Zigbee là gì? Ứng dụng của Zigbee trong Smarthome

Smarthome+

Zigbee được hiểu đơn giản là ngôn ngữ giúp các thiết bị nhà thông minh của các nhà sản xuất giao tiếp với nhau tạo thành một hệ sinh thái nhà thông minh – là một trong những giao thức hàng đầu giúp các thiết bị thông minh kết nối với nhau.

Được sử dụng trong Internet of Things (IoT) hay Home Automatic, giờ đây được gọi là công nghệ nhà thông minh. Công nghệ này giúp bạn kiểm soát hệ thống sưởi, năng lượng và làm mát, quản lý an ninh cho ngôi nhà của bạn và nhiều thứ khác.

Zigbee là một phần không thể thiếu trong hệ sinh thái nhà thông minh vì nó giúp gắn kết tất cả các thiết bị điện của nó lại với nhau. Ngày nay, Zigbee là giải pháp không dây hàng đầu để kết nối các loại thiết bị vào ngôi nhà thông minh. Nó là một ngôn ngữ giúp dịch các lệnh giữa các thiết bị thông minh.

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 điểm.
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.

Các nhà sản xuất hỗ trợ Zigbee

Thị trường nhà thông minh đang mở rộng từng ngày, thay vì sử dụng từng ứng dụng tương ứng với từng thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, bạn chỉ cần một Zigbee để kiểm soát tất cả. Không chỉ được sử dụng rộng rãi trong Nhà thông minh mà nhiều nhà cung cấp cấp và viễn thông cũng sử dụng Zigbee. Họ tích hợp nó vào các máy thu phát vệ tinh và cổng nhà. Thậm chí giờ đây nhiều trung tâm nhà thông minh còn cho phép bạn quét và quản lý tất cả các thiết bị Zigbee mà bạn đang sở hữu.

Sự cạnh tranh là không bao giời kết thúc và trong tương lai, bạn có nhiều quyền kiểm soát hơn với các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau. Amazon Echo Plus là một ví dụ điển hình vì Alexa có thể điều khiển một loạt các thiết bị. Nó không cần sự chấp thuận của mọi nhà sản xuất hoặc ứng dụng của họ. Echo Plus có thể quản lý tất cả các thiết bị Zigbee theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Đây chỉ là một ví dụ, có nhiều tên tuổi lớn khác sử dụng Zigbee cho hệ thống nhà thông minh của họ, bao gồm:

Philips
Samsung
Bosch
Ikea
Huawei
Honeywell
Belkin
Evyhome
Lumi Smarthome
Bkav Smarthome

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). Zigbee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Nó đã được xây dựng để trở thành một hệ thống giá rẻ so với các mạng cá nhân khác như Bluetooth.

Dãy tầng số sóng vô tuyến Zigbee hoạt động

Zigbee là một tiêu chuẩn mạng lưới không dây giá rẻ, công suất thấp, ứng dụng vào các thiết bị chạy bằng pin trong các ứng dụng điều khiển và giám sát không dây. Zigbee cung cấp thông tin liên lạc có độ trễ thấp. Chip Zigbee thường được tích hợp với radio và với vi điều khiển. Zigbee hoạt động trong các băng tần vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế (ISM): 2,4 GHz trong các khu vực cấp phép trên toàn thế giới; mặc dù một số thiết bị cũng sử dụng 784 MHz ở Trung Quốc, 868 MHz ở châu Âu và 915 MHz ở Mỹ và Úc, tuy nhiên một số quốc gia sử dụng tần số 2,4 GHz cho hầu hết các thiết bị Zigbee thương mại sử dụng cho nhà ở. Tốc độ dữ liệu thay đổi từ 20 kbit/s (băng tần 868 MHz) đến 250 kbit/s (băng tần 2,4 GHz).

Zigbee xây dựng trên lớp vật lý và điều khiển truy cập phương tiện được xác định trong chuẩn 802.11.15.4 của IEEE cho các mạng khu vực cá nhân không dây tốc độ thấp (WPANs). Thông số kỹ thuật bao gồm bốn thành phần chính bổ sung: lớp mạng, lớp ứng dụng, Đối tượng thiết bị Zigbee (ZDOs) và các đối tượng ứng dụng do nhà sản xuất xác định. ZDO chịu trách nhiệm cho một số nhiệm vụ, bao gồm theo dõi vai trò của thiết bị, quản lý các yêu cầu tham gia mạng, cũng như khám phá và bảo mật thiết bị.

Zigbee hỗ trợ các lớp hình mạng sau: mạng sao(Start netwwork) và mạng cây(Tree network) và mạng lưới(Mesh network). Mỗi mạng phải có một thiết bị điều phối. Một tính năng xác định khác của Zigbee là các phương tiện để thực hiện liên lạc an toàn, bảo vệ việc thiết lập và vận chuyển các khóa mật mã, khung mã hóa và thiết bị điều khiển. Nó được xây dựng trên khung bảo mật cơ bản được xác định trong IEEE 802.15.4.

Mô hình mạng Zigbee

Zigbee sử dụng tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cho lớp vật lý và lớp MAC. IEEE 802.15.4 cung cấp các cấu trúc liên kết hình sao, cây, cụm và lưới; tuy nhiên, Zigbee chỉ hỗ trợ các cấu trúc liên kết hình sao, cây và lưới.

Mạng hình sao (Start network)

Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED). Khi ZC được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.

Mạng lưới (Mesh network)

Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận.

Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng hình sao, song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường.

Mạng hình cây (Tree network)

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng như một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).

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 mạng Zigbee

Một mạng kiểu Zigbee gồm có 3 loại thiết bị:

ZC (Zigbee Coordinator): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với các mạng khác.
ZR (Zigbee Router): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền thông với các thành phần khác của mạng.
ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được “đánh thức” khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó.

Các thiết bị này thường được chia làm 2 loại là FFD (Full Function Device) và RFD (Reduced Function Device). Trong đó FFD có thể hoạt động như một Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End Device trong một mạng Zigbee.

Vai trò Zigbee trong nhà thông minh

Thị trường nhà thông minh đang mở rộng từng ngày, với nhiều nhà sản xuất khác nhau cung cấp các thiết bị có thể giúp cuộc sống của bạn thuận tiện hơn. Thay vì chạy theo nhiều ứng dụng tương ứng của các nhà sản xuất, bạn có thể sử dụng Zigbee như một công nghệ để thống trị tất cả.

Không chỉ là một phần của nhà thông minh, mà nhiều nhà cung cấp cáp và viễn thông cũng sử dụng Zigbee. Họ tích hợp nó vào các máy thu phát vệ tinh, cổng nhà và thiết bị thu phát truyền hình. Nhiều trung tâm nhà thông minh sẽ cho phép bạn quét và quản lý tất cả các thiết bị Zigbee mà bạn sở hữu.

Mặc dù nó chưa hoàn hảo và không phải tất cả các thiết bị đều hoạt động đồng bộ. Trong tương lai, Zigbee sẽ sớm làm cho trải nghiệm ngày càng trở nên liền mạch.

Kết luận

Hiện tại Zigbee là một trong những giao thức kết nối các thiết bị nhà thông minh phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam.

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 một cách tuyệt vời với các thiết bị trong cùng một mạng nên đây sẽ là một công nghệ Nhà thông minh được sử dụng rộng rãi trong thời gian tới cũng như trong tương lai.

Chuẩn Zigbee rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng nhỏ và tính linh động tốt. Vì vậy ngày nay Zigbee được dùng vào rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như: Các hệ thống nhà thông minh, HVAC, Công nghiệp, Sensor không dây, bệnh viện….

Bên cạnh những ưu nhược điểm của Zigbee vẫn còn nhiều điều cần cải tiến. Chúng ta hãy chờ những sự phát triển của công nghệ để cải tiến những nhược điểm trên nhé.