nguyenhuong2016
17-07-2012, 11:28
Hiện nay có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như BlueTooth hay Wifi. Nhưng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không phù hợp lắm.
Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn.
Và để giải quyết những khuyết điểm đó, Zigbee đã ra đời. Đối tượng mà Zigbee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa quá trình( Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care), quản lý năng lượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)… Và khi được sử dụng trong các hệ thống này, Zigbee được phát huy tất cả những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài (1 cặp pin AA có thể hoạt động trong vòng 2 năm).
1_Vậy Zigbee là gì?
Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa : là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee thực chất là tín hiệu radio. Zigbee được hỗ trợ trong các dải tần số sau:
Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu .Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s.
Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s.
Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.
Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee ở dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz. Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với Zigbee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s.
Với những đặc điểm chính :
- Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng
- Thời gian sử dụng pin rất dài
- Cài đặt, bảo trì dễ dàng
- Độ tin cậy cao
- Có thể mở rộng đến 65000 node
- Chi phí đầu tư thấp
Zigbee chủ yếu được nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp, chi phí nhỏ, và thời gian sử dụng pin dài. Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời gian mà thiết bị không dây thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó trong chế độ tiết kiệm năng lượng, hay chế độ ngủ (sleep mode). Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trước khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới.
2.Mô hình Zigbee
Cũng giống như trong truyền thông công nghiệp, khi thực hiện một giao thức truyền thông, người ta thường phải dựa trên một mô hình cấu trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của một cấu trúc tương ứng. Trong truyền thông công nghiệp ta đã biết đến đó là mô hình qui chiếu lever OSI 7.
Trong giao thức Zigbee, người ta cũng định nghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là kiến trúc Zigbee. Có thể hiểu kiến trúc này cũng tương tự như kiến trúc lever OSI 7 trong truyền thông công nghiệp, xem hình dưới.
Kiến trúc OSI và kiến trúc Zigbee
Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp - Stack) trong kiến trúc Zigbee
Zigbee được xây dựng ở tầng cao hơn so với hai lớp MAC ( Medium Access Control) và lớp vật lý PHY. Lớp MAC và lớp PHY được định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.15.4 dành cho các ứng dụng WLAN tốc độ thấp. Đặc tính kỹ thuật Zigbee sau đó thêm vào 4 lớp chính: lớp mạng, lớp ứng dụng, lớp các đối tượng thiết bị Zigbee ( ZDO) và lớp các đối tượng người dùng cho phép tùy biến, linh động trong chuẩn đó.
Bên cạnh việc tích hợp thêm hai lớp mức cao hơn trên các lớp nền, một sự tích hợp rất quan trọng nữa là thêm vào các ZDO ( Zigbee Device Object). Các ZDO chịu trách nhiệm cho nhiều tác vụ, trong đó bao gồm: định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu để truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị...
3. Mô hình mạng Zigbee
Trong truyền thông dùng giao thức Zigbee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới.
Trong lớp mạng Zigbee cho phép 3 kiểu thiết bị:ZigBee coordinator( ZC);ZigBee Router(ZR);ZigBee End Device ( ZED)
• Zigbee Coordinator (ZC):Chỉ có duy nhất 1 ZC trong bất kỳ mạng Zigbee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp.
* Zigbee Router (ZR): Là một thành phần của hệ thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong mạng. Nó thực hiện các bảng kết nối cũng như định vị địa chỉ cho các ZED của nó.
* Zigbee End Device (ZED): Là một thành phần của hệ thống mạng nhưng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin. Nó có được tối ưu sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật "sleep".
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 : ocupacy.
- 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. Các ứng dụng của chuẩn ZigBee
Như đã nói ở trên: 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 chiếu sáng thông minh, HVAC, Công nghiệp, Sensor không dây, bệnh viện....Có thể thấy trên hình dưới:
Bạn cũng có thể tham khảo 1 giải pháp về ứng dụng của công nghệ Zigbee theo link sau :
5. Kết luận
Công nghệ Zigbee thực sự rất tuyệt vời vì nó giải quyết các vấn đề mà chúng ta đang gặp phải trong các sản phẩm ngày nay như : tiêu thụ điện năng nhiều, giá thành cao, chi phí cài đặt lớn, khó bảo trì và sửa chữa … Từ những vấn đề trên, các công ty lớn trên thế giới như Philips,Advantech, Mitsubishi, Siemens, Texas Instrument, Schneider Electric, AT&T, Hitachi, LG, SamSung, Sony, SK Telecom…. chung tay cùng nhau phát triển công nghệ mới, và từ đó Zigbee đã ra đời. Zigbee cũng đã đạt được nhiều thành tựu cũng như rất nhiều giải thưởng lớn từ năm 2002 đến nay. Có thể nói, tương lai của các mạng trong lĩnh vực điện tử - nhất là điều khiển tự động chính là Zigbee.
Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn.
Và để giải quyết những khuyết điểm đó, Zigbee đã ra đời. Đối tượng mà Zigbee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa quá trình( Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care), quản lý năng lượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)… Và khi được sử dụng trong các hệ thống này, Zigbee được phát huy tất cả những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài (1 cặp pin AA có thể hoạt động trong vòng 2 năm).
1_Vậy Zigbee là gì?
Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa : là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee thực chất là tín hiệu radio. Zigbee được hỗ trợ trong các dải tần số sau:
Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu .Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s.
Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s.
Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.
Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee ở dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz. Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với Zigbee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s.
Với những đặc điểm chính :
- Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng
- Thời gian sử dụng pin rất dài
- Cài đặt, bảo trì dễ dàng
- Độ tin cậy cao
- Có thể mở rộng đến 65000 node
- Chi phí đầu tư thấp
Zigbee chủ yếu được nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp, chi phí nhỏ, và thời gian sử dụng pin dài. Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời gian mà thiết bị không dây thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó trong chế độ tiết kiệm năng lượng, hay chế độ ngủ (sleep mode). Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trước khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới.
2.Mô hình Zigbee
Cũng giống như trong truyền thông công nghiệp, khi thực hiện một giao thức truyền thông, người ta thường phải dựa trên một mô hình cấu trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của một cấu trúc tương ứng. Trong truyền thông công nghiệp ta đã biết đến đó là mô hình qui chiếu lever OSI 7.
Trong giao thức Zigbee, người ta cũng định nghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là kiến trúc Zigbee. Có thể hiểu kiến trúc này cũng tương tự như kiến trúc lever OSI 7 trong truyền thông công nghiệp, xem hình dưới.
Kiến trúc OSI và kiến trúc Zigbee
Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp - Stack) trong kiến trúc Zigbee
Zigbee được xây dựng ở tầng cao hơn so với hai lớp MAC ( Medium Access Control) và lớp vật lý PHY. Lớp MAC và lớp PHY được định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.15.4 dành cho các ứng dụng WLAN tốc độ thấp. Đặc tính kỹ thuật Zigbee sau đó thêm vào 4 lớp chính: lớp mạng, lớp ứng dụng, lớp các đối tượng thiết bị Zigbee ( ZDO) và lớp các đối tượng người dùng cho phép tùy biến, linh động trong chuẩn đó.
Bên cạnh việc tích hợp thêm hai lớp mức cao hơn trên các lớp nền, một sự tích hợp rất quan trọng nữa là thêm vào các ZDO ( Zigbee Device Object). Các ZDO chịu trách nhiệm cho nhiều tác vụ, trong đó bao gồm: định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu để truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị...
3. Mô hình mạng Zigbee
Trong truyền thông dùng giao thức Zigbee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới.
Trong lớp mạng Zigbee cho phép 3 kiểu thiết bị:ZigBee coordinator( ZC);ZigBee Router(ZR);ZigBee End Device ( ZED)
• Zigbee Coordinator (ZC):Chỉ có duy nhất 1 ZC trong bất kỳ mạng Zigbee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp.
* Zigbee Router (ZR): Là một thành phần của hệ thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong mạng. Nó thực hiện các bảng kết nối cũng như định vị địa chỉ cho các ZED của nó.
* Zigbee End Device (ZED): Là một thành phần của hệ thống mạng nhưng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin. Nó có được tối ưu sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật "sleep".
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 : ocupacy.
- 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. Các ứng dụng của chuẩn ZigBee
Như đã nói ở trên: 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 chiếu sáng thông minh, HVAC, Công nghiệp, Sensor không dây, bệnh viện....Có thể thấy trên hình dưới:
Bạn cũng có thể tham khảo 1 giải pháp về ứng dụng của công nghệ Zigbee theo link sau :
5. Kết luận
Công nghệ Zigbee thực sự rất tuyệt vời vì nó giải quyết các vấn đề mà chúng ta đang gặp phải trong các sản phẩm ngày nay như : tiêu thụ điện năng nhiều, giá thành cao, chi phí cài đặt lớn, khó bảo trì và sửa chữa … Từ những vấn đề trên, các công ty lớn trên thế giới như Philips,Advantech, Mitsubishi, Siemens, Texas Instrument, Schneider Electric, AT&T, Hitachi, LG, SamSung, Sony, SK Telecom…. chung tay cùng nhau phát triển công nghệ mới, và từ đó Zigbee đã ra đời. Zigbee cũng đã đạt được nhiều thành tựu cũng như rất nhiều giải thưởng lớn từ năm 2002 đến nay. Có thể nói, tương lai của các mạng trong lĩnh vực điện tử - nhất là điều khiển tự động chính là Zigbee.