Mục lục
ZigBee là một chuẩn tốc độ thấp, tốc độ dữ liệu thấp , dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, được sử dụng để liên lạc hai chiều giữa các cảm biến và hệ thống điều khiển. Hãy cùng tìm hiểu về lịch sử và phương thức hoạt động, ứng dụng của công nghệ này.
Giới thiệu về công nghệ mạng không dây ZigBee
ZigBee là một chuẩn tốc độ dữ liệu thấp, dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, được sử dụng để liên lạc hai chiều giữa các cảm biến và hệ thống điều khiển. Đây là một chuẩn giao tiếp tầm ngắn như Bluetooth và Wi-Fi, phạm vi bao phủ từ 10 đến 100 mét. Sự khác biệt trong khi Bluetooth và Wi-Fi là tiêu chuẩn truyền thông tốc độ dữ liệu cao hỗ trợ chuyển cấu trúc phức tạp như phương tiện, phần mềm, v.v.
Công nghệ ZigBee hỗ trợ chuyển dữ liệu đơn giản như thế từ các cảm biến. Nó hỗ trợ tốc độ dữ liệu thấp khoảng 250 kbps. Các tần số hoạt động là 868 MHz, 902 đến 928 MHz và 2.4 GHz. Công nghệ ZigBee được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng yêu cầu năng lượng thấp, chi phí thấp, tốc độ dữ liệu thấp và tuổi thọ pin dài, đặc biệt là trong ứng dụng Nhà thông minh (Smarthome).
Lịch sử công nghệ ZigBee
Tiêu chuẩn ZigBee được phát triển bởi ZigBee Alliance, bao gồm nhiều công ty lớn như Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas, v.v. Liên minh này được thành lập vào năm 2002 như một tổ chức phi lợi nhuận.
Cấu trúc của mạng ZigBee
Giao thức mạng ZigBee tuân theo các tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cho các lớp Vật lý và MAC, cùng với các lớp Mạng và Ứng dụng riêng.
Sơ đồ cấu trúc mạng ZIGBEE
Xem thêm: Z-WAVE là gì? tại sao nó quan trọng đối với ngôi nhà thông minh của bạn?
Đưa ra dưới đây là giải thích cho từng lớp.
1. Lớp vật lý: Đây là lớp giao thức thấp nhất và chịu trách nhiệm kiểm soát và kích hoạt bộ thu phát vô tuyến và cũng để chọn tần số kênh và giám sát kênh. Nó cũng chịu trách nhiệm liên lạc với các thiết bị radio. Truyền thông dữ liệu hoặc lệnh được thực hiện bằng cách sử dụng Gói. Mỗi Gói PHY bao gồm Tiêu đề đồng bộ hóa (SHR) (chịu trách nhiệm đồng bộ hóa máy thu),Tiêu đề vật lý (PHR) (chứa thông tin về Độ dài khung) và tải trọng PHY (được cung cấp bởi các lớp trên dưới dạng khung và bao gồm dữ liệu hoặc lệnh).
2. Kiểm soát truy cập trung bình hoặc lớp MAC: Nó hoạt động như một giao diện giữa lớp Vật lý và các lớp Mạng. Nó chịu trách nhiệm tạo Beacons và đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng hỗ trợ Beacon. Khung MAC có thể là Khung Beacon (được Điều phối viên sử dụng để truyền Beacons),Khung dữ liệu, Khung xác nhận hoặc Khung lệnh. Nó bao gồm MAC Header (chứa thông tin về bảo mật và địa chỉ),MAC Payload có kích thước chiều dài thay đổi (chứa dữ liệu hoặc lệnh) và Footer MAC (chứa chuỗi kiểm tra Khung 16 bit để xác minh dữ liệu).
3. Lớp mạng:Lớp này kết nối lớp Ứng dụng với lớp MAC. Nó quản lý sự hình thành và định tuyến mạng. Nó thiết lập một mạng mới và chọn cấu trúc liên kết mạng. Khung NWK bao gồm Tiêu đề NWK và Tải trọng NWK. Tiêu đề chứa thông tin liên quan đến việc kiểm soát và đánh địa chỉ cấp mạng. Tải trọng NWK chứa khung lớp con Ứng dụng.
4. Lớp phụ hỗ trợ ứng dụng: Nó cung cấp một tập hợp các dịch vụ thông qua hai thực thể - Thực thể ứng dụng SupportData và Thực thể quản lý hỗ trợ ứng dụng, cho các lớp ứng dụng và mạng. Các thực thể này được truy cập thông qua Điểm truy cập dịch vụ tương ứng (SAP)
5. Lớp ứng dụng: Đây là lớp cao nhất trong mạng và chịu trách nhiệm lưu trữ các đối tượng ứng dụng chứa các ứng dụng người dùng và Đối tượng thiết bị ZigBee (ZDOs). Một thiết bị ZigBee có thể chứa tới 240 đối tượng ứng dụng điều khiển và quản lý các lớp giao thức. Mỗi đối tượng ứng dụng có thể bao gồm một hồ sơ hoặc chương trình ứng dụng, được phát triển bởi người dùng hoặc liên minh ZigBee. Hồ sơ ứng dụng chịu trách nhiệm truyền và nhận dữ liệu trong mạng. Loại thiết bị và chức năng của từng thiết bị được xác định trong hồ sơ ứng dụng. Các đối tượng thiết bị ZigBee hoạt động như một giao diện giữa các đối tượng ứng dụng, cấu hình thiết bị và lớp phụ ứng dụng.
Cấu trúc liên kết mạng của ZigBee
Mạng ZigBee hỗ trợ nhiều loại cấu trúc liên kết, loại phổ biến - cấu trúc liên kết sao và ngang hàng. Mỗi cấu trúc liên kết mạng bao gồm ba loại nút - Điều phối viên ZigBee, Bộ định tuyến ZigBee và Thiết bị cuối ZigBee. Điều phối viên thực hiện nhiệm vụ phân bổ địa chỉ duy nhất cho từng thiết bị trong mạng, khởi tạo và chuyển tin nhắn trong mạng và chọn một mã định danh duy nhất cho mạng. Các thiết bị ZigBee có hai loại Thiết bị chức năng đầy đủ (FFD) và Thiết bị chức năng giảm (RFD).
Sơ đồ cấu trúc liên kết mạng Zigbee
Trong cấu trúc liên kết hình sao, Bộ xử lý là thiết bị trung tâm khởi tạo và quản lý các thiết bị trong mạng. Mỗi bộ xử lý chọn một mã định danh duy nhất, không được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào khác trong vùng ảnh hưởng của nó. Mỗi thiết bị kết thúc giao tiếp với bộ xử lý. Các thiết bị đầu cuối thường là các RFD chỉ có thể giao tiếp với bộ xử lý hoặc FFD.
Trong Peer to Peer Topology, mỗi thiết bị đầu cuối có thể giao tiếp với nhau được đặt trong vùng lân cận. Các thiết bị là FFD có thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Tuy nhiên, loại cấu trúc liên kết này có thể chứa RFD chỉ giao tiếp với một thiết bị trong mạng. Cấu trúc liên kết ngang hàng có thể là cấu trúc liên kết lưới hoặc cấu trúc liên kết cây.
Cách thức giao tiếp bằng ZigBee
Chuyển dữ liệu có thể giữa Bộ xử lý và Thiết bị hoặc Thiết bị ngang hàng. Truyền dữ liệu giữa bộ xử lý và Thiết bị có thể được thực hiện bằng hai phương pháp - Đã bật Beacon và Không bật Beacon.
Trong Mạng bật có bật Beacon, phương pháp truy cập kênh miễn phí tranh chấp được sử dụng. Tại đây, Điều phối viên phân bổ một khe thời gian cụ thể cho từng thiết bị, được gọi là Khe thời gian được đảm bảo (GTS). Ở đây tất cả các thiết bị trong mạng cần phải được đồng bộ hóa. Điều này được đảm bảo bằng cách gửi tín hiệu Beacon từ bộ điều phối đến từng thiết bị (nút),sao cho mỗi thiết bị đồng bộ hóa đồng hồ của nó. Tuy nhiên, điều này có thể sẽ làm giảm tuổi thọ pin của thiết bị khi không thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào khác ngoài việc đồng bộ hóa đồng hồ của chúng.
Khi thiết bị được đồng bộ hóa, thiết bị có thể truyền dữ liệu đến bộ xử lý bằng phương pháp Carrier Sense Nhiều quyền truy cập với tránh va chạm (CSMA-CA),trong đó loại tín hiệu chiếm dụng được xác định hoặc trong giai đoạn phân bổ GTS. Khi gửi yêu cầu, Điều phối viên gửi lại xác nhận. Để truyền dữ liệu từ Điều phối viên sang thiết bị, một chỉ báo được gửi cùng với thông báo Beacon đến thiết bị. Sau đó, thiết bị sẽ nhận được chỉ báo này và gửi một thông báo yêu cầu dữ liệu. Điều phối viên gửi xác nhận về việc nhận yêu cầu dữ liệu này và chuyển dữ liệu tương ứng.
Trong Mạng không Beacon, bộ xử lý không truyền bất kỳ thông điệp Beacon nào. Thay vào đó, mỗi thiết bị truyền dữ liệu bằng phương pháp CSMA-CA trong cùng một kênh tần số. Thiết bị truyền dữ liệu ngay khi kênh rõ ràng. Để truyền dữ liệu từ bộ xử lý sang thiết bị, trước tiên thiết bị sẽ gửi một thông báo yêu cầu dữ liệu đến bộ xử lý và sau đó truyền thông điệp dữ liệu với tải trọng có độ dài null, khi có sẵn dữ liệu. Đối với không có dữ liệu đang chờ xử lý, bộ xử lý sẽ gửi xác nhận cho biết không có dữ liệu đang chờ xử lý.
Các ứng dụng của Công nghệ ZigBee
Tự động hóa nhà: Công nghệ ZigBee chứng tỏ là công nghệ đáng tin cậy nhất trong việc hiện thực hóa tự động hóa nhà (Smarthome). Các ứng dụng khác nhau như kiểm soát và giám sát mức tiêu thụ năng lượng, quản lý nước, kiểm soát ánh sáng , vv đã được thực hiện dễ dàng hơn thông qua tự động hóa bằng công nghệ ZigBee.
Ứng dụng mạng Zigbee trong điều khiển nhà thông minh (Smarthome)
Tự động hóa công nghiệp: Các thiết bị RFID dựa trên ZigBee giúp cung cấp quản lý truy cập đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp. Các ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp bao gồm kiểm soát quá trình, quản lý năng lượng, theo dõi nhân sự, v.v.
Tự động hóa chăm sóc sức khỏe:Một ví dụ phổ biến của tự động hóa chăm sóc sức khỏe là theo dõi sức khỏe từ xa. Một người đeo thiết bị ZigBee với cảm biến đo thông số cơ thể thu thập thông tin sức khỏe. Thông tin này được truyền trên mạng ZigBee đến mạng Giao thức Internet (IP) và sau đó đến nhân viên chăm sóc sức khỏe (bác sĩ hoặc y tá), người sau đó sẽ kê đơn thuốc phù hợp dựa trên thông tin nhận được.
Đo sáng thông minh: Các hoạt động từ xa của Zigbee trong đo sáng thông minh bao gồm phản ứng tiêu thụ năng lượng, hỗ trợ giá, bảo mật đối với hành vi trộm cắp điện, v.v.
Giám sát lưới điện thông minh: Các hoạt động của Zigbee trong lưới điện thông minh này bao gồm giám sát nhiệt độ từ xa , định vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v.v.
Kết luận:
Đây là tất cả về một mô tả ngắn gọn về kiến trúc, chế độ hoạt động, cấu hình và ứng dụng của công nghệ Zigbee. Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi đã cung cấp cho bạn đủ nội dung về tiêu đề này, để bạn hiểu rõ hơn về nó. Chúng tôi là những người tiên phong trong việc phát triển các dự án dựa trên Zigbee. Để được trợ giúp thêm và hỗ trợ kỹ thuật, bạn có thể liên hệ với chúng tôi bằng cách bình luận bên dưới, hoặc liên hệ trực tiếp thông qua Công ty TNHH Thương Mại và Phát Triển Điện Việt Nam, Email: phocongnghe2016@gmail.com