Sóng Zigbee là gì? Sóng Zigbee truyền bao xa? Ứng dụng Zigbee

Trong số các công nghệ kết nối không dây đang được sử dụng rộng rãi, Zigbee nổi lên như một giải pháp mạnh mẽ, đáng tin cậy, và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh và các hệ thống IoT công nghiệp. Vậy Zigbee là gì? Nguyên lý hoạt động của nó như thế nào? Cùng Lumi tìm hiểu khái quát toàn bộ kiến thức cơ bản về Zigbee trong bài viết dưới đây nhé!.

1. Zigbee là gì?

Zigbee là gì?

Zigbee là một tiêu chuẩn truyền thông không dây được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị yêu cầu tiêu thụ điện năng thấp và có khả năng kết nối mạng lưới lớn. Nó hoạt động dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4. Trong môi trường lý tưởng, không có vật cản và nhiễu, sóng Zigbee hoạt động ở tần số 2.4GHz có thể truyền đi một khoảng cách từ 10 – 100 mét.

Zigbee được phát triển bởi Liên minh Zigbee, một tổ chức hợp tác quốc tế gồm hơn 200 thành viên, trong đó có những tên tuổi lớn như SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS và EPSON. Đặc điểm nổi bật của Zigbee là khả năng tạo ra một mạng lưới (mesh network) gồm nhiều thiết bị liên kết với nhau, cho phép tín hiệu được truyền qua các thiết bị trung gian để đến đích, giúp mở rộng phạm vi phủ sóng.

Zigbee sử dụng rất ít năng lượng, do đó các thiết bị sử dụng pin có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên. Đồng thời, chi phí để triển khai mạng lưới Zigbee cũng khá hợp lý, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các hệ thống nhà thông minh, cảm biến, và các thiết bị IoT (Internet of Things).

Vậy lịch sử hình thành và phát triển của Zigbee là gì? Zigbee đã trải qua một quá trình phát triển khá dài. Quá trình hình thành và phát triển của Zigbee như sau:

Lịch sử phát triển Zigbee

• Tiêu chuẩn ban đầu (1998-2003):

Zigbee bắt đầu từ cuối những năm 1990 khi các nhà phát triển nhận thấy cần có một giao thức truyền thông không dây phù hợp cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng. Nhóm Zigbee Alliance được thành lập vào năm 2002, gồm nhiều công ty công nghệ lớn như Philips, Motorola, và Samsung, nhằm phát triển một tiêu chuẩn mở cho mạng lưới không dây.

• Phiên bản Zigbee 2004:

Zigbee 1.0, phiên bản đầu tiên, được phát hành vào năm 2004 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4. Nó hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, và khả năng tạo mạng lưới (mesh network). Tiêu chuẩn này được thiết kế để cạnh tranh với Bluetooth và Wi-Fi.

• Phiên bản Zigbee PRO (2007):

Năm 2007, Zigbee PRO ra đời với nhiều cải tiến như hỗ trợ cho các mạng lưới lớn hơn, bảo mật tốt hơn, và khả năng hoạt động ổn định hơn trong các môi trường phức tạp. Đây là tiêu chuẩn chính cho hầu hết các ứng dụng Zigbee hiện nay.

• Zigbee 3.0 (2015):

Năm 2015, Zigbee 3.0 được ra mắt với mục tiêu hợp nhất các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất.

• Phát triển tại thời điểm hiện tại:

Zigbee tiếp tục phát triển và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Liên minh Zigbee đã gia nhập Liên minh CSA (Connectivity Standards Alliance), nơi mà Zigbee cùng với các giao thức khác như Thread và Matter đang hướng tới việc tạo ra một hệ sinh thái các thiết bị thông minh tương thích với nhau.

Các lĩnh vực ứng dụng chính của Zigbee bao gồm:

• Nhà thông minh (Smarthome): Zigbee được ứng dụng trong nhà thông minh, chẳng hạn như chiếu sáng thông minh, điều khiển thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh,…
• IoT công nghiệp (Industrial IoT): Trong IoT công nghiệp, Zigbee còn được sử dụng để giám sát và điều khiển từ xa; tự động hóa nhà máy; quản lý năng lượng.
• Ứng dụng y tế và chăm sóc sức khỏe: Zigbee còn được sử dụng trong y tế, ví dụ như giám sát sức khỏe từ xa hay hệ thống hỗ trợ người cao tuổi.
• Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture): Trong nông nghiệp, Zigbee cũng đem lại đóng góp to lớn và sự tiện lợi cho người dùng, như giám sát môi trường nông nghiệp hay tự động hóa hệ thống tưới tiêu.

Lĩnh vực ứng dụng của Zigbee

2. Nguyên lý hoạt động của Zigbee

Để hiểu được nguyên lý hoạt động của Zigbee, trước tiên bạn cần hiểu rõ về mạng lưới Mesh. Vậy mạng lưới Mesh trong Zigbee là gì?

Mạng lưới mesh là một loại mạng không dây mà trong đó mỗi thiết bị (node) không chỉ kết nối trực tiếp với một điểm trung tâm mà còn kết nối với nhiều thiết bị khác xung quanh theo nhiều đường dẫn khác nhau. Điều này giúp mạng Mesh tạo thành một mạng lưới kết nối phức tạp, linh hoạt và có khả năng tự phục hồi cao.

Mạng Mesh

Vậy các thiết bị (node) trong mạng giao tiếp với nhau như thế nào? Khi một thiết bị trong mạng Zigbee cần truyền dữ liệu đến một thiết bị khác, tín hiệu có thể được chuyển qua nhiều thiết bị trung gian (router) trước khi đến đích cuối cùng. Nhờ vào cấu trúc mesh, tín hiệu có thể tự động tìm đường đi hiệu quả nhất, thậm chí khi có một hoặc nhiều thiết bị trong mạng bị mất kết nối hoặc gặp sự cố.

Các thiết bị trong mạng Zigbee có khả năng tự động định tuyến lại khi cần thiết. Nếu một đường truyền bị gián đoạn hoặc một thiết bị bị hỏng, các gói dữ liệu sẽ được tự động định tuyến qua các đường dẫn khác để đảm bảo dữ liệu đến đích mà không bị gián đoạn.

Vậy các thành phần chính trong mạng Zigbee là gì? Trong một mạng lưới Zigbee, có ba loại thiết bị chính:

• Coordinator (Điều phối viên): Đây là thiết bị quan trọng nhất, có vai trò khởi tạo và quản lý mạng Zigbee. Mỗi mạng Zigbee chỉ có một điều phối viên, thường được kết nối với các thiết bị khác qua cổng trung tâm (hub).
• Router (Bộ định tuyến): Các thiết bị router giúp mở rộng phạm vi mạng lưới bằng cách truyền tiếp các gói dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác. Router có thể kết nối với điều phối viên, các router khác hoặc các thiết bị cuối.
• End Device (Thiết bị cuối): Đây là các thiết bị không thể truyền tiếp dữ liệu, chỉ có thể giao tiếp trực tiếp với một router hoặc điều phối viên. Thiết bị cuối tiêu thụ ít năng lượng hơn và thường là các cảm biến hoặc công tắc thông minh.

Các thành phần chính của Zigbee

Giao thức truyền thông Zigbee là một giao thức không dây được thiết kế để kết nối các thiết bị trong mạng lưới. Zigbee sử dụng một mô hình lớp mạng tương tự như mô hình OSI trong mạng máy tính. Hai lớp mạng chính trong Zigbee đó là:

• Lớp mạng (Network Layer)

Lớp mạng của Zigbee chịu trách nhiệm về việc định tuyến dữ liệu, quản lý kết nối giữa các thiết bị, và xử lý các yêu cầu tham gia hoặc rời khỏi mạng. Lớp mạng xác định đường đi ngắn nhất và hiệu quả nhất để truyền dữ liệu giữa các thiết bị. Ngoài ra, lớp mạng chịu trách nhiệm quản lý các kết nối giữa các thiết bị, phát hiện và khắc phục lỗi.

• Lớp ứng dụng (Application Layer)

Lớp ứng dụng chịu trách nhiệm về việc truyền tải dữ liệu thực tế giữa các thiết bị và cung cấp một môi trường lập trình để các ứng dụng cụ thể có thể hoạt động trên Zigbee. Trong lớp ứng dụng, các chức năng của thiết bị được chia thành các “cluster”. Mỗi cluster đại diện cho một nhóm chức năng cụ thể, như điều khiển đèn, cảm biến nhiệt độ, hoặc trạng thái cửa. Các cluster cho phép thiết bị giao tiếp với nhau một cách có cấu trúc và tương thích.

2 lớp mạng trong Zigbee

3. Ưu điểm và nhược điểm của Zigbee

Những ưu điểm và nhược điểm của Zigbee là gì? Cùng Lumi tìm hiểu ngay nhé!

3.1 Ưu điểm

Zigbee mang trong mình những ưu điểm sau:

• Tiêu thụ năng lượng thấp: Phù hợp với các thiết bị hoạt động bằng pin, giúp kéo dài tuổi thọ pin.
• Phạm vi phủ sóng rộng: Khả năng mở rộng mạng lưới với nhiều thiết bị và phủ sóng diện tích lớn.
• Độ tin cậy cao: Tự động tìm đường đi tối ưu cho dữ liệu, đảm bảo tính ổn định của mạng lưới.
• Khả năng mở rộng: Dễ dàng thêm mới hoặc loại bỏ thiết bị khỏi mạng lưới.
• Bảo mật: Sử dụng các cơ chế mã hóa và xác thực để bảo vệ dữ liệu.
• Chi phí thấp: So với các công nghệ khác, Zigbee có chi phí triển khai và bảo trì thấp hơn.

Ưu điểm của Zigbee

3.2. Nhược điểm

Vậy những nhược điểm của Zigbee là gì? Có 2 nhược điểm chính khi sử dụng Zigbee đó là:

• Tốc độ truyền dữ liệu thấp: Do Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu thấp nên nó không phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao như truyền video trực tiếp.
• Cần có coordinator để quản lý mạng lưới: Nếu coordinator gặp sự cố, toàn bộ mạng lưới có thể bị ảnh hưởng.

Cần coordinator để quản lý mạng lưới

4. Ứng dụng của Zigbee trong nhà thông minh

Những ứng dụng trong nhà thông minh của Zigbee là gì? Zigbee được sử dụng rất nhiều trong Smarthome với những chức năng khác nhau, cụ thể:

• Chiếu sáng thông minh: Điều khiển đèn, tạo các ngữ cảnh ánh sáng khác nhau, hẹn giờ bật/tắt đèn.
• Cảm biến và điều khiển: Kết nối và điều khiển các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động,…) và các thiết bị điều khiển (công tắc, ổ cắm,…) trong toàn bộ ngôi nhà.
• An ninh và an toàn: Kết nối các thiết bị an ninh như camera, cảm biến cửa, cảm biến khói, báo động,…
• Các ứng dụng khác: Điều khiển rèm cửa, hệ thống tưới cây, thiết bị gia dụng thông minh,…

Ứng dụng trong nhà thông minh của Zigbee

5. So sánh Zigbee với các công nghệ khác

Câu hỏi được rất nhiều người dùng quan tâm đó là những điểm khác biệt giữa các công nghệ khác và Zigbee là gì? Lumi sẽ giải đáp những thắc mắc của bạn đọc trong phần dưới đây nhé!

5.1. Zigbee và Wifi

Zigbee và Wifi

Zigbee và Wi-Fi là hai giao thức truyền thông không dây phổ biến, nhưng chúng được thiết kế cho các mục đích khác nhau và có các đặc điểm kỹ thuật khác biệt.

5.2. Zigbee và Bluetooth

Zigbee và Bluetooth

Sự khác biệt giữa Bluetooth và Zigbee được trình bày trong bảng sau:

5.3. Zigbee và Z-wave

Zigbee và Z-wave

Zigbee và Z-Wave là hai giao thức truyền thông không dây được thiết kế cho các ứng dụng nhà thông minh và IoT (Internet of Things). Cả hai đều sử dụng cấu trúc mạng lưới (mesh network) để kết nối các thiết bị, nhưng chúng có những khác biệt quan trọng:

5.4. Zigbee và Thread

Zigbee và Thread

Sự khác biệt giữa Zigbee và Thread sẽ được chỉ rõ trong bảng dưới đây:

6. Câu hỏi thường gặp

Những câu hỏi được người dùng thắc mắc về Zigbee là gì? Tìm hiểu cùng Lumi ngay nhé:

6.1. Zigbee có an toàn không?

Zigbee sử dụng mã hóa AES-128 để bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng. Mã hóa này cung cấp một mức độ bảo mật mạnh mẽ và là một trong những tiêu chuẩn phổ biến được sử dụng trong nhiều hệ thống bảo mật. Ngoài ra, các thiết bị trong mạng Zigbee sử dụng hai loại khóa bảo mật để giao tiếp: khóa mạng và khóa liên kết.

Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ nào, Zigbee không hoàn toàn miễn nhiễm với các lỗ hổng bảo mật và có thể bị hack nếu không được cấu hình và quản lý đúng cách.

6.2. Alexa, Google và Siri có thể sử dụng Zigbee hay không?

Alexa, Google Assistant, và Siri đều có khả năng tương tác với các thiết bị Zigbee, nhưng mức độ tích hợp và cách thức hỗ trợ có sự khác biệt tùy thuộc vào từng nền tảng.

• Amazon Alexa: Một số thiết bị Amazon Echo, như Echo Plus và Echo Show (các phiên bản có tích hợp hub thông minh), có tích hợp trực tiếp bộ điều khiển Zigbee.
• Google Assistant: Google Assistant không tích hợp trực tiếp bộ điều khiển Zigbee vào các thiết bị của mình. Tuy nhiên, bạn có thể sử dụng Google Assistant để điều khiển các thiết bị Zigbee thông qua các hub trung gian như Philips Hue Bridge, Samsung SmartThings,…
• Apple Siri (HomeKit): Apple HomeKit hỗ trợ hạn chế với Zigbee. Một số thiết bị Zigbee có thể hoạt động với HomeKit nếu chúng được kết nối qua một hub trung gian có hỗ trợ HomeKit.

7. Kết luận

Qua bài viết trên, bạn đọc đã được tìm hiểu kỹ càng về Zigbee là gì và những kiến thức bổ ích liên quan. Zigbee là một giao thức truyền thông không dây mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng IoT và nhà thông minh. Với khả năng mở rộng mạng lưới vượt trội, tiêu thụ năng lượng thấp, và tích hợp các tính năng bảo mật mạnh mẽ, Zigbee là lựa chọn lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị thông minh trong nhà.