| 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 thể đáp ứng được. |
| 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), quá trình tự động hóa ( 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 hết 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). * 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. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz. 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. Một ứng dụng của Zigbee là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và nhịp tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang một thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp tim. Sau đó dữ liệu được truyền không dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một máy tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực hiện. Cuối cùng, thông tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân viên vật lý trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn. Khái niệm sử dụng giao tiếp không dây để tập hợp thông tin hay thực hiện những tác vụ điều khiển nhất định trong nhà hay trong nhà máy thì không mới. Có vài chuẩn giao tiếp bao gồm IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) và Bluetooth. Mỗi trong số các chuẩn này đều có ưu điểm của nó trong những ứng dụng đặc biệt. Chuẩn Zigbee được phát triển đặc biệt để nhắm tới chi phí cài đặt thấp của các mạng không dây có tốc độ truyền dữ liệu thấp với mức tiêu thụ năng lượng rất nhỏ. Chuẩn Zigbee giúp giảm chi phí cài đặt bằng cách đơn giản hóa các giao thức liên lạc và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Yêu cầu tối thiểu để sử dụng các đặc tính kỹ thuật của Zigbee và IEEE 802.15.4 thì khá nhẹ khi so với các chuẩn khác như IEEE 802.11, giảm độ phức tạp và chi phí lắp đặt các bộ thu phát theo chuẩn Zigbee.  Duty cycle là tỷ lệ thời gian thiết bị hoạt động trong tổng thời gian. Ví dụ : nếu một thiết bị hoạt động cứ mỗi phút là 60ms, thì duty cycle của thiết bị này là 0.001 hay 0.1%. Trong nhiều ứng dụng Zigbee, các thiết bị có duty cycles nhỏ hơn 1% để đảm bảo thời gian dùng pin lâu hơn. Ngoài ra Zigbee còn được dùng trong các nhà cao tầng, theo dõi từng bộ phận và báo về khi có tín hiệu xấu. Hơn nữa, Zigbee còn dùng cho các ngôi nhà “thông minh” (SmartHome, Home Automation).  * Liên minh Zigbee Là một tổ chức độc lập, trung lập và hợp tác phi lợi nhuận được hình thành vào năm 2002. - Là một liên minh mở và mang tính toàn cầu - Bất cứ ai cũng có thể tham gia và cùng đóng góp - Các thành viên đến từ khắp nơi trên thế giới - Tạo ra các tiêu chuẩn kỹ thuật cho ZigBee - Cấp các chứng nhận - Phát triển thương hiệu, thị trường và đào tạo người sử dụng Đang phát triển thành cộng đồng các công ty: - Gần 200 thành viên và tăng thêm 35 thành viên vào 12/2006 - Bao gồm cả những tên tuổi lớn trong ngành bán dẫn, phát triển phần mềm, các nhà sản xuất và ngành công nghiệp dịch vụ bao gồm luôn các công ty truyền thông như: Philips, Mitsubishi, Siemens, Texas Instrument, Schneider Electric, AT&T, Hitachi, LG, SamSung, Sony, SK Telecom…. - Đưa các tiêu chuẩn kỹ thuật ra mắt công chúng với lý tưởng: ai cũng có thể tiếp cận ZigBee. * So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi  Việc so sánh chuẩn Zigbee với Bluetooth và IEEE 802.11 WLAN giúp chúng ta hiểu được tại sao Zigbee thực sự rất khác biệt. Wifi theo chuẩn IEEE 802.11b được chọn ở đây bởi vì nó hoạt động trên băng tần 2.4GHz chung với Bluetooth và Zigbee. IEEE 802.11b có tốc độ dữ liệu cao (lên tới 11 Mbps), và một trong những ứng dụng phổ biến của nó chính là khả năng cung cấp kết nối Internet không dây. Phạm vi phủ sóng trong nhà của IEEE 802.11 thông thường là từ 30 đến 100m. BlueTooth có tốc độ dữ liệu thấp hơn (ít hơn 3 Mbps) và phạm vi phủ sóng trong nhà của nó thường từ 2 đến 10m. Ứng dụng phổ biến của BlueTooth là tai nghe không dây. Trong ứng dụng này BlueTooth là phương tiện giao tiếp giữa một điện thoại di động và một tai nghe rảnh tay (headphone). Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu thấp nhất trong 3 chuẩn trên và có khả năng đáp ứng đặc biệt cho tuổi thọ của pin. Tốc độ dữ liệu rất thấp của Zigbee đồng nghĩa nó không phải là sự lựa chọn tốt nhất cho việc cài đặt kết nối Internet hay một tai nghe nhạc CD không dây chất lượng cao, khi mà tốc độ cho những ứng dụng này đòi hỏi từ 1 Mbps trở lên. Tuy nhiên, nếu mục tiêu của giao tiếp không dây chỉ là truyền và nhận các lệnh đơn giản hay tập hợp thông tin từ các đầu dò như đầu dò nhiệt độ hay đầu dò độ ẩm thì Zigbee là giải pháp hiệu quả cho công suất cũng như chi phí cài đặt thấp nhất so với Bluetooth và IEEE 802.11b. * Cấu trúc lớp của hệ thống mạng Zigbee  * Phân loại thiết bị - Full-function devices (FFDs): là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức năng theo chuẩn của IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất kỳ vai trò nào trong hệ thống. - Reduced-function devices (RFDs) : là những thiết bị giới hạn một số chức năng (chỉ giao tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng đơn giản như tắt mở đèn). * Các kiểu hình mạng Zigbee: - Cấu trúc mạng hình sao (Star Topology) - Cấu trúc P2P (peer-to-peer Topology) - Cấu trúc Mesh (Mesh Topology) - Cấu trúc cây (Tree Topology)  Việc hình thành mạng được quản lý bởi lớp mạng Zigbee. Mạng phải là một trong hai kiểu hình mạng được đưa ra trong IEEE 802.15.4: Star và Peer-to-Peer. Trong mạng hình sao, mọi thiết bị trong mạng có chỉ có thể giao tiếp được với PAN Coordinator. Một kịch bản quen thuộc trong việc hình thành mạng hình sao là một FFD, được lập trình để là PAN Coordinator, được kích hoạt và bắt đầu tạo mạng của mình. Điều đầu tiên PAN Coordinator này làm là chọn một PAN ID duy nhất mà không được sử dụng bởi bất kỳ mạng khác trong phạm vi ảnh hưởng của nó - khu vực xung quanh thiết bị mà sóng radio của nó có thể giao tiếp thành công với các thiết bị phát radio khác. Nói cách khác, nó đảm bảo rằng PAN ID mà nó chọn không được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào gần đấy. Trong mạng ngang hàng, mỗi thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị khác nếu các thiết bị được đặt đủ gần để tạo thành công đường dẫn liên kết. Bất kỳ FFD nào trong mạng ngang hàng có thể đóng vai trò là một PAN Coordinator. Một cách để quyết định thiết bị nào sẽ là PAN Coordinator là lựa ra thiết bị FFD đầu tiên bắt đầu việc giao tiếp như là một PAN Coordinator. Trong mạng ngang hàng, tất cả các thiết bị mà tham gia vào việc tiếp âm các thông điệp là FFD bởi vì RFD không có khả năng tiếp âm thông điệp. Tuy nhiên, một RFD có thể là một phần của mạng và chỉ giao tiếp với một thiết bị đặc biệt (một Coordinator hoặc một Router) trong mạng. Một mạng ngang hàng có thể có nhiều hình dạng khác nhau bằng việc định ra các giới hạn trên thiết bị mà có thể giao tiếp với các thiết bị khác. Nếu không có sự giới hạn, mạng ngang hàng được xem là mạng lưới. Một dạng khác của mạng Zigbee ngang hàng hỗ trợ là kiểu hình cây. Trong trường hợp này, một Zigbee Coordinator (PAN Coordinator) đưa ra mạng khởi tạo. Các Zigbee Router định hình các nhánh và tiếp âm thông điệp. Các thiết bị đầu cuối Zigbee hoạt động như những chiếc lá và không tham gia vào việc định tuyến thông điệp. Các Zigbee Router có thể phát triển mạng vượt ra ngoài mạng khởi tạo được định hình bởi Zigbee Coordinator. Một mạng 802.15.4, không quan tâm kiểu hình mạng của nó, luôn được tạo bởi một PAN Coordinator. PAN Coordinator điểu khiển mạng và thực hiện các nhiệm vụ tối thiểu sau: - Cấp phát những địa chỉ duy nhất(16 hoặc 64bit) đến mỗi thiết bị trong mạng - Khởi tạo, chấm dứt, và định tuyến thông điệp xuyên suốt mạng - Chọn một PAN ID duy nhất cho mạng và PAN ID này cho phép các thiết bị trong mạng dùng phương pháp định địa chỉ 16 bit và vẫn có thể giao tiếp với các thiết bị khác qua các mạng độc lập Chỉ có duy nhất một PAN Coordinator trong toàn bộ mạng. Một PAN Coordinator có thể cần có các chu kỳ hoạt động dài; ngoài ra, nó luôn luôn được kết nối với nguồn cung cấp chính hơn là pin. Tất cả các thiết bị khác trong mạng thường chạy bằng pin. Mạng nhỏ nhất có thể bao gồm 2 thiết bị: - PAN Coordinator - End Device  * 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, 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. |
Đăng nhận xét