Tổng Quan Về Giao Thức Zigbee

PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các giao thức Infrared (IrDA),

Bluetooth.

b. Local Area Network (LAN)

Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền

thông với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được

chức năng tương tự như mạng LAN nối dây. WLAN cho phép người dùng di

chuyển trong một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học...)

mà vẫn kết nối được với mạng.

Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có

802.11a/b/g/n.

c. Metropolitan Area Network (MAN)

Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc

trên chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là

WiMAX). Nó được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết

bị cố định hoặc di động thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với

trạm cơ sở và trạm cơ sở kết nối đến mạng lõi.

WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương

đối rẻ trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16

km, tuy nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể.

Trong hầu hết mọi trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì

chất lượng của dịch vụ.

d. Wide Area Network (WAN)

WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN,

LAN hay MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ

điển hình nhất của WAN chính là mạng Internet.

WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế

người dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và

máy tính trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng

cho các tổ chức đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp

dịch vụ Internet (ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào

Internet. Bên cạnh đó, WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ

liệu di động như GSM, GPRS và 3G



39



II. Giao thức ZigBee

a. Giới thiệu



ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn

truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá

nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không

đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời

gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được

thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và

Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm

2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ

chức ZigBee Alliance.

Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag của ong mật (honey

bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí

của hoa và nguồn nước.

b. Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) là một tổ chức phi lợi

nhuận nhằm mục đích nghiên cứu phát triển các công nghệ liên quan đến thiết bị

điện và điện tử. Trong đó, nhóm 802 chuyên nghiên cứu về các công nghệ mạng và

bộ phận 802.15 được dành riêng cho các chuẩn mạng không dây. IEEE 802.15.4

quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm vi 10 mét đến 100 mét và hoạt

động ở ba dải tần chính:

* Dải 868 - 868.8 MHz (châu Âu): chỉ một kênh tín hiệu, trong dải này tốc độ

truyền là 20kb/s.

* Dải 902 - 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc):

có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ

truyền thường là 40kb/s.v

* Dải 2.4 - 2.4835 GHz (hầu hết các nước

khác trên thế giới): 16 kênh tín hiệu từ 11

- 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.



39



c. Cấu trúc của giao thức ZigBee

Tương tự như các giao thức truyền thông

khác, ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn

xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và

tầng MAC (Medium Access Control)

được định nghĩa giống chuẩn IEEE

802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định



Hình 2 .Cấu trúc giao thức.



nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị

ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy

biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng

kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò

của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị...

d. Thành phần mạng ZigBee

Một mạng kiểu ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:

* ZC (Zigbee Coordinator): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu

mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy

nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với

các mạng khác.

* ZR (Zigbee Router): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát

hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như

nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền

thông với các thành phần khác của mạng.

* ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc

Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt

động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở

trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức"

khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó.

Các thiết bị này thường được chia làm 2 loại là FFD (Full Function Device) và

RFD (Reduced Function Device). Trong đó FFD có thể hoạt động như một

Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End

Device trong một mạng ZigBee.



39



e. Mô hình mạng ZigBee

Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy

vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập

mạng theo các cấu hình khác nhau:

Mạng hình sao (Star Network)

Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End

Device (ZED). Khi ZC được kích hoạt lần đầu

tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN.

Hình 3. Cấu trúc mạng sao.

Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để 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 hình lưới (Mesh Network)

Mạng hình lưới có ưu điểm là 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 nút này sang

nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết

nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận.

Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng hình sao, song trong mạng này có thêm

sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó

cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường.



Hình 4. Cấu trúc mạng lưới



Hình 5. Cấu trúc mạng cây



39



Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lưới, trong đó đa số thiết bị là

FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng như một nút rời rạc ở điểm cuối của

nhánh cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, 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. Trong loại cấu hình

mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều

phối mạng PAN (PAN coordinator).



f. ZigBee và các giao thức truyền thông khác

Bảng so sánh ZigBee với các giao thức truyền thông không dây phổ biến như Wifi,

Bluetooth và GSM/GPRS/CDMA



Chương 2:

Chuẩn Giao Thức Zigbee / IEEE 802.15.4

2.1. mô hình giao thức của zigbee / IEEE802.15.4



39



Zigbee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng

dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo tiêu chuẩn

IEEE802.15.4. đó là tính tin cậy và đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng

thích ứng cao với các môi trường mạng. dựa vào mô hình như hình 2.1, các nhà



sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm

việc tương thichs cùng với nhau.



39



2.2. Tầng vật lý Zigbee/IEEE802.15.4

Tầng vật lý cungt cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý

PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tần vật lý PLME (physical

layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ

liệu PPDU (PHY protocol data unit) thong quia kênh sóng vô tuyến vật lý. Các

tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận

song, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số truyền, giải phóng kênh truyền, thu

và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền. chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3

dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản và Mỹ.



39



Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới

đây.



2.2.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý

2.2.1.1. Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz

Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250kb/s



39



2.2.1.1.1. Sơ đồ điều chế

Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần

2.4 GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây. Một chuỗi nhị phân “0000b”được biến

đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung



2.2.1.1.2. Bộ chuyển bít thành ký tự

Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu

trong PPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự. Mỗi byte được chia thành ký tự và ký

tự có nghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên. Đối với trường đa byte thì byte có nghĩa

nhhor nhất được phát đầu tiên ngoại trừ trường hợp trường byte đó liên quan đến

bảo mật thì trong trường đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước.



39



2.2.1.1.3. Bộ chuyển ký tự thành chip

Theo như sơ đồ thì đây là bước thứ 2 trong quá trình mã hóa. Mỗi ký

tự dữ liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip.

Chuỗi chip này được truyền đi với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0)

được truyền trước mọi ký tự.



39



2.2.1.2. Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz

Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee/IEEE 802.15.4 PHY tại bảng tần số 868MHz có

thể đạt tới 20kb/s và có thể đạt tới 40kb/s ở băng tần 915 MHz.

2.2.1.2.2. sơ đò điều chế



39



2.2.1.2.2. Bộ mã hóa vi phân

Mã hóa vi phân hay còn gọi là mã hóa trước. Khi cho tín hiệu nhị

phân vào bộ mã hóa này thì bit có giá trị 0 sẽ được chuyển tiếp, có nghĩa là số

được tách là số 1 nếu số liền trước nó là số 0 và ngược lại. Nếu một số được tách

xung sai, lỗi này sẽ có xu hướng lan truyền đi, và để loại trừ việc này thì Lender đã

đề nghị việc mã hóa trước các số liệu. Có nghĩa là nếu chuỗi số dữ liệu thô là Rn

thì ta sẽ phát đi chuỗi số En theo qui tắc: