Tìm hiểu về Sóng ZigBee và ứng dụng của sóng Zigbee trong Smarthome

Sóng Zigbee là một giao thức kết nối mạng không dây để kết nối các thiết bị điện tử lại với nhau theo dạng sóng Radio 2 tầng. Công nghệ Sóng 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.

Các Dải Tần Hoạt Động Của Sóng 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 module 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 Không Dây

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.

Cấu Trúc Của Mạng Sóng 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.

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.

Khi sử dụng hệ thống sóng Zigbee trong nhà, người dùng nên cân nhắc các yếu tố sau:

• Thiết bị trung tâm Hub: Không như giao thức WiFi các thiết bị Zigbee sẽ cần có một bộ xử lý trung tâm (hub hay bridge) chuyển đổi từ Zigbee qua Wifi để có thể điều khiển ngôi nhà qua Internet. để có thể phát, truyền và giải mã và điều khiển các thiết bị con phù hợp. Và mỗi hệ thiết bị Zigbee (ví dụ Philips Hue hay Aqara) đều cần bộ trung tâm riêng. Tức Philips Hue Bridge không thể dùng để điều khiển thiết bị Aqara và ngược lại.

• Cấu trúc nhà cửa: Sóng Zigbee không thể xuyên được tường dày hoặc các vật thể lớn tốt. Chính vì thế nên cân nhắc vị trí lắp đặt bộ trung tâm cho phù hợp. Và có thể bao phủ nhiều thiết bị con nhất có thể.

• Sóng Zigbee sử dụng hệ thống nội bộ: Vì sử dụng bộ xử lý trung tâm chuyên dụng nội bộ cho ngôi nhà nên người dùng còn có thể điều khiển cục bộ trong nhà khi thiết bị mất kết nối WiFi

Bài viết giới thiệu về Sóng Zigbee và những lưu ý ứng dụng trong hệ thống nhà thông minh Smarthome. Cũng như những hệ thống mạng không dây khác. Độ ổn định của Sóng Zigbee không bằng hệ thống dây. Nên khi bố trí lắp đặt thiết bị vị trí khoảng cách với hệ thống trung tâm Zigbee cần phù hợp với bố trí không gian của ngôi nhà.