Tìm hiểu về công nghệ Zigbee IEEE 802.15.4

MỤC LỤC Lời nói đầu .2 PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8 1. Đặt vấn đề 8 2. Nhiệm vụ luận văn 8 3. Bố cục luận văn .8 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 của mạng WPAN .10 1.3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN 11 1.4 Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 .11 1.4.1 Khái niệm 11 1.4.2 Đặc điểm 12 1.4.3 Ưu điểm của 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 của mạng LR-WPAN 14 1.5.2 Kiến trúc liên kết mạng .14 1.5.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (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 cây (cluster-tree) 16 CHƯƠNG II: CHUẨN ZigBee/IEEE 802.15.4 .18 2.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 18 - 3 - 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 của tầng vật lý 20 2.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại 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 của tầng PHY tại 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 của 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 dữ 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 giữa 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 mô hình truyền dữ liệu 32 2.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 35 - 4 - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS .35 2.3.6 Định dạng khung tin MAC .37 2.4 Tầng mạng của 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 của 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 cây 45 3.2.1 Thuật tóan hình cây đơn nhánh 45 3.2.2 Thuật toán hình cây 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 của bộ trình diễn Picdem Z .56 1.4 Tổng quan về bộ 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 - 5 - Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2.2 Yêu cầu của máy

pdf111 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 10/06/2013 | Lượt xem: 7312 | Lượt tải: 25download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tìm hiểu về công nghệ Zigbee IEEE 802.15.4, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
mạch có thể bị thay đổi bởi 1 cấu hình số hiệu khác hoặc bằng cách sửa đổi vi chương trình. 1.6 Card RF Picdem Z Board mạch chủ PICDEM Z được thiết kế để hổ trợ những card RF dùng những bộ thu phát RF từ các nhà cung cấp khác nhau. Microchip lập kế hoạch thêm vào sự hỗ trợ cho các bộ thu phát RF mới. Vui lòng truy cập trang web Microchip để biết thêm danh sách đã hỗ trợ những bộ thu phát RF. - - 59 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Xem phụ lục B. “PICDEM Z 2.4 GHz RF Card” cho thông tin những card RF được cung cấp trong bộ trình diễn PICDEM Z của bạn. 1.7 Đĩa phần mềm Picdem Z CD cung cấp mã nguồn đầy đủ cho Microchip Stack theo giao thức ZigBee. Nó cũng bao gồm 2 ứng dụng cơ sở demo cho Microchip Stack. Bạn cũng có thể tải về phiên bản mới nhất cho Microchip Stack tại trang web Microchip. - - 60 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải CHƯƠNG II: CÀI ĐẶT BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM Z 2.1 Giới thiệu Những chủ đề được đề cập trong chương này gồm: • Những yêu cầu của máy chủ. • Việc sử dụng những board mạch PICDEM Z lần đầu. • Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn. 2.2 Yêu cầu của máy chủ Những ứng dụng demo được lập trình sẵn thì không yêu cầu máy chủ để quan sát chức năng. Tuy nhiên , một máy chủ được yêu cầu nếu muốn thay đổi cấu hình ứng dụng demo mặc định Để thay đổi cấu hình ứng dụng demo, cần phải có một hệ thống nó gồm những yêu cầu phần cứng và phần mềm sau đây: • Bất kì hệ thống máy tính có sẵng một tiêu chuẩn cổng nối tiếp (DB9) • Bất kì hệ điều hành mà cung cấp một chuẩn chương trình đầu cuối RS-232 sử dụng phần cứng có sẵng cổng nối tiếp. Bộ trình diễn PICDEM Z bao gồm 1 CD nó chứa mã nguồn đầy đủ cho cả những ứng dụng demo và cả Microchip Stack. Để thấy nội dung của CD, thay đổi những ứng dụng demo hoặc phát triển ứng dụng của riêng bạn bạn phải có một hệ thống đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Microchip MPLAB. Hãy truy cập trang web Microchip để cập nhật những yêu cầu hệ thống mới và download về phần mềm mới cho Microchip MPLAB. 2.3 Lắp ráp và cài đặt - - 61 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2.3.1 Lắp ráp các phần cho PICDEM Z Bộ trình diễn PICDEM Z gồm có hai board mạch nút ZigBee. Mỗi nút ZigBee gồm có một board mạch chủ và một card RF được đóng gói rời nhau. Ta phải lắp ráp từng nút hoàn chỉnh trước khi cấp nguồn. Hãy làm theo các bước sau đây để chuẩn bị cho mỗi nút: • Mở hộp đựng và tháo bao đóng gói cho mỗi board mạch và đặt chúng trên một bề mặt không dẫn điện. • Cẩn thận cắm card RF vào chỗ kết nối J2 trên board mach chủ. Lưu ý rằng những chỗ kết nối trên board mạch chủ và card RF đã được phân cực và sẽ không cho phép sai khi cắm vào. • Nếu cấp một nguồn điện DC 9V với đầu cắm là 2.5mm, board mạch sẽ bật nguồn. Nếu không, thì cấp một cục pin vuông 9V vào chỗ cắm BT1 và đẩy công tắc S7 lên vị trí ON. Quan sát những đèn Diode D1 và D2 đã sáng lên. Điều này để xác thực rằng các board mạch đang hoạt động bình thường. - - 62 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2.3.2 Cài đặt các tập tin phần mềm PICDEM Z Bộ trình diễn PICDEM Z chứa đầy đủ mã nguồn cho Microchip Stack theo giao thức ZigBee và những ứng dụng demo. Microchip Stack theo giao thức ZigBee có thể được nạp miễn phí cho khách hàng Microchip. Như một phần của quá trình cài đặt, phải chấp nhận một thỏa thuận điện tử về bản quyền phần mềm để tiếp tục việc cài đặt. Để cài đặt các tập tin thì theo các bước sau: • Đưa CD phần mềm PICDEM Z vào ổ đĩa CD-ROM. - - 63 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải • Sử dụng Windows Explorer để mở CD và bắt đầu quá trình cài đặt bằng cách đúp click vào biểu tượng MpZBeev1.00.00.exe. Con số phiên bản 1.00.00 có thể thay đổi bởi một phiên bản mới hơn. • Thực hiện xong, xem lại thỏa thuận bản quyền phần mềm và click I accept để chấp nhận thỏa thuận bản quyền và tiếp tục quá trình cài đặt. Nếu muốn hủy thì click I do not accept cài đặt sẽ bị hủy. • Sau khi hoàn tất quá trình cài đặt, một nhóm chương trình mới có tên là “Microchip Stack for ZigBee” sẽ được tạo và tất cả những tập tin nguồn sẽ được sao chép đến thư mục “MpZBee” tại thư mục gốc máy tính. Nhóm chương trình này cung cấp các shortcut cho tất cả các tài liệu. 2.4 Việc thực thi ứng dụng demo được lập trình sẵn Để mà quan sát đầy đủ các chức năng của những ứng dụng demo, thì ta phải có một node demo Coordinator và có một nốt DemoRFD với các card RF giống nhau. Ở phần cuối của tài liệu này, ta có thể cấu hình lại các board mạch để có thể sử dụng nhiều hơn một nốt RFD. Hai ứng dụng demo Coordinator và RFD được lập trình sẵn thực hiện một thường lệ điều khiển từ xa những ứng dụng LED và công tắc. Để hiểu thêm thông tin về các ứng dụng demo đó, hãy tham khảo đến ghi chú AN965 Microchip application, Microchip Stack for the ZigBee™ Protocol( DS00965) Các ứng dụng demo thì hoàn toàn độc lập và không yêu cầu một giao diện cho một máy tính chủ. Tuy nhiên, nếu đã vào một máy tính chủ, ta có thể sử dụng nó để theo dõi các hoạt động nhật ký lại của những ứng dụng. Một giao diện cho một máy tính chủ thì rất có ích cho việc hiểu và sửa chữa bất kì những vấn đề cài đặt mà ta mắc phải. Làm như sau để thực thi một ứng dụng demo được lập trình sẵng: • Chắc chắn rằng ta đã ráp từng node bằng cách gài card RF vào board mạch chủ. - - 64 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải • Cắt nguồn cung cấp cho cả hai board mach, nếu nó được cấp nguồn từ trước • Tại vị trí nút Coordinator tìm kiếm nhãn “COORD…”trên bộ điều khiển. • Không bắt buộc: kết nối nút Coordinator tới một cổng nối tiếp của máy tính PC và bắt đầu chương trình Terminal, ví dụ hyerTerminal trong Windows XP. Chọn cổng COM thích hợp và đặt tốc độ 19200 bps, 8-N-1, no flow control. • Cấp nguồn cho nút Coordinator. Theo dõi cả hai đèn diode D1 và D2 sáng đồng thời, sau đó đèn D2 sáng. Nếu kết nối được một PC, quan sát chương trình Terminal sẽ hiển thị thông điệp “ New network successfully started ”. • Bây giờ xác định vị trí nút RFD bằng cách tìm nhãn “RFD…” trên bộ điều khiển. • Không bắt buộc: kết nối nút RFD tới một cổng nối tiếp của máy tính PC và bắt đầu chương trình Terminal. Chọn cổng COM thích hợp và đặt tốc độ 19200 bps, 8-N-1, no flow control. • Trong khi giữ nút Coordinator cho đến khi có điện, cấp nguồn cho nút RFD. Quan sát cả hai đèn Diode D1 và D2 sáng đồng thời, sau đó đèn D2 sáng. Nếu kết nối được đến PC, quan sát đèn D2 trong vòng 1 đến 2 giây, thì chương trình Terminal sẽ hiển thị thông điệp “Rejoin successful”. Nếu không thấy bất kì thông điệp nào hoặc thấy thông điệp “Rejoint failed”, hãy chắc chắn rằng đã có một node Coordinator được hỗ trợ và chạy tốt; xác lập lại nút RDF và thử lại lần nữa. • Tại thời điểm này, các node RFD đã liên kết thành công với các node Coordinator. • Nhấn S2 trên node RFD và quan sát rằng D1 trên node Cordinator công tắc on/off. • Nhấn S2 trên Coordinator và quan sát rằng D1 trên nút RFD công tắc on/off. Khi nhấn S2 ở Coordinator, D1 trên node RDF sẽ thay đổi sau vài phút. Sự trì hoãn này xảy ra do tần số mà ở đó node RFD thăm dò node Coordinator. - - 65 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Lưu ý : Trên thực tế phạm vi song vô tuyến cho các nút PICDEM Z phụ thuộc vào loại card RF và anten sử dụng. Hãy tham khảo hướng dẫn sử dụng về card RF để biết thông tin phạm vi - - 66 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ TRÌNH DIỄN PICDEM - Z 3.1 Giới thiệu Những chủ đề được đề cập trong chương này bao gồm: • Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo. • Kiểm tra hiệu suất RF • Sửa đổi cấu hình phần cứng • Phát triển phần mềm • Tạo tập tin nguồn ứng dụng 3.2 Sửa đổi những cấu hình ứng dụng demo Những ứng dụng demo được lập trình sẵn thì được cấu hình khi xuất sưởng với một số cấu hình cụ thể như là node nhận dạng, liên kết mạng và ràng buộc thông tin. Khi cần thiết, có thể dễ dàng thay đổi những cấu hình đó thông qua một PC đang chạy chương trình Terminal RS-232. Hai ứng dụng Demo Coordinator và Demo RFD sử dụng một giao diện terminal tương tự với các phần nhỏ khác trong cấu hình tùy chon có sẵn. Một số tùy chọn yêu cầu sử dụng theo tiêu chuẩn phần mềm Terminal, trong khi đó một số tùy chọn khác được thực hiện bởi một chuỗi chuyển đổi tiến trình mà không cần phần mềm Terminal. Để có thể thực hiện các bước phụ thuộc Terminal, cần phải có quyền truy cập tối thiểu một cáp RS-232 (DB9, male-to-female), một máy tính chủ với tối thiểu một cổng nối tiếp có sẵng và một chương trình Terminal chuẩn - - 67 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 3.2.1 Thay đổi giá trị ID Node Như xác định trong tiêu chuẩn kĩ thuật của IEEE 802.15.4, mỗi node ZigBee cần phải chứa một địa chỉ MAC 64-bit duy nhất. Một phần của địa chỉ 64-bit bao gồm 24- bit IEEE được giao bởi tổ chức Organization Unique Identifier (OUI) và còn 40-bit còn lại do tổ chức sản xuất cấp. Những ứng dụng demo PICDEM Z tạo một địa chỉ MAC hoàn chỉnh bằng cách kết hợp OUI Microchip là 00-04-a3 và không thêm vào 16-bits của giá trị nút ID nhãn tìm thấy trên board. Giá trị ID nút được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Các board mạch PICDEM Z thì được cấu hình lúc xuất xưởng với giá trị ID node riêng biệt. Khi cần thiết, có thể dễ dàng thay đổi giá trị ID node bằng cách làm theo các bước sau. Chú Ý: Dưới đây là những thủ tục giả định rằng đang sử dụng của Microsoft chương trình HyperTerminal. Ta có thể sử dụng bất kỳ chương trình Terminal theo sự lựa chọn, cung cấp theo yêu cầu port cài đặt được thiết lập Làm theo các bước sau để sửa đổi một giá trị ID nút: • Kết nối một nút PICDEM Z tới một cổng nối tiếp có sẵn trên máy tính, sử dụng một cáp nối DB9 RS-232 thẳng male-to-female. • Chạy HyperTerminal (Start>Programs>Accessories>Communications). • Trong hộp thoại “Connect To”, chọn cổng COM mà board mạch PICDEM Z được kết nối đến. Nhấn OK. • Cấu hình cổng nối tiếp đã kết nối đến nút PICDEM Z với các thông số cấu hình như sau: 19200 bps, 8 data bits, 1 Stop bit, và no parity, no flow control. • Nhấn OK để bắt đầu kết nối. • Mở hộp thoại “Properties” bằng cách chọn File>Properties. • Chọn thanh tab “Settings” và nhấn ASCII Setup… • Đánh chọn “Echo typed characters locally”. - - 68 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải • Nhấn OK để tắt tất cả các hộp thoại đang mở. • Cấp nguồn cho Nút trong khi vẫn giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả Reset và công tắc S3 và sau đó cắt điện công tắc Reset Sau đây là menu cấu hình sẽ xuất hiện trong của sổ terminal (Tiêu đề văn bản chính xác sẽ phụ thuộc vào loại node mà đã được cấu hình lại và ngày thiết lập): *************************************************************************** ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0) Built on Nov 12 2006 *************************************************************************** 1. Set node ID... 2. Join a network. 3. Perform quick demo binding (Must perform #2 first) 4. Leave a previously joined network (Must perform #2 first) 5. Change to next channel. 6. Transmit unmodulated signal. 7. Transmit random modulated signal. 0. Save changes and exit. Enter a menu choice: • Đánh 1 để thay đổi giá trị Node ID. • Theo các kiến trúc để nhập vào giá trị Node ID. • Nhấn Reset ở trên node hoặc đánh 0 để thoát chế độ cấu hình và chạy ứng dụng 3.2.2 Thay đổi cấu hình Association và Binding Những node PICDEM Z được cấu hình khi xuất xưởng gồm những cài đặt sau: 1. Node demo RDF thì được liên kết với node demo Coordinator. - - 69 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2. Công tắc S2 trên node demo RFD thì biễu diễn bởi LED D1 trên node demo Coordinator. 3. Công tắc S2 trên node demo Coordinator thì biễu diễn bởi LED D1 trên node demo RFD. Nó là những cấu hình mà cho phép khi nhấn S2 trên mỗi node và điều khiển LED D1 ở node còn lại. Khi cần thiết, có thể dễ dàng sửa đổi những cấu hình đó sử dụng thủ tục binding thường lệ được bổ sung trong những ứng dụng demo. Ví dụ, ta có thể ràng buộc S2 ở node RFD đến D1 trên node tương tự hoặc một node RFD khác (Chắc chắn rằng đã có nhiều hơn một node RFD). Mặc dù những thủ tục sau đây không cần yêu cầu một PC, nhưng có thể sử dụng một PC để giám sát những thông điệp cài đặt được hiển thị bởi những ứng dụng demo. Những thông điệp đó rất có ích để hiểu biết và sữa chữa cài đặt. Có thể quan sát thông điệp cài đặt sử dụng một chương trình Terminal và đặt là 19200 bps, 8-N-1, no flow control. Làm theo sau để sửa đổi các cấu hình association và binking: 1. Cắt nguồn tất cả các node. 2. Cấp nguồn cho node Coordinator (là node có nhãn là “COORD…” trên bộ điều khiển) tránh nhấn bất kì công tắc nào, hoặc nếu đã có nguồn sẵn, dễ dàng thiết lập lại board mạch bằng cách nhấn công tắc Reset, điều này đưa node Coordinator vào trạng thái hoạt động bình thường. Quan sát rằng D1 và D2 sáng sau ngay lập tức sau khi đèn D2 sáng trước. Nếu kết nối được với một chương trình Terminal, thông báo rằng thông điệp “New network successfully started” được hiển thị. Nếu nhìn thấy một thông điệp lỗi xuất hiện, nó có nghĩa là demo Coordinator không tìm thấy một kênh RF trống nào. 3. Trong khi vẫn giữ node Coordinator được cấp điện, thì cấp nguồn cho node RFD (một node với nhãn “RFD…” trên chip điều khiển ) trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả công tắc Reset và S3; sau đó thả công tắc Reset ra. Quan sát rằng đèn D1 và D2 đều sáng. Nếu kết nối đến một chương trình Terminal, thông báo là danh mục cấu hình được hiển thị. - - 70 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 4. Nếu có nhiều hơn một node RFD, có thể tiếp tục lại bước 3 cho mỗi node RFD. 5. Nhấn S2 trên node RFD để bắt đầu chuỗi liên kết với Coordinator. Nếu được kết nối với chương trình Terminal, thông điệp thông báo “Succesfully associated” được hiển thị. Nếu thông điệp này không được hiển thị, thì ta kiểm tra lại nguồn cho node Coordinator được cấp và nó hoạt động ở chế độ bình thường. Nếu máy tính có hai cổng nối tiếp và node demo Coordinator đang kết nối với máy tính, chú ý rằng Terminal hiển thị thông điệp “A new node has just joined”. 6. Nếu có nhiều hơn một node RFD, nhấn S2 trên mỗi node RFD để liên kết chúng với node Coordinator. 7. Từ đó có nhiều khác biệt liên kết của ràng ruộc một cấu hình có thể có. Bảng 3- 1 được sử dụng để mô tả chuỗi các bước cần thiết của mỗi sự kết hợp. BẢNG 3-1: CÁC BƯỚC CHO RÀNG BUỘC CẤU HÌNH Để ràng buộc Công tắc S2 mở Để ràng buộc LED D1 mở Kết quả RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3 Coordinator: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2 S3 trên RFD được ràng buộc đến D1 trên Coordinator Coordinator: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3 RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2 S3 trên Coordinator được ràng buộc đến D1 trên RFD RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S2, thả S3 RFD: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và thả S3, thả S2 S3 trên RFD được ràng buộc đến D1 trên RFD còn lại RFD1: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và RFD2: Nhấn và giữ S3 trước sau đó nhấn S2 và S3 trên RFD #1 được ràng buộc đến D1 trên - - 71 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải thả S2, thả S3 thả S3, thả S2 RFD #2 Coordinator: Không áp dụng Coordinator: Không áp dụng Không được phép Chú ý: Như mỗi một bước khi thực hiện, đèn diode D1 va D2 trên các node tương ứng sẽ thay đỗi giữa on và off, đến off và on. Còn cái node mà chương trình terminal kết nối đến node RFD sẽ hiển thị thông điệp “Attempting to bind…” và terminal kết nối đến node Coordinator sẽ hiển thị thông điệp “Received valid…”. Để hoàn thành quá trình ràng buộc, phải thực hiện được cả hai “Để ràng buộc Công tắc S2 mở” và “Để ràng buộc LED D1 mở” hoạt động. 8. Nhấn công tắc Reset trên mỗi node RFD để bắt đầu thực thi bình thường. Nếu kết nối đến chương trình Terminal, thông điệp “Rejoin successful” được hiển thị. 9. Phụ thuộc vào cách ràng buộc được thực hiện, nhấn S2 trên node để chắc chắn rằng D1 trên node tương tự hoặc khác sẽ thay đổi Lưu ý: Để hoàn thành quá trình điều khiển D1 trên node khác hoặc tương tự, node Coordinator phải được hoạt động và chạy ở chế độ bình thường. 3.2.3 Giải phóng Entire Neighbor và Binding Table Theo lý thuyết trong đặc điểm kĩ thuật của giao thức ZigBee, Coordinator lưu trữ tất cả thông tin liên kết và ràng buộc trong những bảng riêng biệt tại bộ nhớ cục bộ của nó. Ứng dụng The Microchip demo Coordinator sử dụng bộ nhớ Flash trong chip để lưu trữ những thông tin đó. - - 72 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Có thể hoặc xóa một cá thể liên kết và ràng buộc đi vào hoặc xóa toàn bộ một bảng. Để xóa toàn bộ bảng trên demo Coordinator, thực hiện những bước sau: 1. Cắt nguồn toàn bộ các node. 2. Kết nối node Coordinator đến một PC sử dụng 1 cáp chuẩn RS-232. 3. Mở một chương trình Terminal trên PC và mở cổng COM thích hợp với các cấu hình: 19200 bps, 8-N-1, and no flow control. 4. Cấp nguồn cho node Coordinator trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai Reset và S3, sau đó thả công tắc Reset ra. Quan sát rằng D1 và D2 thì sáng lên. Chú ý rằng chương trình terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau: *************************************************************************** ZigBee Demo Coordinator Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0) Built on Nov 12 2006 *************************************************************************** 1. Set node ID... 2. Clear Neighbor Table. 3. Clear Binding Table. 4. Change to next channel. 5. Transmit unmodulated signal. 6. Transmit random modulated signal. 0. Save changes and exit. Enter a menu choice: 5. Để xóa bảng các liên kết, đánh 3. Lúc hoàn tất thành công, danh mục cấu hình sẽ được hiển thị lại. Chú ý rằng việc giải phóng bảng liên kết sẽ tự động xóa bảng ràng buộc liên kết. 6. Để xóa bảng ràng buộc, đánh 4. Lúc hoàn tất thành công, danh mục cấu hình sẽ được hiển thị lại. - - 73 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 3.2.4 Giải phóng Individual Association và Blinding Entry Nếu muốn giải phóng một bảng cá thể liên quan đến một node RFD cụ thể. Phải thực thi một lệnh cấu hình trên node RFD đó. Để làm được điều đó, thực hiện theo các bước sau: 1. Tắt nguồn tất cả các node. 2. Bật nguồn node Coordinator cho ở chế độ hoạt động bình thường và chắc chắn rằng đèn Diode D1 và D2 sáng một lần đi theo sau bởi một lần chớp sáng đơn của D2. 3. Chọn node RFD mà liên kết và ràng buộc ngõ ra cần được giải phóng và sau đó kết nối nó đến một PC sử dụng chuẩn cable RS-232 4. Chạy chương trình Terminal trên máy tính và mở cổng COM thích hợp với những lựa chọn cấu hình sau: 19299 bps, 8-N-1 và no flow control. 5. Cấp nguồn cho node RFD trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai công tắc Reset và S3, sau đó thả công tắc S3 ra. Quan sát D1 và D2 thì sáng. Chú ý rằng chương trình Terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau: *************************************************************************** ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0) Built on Nov 12 2006 *************************************************************************** 1. Set node ID... 2. Join a network. 3. Perform quick demo binding (Must perform #2 first) 4. Leave a previously joined network (Must perform #2 first) 5. Change to next channel. 6. Transmit unmodulated signal. 7. Transmit random modulated signal. 0. Save changes and exit. Enter a menu choice: - - 74 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 6. Đánh 2 để đầu tiên tham gia nguồn sẵn sàng và chạy node demo Coordinator. 7. Đánh 4 để rời nguồn sẵn sàng và chạy node demo Coordinator. Lúc hoàn tất thành công, danh mục cấu hình sẽ được hiển thị lại. Bước này sẽ tự động xóa tất cả ràng buộc ngõ ra được liên kết với node này. Luu ý: Sau khi hoàn tất những bước này, phải liên kết và ràng buộc node RFD này với sự chọn lựa Coordinator vào lại thao tác ứng dụng bình thường. Tham khảo lại đoạn 3.2.2 “Thay đổi cấu hình Association và Binding”. 3.3 Kiểm tra hiệu suất RF Những ứng dụng demo PICDEM Z còn cung cấp 2 danh mục tùy chọn đặc biệt để kiểm tra hiệu xuất RF. Danh mục tùy chọn 6 và 7 cho phép truyền hoặc một tín hiệu không điều khiển liên tục hoặc tín hiệu được điều khiển. Thực hiện theo những bước sau: 1. Tắt nguồn tất cả các node. 2. Kết nối node đến một PC sử dụng cable chuẩn RS-232. 3. Chạy chương trình Terminal trên PC và mở cổng COM thích hợp với những cấu hình sau: 19200 bps, 8-N-1, và no flow control. 4. Bật nguồn cho node trong khi giữ công tắc S3, hoặc nhấn và giữ cả hai công tắc Reset và S3, sau đó thả công tắc S3. Quan sát D1 và D2 thì mở. Chú ý rằng chương trình Terminal sẽ hiển thị danh mục cấu hình sau(tiêu đề văn bảng dưới phụ thuộc vào loại của node mà ta cố gắng kiểm tra): *************************************************************************** ZigBee Demo RFD Application v1.0 (Microchip Stack for ZigBee v1.0.0) Built on Nov 11 2004 *************************************************************************** 1. Set node ID... - - 75 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải 2. Join a network. 3. Perform quick demo binding (Must perform #2 first) 4. Leave a previously joined network (Must perform #2 first) 5. Change to next channel. 6. Transmit unmodulated signal. 7. Transmit random modulated signal. 0. Save changes and exit. Enter a menu choice: 5. Bật nguồn lên, ứng dụng demo chọn kênh rất đầu tiên có sẵng trong dải băng tần cụ thể bộ thu phát RF. Một ví dụ, cho băng tầng có tần sồ 2.4Ghz, bật nguốn lên, kênh 11 được chọn. Có thể thay đổi đến kênh tiếp theo bằng cách chọn tùy chọn “change to next channel” lập đi lập lại cho đến khi đọc được kênh mong muốn. Chú ý đếm số lần danh mục tùy chọn được gõ. 6. Đánh 6 (hoặc 5 nếu kiểm tra demo Coordinator) để truyền một tín hiệu không được điều khiển liên tiếp, hoặc đánh 7 (hoặc 6 nếu kiểm tra demo Coordinator) để truyền một tín hiệu được điều khiển ngẫu nhiên liên tiếp. Bấy giờ có thể dùng bất kì trình phân tích mạng RF chuẩn để đánh giá hiệu xuất RF. 7. Một lần chọn hoặc kiểm tra tùy chọn, phải reset lại board mạch để thực hiện bất kì hoạt động khác. 3.4 Sửa đổi cấu hình phần cứng Những board PICDEM Z được thiết kế để linh hoạt trong giới hạn của dùng/không dùng các thành phần cấu thành trên board và thêm mạch mới vào. Jumper Mục đích J2 Để kết nối / cắt kết nối trên board RS-232 bộ điều khiển đến PICmicro(RC6 và RC7 được nối bởi đường PCB lần lượt đến RX và TX ) - - 76 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải JP2 Để dùng / không dùng LED D1(nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn PCB) JP3 Để dùng / không dùng LED D2(nhà sản xuất mặc định là cho dùng bởi vệt ngắn PCB) JP4 Để đo lường kéo hiện tại của toàn bộ board(sản xuất được nối đường vệt PCB) 3.5 Phát triển ứng dụng Bộ PICDEM Z được cung cấp những tập tin nguồn đầy đủ cho Microchip Stack theo giao thức ZigBee. Tham khảo ứng dụng Microchip tên là AN965 (DS00965) để có thêm thông tin chi tiết. Microchip thì tận tụy trong việc tiếp tục cải tiến và thêm vào những đặc tính mới vào phiên bản hiện tại của Microchip Stack. Hãy truy cập web Microchip cho phiên bản mới nhất của tập tin mã nguồn Microchip Stack. 3.6 Tạo tập tin nguồn ứng dụng Microchip Stack bao gồm những tập tin nguồn cho cả ứng dụng demo Coordinator và RFD. Có thể hoặc sửa đổi một trong những ứng dụng demo để thích hợp với những ứng dụng của ta hoặc dùng chúng như là một sự tham khảo để chúng ta tạo ứng dụng. Trong AN965 (DS00965) sẽ cho chúng ta biết chi tiết cấu trúc và cách để ta tạo ứng dụng cho riêng mình. 3.6.1 Lập trình ứng dụng Để phát triển ứng dụng, phải lập trình ứng dụng đó vào trong một trong các node PICDEM Z. Để thuận lợi dễ dàng nhận dạng node Coordinator và RFD, phần mềm được khuyến cáo là nên lập trình cho ứng dụng Coordinator và RFD cho vào riêng từng node. Tuy nhiên, node mà tất cả board mạch chủ PICDEM Z thì chính xác tương tự và có thể được lập trình để chạy ứng dụng Coordinator, RFD hoặc FFD. Bộ PICDEM Z không bao gồm những công cụ cho việc giải phóng và lập trình lại cho vi xử lý. Để làm được điều này ta phải sử dụng một thiết bị lập trình thích hợp. Có thể sử dụng MPLAB ICD 2 Development Sytem, cung cấp một bộ phát triển đầy đủ - - 77 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải cho việc sửa lỗi và lập trình thiết bị. Boar mạch chủ PICDEM Z chứa một modular kết nối để kết nối MPLAB ICD 2, PRO MATE và ngôn ngữ lập trình tương thích khác. Sử dụng những tùy chọn cấu hình sau khi lập trình vi điều khiển: 1. HS-PLL (or HS) Oscillator Mode để phát triển yêu cầu ứng dụng 2. Watchdog Timer Disabled (những ứng dụng Demo dùng phần mềm được cho dùng Watchdog) 3. Low-Voltage Programming Disabled 4. Tất cả những tùy chọn khác sẽ được thay đổi cho mỗi yêu cầu 3.6.2 Phục hồi Demo Firmware Ta có thể phục hồi nguyên thủy vi chương trình demo bằng cách lập trình lại và cấu hình lại cho node PICDEM Z. Ta có thể hoặc dùng tập tin hex của hãng hoặc xây dựng lại tập tin hex để lập trình vi chip điều khiển. Tập tin hex của hãng thì có sẵn trong đĩa CD phần mềm PICDEM Z. Dùng tập tin DemoCoordApp.hex cho ứng dụng Demo Coordinator, và DemoRFDApp.hex cho ứng dụng Demo RFD. Nếu muốn xây dựng lại vi chương trình Demo, tham khảo thêm tài liệu AN965(DS00965) để có thêm chi tiết cấu trúc. Vi chương trình demo được nhúng với tùy chọn cấu hình PICmicro cần thiết thích hợp cho phần cứng PICDEM Z. Ta cần phải truy nhập vào một thiết bi lập trình PICmicro thích hợp để lập trình vi chip điều khiển trên board. Từ thông tin cấu hình như là node ID, thông tin liên kết và ràng buộc được lưu trữ trong bộ nhớ Flash trên chip, lập trình lại một vi chip điều khiển yêu cầu ta cấu hình lại cho mỗi node trước khi có thể giám sát chức năng ứng dụng demo. Một board mạch được lập trình mới sẽ tự động vào chế độ cấu hình. Tham khảo đoạn 3.2 “Sửa đổi những cấu hình ứng dụng Demo” để biết chi tiết quy tắc cho việc cấu hình lại ứng dụng. - - 78 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ TRÌNH PHÂN TÍCH MẠNG KHÔNG DÂY ZENA™ 4.1 Giới thiệu Chương này giới thiệu trình phân tích mạng không dây ZENA và mô tả ngắn gọn khả năng của phần mềm. Trình phân tích miễn phí ZENA của microchip cung cấp 3 công cụ chính để phát triển giải pháp kết nối chuẩn IEEE 802.15.4 một cách nhanh chóng và hiệu quả. Trình phân tích ZENA cho phép sửa đổi một cách nhanh chóng để thích ứng các ứng dụng cho phù hợp với yêu cầu. Trình phân tích ZENA phân tích gói giao thức Zigbee v1.0 và MIWI. ZENA cũng cung cấp hỗ trợ phân tích mạng lưới, phân tích topo mạng và cho phép người sử dụng có thể quan sát, ghi lại giao dịch giữa các gói và xem lại ở những tốc độ khác nhau. Có thể nói những công cụ này kết hợp thành một công cụ mạnh mẽ trong việc phát triển chuẩn giao thức IEEE 802.15.4. 4.2 Tổng quan về trình phân tích ZENA™ Mạch phân tích mạng không dây ZENA được trình bày như hình 1.1 kết hợp với chip PIC18LF2550 cho đầy đủ tốc độ. Trình phân tích ZENA sử dụng cáp USB mini- B để kết nối tới pc và sử dụng một antenna để bắt gói gửi tới PC qua cổng USB. - - 79 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.1: Mạch phân tích mạng không dây ZENA™ Bộ phân tích mạng không dây ZENA bao gồm: - Phần mềm phân tích ZENA - Cáp USB mini-B - Đĩa CD-ROM 4.3 Cài đặt trình phân tích ZENA™ Giao diện chính: Hình 4.2: Giao diện chính - - 80 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Cài đặt phần mềm ZENA có thể tải về tại trang hoặc có trong đĩa CD-ROM đi kèm thiết bị. 4.4 Công cụ cấu hình Microchip Stack Microchip cung cấp miễn phí Stack có sẵn như một phần của lưu ý ứng dụng, AN965, “Microchip Stack for the ZigbeeTM Protocol”. Lưu ý ứng dụng và mã nguồn có thể tải về tại trang web www.microchip.com . Sau khi xem xét các lưu ý ứng dụng và nghiên cứu các dự án, để có thể sẵn sàng bắt đầu phân tích giao thức ứng dụng Zigbee. Trình phân tích ZENA sẽ hỗ trợ rất nhiều với cấu hình Microchip stack một cách tự động tạo ra một phần của mã nguồn cho giao thức ứng dụng Zigbee. Từ giao diện chính của ZENA chọn Zigbee™ Tools -> Stack Configuration. Giao diện cửa sổ ZENA™ Stack Configuration sẽ được hiển thị như Hình 4.3. 4.4.1 Xác định thông tin thiết bị giao thức Zigbee Chọn bảng Zigbee Device. - - 81 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.3: Bảng Zigbee Device Bảng 4.1: BảngLựa chọn cấu hình thiết bị giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN MAC Address Mỗi thiết bị giao thức Zigbee đều có riêng một địa chỉ MAC Zigbee Device Type Giao thức Zigbee định nghĩa ba dạng khác nhau của thiết bị IEEE Device Type Lựa chọn loại thiết bị chuẩn IEEE ZDO/APS/NWK/MAC Khi thay đổi loại thiết bị, trình phân tích ZENA sẽ tự - - 82 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Defaults for Device Type động thiết lập nhiều tùy chọn mặc định để cài đặt. Transceiver Power Chọn hiển thị nguồn Initial Power Source Chọn nguồn năng lượng ứng dụng Available Power Source Chọn nguồn năng lượng có sẵn cho ứng dụng Alternate PAN Coordinator Tùy chọn này không hỗ trợ cho giao thức Zigbee Manufacture Code (Hex) Tất cả các nhà sản xuất thiết bị giao thức Zigbee được chỉ định một mã nhà sản xuất. Được nhập bằng 4 giá trị Hex 4.4.2 Xác định thông tin thu phát sóng Chọn bảng Transceiver - - 83 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.4: Bảng Transceiver Bảng 4.2: Lựa chọn cấu hình giao thức thu phát sóng Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Transceiver Chọn chip hỗ trợ phát sóng Frequency Band Hiển thị tần số phát sóng, nếu bộ phát sóng chỉ hỗ trợ một băng tần số thì hộp hiển thị tần số sẽ bị vô hiệu hóa. Output Power Chọn nguồn phát ban đầu Pin Assignment Bảng điều khiển này thể hiện các pin yêu cầu cho các lựa chọn phát. Stack cho phép thay đổi pin kết nối đến cổng cụ thể. PICDEM™ Z Pins Khôi phục lại pin kết nối trên mạch trình diễn Picdem Z - - 84 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Allowed Channels Bảng này cho thấy các kênh được hỗ trợ bởi các băng tần số được lựa chọn. Lựa chọn các kênh trên sẽ tạo ra một nhãn có thể được sử dụng để chỉ định việc cho phép kênh mạng thông tin và network discovery. Allow Shared SPI Nếu sử dụng một SPI EEPROM nối tiếp với kho lưu trữ linh động bên ngoài, và EEPROM sử dụng cùng một SPI ngoại vi, lựa chọn tùy chọn này để bổ sung các tùy chọn trên PIC MCU 4.4.3 Xác định hiện trạng và thông tin đểm cuối Chọn bảng Endpoint - - 85 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.5: Bảng Endpoint Bảng này dùng để xác định hiện trạng và cấu trúc điểm cuối của ứng dụng đang được sử dụng. Các tùy chọn cấu hình được mô tả trong bảng 4.3 Bảng 4.3: Cấu hình Profile/Endpoint giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Profile Header File Bấm nút Brown để duyệt và lựa chọn tập tin tiêu đề cho hồ sơ của các ứng dụng. Tập tin này có chứa hồ sơ thông tin cụ thể mà trình phân tích ZENA sử dụng để cấu hình các mục bao - - 86 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải gồm: - Tên hồ sơ - Danh sách thiết bị được hỗ trợ trong hồ sơ - Cho phép nhập xuất các nhóm tập tin - Phạm vi kiểm tra các tham số trên các bảng khác Device Lựa chọn cấu hình thiết bị mô tả các ứng dụng Endpoints Để xác định một điểm cuối: - Nhập giá trị tính toán (1-240) của điểm cuối vào khung Endpoint - Trong khung Endpoint Name nhập tên điểm cuối - Chọn tất cả các yếu tố đầu vào và đầu ra được hỗ trợ - Nhấn Save Endpoint để lưu lại Để định nghĩa một điểm cuối khác - Nhấn New trong danh sách hộp Endpoint. Tất cả thôn tin điểm cuối sẽ được xóa. - Nhập vào thông tin điểm cuối mới và nhấn Save Endpoint Để xem điểm cuối được xác định trước đó - Nhấn vào số điểm cuối trên hộp Endpoint Để xóa một điểm cuối được xác định - Chọn điểm cần xóa trong hộp Endpoint và chọn Remove Endpoint 4.4.4 Xác định thông tin bảo mật - - 87 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.6: Bảng Security Bảng 4.4: Cấu hình thiết bị giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Security Capable Lựa chọn tùy chọn này thì các thông điệp gửi/nhận của ứng dụng sẽ được mã hóa Security Mode Chỉ có chế độ “Residential” được hỗ trợ bởi stack Trust Center Lựa chọn tùy chọn này nếu thiết bị là thiết bị trung tâm Trust Center Address Nhập địa chỉ của thiết bị trung tâm Network Key Nhập mã khóa mạng vào tùy chọn Sepuence Number - - 88 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Present Key present in all devices on the network Lựa chọn tùy chọn này nếu thiết bị là bộ điều phối Zigbee hoặc bộ định tuyến Zigbee có chứa mã khóa mạng và tất cả các thiết bị trên mạng đều chứa mã khóa mạng. 4.4.5 Xác định thông tin tầng ZDO và APS Hình 4.7: Bảng ZDO - - 89 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Bảng 4.5: Cấu hình ZDO giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Include Optinal Service Discovery Request Nếu được chọn các ứng dụng sẽ hỗ trợ tùy chọn ZDO dùng để phát hiện các yêu cầu dịch vụ. Chức năng này chưa được hỗ trợ bởi Microchip Stack Include Optional Node Management Services Hỗ trợ tùy chọn ZDO để quản lý dịch vụ. Chức năng này chưa được hỗ trợ bởi Microchip Stack Support End Device Binding Chức năng này chỉ có sẵn trên bộ điều phối giao thức Zigbee Hình 4.8: Bảng APS - - 90 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Bảng 4.6: Cấu hình bảng APS giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔTẢ TÙY CHỌN Max Frames From APL Layer Mỗi khung được gửi xuống từ tầng ứng dụng phải được đệm khi truyền lại không thành công và truyền lại báo cáo xác nhận tình trạng. Nhập số khung có thể xử lý trong cùng một thời gian truyền. Max APS ACK Frames Generated Nếu nhận được thông điệp từ các nốt yêu cầu cấp độ của tin báo nhận. Tầng APS sẽ tự động truyền tin báo nhận tuy nhiên vẫn còn ký tự trắng chờ xác nhận thông tin từ hàng đợi. Nhập cấp độ tin báo nhận có thể có trong cùng một thời gian truyền Max APS Address Giao thức Zigbee cho phép tầng ứng dụng xác định điểm đến của thông điệp bằng cách sử dụng địa chỉ MAC 64- bit, thay vì 16-bit địa chỉ mạng. Nếu một địa chỉ MAC 64-bit được xác định, tầng APS sẽ tìm kiếm một bảng ứng dụng duy trì tương ứng với 16-bit địa chỉ mạng. Nhập kích thước của bảng trong mục này. Binding Support Max Groups Nếu multicasting được hỗ trợ khi đó thiết bị sẽ trở thành thành viên của nhiều nhóm. Nhập tối đa số nhóm mà thiết bị có thể làm thành viên. Maximum Group Endpoints Giao thức Zigbee cho phép tầng ứng dụng chỉ định danh sách điểm cuối có liên quan đến từng nhóm định danh, ví dụ như GroupID. Thông điệp được gửi bằng cách dùng - - 91 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải multicasting sẽ được gửi đến tất cả các điểm cuối có liên quan đến nhóm định danh có trong địa chỉ của tin nhắn. Nhập tối đa số điểm cuối có thể kết hợp với nhóm định danh. Group Processing Buffers Nếu multicasting được hỗ trợ, bên trong Microchip Stack là bộ nhớ trung gian giữ các nhóm tin nhắn địa chỉ mà sau đó sẽ được liên kết đến điểm cuối. Nhập tối đa nhóm tin nhắn có thể lưu đồng thời trong bộ nhớ đệm, trong khi chờ được liên kết tới điểm cuối thích hợp. 4.4.6 Xác định thông tin tầng NWK và MAC - - 92 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.9: Bảng NWK/MAC Bảng 4.7: Cấu hình NWK giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Neighbor Table Size Tất cả các thiết bị giao thức Zigbee đều chứa một bảng lân cận để lưu trữ thông tin về các nốt trong mạng Max Buffered Broadcast Messages Khi một thiết bị giao thức Zigbee bắt đầu quảng bá một thông điệp nó phải phát lại định kỳ thông điệp đó cho tới khi nó nhận được thông điệp truyền lại từ các thiết bị lân cận. Nhập số thông điệp quảng bá. - - 93 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Route Discovery Table Size Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có một bảng route discovery Routing Table Size Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có một bảng định tuyến. Nhập kích thước bảng định tuyến Reserved Routing Table Entries Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải dành riêng vài mục trong bảng định tuyến để sửa chữa định tuyến. Max Buffered Routing Messages Nếu thiết bị hỗ trợ định tuyến, thiết bị đó phải có bộ nhớ trung gian chứa thông điệp trong khi chờ được định tuyến. Nhập số lượng thông điệp được lưu đồng thời trong bộ nhớ đệm. Bảng 4.8: Cấu hình MAC giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Channel Energy Threshold Tùy chọn này đã có sẵn cho bộ điều phối giao thức Zigbee. Nhập tối đa lượng năng lượng cho phép một kênh được chọn cho một mạng mới. Minimum Join LQI Tùy chọn này chỉ có sẵn cho thiết bị khác bộ điều phối giao thức Zigbee. Receive Buffer Size Những byte dữ liệu nhận từ nguồn phát được lưu vào bộ nhớ đệm cho đến khi ứng dụng xử lý xong những thông điệp trước đó. Nhập kích thước bộ nhớ đệm Beacon Order Giá trị này được cố định cho mạng non-beacon Superframe Order Giá trị này được cố định cho mạng non-beacon - - 94 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Superframe Structure Chỉ mạng non-beacon được hỗ trợ, do đó, giá trị “Superframe Structure” là Non-slotted. Battery Life Extension Mode Chức năng này chỉ sử dụng trong mạng beacon 4.4.7 Xác định thông tin PIC MCU Hình 4.10: Bảng PIC Bảng 4.9: Cấu hình PIC MCU giao thức Zigbee CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN - - 95 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Target Device Chọn thiết bị PIC MCU được sử dụng bởi ứng dụng đích. Nếu thiết bị yêu cầu thì không có sẵng, chọn một thiết bị tương tự và tham khảo AN965, “Microchip Stack for the ZigBee™ Protocol” thêm thông tin về sửa đổi kịch bản liên kết cho thiết bị đích Clock Frequency (Hz) Chỉ rõ khóa tần số ngỏ vào cho PIC MCU trong Hertz. Nó rất quan trọng để giá trị này được đúng như tất cả điều phối thời gian giao thức ZigBee bên trong sẽ được đặt cơ sở ra khỏi giá trị này UART Baud Rate Nếu đang sử dụng UART của thiết bị đích và đang sử dụng mã giao diện được cung cấp trong AN965, “Microchip Stack for the ZigBee™ Protocol”, chỉ rõ tốc độ bốt UART. Nếu ứng dụng không phải sử dụng UART, giá trị này thì không thích hợp Heap Size (banks) Chỉ rõ số của những dãi được yêu cầu cho Stack phần mềm C. Tham khảo AN965 cho thông tin trong việc cài đặt kích thước Stack Build Target Lựa chọn liệu có phải ta muốn kịch bản liên kết được phát sinh cho một môi trường gỡ lỗi sử dụng MPLAB® ICD 2 hoặc cho một xây dựng sản xuất Program Memory Hãy Lựa chọn nút rađiô này nếu tất cả các bảng không thay đổi sẽ được cất giữ trong bộ nhớ chương trình. Tùy chọn này có thể không sẵn có phụ thuộc vào dòng Thiết bị Đích và xóa bỏ kích thước khối SPI Serial EEPROM Hãy Lựa chọn nút rađiô này nếu tất cả các bảng không thay đổi sẽ được cất giữ trong một EEPROM tuần tự SPI. Tùy chọn này có thể không sẵn có phụ thuộc vào những cài đặt bộ thu phát - - 96 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Serial EEPROM Lựa chọn tuần tự EEPROM mà sẽ được sử dụng. Nếu EEPROM không được liệt kê, lựa chọn Other Và chỉ rõ Number of Bytes và Page Size nCS Lựa chọn chip của tuần tự EEPROM chọn pin SPI Chọn các mô-đun SPI để sử dụng cho các EEPROM nối tiếp. Tình trạng có sẵn của lựa chọn này phụ thuộc vào sự lựa chọn bộ thu phát và chia sẻ SPI cho dù đã được kích hoạt. Xem “Cho phép Chia sẻ SPI” trong bảng 3-2. MAC Address Stored Externally Chọn tùy chọn này nếu địa chỉ MAC của thiết bị sẽ được lập trình sẵng vào EEPROM nối tiếp. Verify Chọn lựa chọn này để viết lên lưu trữ không linh động cho đến khi các dữ liệu đọc quay lại tương tự nhau. Điều này đảm bảo tính chính xác, nhưng có thể kết quả trong một vòng lặp vô tận 4.5 Giám sát mạng Phần cứng và phần mềm của trình phân tích mạng không dây ZENA cung cấp công cụ giám sát mạng mạnh mẽ để sử dụng cho việc phát triển thông qua cài đặt. Kết nối phần cứng của trình phân tích mạng không dây ZENA với PC sử dụng cáp USB mini-B. Từ cửa sổ chính của phần mềm phân tích ZENA, chọn Zigbee™ Tools - >Network Monitor. Cửa sổ sau sẽ được mở: - - 97 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.11: Cửa sổ giám sát mạng giao thức Zigbee™ Một cửa sổ trống Packet Sniffer để giám sát mạng sẽ được mở. Nếu cửa sổ này bị đóng, nó có thể mở lại được bằng cách nhấn nút Network Messenges, hoặc bằng cách chọn tùy chọn trong mục View>Network Messages. Cửa sổ giám sát mạng Zigbee được dùng để khởi động hoặc dừng quá trình phân tích mạng, save và load dữ liệu, cấu hình hiển thị thông điệp. 4.5.1 Giám sát thời gian thực Real-Time Trước khi khởi động giám sát thời gian thực, thiết lập những tùy chọn sau trên cửa sổ Zigbee Network Monitor: Bảng 4.10: Cấu hình lựa chọn giám sát thời gian thực CẤU HÌNH MÔ TẢ TÙY CHỌN Real-Time Display Lựa chọn tùy chọn này để hiển thị thông điệp mà phần cứng phân tích mạng nhận được. Channel Lựa chọn kênh để giám sát. Lưu ý rằng nếu ứng dụng được chỉ định nhiều hơn một kênh cho phép, để làm biểu mẫu hoặc tham gia vào mạng thì ta phải thử nhiều kênh để tìm - - 98 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải thấy mạng. Sự lựa chọn này có thể bị thay đổi chỉ khi giám sát thời gian thực bị dừng lại. Clear Messages on Start Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn tất cả những thông điệp đã hiển thị trước đó được xóa khi bắt đầu giám sát. Nếu muốn những thông điệp trước đó được giữ lại thì bỏ tùy chọn này. Ignore Invalid Packets Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn những gói khi kiểm tra không hợp lệ sẽ bị bỏ qua. Nếu muốn tất cả các đó được hiển thị (kể cả tín hiệu nhiễu) thì bỏ tùy chọn này. Auto Scroll Lựa chọn tùy chọn này nếu muốn cửa sổ Packet Sniffer tự động trượt xuống, để cho thông điệp mới nhất luôn luôn xuất hiện ở dưới cùng của cửa sổ Packet Sniffer. Nhấn nút Play hoặc chọn Operation>Start Sniffing/Playback để bắt đầu giám sát thời gian thực. Những thông điệp đã nhận sẽ hiển thị trên cửa sổ Packet Sniffer. Hình 4.12 cho thấy một ví dụ điển hình của một nốt mạng mới tham gia vào mạng giao thức Zigbee. - - 99 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.12: Yêu cầu liên kết và trả lời - - 100 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Bảng 4.11: Mã màu của bảng Packet Sniffer VÙNG MÀU MAC Header Trắng MAC Commands and Beacons Đỏ NWK Header Vôi NWK Commands Fushia APS Header Vàng APS Playload/Decoding Nước Security Header and Encrypted Data Xanh dương Unknown Olive Hình 4.13 cho thấy một thông điệp được định tuyến từ nơi gởi đến đích cuối và một APS cấp độ Acknowledge được định tuyến ngược lại. Chú ý rằng sử dụng trình phân tích ZENA, ta có thể thấy rằng thông điệp đầu tiên được định tuyến dọc theo cây mạng, trong khi Acknowledge được định tuyến trực tiếp hơn. - - 101 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.13: Thông điệp ứng dụng với APS level Acknowledge - - 102 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Mỗi thông báo có thể chứa đựng nhiều thông tin, làm cho nó trở nên khó để quan sát trên màn ảnh. Cửa sổ Packet Sniffer có thể được trược, nhưng trình phân tích ZENA cũng đưa ra ba cấp độ quan sát khác nhau MAC, thông tin mức NWK và APS. Mỗi lớp có thể được cấu hình riêng rẽ trên cửa sổ Network Monitor bằng cách điều chỉnh “Verboseness Level”. Có ba cấp độ quan sát được đưa ra (nhìn Bảng 4.12 sau). Bảng 4.12 Giao thức ZigBee™ với chọn lựa cấu hình VERBOSENESS Cấu Hình Mô Tả Tùy Chọn Verbose Những Header cho mỗi vùng được cấp một mô tả giá trị tương ứng dưới header. Hình 4.13 cho thấy tất cả các lớp khi cấu hình “Verbose” Numeric Những Header cho mỗi vực được cấp với giá trị số của vùng kia ở dưới Header. Xem hình 4.14 Condensed Không có những vùng Header được cấp. Tất cả các Byte của vùng được đại diện bằng số với Byte giá trị nhỏ nhất đầu tiên. Xem hình 4.15 - - 103 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.14: Thông điệp ứng dụng với chế độ hiển thị NUMERIC - - 104 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.15: Thông điệp ứng dựng với chế độ hiển thị CONDENSED - - 105 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Dữ liệu có thể quan sát và phân tích tới một mức nào đó trong khi giám sát thời gian thực đang xử lý. Để dừng quá trình phân tích nhấn nút Stop hoặc chọn Operation>Stop Sniffing/Playback và nhấn nút Save hoặc File>Save để lưu dữ liệu phân tích cho lần sau. 4.5.2 Phân tích dữ liệu bắt được Khi dừng việc giám sát, trình phân tích mạng không dây ZENA có thể được dùng để thực hiện việc phân tích dữ liệu bắt được. Nếu giám sát thời gian thực đang được xử lý, dừng việc xử lý bằng cách nhấn nút Stop hoặc chọn Operation>Start Sniffing/Playback. Để xử lý dữ liệu bắt được trước đó, nhấn nút Open hoặc chọn File>Open và chọn tập tin dữ liệu muón phân tích. 4.5.3 Sử dụng bộ lọc gói Nhấp chuột vào nút Filter hoặc chọn Tools>Filter để mở rộng cửa sổ Network Monitor và hiển thị những tùy chọn cho bộ lọc. - - 106 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải Hình 4.16: Cấu hình bộ lọc gói Bộ lọc rất có ích cho việc chỉ hiển thị những gói được lựa chọn trong cửa sổ Packet Sniffer. Cho ví dụ, giả sử chúng ta muốn thấy tất cả những tín hiệu gói MAC Beacon được hiển thị thì cài đặt cho bộ lọc như sau: 1. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “MAC” ngoại trừ “MAC Beacon”. 2. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “NWK” 3. Bỏ tất cả checkboxes trong bảng “APS” 4. Bỏ tất cả “Source Address” và “Destination Address” 5. Chọn tùy chọn “OR” 6. Nhấn Apply Filter Cửa sổ Packet Sniffer sẽ hiển thị tất cả tín hiệu gói MAC Beacon và ẩn toàn bộ tín hiệu khác. - - 107 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải PHỤ LỤC HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Thông qua đề tài này chúng em đã có thể hiểu một cách rõ hơn về công nghệ truyền dẫn không dây còn khá mới mẻ Zigbee 802.15.4, từ mô hình giao thức đến thuật toán truyền tin và cơ bản về ứng dụng kết nối thiết bị. Zigbee có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống điều khiển và cảm biến với các ưu điểm vượt trội, giá thành thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao. Từ đó có thể thấy được tính ưu việt nổi trội của công nghệ mạng không dây Zigbee hiện nay. Tuy nhiên do thời gian và thiết bị hạn chế nên chương trình vẫn còn nhiều thiếu sót đó là chưa thay đổi được ID node do thiết bị cũ và firmware chưa hỗ trợ nên chưa được hoàn thiện, và mô phỏng được thuật toán tìm đường tối ưu cho một nốt cụ thể đến tất cả các nốt thành viên khác trong mạng, và tính toán được nhiễu xuyên kênh đến các thành viên lân cận. Việc tìm đường tối ưu là một yêu cầu rất quan trọng trong công nghệ zigbee vì nó giải quyết được vấn đề về hiệu quả năng lượng trong truyền tin và vấn đề chống xung đột của mạng. Hy vọng trong thời gian tới nếu có điều kiện em có thể tiếp tục hoàn thiện, phát triển và mở rộng chương trình, phân tích thêm nhiều ứng dụng, mô phỏng các thuật toán định tuyến trong Zigbee nhằm đưa ra phương pháp định tuyến tối ưu cho một nốt cụ thể, lập trình ứng dụng và nhúng vào trong chip thiết bị. - - 108 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải CÁC TỪ VIẾT TẮT IEEE : Institute of Electrical and Electronic Engineers WPAN : Wireless Personal Area Network PAN ID : PAN identifier QoS : Quality of Service MAC : Medium Access Control PHY : Physical Layer GTS : Guaranteed Time Slot CCA : Clear Channel Assessment LQI : Link Quality Indication ED : Energy Detection FFD : Full Funtion Device RFD : Reduced Function Device CLH : Cluster Head CID : Cluster Identifier PLME : Physical Layer Management PPDU : PHY Protocol Data Unit SHR : Synchronization Header PHR : PHY Header Ack : Acknowledgment MLMESAP : MAC sublayer management entity service access point SAP : Service Access Point MPDU : MAC Protocol Data Unit - - 109 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải CAP : Contention Access Period CFP : Contention Free Period CSMA-CA : Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance BI : Beacon Interval BO : Beacon Order SD : Superframe Duration MHR : MAC Header MFR : MAC Footer FCS : Frame Check Sequence MIC : Message Integrity AES : Advance Encryption Standard IFS : Inter-Frame Space FCFS : First-come-first-server CTR : Counter CBC : Cipher Block Chaining AODV : Ad hoc On Demand Distance Vector RREP : Route Reply Packet DD : Designated Deviece RREQ : Route Request AFG : Application Framework ZDO : Zigbee™ Protocols Device Objects APS : Applicatin Support Sublayer NWK : Network Layer SSP : Security Sevice Provider - - 110 Zigbee IEEE 802.15.4 GVHD:Ths. Lê Mạnh Hải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Microchip Stack for ZigBee Protocol, ZENA Analyzer Users Guide, ZigBee2006 Application Note AN1232A, , 2005 [2] Nilesh Rajbharti, AN965, [3] Samir R. Das, Charles E. Perkins, Elizabeth M. Royer, “Performance Comparison of Two On-demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks” [4] Chipcon, , 2005/03 [5] “IEEE Standards 802.15.4, IEEE 2003, ISBN 0-7381-3677-5 SS95127” [6] “IEEE 802.15.4 Standard Specification”, [7] “Figure 8 Wireless”, [8] ZigBee Alliance, ZigBee 802.15.4 Summary 2005/03 [9] Zigbee technical documents, www.zigbee.org [10] Mã nguồn mở tại trang web [11] [12] - - 111

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfTìm hiểu về công nghệ Zigbee IEEE 802154.pdf