ZigBee là gì ? Chuẩn mạng không dây ZigBee
Tìm hiểu về công nghệ mạng ZigBee
So với trước đây, công nghệ truyền tải thông tin chủ yếu dùng cáp quang, cáp đồng, nhưng hiện nay các công nghệ vô tuyến, vệ tinh, không dây ngày càng phát triển rộng rãi, giảm thiểu tối đa các thiết bị cồng kềnh. Những công nghệ không dây hiện nay có thể kể đến như Bluetooth, Wifi, Wibree, NFC, Wireless USB, Wimax, Zigbee,… Mỗi một tiêu chuẩn mang những chức năng, thiết kế, ưu nhược điểm khác nhau, đáp ứng nhu cầu của người dùng.
Một trong số những tiêu chuẩn của công nghệ không dây có Zigbee, đây là một tiêu chuẩn mở toàn cầu có thiết kế dựa trên tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số mang năng lượng thấp, chủ yếu được triển khai cho các khu vực mạng dành riêng cho cá nhân PAN – Personal Area Network. Zigbee được phát triển vào năm 1998 bởi ZigBee Alliance.
ZigBee Alliance là một liên minh có hơn 150 thành viên, chủ yếu là các tập đoàn, hãng chuyên sản xuất kinh doanh về kỹ thuật công nghệ. Tầm ảnh hưởng của các thành viên lớn như Samsung, PhiLips, Mitsubitsi, Ember, Honeywell, Invensys và cả Motorola quyết định đến tiêu chuẩn của ZigBee, nhằm hướng đến hiệu quả trong nhu cầu sử dụng của người dùng, kể cả nhà sản xuất và phát triển, từ đó ngày càng cải thiện, nâng cao chất lượng tiêu chuẩn của ZigBee trong hiện tại và tương lai.
ZigBee là mạng gì
ZigBee hoạt động dựa trên các thông số kỹ thuật chuẩn IEEE 802.15.4. ZigBee sử dụng tín hiệu radio có tần số tương đối ngắn, cấu trúc cơ bản của ZigBee bao gồm tầng vật lý và địa chỉ MAC, ngoài ra, ZigBee còn thiết lập trên các tầng khác nhằm mục đích, các thiết bị cùng hãng có thể nhận diện ra nhau và tự tạo kết nối một cách dễ dàng. Nhờ vào kiểu thiết kế truyền thông đặc thù theo hình Zigzag tương tự như tổ ong mà ZigBee có khả năng cho phép nhiều nhóm thiết bị truyền thông tin với nhau trong cùng một khoảng thời gian. Phạm vi cho phép truyền thông trong mạng ZigBee hiện nay từ 75 mét đến khoảng vài trăm mét, ưu điểm hơn so với Bluetooth hay Wibree.
Cũng tương tự như những chuẩn không dây khác, nhưng Zigbee có những đặc thù riêng chỉ ứng dụng ở một số mảng nhất định. ZigBee chủ yếu được sử dụng để tạo ra các mạng có yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu thấp nhưng vẫn đảm đảo về hiệu quả năng lượng và kết nối mạng bảo mật, an toàn. Các ứng dụng thực tế như smart home – nhà thông minh, hệ thống sưởi.
Những lợi ích mà ZigBee mang lại
Với đặc tính truyền tải tín hiệu đi xa nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định mà ZigBee được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tự động hoá, đặc biệt trong hệ thống smart home với những ưu điểm nổi trội hơn so với các chuẩn công nghệ không dây khác:
-Việc lắp đặt các thiết bị ZigBee đơn giản và dễ dàng.
-Điều khiển các thiết bị trong hệ thống thông qua Internet một cách dễ dàng và thông minh.
-Khi các thiết bị kết nối với nhau sẽ tạo nên một vùng phủ sóng rộng khắp, mang đến hiệu quả kết nối trong hệ thống.
-Độ bảo mật, an toàn mạng cực kỳ cao nhờ sử dụng mã hoá AES-128.
-Một hệ thống ZigBee có thể được triển khai với số lượng thiết bị lên đến 65000 cái.
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó, ZigBee vẫn còn tồn tại một số nhược điểm chưa thể khắc phục tốt, chẳng hạn như:
-Diện tích để phủ sóng ZigBee quá rộng, cần phải có thiết bị Repeater thì mới có đủ khả năng phủ sóng hết toàn bộ diện tích.
-Tín hiệu ZigBee suy giảm khi qua nhiều lớp tường.
-Mặc dù có thể truyền đi xa nhưng tính ổn định vẫn không thể so sánh bằng đi dây trực tiếp, đây cũng chính là nhược điểm chung của các loại chuẩn mạng không dây khác.
Khả năng truyền tín hiệu của ZigBee
Chuẩn mạng không dây ZigBee có thể truyền đi xa từ 75 mét trở lên bắt đầu từ trạm phát, tín hiệu ZigBee còn có thể phát đi xa hơn đến các nút mạng khác trong hệ thống.
Toàn bộ dữ liệu được truyền trong hệ thống mạng ZigBee được truyền dưới dạng gói tin, quy định kích thước mỗi gói tối đa 128 bytes và chỉ cho phép tải xuống với tối đa 104 bytes.
Chuẩn ZigBee hỗ trợ cho cả 2 loại địa chỉ 32 bit và 64 bit. Để có thể xác định các thiết bị nào cùng có một 1 địa chỉ IP duy nhất sẽ dựa trên loại địa chỉ 64 bit. Đối với địa chỉ ngắn được sử dụng trong trường hợp khi mạng được thiết lập, lúc này hệ thống cho phép hơn 65000 nút mạng được liên kết với nhau.
ZigBee hoạt động ở những dải tầng sóng vô tuyến nào?
Tầng số vô tuyến có nhiều dải tầng khác nhau, mỗi chuẩn công nghệ không dây với những đặc thù riêng biệt hoạt động ở những dải tầng khác nhau và được qui định rõ ràng. ZigBee qui định hoạt động tại 3 dải tầng khác nhau ứng với 3 khu vực khác nhau, như sau:
-Khu vực châu Âu và Nhật Bản, ZigBee hoạt động ở dải tầng 868 MHz, với một kênh số 0 và tốc độ truyền tải tương đối thấp chỉ ở khoảng 20 kb/s.
-Khu vực Bắc Mỹ, ZigBee hoạt động ở dải tầng 915 MHz, với 10 kênh tín hiệu được đánh dấu từ 1-10 và tốc độ cao hơn khu vực dải tầng 868 MHz 40 kb/s.
-Các nước còn lại, ZigBee hoạt động ở dải tầng 2.4 GHz, dải tầng này có đến 16 kênh tín hiệu được đánh dấu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao 250 kb/s.
Điều khiển các thiết bị từ xa dễ dàng khi dùng sóng ZigBee
ZigBee sử dụng, thiết kế từng loại Module phụ thuộc theo dải sóng được quy định trong vùng hoạt động, công nghệ trải phổ, kỹ thuật điều chế tín hiệu và kỹ thuật đa truy nhập. 3 dải tầng ZigBee hoạt động với module được dùng công nghệ trải phổ rộng DSSS – Direct sequence spread spectrum, nhưng các kỹ thuật điều chế tín hiệu thì khác nhau, cụ thể như:
-Ở dải tầng 868 Mhz và 915 Mhz, Module dùng kỹ thuật điều chế pha nhị phân BPSK – Binary Phase Shift Keying.
-Ở dải tầng 2.4 Ghz, Module dùng kỹ thuật điều chế tín hiệu dịch pha O-QPSK – Offset Quadrature Phase Shift Keying.
ZigBee áp dụng công nghệ đa tury nhập nhận biết sóng mang CSMA – Carrier Sense Multiple Access nhằm mục đích xác định đúng thời gian truyền tín hiệu, từ đó phát hiện được năng lượng tiếp nhận, tính toán tránh được những va chạm xảy ra trên đường giữa các sóng mang mang tín hiệu, đánh giá được chất lượng kênh rõ ràng. Vì thế, ZigBee có ưu thế hoạt động tốt ngay cả những khu vực có mật độ tín hiệu dày đặc bao gồm cả nhiễu
Đặc điểm trong mô hình mạng của ZigBee
Để hoạt động có hiệu quả và tối ưu khả năng, ZigBee thường có 3 dạng mô hình mạng để triển khai, bao gồm hình sao, hình lưới và hình cây. Dựa vào từng đặc tính riêng, ưu nhược điểm, mà mỗi mô hình được ứng dụng trong những trường hợp riêng.
-Star Network (Mạng hình sao): trong mô hình mạng này, nút chủ được đặt ở vị trí trung tâm, các nút con sẽ liên kết với nút chủ.
-Mesh Network (Mạng hình lưới): các nút liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành một mạng lưới, mỗi nút trong mạng đều có thể liên kết với các nút còn lại. Mô hình này mang ưu điểm về độ tin cậy cao, đảm bảo tín hiệu được truyền tải ổn định, liên tục và bền vững giữa các nút trong mạng.
-Cluster Network (Mạng hình cây): mô hình mạng này được mở rộng dựa trên mô hình lưới, tổ chức thành các cụm tạo thành hệ thống mạng giống như hình cây, có khả năng phu sóng cao hơn so với 2 mô hình sao và lưới.
Đặc điểm cấu trúc ZigBee
Ngoài cấu trúc cơ bản gồm 2 tầng vật lý và MAC, hệ thống ZigBee còn hỗ trợ các tầng như: mạng, hỗ trợ ứng dụng, đối tượng thiết bị và ứng dụng. Đặc điểm chính của mỗi tầng trong cấu trúc ZigBee như sau:
-Tầng vật lý: Tầng này cung cấp 2 loại dịch vụ gồm quản lý và dữ liệu (PHY). Nhiệm vụ chính gồm kích hoạt / giảm kích cac bộ phận tiếp nhận sóng, chọn và giải phóng kênh truyền, phát hiện năng lượng, thu và phát các gói dữ liệu.
-Tầng MAC: cung cấp dịch vụ dữ liệu và dịch vụ MAC. Tầng này dùng để điều khiển truy cập kênh, điều khiển và giải phóng các kết nối. Riêng dịch vụ MAC làm chức năng quản lý việc thu phát thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.
Công nghệ ZigBee là gì
-Tầng mạng: cung cấp 2 dịch vụ quan trọng gồm mạng và bảo mật. Dịch vụ mạng có chức năng thiết lập hoặc loại bỏ các thành phần trong mạng, gắn địa chỉ mới cho hệ thống mới được tạo kết nối, định tuyến luồng đi cho các gói tin và đồng bộ tín hiệu giữa các thiết bị. Dịch vụ bảo mật đảm nhận chức năng bảo vệ tầng MAC, các thông báo về tín hiệu cũng như các khung tin xác nhận, đảm bảo luồng thông tin troa đổi giữa các nút mạng được bảo đảm an toàn.
-Tầng ứng dụng APS: có chức năng tìm các nút mạng trong vùng ZigBee phủ sóng, đảm bảo duy trì kết nối thông tin giữa các nốt mạng. Xác định được vai trò của từng thiết bị trong mạng, từ đó xác lập các mối quan hệ, trả lời các kết nối giữa các thiết bị.
-Tầng đối tượng thiết bị ZDO: thực hiện quản lý các thiết bị, hỗ trợ tầng ứng dụng và tầng mạng, cho phép tìm kiếm thiết bị đồng thời quản lý các yêu cầu và xác định trạng thái của từng thiết bị trong mạng.
-Tầng đối tượng ứng dụng người dùng APO: bao gồm các thiết mạng mà người dùng có thể trực tiếp thay đổi.
Thành phần trong mạng ZigBee
Một mạng ZigBee cơ bản bao gồm 3 thành phần chính:
– Zigbee Coordinator (ZC): Thiết bị gốc và duy nhất có thể giao tiếp được với các mạng khác, đảm nhận nhiệm vụ quyết định đến kết cấu trong mạng, đưa ra các qui định về đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng ZigBee chỉ có duy nhất 1 thiết bị ZC làm chủ chốt.
– Zigbee Router (ZR): có nhiệm vụ định tuyến trung gian trên đường truyền dữ liệu, có khả năng tự phát hiện và tạo biểu đồ, theo dõi và điều khiển hoạt động của các nút.
– Zigbee End Device (ZED): đây là loại thiết bị đầu cuối giao tiếp được với 2 thiết bị ZC và ZR khi ở gần nó nhất. ZED mang nhiệm vụ đọc được các thông tin của từng thành phần vật lý, thông thường ZED chỉ hoạt động khi nhận được thông điệp, còn lại rơi vào trạng thái nghỉ.
Công nghệ không dây nói chung hay ZigBee nói riêng đã và đang là công nghệ luôn được thế giới không ngừng nghiên cứu và phát triển, phát huy tối đa những khả năng, ưu điểm, từ đó ứng dụng trong đời sống con người. ZigBee mang nhiều ưu điểm nổi trội trong kết nối mạnh mẽ, linh hoạt cùng khả năng chống nhiễu tốt, độ tương tác, liên kết giữa các thiết bị tương đối cao, đấy là những điểm nổi trội để ZigBee có thể được sử dụng trong những giải pháp nhà thông minh trong tương lai.
