document1

Bài 2: Chuẩn mạng không dây

2.2.2 Zigbee

Zigbee là tên một kiến trúc mạng được đưa ra bởi liên minh ZigBee Alliance, một hiệp hội công nghiệp đang chú trọng đẩy mạnh việc sử dụng các mạng điện năng lượng thấp cho các ứng dụng trong tự động hóa nhà, tự động hóa công nghiệp, tự động hóa trong xây dựng và trong các trò chơi. Trong khi tính an toàn của mạng được đảm bảo, chú trọng vào việc tiết kiệm năng lượng cho pin hoặc các ứng dụng tiêu tốn điện năng khác. Zigbee Alliance được hỗ trợ phát triển từ chuẩn IEEE 802.15.4 cho các mục đích của nó. Trong suốt quá trình đó, cựu hiệp hội HomeRF bị giải thể, và rất nhiều trong số họ đã tới để hỗ trợ Zigbee.

Tính đến giữa năm 2007, có một vài triển khai quảng cáo của Zigbee. Chipcom và Freescal đã công bố chip của họ có hỗ trợ Zigbee. Cả hai đều chỉ làm việc trong khoảng băng tần 2,4 GHz. Freescal sử dụng họ vi điều khiển M68HC08 với chip RF Packet Radio. Các chuẩn giao thức 802.15.4 và Zigbee được triển khai trong phần mềm. Một số nhà sản xuất khác bao gồm Intel, Texas Instruments, Atmel, and Phillips cũng đã phát triển chip. Khó khăn đầu tiên đã đạt được, các thông số kỹ thuật công suất thấp cần thiết để hỗ trợ nguồn pin, ít tiêu hao điện năng.

Ember Corp đã thông báo rằng các sản phẩm EmberNEt của hãng được sản xuất bằng công nghệ Chipcom silicon cho lưới cảm biến không dây hoạt đông. Những sản phẩm trước đó đã được sử dụng bộ đàm riêng, hoạt động đơn lẻ trong khoảng 915 MHz và 2,4 GHz các dải ISM như Zigbee. Việc cho ra các sản phẩm Zigbee là một sự kiện quan trọng.


Millennall đã công bố các sản phẩm mạng cảm biến phù hợp với thông số kỹ thuật ZigBee. Millennall cũng sản xuất các sản phẩm I-Bean, công suất thấp 915 MHz trong dải tần hẹp, như là thành phần được sử dụng bởi các nhà sản xuất sản phẩm. Một trong những sản phẩm gần đây sử dụng một công nghệ thu năng lượng từ Ferro, trong đó những rung động được dung để chạy giao diện truyền thông, hoàn toàn không cần tiêu thụ năng lượng pin. Việc tiêu thụ điện năng thấp của ZigBee làm cấu hình này có thể thực hiện

Mattel hỗ trợ việc phát triển sớm của chuẩn IEEE 802.15.4 vì sự phù hợp của nó với đồ chơi điều khiển từ xa Mattel, Leviton để hỗ trợ điều khiển chiếu sáng không dây và Eaton / Cutler Hammer cho phù hợp với các sản phẩm tự động hóa công nghiệp của Eaton. Các ứng dụng này đã đảm bảo rằng các yêu cầu về năng lượng rất thấp vẫn nằm trong số các ưu tiên của các nhà phát triển.

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một chuỗi trực tiếp lây lan phổ giao diện ở mức độ thấp cho một mạng lưới có khả năng truyền dữ liệu qua các khu vực có điện áp cao, nhiều kim loại ở những khoảng cách lên đến 100m. Bên cạnh việc chống được điện áp cao, tiêu chuẩn quy định việc sử dụng các mạng lưới để vượt qua những đường dây cản trực tiếp và để cung cấp con đường thay thế định tuyến trong trường hợp mất mạng tạm thời. Mạng lưới cũng cung cấp một cách thuận tiện để mở rộng khoảng cách phủ sóng cho mạng ZigBee, vì khoảng cách giới hạn chỉ áp dụng đối với các đơn vị ở xa nhất. khoảng cách Giao thức ZigBee cung cấp cơ chế cần thiết để loại bỏ các tin nhắn nhận được từ dự phòng thay thế trong lưới.

IEEE 802.15.4 chỉ định nghĩa các truyền thông radio (lớp vật lý) và giao thức (lớp liên kết dữ liệu) cho cả liên kết sao điểm – điểm và ngang hàng. Liên minh đã định nghĩa các lớp mạng mà xác định sao, cây, ngang hàng. Ngoài ra, ZigBee đang định nghĩa các lớp cấu hình ứng dụng cho nhiều ứng dụng. Ban đầu


Phạm vi ứng dụng để phát triển là tự động hóa công nghiệp, điều khiển nhà thông minh, và tự động hóa trong xây dựng. Thêm vào đó, một hồ sơ cá nhân được phát triển cho Automated Meter Reading.

IEEE 802.15.4 Technology

Lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu cho ZigBee được định nghĩa bởi chuẩn IEEE 802.15.4 .Hình 7 minh họa biểu đồ của chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee.

Hai mục tiêu chính của chuẩn IEEE 802.15.4 là giá thành và điện năng thấp, điều đó dẫn đến sự phức tạp và đơn giản thấp. Để đảm bảo tốc độ dữ liệu phải tang tính phức tạp của giao thức, bởi vậy 802.15.4 chỉ sử ụng hai tốc độ truyền dữ liệu khác nhau: 250 Kbps cho tốc độ cao và 20 Kbps cho tốc độ thấp, ứng dụng công suất rất thấp.


44.

Mạng lưới của các cảm biến và cơ cấu chấp hành được sử dụng trong điều khiển quá trình có xu hướng bị phân tán. Trong khi các cảm biến và cơ cấu chấp hành được sử dụng để tự động hóa nhà máy có xu hướng phù hợp với các loại máy móc lớn. Thông thường một mạng sao có thể tốn kém về hệ thống dây điện, nhưng một mạng sao là rất đơn giản và không tốn kém cho các công trình lưới không dây cho một trong hai nhà máy tự động hoặc điều khiển quá trình. Tuy nhiên, khi khoảng cách đối với bất kỳ một thiết bị vượt quá mức tối đa, hoặc khi thiết bị cần giao tiếp với các thiết bị khác của nội bộ, mạng peer-to-peer có thể hiệu quả hơn. Cấu trúc mạng peer-to-peer đã được bao gồm trong lớp liên kết dữ liệu là rất đơn giản và được cung cấp để cho phép sự hình thành các cụm liên kết công nghiệp và để thực hiện kết nối mạng lưới tại lớp mạng ZigBee.

Zigbee hỗ trợ các thiết bị có độ trễ thấp,nhiều thiết bị sản xuất ít dữ liệu, chẳng hạn như s một xung khi sự kiện xảy ra, nhưng họ sản xuất nó theo chu kì. Tế bào quang điện đếm sản phẩm, và máy đo tốc độ sản xuât dữ liệu tốc độ là một ví dụ 802.15.4 cung cấp thời gian đảm bảo cho các loại thiết bị trong đó thiếu dữ liệu hoặc một xung duy nhất không thể được phục hồi.

Giao thức cơ bản của 802.15.4 là Carrier Sense Multiple Access với Collision Avoidance(CSMA-CA). Trên lưới mạng rất đơn giản, các chế độ không đèn báo hiệu có thể được sử dụng, cho phép các va chạm thường xuyên và phát lại trên các mạng quan trọng chế độ đèn hiệu được sử dụng. Ở đây, các nút hoạt động như một mạng điều phối viên mạng, phân xử lưu lượng mạng để ngăn chặn va chạm bằng cách gán các nút đến một trong mười sáu khe thời gian cụ thể, trên cụm cây lớn và các mạng lưới, một số nút cũng được chỉ định là thiết bị định tuyến mạng, và các các nút gán khung thời gian để ngăn va chạm lỗ thông hơi. Sau đó tất cả các nút có thể ngủ (chế độ công suất thấp) bất cứ khi nào chúng không được gọi để gửi hoặc nhận trong một khung thời gian. Hình 8 minh họa cơ chế khung thời gian cho 802.15.4.

Các thiết bị sau đó ngủ cho đến khi chúng sẵn sàng để xác định nếu có các tin nhắn. Chúng thức dậy trong thời gian để kiểm tra khung thời gian của chúng và có hành động thích hợp nếu có một tin nhắn. Nếu không, sau đó chúng có thể trở lại ngay lập tức để ngủ. Người ta ước tính rằng hầu hết các nút trong một mạng lưới đèn hiệu sẽ vẫn ngủ


45.

Khoảng 97,5% thời gian. Trạng thái ngủ tiêu hao năng lượng thấp nên các vi điều khiển có thể tiết kiệm năng lượng, do đó sự lộn xộn trong băng tần số có thể giảm và để tránh hầu hết cac nguồn nhiễu.

Các thiết bị thường được đề cập với một địa chỉ ngắn (16 bit), trong đó giới hạn số lượng các nút trong một mạng con bất kì đến 255. Các mạng con được xác định bởi các trạm và được quản lý bởi một tín hiệu. Trong chế độ giải quyết đầy đủ, các nút có thể được giải quyết trực tiếp bởi 64 bit địa chỉ dài của nó, chẳng hạn như trong qua trình thiếp lập mạng.

Mỗi tin nhắn được gửi tới một nút được thừa nhận bới việc sử dụng một khung ngắn có hiệu quả cao.

Việc tiêu thụ điện năng thấp được kích hoạt bằng cách sử dụng một giao thức rất đơn giản và cho phép tất cả các nút điều khiển từ xa chạy bằng pin để ngủ hầu hết thời gian. Thời gian rảnh cho phép mỗi nút ngủ trong khi đang đợi tới lượt.


46.

Tiêu chuẩn này quy định rằng công nghệ 802.15.4 nên hoạt động ở ba băng tần số khác nhau để phù hợp một số tần số tại các quốc gia khác nhau, trong đó sự phê duyệt của tiêu chuẩn sẽ được tìm kiếm. Có mười sáu kênh trong băng tần ISM 2,4 GHz được áp dụng ở khắp mọi nơi trên thế giới, mười kênh trong băng tần ISM 915 MHz chỉ áp dụng ở Bắc Mỹ, và một kênh trong các băng tần châu Âu 868 MHz. Hình 9 minh họa việc phân bổ tần số cho IEEE 802.15.4

Các tính năng của giao thức 802.15.4 đóng góp nhiều nhất cho tuổi thọ pin được lâu là chu kì làm việc cực kỳ thấp. Mỗi một nguồn pin cho nút mạng được dự kiến ngủ 97.5% thời gian làm việc. Các nút hoạt động bộ đinh tuyến tạo ra các tín hiệu về lộ trình thời gian tín hiệu. Các nút điều phối mạng có xu hướng là nút cấp nguồn, không phụ thuộc để giảm việc tiêu thụ năng lượng. Hình 10 minh họa cấu trúc liên kết của một mạng ZigBee.

2.2.3 WIMedia (IEEE 802.15.3)

Mục tiêu của IEEE 802.15.3 là phát triển thay thế tốc độ dữ liệu cao dung phương pháp cho cá vùng mạnh cá nhân. Việc này không làm được và đã được chấm dứt


47.

Bởi IEEE, nhưng công việc được tiếp tục bởi Liên minh WiMedia Alliance và UWB-Forum. Ủy ban đã xác định UltraWide-Band (UWB) là công nghệ được chọn. Tuy nhiên, UWB là vẫn còn mới và việc sử dụng nó cho các mạng đang trong giai đoạn hình thành. Ủy ban tiêu chuẩn tạm thời chấp thuận việc sử dụng các băng tần đa tần số trực giao division multiplexing (MoDFM), mô phỏng các xung vị trí ban đầu điều chế tín hiệu UWB bây giờ gọi là DS-UWB (Direct Sequence UWB) hoặc một số lần CSS (chirp Spread Spectrum.)

WiMedia được tạo ra nhằm tạo sự kết nối nội bộ các thiết bị tốc độ cao như video streaming trên một khoảng cách ngắn. Giúp cho việc thay thế dây cứng, do đó đơn giản hóa quá trình kết nối các thiết bị giải trí gia đình. Giống với các WPANS khác, khoang cách kết nối dự kiến là từ vài mm tới 10 mét. Nhà chức trách FFC chấp thuận việc sử dụng UWB cho phép các dải tần số trùng tần số khác được giao. Những tiền đề cho quyết định này là các tín hiệu tại mỗi tần số là quá ngắn và ít năng lượng mà các dịch vụ vô tuyến điện khác sẽ xem nó như tiếng ồn xung. FFC đã buộc WiMedia để hoạt động băng tần trong dải 3.1 – 10.6 MHz và loại trừ tất cả các tín hiệu từ bang tân GPS ở 1.228 và 1.575 GHz. Hình 11 minh họa phép gán tần số cho UWB và đánh giá năng lượng bị hạn chế yêu cầu.


48.

WiMedia đang được thiết kế cho tốc độ dữ liệu cao từ 54 đến hơn 500 Mbps. Trong khi tốc độ dữ liệu cao như vậy có thể hiện nay không cần thiết trong tự động hóa công nghiệp. Các khách hàng tiềm năng của hệ thống liên kết

document1

Documents