Zigbee là gì? Tại sao các nhà phát triển nhà thông minh lại sử dụng công nghệ này?

Zigbee là gì?

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu cho công nghệ không dây được thiết kế để sử dụng tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân – PAN (personal area network) được ZigBee Alliance phát triển vào năm 1998.

ZigBee hoạt động dựa trên thông số kỹ thuật của IEEE 802.15.4 và được sử dụng để tạo các mạng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu thấp, hiệu quả năng lượng và kết nối mạng an toàn. Nó được sử dụng trong một số ứng dụng như hệ thống nhà thông minh, hệ thống sưởi và làm mát và trong các thiết bị y tế.

Đây là tiêu chuẩn sử dụng tín hiệu radio có tần số ngắn và cấu trúc với hai tầng gồm tầng vật lý và địa chỉ MAC giống với tiêu chuẩn 802.15.4. Các bạn có thể hiểu nôm na Zigbee = ZigZag + Bee, dạng truyền thông ZigZag kiểu như tổ ong.

Hơn nữa, Zigbee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các hãng có thể nhận biết ra nhau và tự kết nối với nhau dễ dàng hơn.

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. 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.

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, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh hiện nay.

TIÊU CHUẨN ZIGBEE VÀ LIÊN MINH ZIGBEE

Các tiêu chuẩn ZigBee được bảo trợ bởi 1 nhóm liên minh ZigBee. Liên minh này có hơn 150 thành viên, một số trong số đó là những bảo trợ chính và có ảnh hưởng quyết định đến tiêu chuẩn của ZigBee, bao gồm Ember, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung. Liên minh ZigBee cân nhắc đến nhu cầu của người sử dụng, nhà sản xuất và các nhà phát triển hệ thống để nâng cao tiêu chuẩn ZigBee.

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 2 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.

CÁC DẢI TẦNG SÓNG HOẠT ĐỘNG CỦA ZIGBEE

ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng:

• Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ.
• Dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật
• Và dải 2.4GHz cho các nước khác.

Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 250kbps.

Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps.

Như thế các tiêu chuẩn sẽ hoạt động trên khắp toàn cầu , mặc dù ở các dải tầng sóng khác nhau.

Công nghệ modun cũng thay đổi theo từng dải sóng sử dụng, Tất cả đều dùng công nghệ trải phổ rộng (Direct sequence spread spectrum – DSSS). Tuy nhiên modun của dải 868 và 915MHz dùng kỹ thuật điều chế pha nhị phân, còn ở dải 2.4GHz thì lại dùng kỹ thuật điều chế tín hiệu số có dịch pha (Offset quadrature phase shift keying – O-QPSK).

Thực tế cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong môi trường có dữ liệu dày đặc, hay trong vùng mà có nhiều đường truyền khác làm nhiễu thì hệ thống vẫn đảm bảo hoạt động liên tục đó là nhờ sự đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng lượng tiếp nhận và đánh giá kênh rõ ràng. Công nghệ đa truy cập nhận biết sóng mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) được sử dụng để xác định thời điểm truyền, và tránh được những va chạm trong đường truyền.

TRUYỀN DỮ LIỆU

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 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 104 bytes.

Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh  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.

Mô hình mạng Zigbee như thế nào?

Zigbee có ba dạng hình được hỗ trợ là dạng hình sao, dạng hình lưới và dạng hình cây. Mỗi dạng đều có ưu nhược điểm riêng của mình và sẽ được sử dụng tùy vào trường hợp khác nhau

 

• Với dạng hình sao (Star network): các nút con sẽ liên kết với nút chủ ở vị trí trung tâm.
• Với dạng hình lưới (Mesh network): Mạng này có độ tin cậy cao, mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng liên kết với các nút khác, cho phép tín hiệu truyền liên tục trong mạng và bền vững. Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sang nút khác.
• Với dạng hình cây (Cluster network): Là một bản mở rộng của hình lưới và có thể phủ sóng và mở rộng cao hơn.

Cấu trúc của Zigbee là gì?

Ngoài 2 tầng vật lý và MAC đã nói ở trên thì Zigbee còn 1 tầng nữa cho hệ thống bao gồm: Tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng đối tượng thiết bị (ZDO) và đối tượng ứng dụng.

• Tầng vật lý:  Cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ quản lý và dịch vụ dữ liệu (PHY). Tầng này có nhiệm vụ là kích hoạt/giảm kích hoạt các bộ phận nhận sóng, chọn kênh, phát hiện năng lượng, giải phóng kênh truyền, thu và phát gói dữ liệu trong môi trường truyền
• Tầng MAC: Tầng này sẽ cũng cấp dịch vụ dữ liệu và dịch vụ MAC. Dịch vụ dữ liệu MAC sẽ quản lý việc thu phát thông qua dịch vụ dữ liệu (PHY). Nhiệm vụ của tầng này là điều kiển truy cập kênh, điều khiển và giải phóng kết nối.
• Tần mạng: Cũng cung cấp 2 dịch vụ là mạng và bảo mật. Dịch vụ mạng sẽ thiết lập 1 mạng lưới các thành viên tham gia hoặc loại bỏ thành viên nếu được đưa vào mạng khác, gắn địa chỉ cho hệ thống mới được kết nối, đồng bộ tín hiệu giữa các thiết bị và định tuyến các gói tin truyền đi. Còn dịch vụ bảo mật thì có nhiệm vụ bảo vệ tầng MAC, các thông báo tín hiệu và khung tin xác nhận. Giúp thông tin di chuyển giữa các nốt mạng được đảm bảo.
• Tầng ứng dụng – APS: Giúp dò tìm các nốt trong vùng phủ sóng, duy trì và kết nối thông tin giữa các nốt mạng. Xác định vai trò của thiết bị trong mạng, thành lập các mối quan hệ cũng như là thiết lập và trả lời các kết nối giữa các thiết bị.
• 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: Đây là tầng mà bạn sẽ tiếp xúc với các thiết bị và thêm thiết bị vào mạng nếu cần.

Thành phần trong mạng ZigBee

Trong các mạng Zigbee cơ bản sẽ có 3 loại thiết bị là

• Zigbee Coordinator (ZC): Đây được gọi là thiết bị gốc có nhiệm vụ quyết định kết cấu mạng, quy đinh cách đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ. Mỗi mang chỉ có duy nhất một ZC và nó cũng là thiết bị duy nhất “nói chuyện” được với các mạng khác.
• Zigbee Router (ZR): Thiết bị này sẽ có nhiệm vụ định tuyến trung gian trong việc truyền dữ liệu, nó sẽ tự phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh cũng như là theo dõi và điều khiển các nút hoạt động bình thường.
• Zigbee End Device (ZED): Gọi là thiết bị điểm cuối và nó sẽ giao tiếp với ZC và ZR ở gần nó nhất. Chúng có nhiệm vụ đọc thông tin từ các thành phần vật lý, chúng thường ở trạng thái nghỉ và chỉ làm việc khi cần chuyển hoặc nhận thông điệp nào đó.

Lợi ích của ZigBee là gì?

Nhờ vào đặc điểm truyền tải tín hiệu xa và ổn định nên Zigbee được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp tự động hóa đặc biệt là trong các hệ thống nhà thông minh. Dưới đây là các ưu điểm khi áp dụng ZigBee:

• Dễ dàng lắp đặt: Việc lắp đặt các thiết bị dùng ZigBee rất dễ dàng
• Kết nối internet: Bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị thông qua kết nối Internet từ bất kỳ đâu trên thế giới. Giúp điều khiển nhà thông minh dễ dàng hơn.
• Tiết kiệm năng lượng: ZigBee tiêu tốn rất ít năng lượng cho nên sẽ giúp tiết kiệm điện tối đa.
• Khả năng mở rộng cực lớn: Các thiết bị cùng hệ thống sẽ có thể kết nối với nhau tạo nên 1 vùng phủ sóng cực lớn, giúp các thiết bị nhà thông minh kết nối với nhau dễ dàng.
• Sử dụng mã hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao
• Dễ dàng mở rộng: Zigbee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống.

Nhược điểm của ZigBee là gì?

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ZigBee cũng có một vài nhược điểm ví dụ như:

• Không thể phủ rộng hết toàn bộ nhà có diện tích quá rộng, chúng ta sẽ cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng.
• Không xuyên tường mạnh được, nếu nhà nhiều phòng thì sẽ bị giảm tín hiệu
• Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây. Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm chung của tất cả các loại sóng khác.

Khả năng truyền tín hiệu

Với công nghệ Zigbee, tín hiệu có thể truyền xa tối đa 75m tính từ trạm phát và có khả năng phát xa hơn rất nhiều từ các nút phát khác trong cùng hệ thống.

Dữ liệu sẽ được truyền theo gói, mỗi gói tối đa 128 bytes và cho phép tải xuống tối đa 104 bytes

Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng một 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.

ZigBee là một dạng kết nối rất mạnh mẽ và linh hoạt, với khả năng kết nối nhiều thiết bị, chống nhiễu tốt và tương tác với các thiết bị trong cùng 1 mạng hoàn hảo nên đây sẽ vẫn là 1 loại kết nối được sử dụng rộng rãi trong thời gian tới cũng như các giải pháp nhà thông minh trong tương lai.

Nguồn: Sưu tầm Internet