ZigBee là gì? Công nghệ không dây Zigbee trong công nghiệp

ZigBee là gì?

Zigbee là công nghệ không dây dựa trên các tiêu chuẩn được phát triển để cho phép các mạng không dây giữa machine-to-machine (M2M) và internet of things (IoT) với chi phí thấp, công suất thấp.

Zigbee dành cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp, năng lượng thấp và là một tiêu chuẩn mở. Về mặt lý thuyết, điều này cho phép kết hợp các triển khai từ các nhà sản xuất khác nhau, nhưng trên thực tế, các sản phẩm của Zigbee đã được mở rộng và tùy chỉnh bởi các nhà cung cấp và do đó, bị cản trở bởi các vấn đề về khả năng tương tác. Trái ngược với mạng Wi-Fi được sử dụng để kết nối thiết bị đầu cuối với mạng tốc độ cao, Zigbee hỗ trợ tốc độ dữ liệu thấp hơn nhiều và sử dụng giao thức mạng lưới MESH để tránh các thiết bị trung tâm và tạo ra một kiến trúc tự phục hồi.

Thông số kỹ thuật Zigbee

Zigbee dựa trên đặc điểm kỹ thuật 802.15 của Hiệp hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE). Zigbee được xây dựng cho các mạng điều khiển và cảm biến trên tiêu chuẩn không dây IEEE 802.15.4 cho mạng khu vực cá nhân không dây (WPAN). Zigbee WPANs hoạt động trên các tần số 2.4 GHz, 900 MHz và 868 MHz.

Các thông số kỹ thuật của Zigbee, được Zigbee Alliance duy trì và cập nhật, nâng cao tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 bằng cách thêm các lớp mạng và bảo mật ngoài khung ứng dụng.

Các tiêu chuẩn do liên minh tạo ra có thể được sử dụng để tạo ra các dịch vụ có thể tương thích với đa động cơ. Các nhà sản xuất đang phát triển các ứng dụng tùy chỉnh không cần hoạt động với các ứng dụng của các nhà sản xuất khác có thể tạo các biến thể và tiện ích mở rộng cụ thể của riêng họ.

Theo bài viết này, có ba thông số kỹ thuật của Zigbee: Zigbee PRO, Zigbee RF4CE và Zigbee IP.

Zigbee PRO nhằm mục đích cung cấp nền tảng cho IoT với các tính năng hỗ trợ mạng chi phí thấp, có độ tin cậy cao để giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị. Zigbee PRO cũng cung cấp Green Power, một tính năng mới hỗ trợ thiết bị thu năng lượng hoặc tự cung cấp năng lượng không cần pin hoặc nguồn điện AC.
Zigbee RF4CE được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển thiết bị hai chiều, đơn giản mà không cần các chức năng mạng lưới đầy đủ tính năng được cung cấp bởi đặc điểm kỹ thuật của Zigbee.
Zigbee IP tối ưu hóa tiêu chuẩn cho các mạng lưới không dây đầy đủ dựa trên IPv6, cung cấp kết nối internet để điều khiển các thiết bị công suất thấp, chi phí thấp.

ZigBee hỗ trợ mạng lưới MESH

Một phần quan trọng của giao thức Zigbee là khả năng hỗ trợ mạng lưới MESH. Zigbee sử dụng kiến trúc mạng lưới để giao tiếp.

Mạng lưới là mạng cục bộ (LAN) , mạng LAN không dây (WLAN) hoặc mạng LAN ảo (VLAN) sử dụng một trong hai cách sắp xếp kết nối phi tập trung: cấu trúc liên kết lưới toàn phần hoặc cấu trúc liên kết lưới một phần.

Trong cấu trúc liên kết lưới đầy đủ, mỗi nút mạng được kết nối trực tiếp với các nút khác. Trong cấu trúc liên kết lưới một phần, một số nút được kết nối với tất cả các nút khác, nhưng một số nút chỉ được kết nối với các nút mà chúng trao đổi nhiều dữ liệu nhất.

Giao thức Zigbee định nghĩa ba loại nút: bộ điều phối, bộ định tuyến và thiết bị đầu cuối. Mặc dù tất cả các nút đều có thể gửi và nhận dữ liệu nhưng mỗi nút lại đóng một vai trò khác nhau.

Có một điều phối viên trong mỗi mạng có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về mạng, bao gồm các khóa bảo mật. Bộ định tuyến là nút trung gian, chuyển tiếp dữ liệu từ các thiết bị khác. Thiết bị cuối có thể là thiết bị tiêu thụ pin hoặc năng lượng thấp, có thể nói chuyện với bộ điều phối hoặc bộ định tuyến nhưng không thể chuyển tiếp dữ liệu từ các thiết bị khác.

Ưu điểm của ZigBee

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 truyền thông không dây. 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 và giám sát 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

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

Không thể phủ rộng hết toàn bộ khu vực 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 khu vực truyền thông có nhiều vật cản 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 của ZigBee

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.

Các dải tầng sóng hoạt động của Zigbee

Zigbee sẽ hoạt động ở một trong ba tầng sóng là:

Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu và Nhật: Trong giải này chỉ có 1 kênh (kênh số 0) và tốc độ truyền khá thấp chỉ khoảng 20kb/s
Dải 915MHz ở khu vực Bắc Mỹ: Có 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 và tốc độ khoảng 40kb/s
Dải 2.4GHz sẽ ở các nước còn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao tới 250kb/s

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.

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

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.

Các 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.

Liên minh Zigbee

Liên minh Zigbee hoạt động để đơn giản hóa việc tích hợp sản phẩm không dây để giúp các nhà sản xuất sản phẩm giới thiệu điều khiển không dây tiết kiệm năng lượng vào sản phẩm của họ nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Các thành viên của Liên minh tạo ra các tiêu chuẩn cung cấp giao tiếp không dây đáng tin cậy, an toàn, tiêu thụ điện năng thấp và dễ sử dụng, sử dụng quy trình phát triển tiêu chuẩn mở để hướng dẫn công việc của họ. Liên minh được tổ chức bởi các ủy ban, nhóm làm việc, nhóm nghiên cứu, lực lượng đặc nhiệm và các nhóm lợi ích đặc biệt.

Có ba loại tư cách thành viên với các quyền và lợi ích khác nhau:

Người chấp nhận cung cấp quyền truy cập vào các thông số kỹ thuật cuối cùng, được phê duyệt, tham gia vào các sự kiện khả năng tương tác và quyền truy cập vào các tài liệu tiêu chuẩn về công việc / nhóm nhiệm vụ và các hoạt động phát triển.
Người tham gia cung cấp quyền biểu quyết trong các nhóm làm việc và có quyền truy cập sớm vào tất cả các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật của Zigbee Alliance đang được phát triển.
Người quảng bá cung cấp quyền biểu quyết tự động trong tất cả các nhóm làm việc, quyền phê duyệt cuối cùng trên tất cả các tiêu chuẩn và một ghế trong ban giám đốc của liên minh.

Ai sử dụng Zigbee?

Zigbee được nhiều công ty truyền hình cáp và viễn thông sử dụng trong các hộp giải mã tín hiệu , bộ thu phát vệ tinh và cổng gia đình để cung cấp các sản phẩm giám sát và quản lý năng lượng tại nhà cho khách hàng của họ.

Zigbee cũng được sử dụng bởi các nhà cung cấp các sản phẩm chiếu sáng kết nối cho gia đình và doanh nghiệp. Với các sản phẩm nhà thông minh dựa trên Zigbee, người tiêu dùng có thể điều khiển đèn LED, bóng đèn, điều khiển công tắc trong nhà và từ xa để cải thiện việc quản lý năng lượng.

Các công ty tiện ích có thể sử dụng Zigbee trong đồng hồ thông minh của họ để theo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng lượng và nước. Đồng hồ đo thông minh cung cấp cho người tiêu dùng thông tin – và tự động hóa – cần thiết để giảm sử dụng năng lượng và tiết kiệm tiền.

Các sản phẩm dựa trên Zigbee cũng nâng cao trải nghiệm mua sắm cho người tiêu dùng bằng cách cho phép thanh toán nhanh hơn, hỗ trợ tại cửa hàng và vị trí mặt hàng trong cửa hàng. Zigbee giúp các nhà bán lẻ hoạt động hiệu quả hơn bằng cách đảm bảo các mặt hàng không bị hết hàng và hỗ trợ các phương pháp kiểm kê đúng lúc, cũng như theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, sự cố tràn hàng, v.v.

Zigbee hỗ trợ một số thiết bị, bao gồm giỏ hàng thông minh, trợ lý mua sắm cá nhân, nhãn kệ điện tử và thẻ theo dõi tài sản.

Sự phát triển của Zigbee

Zigbee Alliance đã triển khai “dotdot”, một chương trình để mở rộng công nghệ tương tác của nó ngoài Zigbee. Dotdot, một ngôn ngữ chung cho Internet vạn vật, cho phép các đối tượng thông minh hoạt động cùng nhau trên bất kỳ mạng nào, mở khóa thị trường mới cho các thành viên và hợp nhất IoT phân mảnh.