ZigBee là gì ?

IoT Wireless technology including Bluetooth, Zigbee, Z-wave, Proprietary wireless, Thread, Wi-Fi, Wi-Sun

ZigBee là gì ?

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). Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng. Chuẩn Zigbee được phát triển và xúc tiến bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON….

Cấu trúc của mạng ZigBee

Cũng giống như trong truyền thông công nghiệp, khi thực hiện một giao thức truyền thông, người ta thường phải dựa trên một mô hình kiến trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của kiến trúc tương ứng. Trong truyền thông công nghiệp ta đã biết đến đó là mô hình qui chiếu OSI 7 lớp.

Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp – Stack) trong kiến trúc Zigbee

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 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…

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.

Khả năng tương thích tốt.

Nó được xem là một giải pháp thay thế cho Wi-Fi và Bluetooth của một số ứng dụng bao gồm các thiết bị sử dụng năng lượng thấp mà không cần nhiều băng thông - như các hệ thống cảm biến trong nhà thông minh.

Ví dụ, bạn có bóng đèn và công tắc đèn được hỗ trợ Zigbee. Bạn muốn công tắc có thể điều khiển được bóng đèn, thì hãy sử dụng mạng lưới kết nối Zigbee dù cả hai thiết bị này thuộc nhà sản xuất khác nhau. Chỉ cần đảm bảo chúng có thể hiểu được cùng một ngôn ngữ chung để không có rào cản về mặt giao tiếp là được.

Trên thực tế, khi sử dụng nhiều thiết bị có hỗ trợ Zigbee trong hệ thống nhà thông minh, vẫn diễn ra sự cố về trường hợp thiết bị không thể kết nối, do có quá nhiều thiết bị khác muốn kết nối với bộ điều khiển trung tâm. Đó là lí do vì sao bạn cần sử dụng các thiết bị có giao thức kết nối không dây để không làm cho hệ thống trở nên bị rối, cồng kềnh. 

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.

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.

Mô hình mạng Zigbee

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.

Mô hình mạng Zigbee

• 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.

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.

Quá trình thiết lập trong một mạng Zigbee như sau:

Quét mạng (Network Scan): Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tín hiệu, ví dụ nếu dùng dải tần 2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị sẽ chọn kênh phù hợp nhất để giao tiếp trong mạng. Ta gọi đó là sự chiếm chỗ: ocupacy.

• Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênh hoặc gia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn.
• Phát hiện thiết bị: Thiết bị sẽ yêu cầu mạng phát hiện ra địa chỉ của mình trên các kênh được kích hoạt.
• Phát hiện dịch vụ: Thiết bị quét các dịch vụ được hỗ trợ trên thiết bị trong phạm vi mạng.
• Liên kết: Thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các lệnh và các tin nhắn điều khiển.

Các dải tần sóng hoạt động của Zigbee

Zigbee sẽ hoạt động ở một trong ba tần chính là:

• 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.
• 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.

Các ứng dụng của ZigBee

Nhà thông minh: Công nghệ ZigBee chứng tỏ là công nghệ đáng tin cậy nhất trong việc hiện thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome). Các ứng dụng khác nhau như kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ năng lượng, quản lý nước, kiểm soát ánh sáng , vv đã được thực hiện dễ dàng hơn thông qua tự động hóa bằng công nghệ ZigBee.

Tự động hóa : Các thiết bị RFID dựa trên ZigBee giúp cung cấp quản lý truy cập đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp. Các ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình, quản lý năng lượng, theo dõi nhân sự, v.v.

Chăm sóc sức khỏe: Một ví dụ phổ biến của tự động hóa chăm sóc sức khỏe là theo dõi sức khỏe từ xa. Một người đeo thiết bị ZigBee với cảm biến đo thông số cơ thể thu thập thông tin sức khỏe. Thông tin này được truyền trên mạng ZigBee đến mạng Giao thức Internet (IP) và sau đó đến nhân viên chăm sóc sức khỏe (bác sĩ hoặc y tá), người sau đó sẽ kê đơn thuốc phù hợp dựa trên thông tin nhận được.

Quản lý, giám sát năng lượng: Các hoạt động của Zigbee trong lưới điện thông minh này bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa , định vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v.v.

Vì sao nên sử dụng ZigBee?

• Tính ổn định

Mạng ZigBee hình lưới có đặc điểm tự thích nghi, tức là chúng có khả năng tự xây dựng lại và hoạt động như bình thường ngay cả khi một vài nút bị hỏng, hoặc tìm đường đi khác khi đường đi thông thường bị chặn – đây đều là những tình huống có thể xảy ra trong hệ thống công nghiệp.

Auto Routing???

• Tính bảo mật

Chuẩn ZigBee hỗ trợ bảo mật trên nhiều tầng, gồm có tầng xác thực cơ bản, mã hóa AES 128bit, bảo mật trong cơ cấu hình thành và sát nhập nút mới vào mạng.

• Khả năng mở rộng

Cơ chế định địa chỉ 64bit có thể mở rộng đến 65000 mạng, có khả năng bao quát toàn bộ nhà máy công nghiệp.

• Giá thành rẻ

Bao gồm chi phí mua thiết bị, chi phí lắp đặt và chi phí bảo trì. Các thiết bị ZigBee có thể hoạt động bằng pin chính trong vài năm mà không cần có bộ sạc, đồng thời các nút có thể hoạt động ở chế độ nghỉ (sleep mode) giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng.

• Khả năng hỗ trợ

Chuẩn mở với nhiều nhà cung cấp, hỗ trợ nhiều ứng dụng và ngày càng được cải tiến, phát triển rộng rãi

Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều thiết bị hỗ trợ giao thức ZigBee. Các thành phần cảm biến, cơ cấu chấp hành, PLC đều có phiên bản ZigBee tương đương với chúng. Bên cạnh đó, các hệ thống cũ đang hoạt động cũng có thể được trang bị truyền thông ZigBee bằng cách kết nối thêm các thành phần module ZigBee, modem cảm biến, cổng giao tiếp dữ liệu (gateway)…