Zigbee - Các khái niệm cơ bản

ZigBee là một giao thức mạng không dây được dùng để kết nối các thiết bị với nhau.

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15. Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống.

Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh hiện nay.

TIÊU CHUẨN ZIGBEE VÀ LIÊN MINH ZIGBEE

Các tiêu chuẩn ZigBee được bảo trợ bởi 1 nhóm liên minh ZigBee. Liên minh này có hơn 150 thành viên, một số trong số đó là những bảo trợ chính và có ảnh hưởng quyết định đến tiêu chuẩn của ZigBee, bao gồm Ember, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung. Liên minh ZigBee cân nhắc đến nhu cầu của người sử dụng, nhà sản xuất và các nhà phát triển hệ thống để nâng cao tiêu chuẩn ZigBee.

CÁC PHIÊN BẢN CỦA ZIGBEE:

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.

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.

MÔ HÌNH MẠNG ZIGBEE

ZigBee có 3 dạng hình mạng được hỗ trợ bởi ZigBee: dạng hình sao, hình lưới, và hình cây. Mỗi dạng hình đều có những ưu điểm riêng và được ứng dụng trong các trường hợp khác nhau.

Hình sao  (Star network): Các nút hình sao liên kết với nút trung tâm.

Hình lưới (Mesh network): Mạng hình lưới có tính tin cậy cao, mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truyền thông liên tục giữa các điểm nút với nhau và bền vững. Nếu có sự tác động cản trở, hệ thống có khả năng tự xác định lại cấu hình bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác.

Hình cây (Cluster network): Mạng hình này chính là 1 dạng đặc biệt của mạng hình lưới, dạng mạng này có khả năng phủ sóng và mở rộng cao.

CẤU TRÚC CỦA ZIGBEE:

Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng.

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.

TỔNG KẾT

Hệ thống ZigBee được tối ưu hóa để chắc chắn rằng sự tiêu thụ năng lượng rất thấp. Chỉ có các nút có điều khiển cảm biến trung tâm có sử dụng nguồn điện còn lại các nút khác hầu như không cần năng lương (có thể vận hành ở chế độ sleep mode). Điều này giúp cho pin dùng trong các thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee có tuổi thọ rất cao tính đến hàng năm mà không cần thay thế.

Mặc dù ngày càng có nhiều sự lựa chon cho mạng không dây, nhưng ZigBee vẫn là sự lựa chọn của các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu bởi tính ứng dụng trong điều khiển từ xa, cảm biến và các hệ thống thi hành (Rờ le, van đóng mở…), bởi tính ổn định cao, bảo mật, khả năng mở rộng, giá thành rẻ, tiêu thụ điện năng thấp, hệ thống mở cho nhiều nhà sản xuất, và ngày càng được cải tiến tốt hơn.

Nguồn:

• http://www.zigbee.org
• http://www.radio-electronics.com
• http://www.techworld.com