiết bị B không bao gồm route request identifier địa nguồn (địa thiết bị A) thiế bị B cập nhật theo bảng khám phá tuyến Nếu bảng định tuyến thiết bị B đầy địa đích khơng bảng định tuyến, cho mạng dựa định tuyến phân cấp route request 55 nhận từ đường có giá trị, thiết bị B unicast route request dọc theo Nhưng bảng định tuyến thiết bị B đầy route request không nhận dọc theo đường có giá trị, thiết bị B đơn giản bỏ qua route request Thiết bị C Zigbee router hoạt động tương tự thiết bị B nhận lệnh route request Broadcast từ thiết bị B C vươn tới thiết bị D E, thiết bị D E broadcast lại route request, cho chúng có khả định tuyến Tương tự broadcast khác, thiết bị bắt đầu broadcast với thời gian trễ ngẫu nhiên (broadcast jitter) Thiết bị D, ví dụ nhận lệnh router request khởi tạo thiết bị A từ thiết bị chuyển tiếp khác Thiết bị D chắn bảng khám phá tuyến cập nhật để bao gồm giá đường thấp từ thiết bị gửi tới thiết bị D Điều giúp cho thiết bị D mà đưa kết trở lại thiết bị A Ở thời điểm đó, thiết bị D đơn giản chọn địa next hop từ bảng khám phá tuyến dựa path cost thấp tới thiết bị A Broadcast tiếp tục lặp lại tkhi route request nhận đích mong muốn (thiết bị F) Thiết bị F dùng path cost lệnh route request để chọn đường tối ưu từ thiết bị A tới thiết bị F Thiết bị F chọn thiết bị D thiết bị E địa next hop cho việc phát route reply trở thiết bị A Cho ví dụ, thiết bị D địa next hop, thiết bị D dùng bảng khám phá tuyến để tìm next hop việc chuyển tiếp route reply trở lại thiết bị A 3.4 Tổng kết chương Mơ hình giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 bao gồm tầng vật lý – PHY, tầng điều khiển liệu, tầng mạng, tầng ứng dụng Trình bày thuật tốn định tuyến khám phá tuyến 56 CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG MESH 4.1 Một số ứng dụng cụ thể Thiết kế mơ hình mạng khơng dây kiến trúc mesh sử dụng nhà Tất thiết bị nhà kết nối vào mạng không dây kiến trúc mesh Mỗi thiết bị mắt lưới mạng Chúng ta điều khiển theo dõi tất thiết bị nhà thơng qua máy tính, điện thoại Áp dụng mơ hình lĩnh vực nơng nghiệp, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết khí hậu ảnh hưởng lên trồng Đặt lịch phun nước tự động Ngoài hệ thống dùng hồ ni tơm, cảm biến gắn xung quanh hồ Theo dõi môi trường sống tôm Điều khiển máy cho ăn tự động Chúng ta hiểu IoT tất thứ kết nối với qua mạng Internet, người dùng kiểm sốt, điều khiển tất qua mạng thiết bị thơng minh smartphone, tablet, PC hay chí với smartwatch tay Hệ thống đèn thơng minh cho phép người dùng bật/ tắc đèn tất phòng phòng riêng lẻ mà khơng cần di chuyển bước chân IoT giúp người dùng xử trí dễ dàng ngồi mà qn tắt đèn phòng ngủ, dù chủ nhà có cách xa ngơi nhà Ngồi ra, hệ thống chiếu sáng thơng minh cho phép hẹn bật/ tắt đèn cho vị trí chiếu sáng cố định, ví dụ đèn trang trí sân vườn, đèn chiếu sáng cổng Trước đây, người dùng thường – 10 phút chờ đợi sau bật điều hòa, bình nóng lạnh để làm mát phòng có nước nóng sử dụng Tuy nhiên, với IoT, người dùng khởi động hệ thống smartphone hay tablet mình,để đảm bảo tới nhà, tất thứ sẵn sàng sử dụng Các thao tác hẹn giờ, thay đổi nhiệt độ thực nhanh chóng dễ dàng thiết bị di động thông minh, giúp gia chủ tiết kiệm tối đa thời gian lượng điện tiêu thụ gia đình – tránh trường hợp qn khơng tắt bình nóng lạnh, điều hòa 57 Tương tự, thiết bị khác gia đình rèm cửa hồn tồn tự động hóa ứng dụng IoT Sử dụng mạng không dây kiến trúc mesh vào nhà phù hợp Khoảng cách vừa phải node mạng Không yêu cầu tốc độ cao, liệu đảm bảo xác đường truyền Tất thiết bị kết nối vào mạng, thiết bị mắt lưới mạng Chủ nhà điều khiển theo dõi tất thiết bị nhà thơng qua máy tính điện thoại 4.2 Triển khai Xây dựng mạng mức thiết bị Thiết kế mạch điện tử lập trình nhúng lõi 8051 chạy chip CC2530 CC2530 tích hợp MCU RF chip Các mạch điện tử gắn vào thiết bị quạt, bóng điện, điều hòa, cơng tắc điện… Các vật dụng nhà gắn bảng mạch điện tử Chịu giám sát điều khiển mạch điện tử học viên tự thiết kế lập trình Mỗi thiết bị gắn bảng mạch điện tử node mạng, có tác dụng nhận lệnh thực trạm trung gian để truyền liệu cho node mạng khác Phạm vi nghiên cứu luận văn dừng mức điều khiển thiết bị máy tính Máy tính kết nối trực tiếp với bảng mạch điện tử giao tiếp UART gọi Zigbee coordinator (ZC) thiết bị gốc có khả định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa lưu giữ bảng địa Mỗi mạng có coordinator thành phần truyền thơng với mạng khác ZC quản lý thiết bị nhà gắn bảng mạch điện tử học viên thiết kế chế tạo Từ kiến thúc tổng kết chương trên, học viên áp dụng triển khai thiết kế mơ hình mạng khơng dây mesh sử dụng cơng nghệ vô tuyến zigbee áp dụng cho nhà thông minh 58 4.2.1 Kiến trúc mạng Sử dụng mạng mesh công nghệ vô tuyến zigbee để kết nối thiết bị nhà Mỗi thiết bị node mạng điểm cuối truyền liệu trung tâm Hình Mơ hình nhà thơng minh Trong phạm vi viết, mơ hình mạng thiết kế gồm thành phần sau: ZC (Zigbee coordinator): thiết bị gốc có khả định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa lưu giữ bảng địa Mỗi mạng có coordinator thành phần truyền thơng với mạng khác ZR (Zigbee router): có chức định tuyến trung gian truyền liệu phát lập đồ nút xung quanh theo dõi, điều khiển, thu thập liệu nút bình thường Các router thường trạng thái hoạt động để truyền thông với thành phần khác mạng ZED (Zigbee end device) Các nút truyền thông với coordinator router gần nó, chúng coi điểm cuối mạng có nhiệm vụ hoạt động đọc thông tin từ thành phần vật lý 59 4.2.2 Thiết kế phần cứng Chọn linh kiện thiết kế mạch điện tử phù hợp với nhu cầu chức hoạt động thiết bị Bảng mạch gồm có số linh kiện sau: CC2530 chip xử lý liệu truyền qua sóng RF với tần số 2.4GHz CC2592 IC khuếch đại sóng RF để truyền xa Relay 5v 220VAC Đóng cắt điện 220VAC thiết bị nhà Cùng số linh kiện thụ động khác R, L, C, transistor, diode - Mạch gồm có khối Khối MCU Khối khuếch đại RF Khối điều khiển Khối nguồn Khối báo hiệu Các bảng mạch thiết kế phần mềm altium designer Hình Sơ đồ nguyên lý 60 Đây bảng mạch điện tử (pcb) thiết kế xong có hình dạng thực tế Hình Mơ hình mạch 3D 4.3 Tổng kết chương Sau triển khai thiết kế mạch theo ý tưởng ban đầu Kết đạt bao gồm: Sản xuất mạch điện tử chạy thực tế Điều khiển thiết bị đầu cuối liệu mạng truyền theo mơ hình mắt lưới Đã giới thiệu chạy thử cho thầy hội đồng xem Có thể xem lại link sau: https://www.youtube.com/watch?v=_-wNVRyLh1s https://www.youtube.com/watch?v=q8maQPbiXkY Mạch chạy theo mơ hình đưa Phù hợp với ứng dụng IOT cho nhà thông minh Đây xu hướng phát triển tương lai 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn nghiên cứu tổng quan vấn đề công nghệ Internet of Things, xu hướng phát triển tương lai, đưa khái niệm, mơ hình, kiến trúc, ứng dụng thách thức môi trường IoT Như Internet of Things hiểu đơn giản mạng lưới vật thể gắn cảm biến hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với để thu thập trao đổi liệu Một giao thức ngày sử dụng phổ biến tầng thiết bị, cảm biến zigbee Sử dụng cho thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao khả tiết kiệm lượng cao Luận văn nghiên cứu kết hợp công nghệ vô tuyến zigbee thiết lập mạng mesh kết nối thiết bị với Các thiết bị kết nối điều khiển ZC trung tâm Mơ hình mạng phù hợp cho nhà, biến thiết bị nhà trở nên thông minh Mỗi thiết bị node mạng chịu giám sát điều khiển từ xa thông qua mạng internet Bổ sung kết nối không dây khác RF, Bluetooth, Wifi … để đa dạng việc điều khiển, thực thi công việc thiết bị cầm tay (ví dụ: Smartphone, tay phát RF …) Sản phẩm thiết kế mạng không dây kiến trúc mesh sử dụng công nghệ zigbee ứng dụng IOT ứng dụng thực tiễn nhà thông minh, số lĩnh vực khác nông nghiệp, giao thông, quan trắc, thời tiết môi trường Đây lĩnh vực có nhiều tiềm phát triển thời điểm tương lai Luận văn dừng lại mức nghiên cứu ứng dụng điều khiển mạng từ máy tính tới thiết bị ZC qua giao tiếp UART Hướng nghiên cứu kết nối mạng mesh tới internet thông qua wifi bluetooth, 4G từ điều khiển trực tiếp web app từ điện thoại 62 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shahin Farahani "ZigBee Wireless Networks and Transceivers" Copyright © 2008 Elsevier Ltd [2] “What is the Internet of Things? An Economic Perspective” Auto-ID Labs [3] Adam Gschwender , Ph.D Ata Elahi "ZigBee Wireless Sensor and Control Network" October 2009 [4] International Business Machines Corporation Eurotech (IBM Company) [5] Vongsingthong, S.; Smanchat, S (2014) “Internet of Things: A review of applications & technologies” [6] Chui, Michael; Löffler, Markus; Roberts, Roger “The Internet of Things” McKinsey Quarterly McKinsey & Company [7] Zhou, Honbo “The Internet of Things in the Cloud: A Middleware Perspective” Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013 [8] http://iotvietnam.com/internet-of-things-la-gi [9] https://vi.wikipedia.org/wiki/Mạng_lưới_vạn_vật_kết_nối_Internet [10] https://zigbeeresearch.wordpress.com ...HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - ĐỖ VĂN KHÁNH THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT... 28 2.1.3 Các công nghệ sử dụng mạng không dây .28 2.2 Kiến trúc MESH 32 iv 2.3 Tổng kết chương 37 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ZIGBEE 38 3.1 Công nghệ zigbee ... 1: Tổng quan IOT ứng dụng Chương 2: Giới thiệu mạng MESH Chương 3: Công nghệ ZIGBEE Chương 4: Các ứng dụng triển khai thiết kế mơ hình mạng mesh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới