Nghiên cứu tích hợp mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ Zigbee

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 19
NGHIÊN CƯ ́U TÍCH HỢP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 
DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ ZIGBEE 
RESEARCH ON INTEGRATING SENSORS NETWORK BASED ON ZIGBEE TECHNOLOGY 
Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Ngọc Linh* 
1. GIỚI THIỆU CHUNG 
1.1. Mạng cảm biến không dây [5] 
Mạng cảm biến không dây 
(Wireless Sensor Networks) là một 
mạng bao gồm nhiều nút cảm 
biến, được tích hợp các cảm biến 
đo thông số môi trường như cảm 
biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến độ 
ẩm đất, cảm biến ánh sáng và có 
khả năng giao tiếp không dây với 
các nút còn lại tạo nên một mạng 
cảm biến không dây phủ sóng một 
vùng nhằm giám sát, theo dõi và 
quản lý các thông số trong toàm 
bộ vùng đó. 
Một số ứng dụng của mạng 
cảm biến không dây: 
- Giám sát và điều khiển công 
nghiệp: Phục vụ việc thu thập 
thông tin, giám sát trạng thái hoạt 
động của hệ thống, như trạng thái 
các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ 
và áp suất của nguyên liệu được 
lưu trữ; hệ thống điều khiển không 
dây ánh sáng quảng cáo. 
- Tự động hóa gia đình và 
điện dân dụng: hỗ trợ các dịch vụ 
gia đình trên ôtô: ổ khoá không 
dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa 
sổ và các bộ điều khiển bóng đèn 
không dây. 
- Cảm biến trong quân sự: 
kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn 
dược, giám sát chiến trường, trinh 
sát vùng và lực lượng địch, tìm mục 
tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, 
trinh sát và phát hiện các vũ khí 
hóa học - sinh học - hạt nhân. 
- Cảm biến trong y tế và giám 
sát sức khỏe: cung cấp khả năng 
giao tiếp cho người khuyết tật; 
TÓM TẮT 
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các 
thiết bị với nhau như BlueTooth hay Wifi. Nhưng đối với những mạng quản lý các cảm biến trong các ứng dụng 
điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không thể đáp ứng 
được. Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần 
thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn 
giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn. Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, 
truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn 
sử dụng cho các ứng dụng mạng không dây. 
Trong nghiên cứu này, một mạng cảm biến không dây với công nghệ Zigbee ứng dụng trong nông nghiệp 
thông minh được tích hợp thử nghiệm với các đơn vị nhỏ nhất là các nút cảm biến có chức năng thu thập các 
thông số về môi trường, gửi đến trạm kiểm soát trung tâm và sau đó dữ liệu sẽ được gửi lên Database để quản 
lý và lưu trữ. Người dùng có thể theo dõi những thông số đó qua trang web hoặc điện thoại di động Android, từ 
đó đưa ra những quyết định phù hợp với cây trồng. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế giao diện sao cho trực quan, 
dễ dàng sử dụng nhất để bất cứ ai cũng có thể tiếp cận được. Đây sẽ là một sản phẩm có thể được nhân rộng 
trên một vùng rộng lớn hoặc phạm vi tỉnh, thậm chí quốc gia, liên kết các vùng nông nghiệp trồng trọt lại với 
nhau, đưa nền nông nghiệp thông minh trở nên phổ biến và phát triển mạnh ở Việt Nam. 
Từ khóa: Mạng cảm biến, công nghệ Zigbee, mạng không dây, đo lường các thông số môi trường 
ABSTRACT 
Nowadays, we apply many wireless technologies in high-speed data transfer between devices such as 
BlueTooth or Wifi. However, these technologies cannot satisfy the demands in control and automation, such as 
in household or hospital devices. They possess many shortcomings such as the use of broadband leading to 
unnecessary power consumption, using direct power sources, rarely using battery power sources, having 
narrow range of connectivity, high latency, single security mechanism (BlueTooth), requiring high-cost 
hardware devices. Thanks to wireless remote control, stable data transfer, ultra-low power consumption, open 
technology has made ZigBee technology attractive for wireless network applications. 
In this study, a wireless sensor network using Zigbee technology for smart farming was integrated with 
small units of sensor nodes collecting environmental parameters, sending them to the central control station. 
From there, data will be sent to the database for management and storage. Users can track those parameters 
through the web or an Android mobile phone, thus making the right decision for the crop. The team has 
designed the interface with intuitive, easy features,allowing easy access for anyone. This will be a product that 
can be replicated across a large area or province, even nation, linking farming areas together, enabling smart 
agriculture to become popular and thrives in Vietnam. 
Keywords: Sensor Network, Zigbee Technology, wireless network, measuring environment parameters. 
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 
*Email: nlnguyen@vnu.edu.vn 
Ngày nhận bài: 20/8/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 21/10/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 20
KHOA HỌC
kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý 
dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra từ xa các số liệu về 
sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh 
nhân bên trong bệnh viện. 
- Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh: 
Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn 
trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới 
mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; tính toán 
trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất 
trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và 
địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi 
trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. 
1.2. Công nghệ Zigbee [4] 
ZigBee là một giao thức mạng không dây được dùng 
để kết nối các thiết bị với nhau. Công nghệ ZigBee được 
xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE 
(Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu 
chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng 
ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và 
tầng MAC (medicum Access Control). Công nghệ ZigBee 
vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa 
ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị 
của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu 
chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng 
bảo mật của hệ thống. 
Bảng 1. Các phiên bản của Zigbee 
Phiên bản Chi tiết 
Zigbee 
2004 
Đây là phiên bản đầu tiên của ZigBee - được gọi là ZigBee 1.0, 
ra đời vào tháng 6/2005. 
Zigbee 
2006 
Phiên bản này giới thiệu khái niệm chùm, được ra đời vào 
tháng 9/2006. 
Zigbee 
2007 
Phiên bản tiếp theo ra đời tháng 10/2007 và có hai loại hình 
dạng khác nhau. 
Zigbee 
PRO 
Phiên bản này là 1 phiên bản của năm 2007 nhưng được 
nâng cấp lên để cài đặt nhanh hơn và tăng tính bảo mật cho 
hệ thống. 
RF4CE Là dạng tần sóng vô tuyến cho các thiết bị điện tử có ứng 
dụng âm thanh nghe nhìn, ra đời năm 2009. 
Cấu trúc của Zigbee: 
Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 
802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên 
của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, 
tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng. 
- Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết 
và gói tín hiệu vào không gian đồng thời giữ cho việc 
truyền tín hiệu được mạnh trong môi trường nhiễu. 
- Tầng MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận 
biết song mang CSMA để xác định hình dạng đường truyền 
để tránh va chạm xác định và xác định hình dạng mạng, 
giúp hệ thống mạnh và vững chắc. 
- Tầng mạng - NWK là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp 
tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 
lên dạng lưới. Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, 
xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới. 
- Tầng hỗ trợ ứng dụng - APS là tầng kết nối với tầng 
mạng và là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, 
giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng. 
- Tầng đối tượng thiết bị - ZDO có trách nhiệm quản lý 
các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, 
cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định 
trạng thái của thiết bị. 
- Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng - APO: là 
tầng mà ở đây người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này 
cho phép người dùng có thể tuỳ biến thêm ứng dụng vào 
hệ thống. 
Mô hình mạng Zigbee: 
Hình 1. Các mô hình mạng Zigbee 
ZigBee có 3 dạng hình mạng được hỗ trợ bởi ZigBee: 
dạng hình sao (Star), hình lưới (Mesh), và hình cây (Cluster 
Tree). Mỗi dạng hình đều có những ưu điểm riêng và được 
ứng dụng trong các trường hợp khác nhau. 
- Hình sao (Star network): Các nút hình sao liên kết với 
nút trung tâm. 
- Hình lưới (Mesh network): Mạng hình lưới có tính tin 
cậy cao, mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối 
với nút khác, nó cho phép truyền thông liên tục giữa các 
điểm nút với nhau và bền vững. Nếu có sự tác động cản trở, 
hệ thống có khả năng tự xác định lại cấu hình bằng cách 
nhảy từ nút này sang nút khác. 
- Hình cây (Cluster network): Mạng hình này chính là 1 
dạng đặc biệt của mạng hình lưới, dạng mạng này có khả 
năng phủ sóng và mở rộng cao. 
Đặc điểm và cấu trúc mạng Zigbee: 
Tín hiệu công nghệ Zigbee có thể truyền xa đến 75m 
tính từ trạm phát và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều 
nếu được tiếp tục phát từ các nút liên kết tiếp theo trong 
cùng hệ thống. 
Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes 
cho phép tải xuống tối đa 104bytes. Tiêu chuẩn này hỗ trợ 
địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ 64bit 
chỉ xác định được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất. 
Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử 
dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết. 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 21
2. NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG 
DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 
2.1. Mô hình hệ thống 
Hệ thống sử dụng mô hình mạng Zigbee hình sao (Start 
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. 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. 
Hình 2. Mô hình mạng Zigbee hình sao và sơ đồ khối tổng quan giữa các 
node và gateway 
Hình 3. Lưu đồ truyền dữ liệu từ các nút cảm biến 
2.2. Truyền nhận dữ liệu 
Lưu đồ truyền nhận dữ liệu từ các nút cảm biến tới trạm 
trung tâm như hình 3. 
Các nút cảm biến sẽ thực hiện truyền nhận dữ liệu đến 
thiết bị chủ Gateway thông qua giao thức Zigbee. Khi nút 
cảm biến nhận được dữ liệu từ Gateway gửi đến (là địa chỉ 
của Node), lập tức sẽ gửi khung truyền gồm 12 ký tự (bao 
gồm các thông số cảm biến) đến Gateway. 
Hình 4. Frame truyền dữ liệu qua Zigbee sử dụng giao tiếp UART 
Khung truyền là chuỗi 12 ký tự gồm: 5 ký tự là địa chỉ 
của Nút cảm biến, 2 ký tự nhiệt độ, 2 ký tự độ ẩm không khí, 
2 ký tự độ ẩm đất và 1 ký tự “#” để kết thúc khung (hình 4). 
Lưu đồ thuật toán từ các nút cảm biến tới trạm trung 
tâm như hình 5. 
Hình 5. Lưu đồ thuật toán của trạm kiểm soát dữ liệu 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 22
KHOA HỌC
Hình 6. Một frame truyền dữ liệu 
Từ thiết bị chủ Gateway sẽ truyền dữ liệu từ các nút cảm 
biến lên Server thông qua Internet giao thức TCP/IP. 
Gateway sẽ gửi dữ liệu là địa chỉ của từng Node trong 1 
khoảng thời gian nhất định lần lượt từ Node 1 đến Node 3. 
Khi nhận được dữ liệu các Node gửi về, sẽ thực hiện kiểm 
tra xem đó là dữ liệu từ Node nào gửi về. Sau đó sẽ thực 
hiện tách chuỗi nhận được từ Node, rồi gửi các thông số 
cảm biến của Node đó lên Server. 
Chuỗi ký tự này sẽ bao gồm 5 ký tự đầu là địa chỉ của 
Node, tiếp theo đó là ký tự dấu phẩy “,”, sau đó là giá trị 
cảm biến, mỗi giá trị cảm biến sẽ được ngăn cách bởi ký tự 
dấu phẩy, cuối cùng kết thúc chuỗi sẽ là ký tự “#” (hình 6). 
Khi thiết bị trung tâm Gateway nhận được từ Node 
sensor một chuỗi qua mạng Zigbee thông qua giao tiếp 
UART, vi điều khiển sẽ xử lý tách chuỗi để lấy tên địa chỉ 
Node gửi dữ liệu đến, các giá trị cảm biến của Node đo đạc 
được. Sau đó, sẽ gửi dữ liệu đã tách lưu trên Web Server. 
3. TÍCH HỢP HỆ THỐNG VÀ ĐÓNG GÓI SẢN PHẦM 
3.1. Nút cảm biến (Sensor Nodes) 
Sơ đồ chức năng của một nút cảm biến như hình 7. 
 .
Hình 7. Sơ đồ khối chức năng của 1 nút cảm biến 
3.2. Thiết bị trung tâm (Gateway) 
Hình 8. Sơ đồ khối chức năng thiết bị trung tâm 
Sơ đồ khối chức năng thiết bị trung tâm như hình 8. 
Thành phần của thiết bị trung tâm bao gồm: module 
nguồn, vi điều khiển có khả năng kết nối WiFi (ESP8266), 
màn hình hiển thị LCD và bộ truyền tín hiệu không dây 
(Zigbee). Trạm giám sát là thiết bị thu thập dữ liệu về thông 
số môi trường được gửi về từ các nút cảm biến. Thiết bị này 
sẽ phân tích các gói tin mà các nút cảm biến gửi đến, lấy 
các thông số về môi trường mà các nút cảm biến đo được, 
hiển thị chúng lên màn hình LCD và gửi chúng lên cơ sở dữ 
liệu qua Wifi. Thiết bị Gateway sử dụng vi điều khiển 
ESP8266 phiên bản V12E kết nối WiFi, thiết bị ngoại vi bao 
gồm module Zigbee CC2530 TTL giao tiếp UART, màn hình 
hiển thị LCD20x4. 
3.3. Xây dựng phần mềm giám sát, quản lý và lưu dữ liệu 
Hình 9. Truyền nhận dữ liệu từ Gateway lên Server 
Giao diện phần mềm bao gồm 2 giao diện chính là: Web 
và App trên điện thoại Android. Giao diện trên Android sẽ 
hiển thị các giá trị cảm biến theo thời gian thực của từng 
Node mà Gateway đã gửi lên. Giao diện trên Web cũng có 
chức năng tương tự trên ứng dụng Android xem dữ liệu 
thời gian thực. Tuy nhiên ở giao diện Web các giá trị cảm 
biến này sẽ được lưu trữ trên MySQL, vì vậy người dùng có 
thể theo dõi giám sát giá trị cảm biến từng Node theo ngày 
tháng, xem đồ thị từng ngày, lưu data vào file Excel. 
Để có thể truyền dữ liệu từ Gateway lên Server, Gateway 
sẽ kết nối WiFi và thực hiện Request một trang PHP (trang 
này có chức năng kết nối và gửi dữ liệu tới MySQL) sử dụng 
phương thức GET. Phương thức GET là phương thức gửi dữ 
liệu thông qua đường dẫn URL nằm trên thanh địa chỉ của 
Browser. Server sẽ nhận đường dẫn đó và phân tích trả về 
kết quả cho bạn. Server sẽ phân tích tất cả những thông tin 
đằng sau dấu hỏi (?) chính là phần dữ liệu mà Client gửi lên. 
Ví dụ: Với URL freetuts.net?id=12 thì Server sẽ nhận 
được giá trị id = 12. 
Để truyền nhiều dữ liệu lên Server ta dùng dấu & 
để phân cách giữa các cặp giá trị. Giả sử tôi muốn truyền 
id = 12 và title = 'method_get' thì URL sẽ có dạng 
hungelnino.com?id=12&title=method_get. 
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Sau quá trình nghiên cứu tích hợp, nhóm nghiên cứu đã 
xây dựng thành công mô hình mẫu 01 hệ thống mạng cảm 
biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp gồm có trạm 
giám sát, các node cảm biến, giao diện phần mềm giám sát, 
quản lý các dữ liệu thu thập được (hình 10). 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 23
Hình 10. Các nút cảm biến có tích hợp cơ cấu chấp hành 
Hình 11. Giao diện trên điện thoại Smartphone và Web 
Trên Smartphone, sẽ hiển thị các giá trị cảm biến theo thời 
gian thực của từng Node. Trên Web, dữ liệu cảm biến của 
từng Node sẽ được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu MySQL, người 
dùng có thể giám sát theo dõi các dữ liệu cảm biến từng 
ngày, xem đồ thị hoặc lưu trữ dữ liệu vào file Excel (hình 12). 
Hình 12. Dữ liệu hiển thị trên giao diện web 
5. KẾT LUẬN 
Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, 
tiêu thụ ít điện năng, cho phép triển khai trong nhiều điều 
kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ 
chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư 
hỏng sự cố đã tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm 
năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên để triển 
khai mạng cảm biến không dây, người thiết kế hệ thống 
cần phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, 
những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, 
cần quan tâm đến các tham số mạng, cần có sự mô 
phỏng đánh giá để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo 
cách tối ưu nhất. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. “Standard for part 15.4: Wireless MAC and PHY specifications for low rate 
WPAN,” IEEE, New York, NY, IEEE Std 802.15.4, Oct. 2003. 
[2]. Bob Heile, 2006. “Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New 
Opportunities with ZigBee”. 
[3]. Ricardo Augusto Rodrigues da Silva Severino, “On the use of IEEE 
802.15.4/ZigBee for Time-Sensitive Wireless Sensor Network Applications”, Thesis 
Master. 
[4]. 
trong-truyen-thong-cong-nghiep.html 
[5]. https://automation.net.vn/The-gioi-cam-bien/Tong-quan-ve-mang-
cam-bien-khong -day.html 
[6]. Derek Walter, Mark Sherman. “Learning MIT App Inventor – A Hands-On 
Guide to Building Your Own Android Apps”. 
[7]. Kumar, Vimal; Sanjay K. Madria (August 2012). "Secure Hierarchical 
Data Aggregation in Wireless Sensor Networks: Performance Evaluation and 
Analysis". MDM 12. 
[8]. ServersCheck. "Wireless temperature sensor for Data Centers". 
[9]. Sohraby, K., Minoli, D., Znati, T., 2007. Wireless sensor networks: 
technology, protocols, and applications. John Wiley and Sons. 
[10]. https://akizukidenshi.com/download/ds/aosong/DHT11.pdf 
[11]. https://firebase.google.com/docs/database/