Zigbee là gì

Từ “Zigbee” được lấy cảm hứng từ tên một loài ong có tên là “ZigBee” (ong mật) ở châu Phi. Tương tự như cách mà những con ong tương tác với nhau để hoạt động như một hệ thống, giao thức Zigbee được thiết kế để các thiết bị thông minh có thể giao tiếp với nhau một cách hiệu quả và tự động.

Ngoài ra, từ “Zig” trong Zigbee có nghĩa là các tín hiệu không dây được truyền qua các kênh khác nhau giống như đường ziczac của một con ong khi bay, còn “bee” nghĩa là ong. Từ này kết hợp chữ “Zig” và “Bee” để tạo ra tên “Zigbee”.

1. Khái niệm ZigBee ?

Zigbee là một giao thức mạng không dây tiêu chuẩn được thiết kế để kết nối và điều khiển các thiết bị thông minh trong một mạng lưới không dây. Nó là một phần của các chuẩn mạng không dây tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 và được sử dụng cho các ứng dụng mạng cảm biến không dây, điều khiển hệ thống thông minh trong nhà, thiết bị y tế và nhiều ứng dụng khác.

Zigbee hoạt động trên băng tần tần số thấp, tiêu tốn năng lượng thấp, cho phép các thiết bị hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên. Nó cũng có khả năng tự tổ chức mạng lưới, cho phép các thiết bị truyền thông với nhau mà không cần một trung tâm điều khiển duy nhất.

2. 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

3. 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: 

• 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.

4. ZigBee hỗ trợ mạng lưới MESH

Zigbee được thiết kế để hỗ trợ mạng lưới mesh, trong đó các thiết bị Zigbee được kết nối với nhau thành một mạng lưới linh hoạt và có khả năng tự động chuyển đổi tín hiệu để truyền thông giữa các nút mạng.

Mỗi thiết bị Zigbee trong mạng lưới mesh được gọi là một “nút” và có khả năng hoạt động như bộ khuếch đại tín hiệu, mở rộng phạm vi, và chuyển tiếp tín hiệu giữa các thiết bị khác trong mạng lưới.

Điều này cho phép mạng lưới Zigbee mở rộng đáng kể phạm vi truyền tải tín hiệu so với các mạng không dây truyền thống, đồng thời giúp tăng độ ổn định của mạng lưới bằng cách giảm thiểu sự phụ thuộc vào một thiết bị cụ thể để truyền tải tín hiệu.

Một ưu điểm khác của mạng lưới Zigbee mesh là nó có khả năng tự phục hồi trong trường hợp có thiết bị bị hỏng hoặc ngắt kết nối. Các thiết bị trong mạng sẽ tự động tìm kiếm đường đi khác để truyền tải tín hiệu và đảm bảo tính liên tục của mạng lưới.

5. 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:

• Tiêu thụ năng lượng thấp: Zigbee sử dụng lượng điện năng rất ít, giúp kéo dài thời gian sử dụng pin và giảm chi phí vận hành.

• Khoảng cách truyền tải xa: Zigbee có thể truyền tải dữ liệu trong khoảng cách lớn hơn so với các giao thức không dây khác, giúp nó phù hợp với các ứng dụng trong các khu vực rộng lớn như nhà xưởng, kho bãi,…

• Độ ổn định cao: Zigbee sử dụng công nghệ mạng lưới tự tổ chức, có tính linh hoạt cao và khả năng chịu lỗi tốt.

• Hỗ trợ cho nhiều thiết bị: Zigbee hỗ trợ kết nối đồng thời nhiều thiết bị trên một mạng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.

• Bảo mật cao: Zigbee sử dụng các giải pháp bảo mật hiện đại như mã hóa và xác thực để bảo vệ dữ liệu truyền tải.

6. 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.

7. 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.

8. Mô hình mạng Zigbee

Mạng Zigbee chia làm 3 loại chính

Mạng hình sao (Star Topology): Gồm 1 nút trung tâm ZC, tất cả các nút khác đều được kết nối với nút trung tâm này, mạng hình sao bị hạn chế khoảng cách và sự mở rộng

Mạng hình cây (Cluster Tree Topology): Gồm một nút trung tâm ZC, các nút khác được liên kết với nhau theo mô hình giống một cái dễ cây, mạng này có khả năng mở rộng cao, tăng khoảng cách và quy mô của hệ thống

Mạng hình lưới (Mesh Topology): Gồm 1 nút trung tâm ZC, các nút trong mạng đều có thể kết nối với nhau (trừ ZED chỉ có thể kết nối với parent của nó). Khi một đường truyền bị lỗi , sẽ tự động tìm ra một đường truyền khác, tăng tính tin cây và kết nối trong mạng.

9. Cấu trúc của Zigbee là gì?

• Tầng vật lý: Cung cấp 2 dịch vụ chính là quản lý và dịch vụ dữ liệu (PHY). Nhiệm vụ chính của tầng này là kích hoạt/giảm kích hoạt các bộ phận nhận sóng, chọn kênh, phát hiện năng lượng, thu và phát gói dữ liệu trong môi trường truyền, giải phóng kênh truyền.
• Tầng MAC: Tầng này cung cấp dịch vụ dữ liệu và dịch vụ MAC. Nhiệm vụ của tầng này là điều khiển các truy cập về kênh, giải phóng kết nối.
• Tầng mạng: Tầng này cũng cung cấp 2 dịch vụ là mạng và bảo mật.
• Tầng ứng dụng – APS: Nhiệm vụ chính của tầng này là giúp dò tìm các nốt trong vùng phủ sóng, duy trì, truyền tải và kết nối thông tin giữa các nốt mạng.
• Tầng đối tượng thiết bị – ZDO: Tầng này có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng. Từ đó cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định những trạng thái của thiết bị.
• Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng – APO: Đây là tầng mà bạn sẽ được tiếp xúc với các thiết bị và thêm thiết bị vào mạng nếu cần.

10. Vì sao nên sử dụng Zigbee

Hiện nay có rất nhiều giao thức truyền thông không dây phổ biến (như đã đề cập ở trên), tuy nhiên so với chúng, ZigBee có nhiều đặc trưng vượt trội phù hợp với các hệ thống công nghiệp.

• 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.

• 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 modeule ZigBee, modem cảm biến, cổng giao tiếp dữ liệu (gateway)…

11. Tạm kết

Truyền thông không dây ngày càng có vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp hiện nay. Trong số đó, tính linh động, khả năng mở rộng và khả năng hoạt động ổn định là những ưu điểm khiến ZigBee trở nên vượt trội so với các giao thức truyền thông phổ biến khác, đặc biệt đối với một hệ thống điều khiển giám sát công nghiệp.  Với những chia sẻ trên, EIT Smart hy vọng sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quát hơn về Zigbee là gì, và tại sao nó lại cần thiết cho nhà thông minh (smarthome) đến như vậy.

Bạn có nhu cầu cần tư vấn thiết kế, cung cấp thiết bị và thi công lắp đặt, cấu hình hệ thống SmartHome, nâng cấp cải tạo hệ thống thông thường thành hệ thống thông minh có thể liên hệ với EIT Smart.

Chuyên gia tư vấn, thiết kế thi công lắp đặt và cung cấp thiết bị Smarthome uy tín và chất lượng hàng đầu Việt Nam.