Kiến trúc công nghệ ZigBee và các ứng dụng của nó

Trong thế giới giao tiếp hiện nay, có rất nhiều tiêu chuẩn giao tiếp tốc độ dữ liệu cao, nhưng không có tiêu chuẩn nào trong số này đáp ứng tiêu chuẩn giao tiếp của cảm biến và thiết bị điều khiển. Các tiêu chuẩn truyền thông tốc độ dữ liệu cao này yêu cầu độ trễ thấp và tiêu thụ năng lượng thấp ngay cả ở băng thông thấp hơn. Công nghệ Zigbee của hệ thống không dây độc quyền có sẵn có chi phí thấp và tiêu thụ điện năng thấp cùng với các đặc tính tuyệt vời và tuyệt vời của nó làm cho giao tiếp này phù hợp nhất cho một số ứng dụng nhúng , điều khiển công nghiệp và tự động hóa gia đình, v.v. Phạm vi công nghệ Zigbee cho khoảng cách truyền dẫn chủ yếu từ 10 - 100 mét dựa trên sản lượng điện cũng như đặc điểm môi trường.

Công nghệ Zigbee là gì?

Giao tiếp Zigbee được xây dựng đặc biệt cho mạng điều khiển và cảm biến trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cho mạng khu vực cá nhân không dây (WPAN), và nó là sản phẩm từ liên minh Zigbee. Điều này tiêu chuẩn giao tiếp xác định các lớp Kiểm soát truy cập vật lý và phương tiện (MAC) để xử lý nhiều thiết bị với tốc độ dữ liệu thấp. Các WPAN của Zigbee này hoạt động ở tần số 868 MHz, 902-928MHz và 2,4 GHz. Tốc độ dữ liệu 250 kbps phù hợp nhất cho việc truyền dữ liệu hai chiều định kỳ cũng như trung gian giữa cảm biến và bộ điều khiển.

Công nghệ Zigbee là gì?

Zigbee là một mạng lưới chi phí thấp và công suất thấp được triển khai rộng rãi để điều khiển và giám sát các ứng dụng trong đó nó bao phủ 10-100 mét trong phạm vi. Hệ thống liên lạc này ít tốn kém hơn và đơn giản hơn so với hệ thống liên lạc ngắn độc quyền khác mạng cảm biến không dây như Bluetoot h và Wi-Fi.

Modem Zigbee

Zigbee hỗ trợ các cấu hình mạng khác nhau để chủ để làm chủ hoặc làm chủ cho các giao tiếp phụ. Ngoài ra, nó có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau do đó năng lượng pin được tiết kiệm. Mạng Zigbee có thể mở rộng với việc sử dụng bộ định tuyến và cho phép nhiều nút kết nối với nhau để xây dựng một mạng diện rộng hơn.

Lịch sử của Công nghệ Zigbee

Vào năm 1990, các mạng vô tuyến kỹ thuật số với tính năng tự tổ chức đã được triển khai. Đặc điểm kỹ thuật Zigbee như IEEE 802.15.4-2003 đã được phê duyệt vào năm 2004, vào ngày 14 tháng 12. Đặc điểm kỹ thuật 1.0 được Zigbee Alliance công bố vào năm 2005, vào ngày 13 tháng 6, được gọi là Đặc điểm kỹ thuật của ZigBee 2004.

Thư viện cụm

Vào tháng 9 năm 2006, Đặc điểm kỹ thuật của Zigbee 2006 được công bố bằng cách thay thế ngăn xếp năm 2004. Vì vậy, đặc tả này chủ yếu thay thế cấu trúc cặp của khóa-giá trị cũng như thông báo được sử dụng trong ngăn xếp năm 2004 thông qua một thư viện cụm.

Một thư viện bao gồm một tập hợp các lệnh nhất quán, được lập kế hoạch bên dưới các nhóm được gọi là các cụm với các tên như Tự động hóa gia đình, Năng lượng thông minh & Liên kết ánh sáng của ZigBee. Vào năm 2017, thư viện được Zigbee Alliance đổi tên thành Dotdot và công bố là một giao thức mới. Vì vậy, Dotdot này đã hoạt động cho gần như tất cả các thiết bị Zigbee làm lớp ứng dụng mặc định.

Zigbee Pro

Vào năm 2007, Zigbee Pro giống như Zigbee 2007 đã được hoàn thiện. Nó là một loại thiết bị hoạt động trên mạng Zigbee cũ. Do sự khác biệt trong các tùy chọn định tuyến, các thiết bị này sẽ biến thành thiết bị ZED không định tuyến hoặc thiết bị cuối Zigbee (ZED) trên mạng Zigbee kế thừa. Các thiết bị Zigbee kế thừa phải biến thành thiết bị cuối Zigbee trên mạng Zigbee Pro. Nó hoạt động thông qua băng tần ISM 2,4 GHz cũng như bao gồm một băng tần phụ GHz.

Công nghệ Zigbee hoạt động như thế nào?

Công nghệ Zigbee hoạt động với radio kỹ thuật số bằng cách cho phép các thiết bị khác nhau trò chuyện với nhau. Các thiết bị được sử dụng trong mạng này là một bộ định tuyến, bộ điều phối cũng như các thiết bị cuối. Chức năng chính của các thiết bị này là cung cấp các hướng dẫn và thông điệp từ bộ điều phối đến các thiết bị đầu cuối duy nhất như bóng đèn.

Trong mạng này, bộ điều phối là thiết bị thiết yếu nhất được đặt ở điểm gốc của hệ thống. Đối với mỗi mạng, chỉ có một bộ điều phối, được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Họ chọn một kênh phù hợp để quét kênh cũng như tìm kênh thích hợp nhất thông qua mức tối thiểu nhiễu, phân bổ ID độc quyền cũng như địa chỉ cho mọi thiết bị trong mạng để các thông báo hướng dẫn khác có thể được truyền trong mạng .

Các bộ định tuyến được bố trí giữa các thiết bị điều phối cũng như các thiết bị đầu cuối chịu trách nhiệm định tuyến thông điệp giữa các nút khác nhau. Các bộ định tuyến nhận thông báo từ điều phối viên và lưu trữ chúng cho đến khi thiết bị cuối của chúng ở trong tình huống nhận được chúng. Chúng cũng có thể cho phép các thiết bị đầu cuối khác cũng như bộ định tuyến kết nối mạng

Trong mạng này, thông tin nhỏ có thể được điều khiển bởi các thiết bị đầu cuối bằng cách giao tiếp với nút cha như bộ định tuyến hoặc bộ điều phối dựa trên kiểu mạng Zigbee. Các thiết bị cuối không đối thoại trực tiếp với nhau. Đầu tiên, tất cả lưu lượng truy cập có thể được định tuyến tới nút chính như bộ định tuyến, nút này lưu giữ dữ liệu này cho đến khi đầu nhận của thiết bị ở trong tình huống nhận biết được. Thiết bị cuối được sử dụng để yêu cầu bất kỳ tin nhắn nào đang chờ từ phụ huynh.

Kiến trúc Zigbee

Cấu trúc hệ thống Zigbee bao gồm ba loại thiết bị khác nhau là Zigbee Coordinator, Router và End device. Mỗi mạng Zigbee phải bao gồm ít nhất một bộ điều phối hoạt động như một gốc và cầu nối của mạng. Điều phối viên chịu trách nhiệm xử lý và lưu trữ thông tin trong khi thực hiện các hoạt động nhận và truyền dữ liệu.

Bộ định tuyến Zigbee hoạt động như thiết bị trung gian cho phép dữ liệu truyền qua lại chúng tới các thiết bị khác. Các thiết bị đầu cuối có chức năng hạn chế để giao tiếp với các nút chính để tiết kiệm pin như trong hình. Số lượng bộ định tuyến, bộ điều phối và thiết bị cuối phụ thuộc vào loại mạng như mạng hình sao, mạng cây và mạng lưới.

Kiến trúc giao thức Zigbee bao gồm một chồng các lớp khác nhau, nơi IEEE 802.15.4 được xác định bởi các lớp vật lý và MAC trong khi giao thức này được hoàn thành bằng cách tích lũy các lớp ứng dụng và mạng riêng của Zigbee.

Kiến trúc công nghệ ZigBee

Lớp vật lý : Lớp này thực hiện các hoạt động điều chế và giải điều chế khi truyền và nhận tín hiệu tương ứng. Bên dưới đưa ra tần suất, tốc độ dữ liệu và một số kênh của lớp này.

Lớp MAC : Lớp này chịu trách nhiệm truyền dữ liệu một cách đáng tin cậy bằng cách truy cập các mạng khác nhau với tính năng tránh va chạm đa truy nhập của sóng mang (CSMA). Điều này cũng truyền các khung báo hiệu để đồng bộ hóa giao tiếp.

Lớp mạng : Lớp này xử lý tất cả các hoạt động liên quan đến mạng như thiết lập mạng, kết nối thiết bị cuối và ngắt kết nối với mạng, định tuyến, cấu hình thiết bị, v.v.

Lớp phụ hỗ trợ ứng dụng : Lớp này cho phép các dịch vụ cần thiết cho các đối tượng thiết bị Zigbee và các đối tượng ứng dụng giao tiếp với các lớp mạng cho các dịch vụ quản lý dữ liệu. Lớp này chịu trách nhiệm kết hợp hai thiết bị theo các dịch vụ và nhu cầu của chúng.

Khung ứng dụng : Nó cung cấp hai loại dịch vụ dữ liệu là cặp khóa-giá trị và dịch vụ thông báo chung. Thông báo chung là cấu trúc do nhà phát triển xác định, trong khi cặp khóa-giá trị được sử dụng để nhận các thuộc tính trong các đối tượng ứng dụng. ZDO cung cấp giao diện giữa các đối tượng ứng dụng và lớp APS trong thiết bị Zigbee. Nó chịu trách nhiệm phát hiện, khởi tạo và liên kết các thiết bị khác vào mạng.

Chế độ vận hành Zigbee và cấu trúc liên kết của nó

Dữ liệu hai chiều của Zigbee được truyền ở hai chế độ: Chế độ không báo hiệu và Chế độ báo hiệu. Trong chế độ đèn hiệu, các bộ điều phối và bộ định tuyến liên tục theo dõi trạng thái hoạt động của dữ liệu đến, do đó tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Trong chế độ này, các bộ định tuyến và bộ điều phối không ngủ vì bất kỳ lúc nào bất kỳ nút nào cũng có thể thức dậy và giao tiếp.

Tuy nhiên, nó đòi hỏi nhiều nguồn điện hơn và mức tiêu thụ điện năng tổng thể thấp vì hầu hết các thiết bị đều ở trạng thái không hoạt động trong thời gian dài trong mạng. Trong chế độ báo hiệu, khi không có giao tiếp dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối, thì bộ định tuyến và bộ điều phối sẽ chuyển sang trạng thái ngủ. Định kỳ bộ điều phối này đánh thức và truyền các báo hiệu đến các bộ định tuyến trong mạng.

Các mạng báo hiệu này hoạt động cho các khe thời gian có nghĩa là, chúng hoạt động khi giao tiếp cần thiết dẫn đến chu kỳ nhiệm vụ thấp hơn và sử dụng pin lâu hơn. Các chế độ báo hiệu và không báo hiệu này của Zigbee có thể quản lý các kiểu dữ liệu định kỳ (dữ liệu cảm biến), gián đoạn (Công tắc đèn) và lặp lại.

Cấu trúc liên kết Zigbee

Zigbee hỗ trợ một số cấu trúc liên kết mạng, tuy nhiên, các cấu hình được sử dụng phổ biến nhất là cấu trúc liên kết hình sao, lưới và cây cụm. Bất kỳ cấu trúc liên kết nào bao gồm một hoặc nhiều bộ điều phối. Trong cấu trúc liên kết hình sao, mạng bao gồm một bộ điều phối chịu trách nhiệm khởi tạo và quản lý các thiết bị qua mạng. Tất cả các thiết bị khác được gọi là thiết bị đầu cuối giao tiếp trực tiếp với bộ điều phối.

Điều này được sử dụng trong các ngành công nghiệp nơi tất cả các thiết bị điểm cuối cần thiết để giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm và cấu trúc liên kết này đơn giản và dễ triển khai. Trong cấu trúc liên kết dạng lưới và dạng cây, mạng Zigbee được mở rộng với một số bộ định tuyến nơi điều phối viên chịu trách nhiệm nhìn chằm chằm chúng. Các cấu trúc này cho phép bất kỳ thiết bị nào giao tiếp với bất kỳ nút lân cận nào khác để cung cấp dự phòng cho dữ liệu.

Nếu bất kỳ nút nào bị lỗi, thông tin sẽ được định tuyến tự động đến các thiết bị khác bằng các cấu trúc liên kết này. Vì dự phòng là yếu tố chính trong các ngành công nghiệp, do đó cấu trúc liên kết lưới hầu hết được sử dụng. Trong mạng cụm-cây, mỗi cụm bao gồm một bộ điều phối với các nút lá, và các bộ điều phối này được kết nối với bộ điều phối mẹ khởi tạo toàn bộ mạng.

Do những ưu điểm của công nghệ Zigbee như chi phí thấp và chế độ hoạt động tiêu thụ điện năng thấp và cấu trúc liên kết của nó, công nghệ giao tiếp tầm ngắn này phù hợp nhất cho một số ứng dụng so với các giao tiếp độc quyền khác, chẳng hạn như Bluetooth, Wi-Fi, v.v. một số trong số này Các so sánh như phạm vi Zigbee, tiêu chuẩn, v.v., được đưa ra bên dưới.

Tại sao Tỷ lệ dữ liệu thấp ở Zigbee?

Chúng tôi biết rằng các loại công nghệ không dây khác nhau có sẵn trên thị trường như Bluetooth cũng như WiFi cung cấp tốc độ dữ liệu cao. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu trong Zigbee thấp hơn vì mục đích chính đằng sau sự phát triển của ZigBee là sử dụng nó trong điều khiển không dây cũng như màn hình.

Lượng dữ liệu cũng như tần suất liên lạc được sử dụng trong các ứng dụng như vậy là cực kỳ thấp. Mặc dù, có thể xảy ra trường hợp mạng như IEEE 802.15.4 đạt được tốc độ dữ liệu cao, vì vậy công nghệ Zigbee dựa trên mạng IEEE 802.15.4.

Công nghệ Zigbee trong IoT

Chúng ta biết rằng Zigbee là một loại công nghệ giao tiếp tương tự như Bluetooth cũng như WiFi, tuy nhiên, cũng có rất nhiều lựa chọn thay thế mạng mới đang gia tăng như Thread, một lựa chọn cho các ứng dụng tự động hóa gia đình. Ở các thành phố lớn, các công nghệ Khoảng trắng đã được triển khai cho các trường hợp sử dụng khu vực rộng lớn hơn dựa trên IoT.

ZigBee là đặc điểm kỹ thuật WLAN (mạng cục bộ không dây) công suất thấp. Nó cung cấp ít dữ liệu hơn, sử dụng ít năng lượng hơn bởi các thiết bị được kết nối thường xuyên để tắt pin. Do đó, tiêu chuẩn mở đã được kết nối thông qua giao tiếp M2M (máy với máy) cũng như IoT công nghiệp (internet vạn vật).

Zigbee đã trở thành một giao thức IoT được chấp nhận trên toàn cầu. Nó đã cạnh tranh với Bluetooth, WiFi và Thread.

Thiết bị Zigbee

Đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.15.4 Zigbee chủ yếu bao gồm hai thiết bị như Thiết bị đầy đủ chức năng (FFD) cũng như Thiết bị giảm chức năng (RFD). Thiết bị FFD thực hiện các tác vụ khác nhau được giải thích trong đặc điểm kỹ thuật & nó có thể áp dụng bất kỳ tác vụ nào trong mạng.

Thiết bị RFD có một phần khả năng nên nó thực hiện các tác vụ hạn chế và thiết bị này có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào trong mạng. Nó phải hoạt động cũng như chú ý trong mạng. Thiết bị RFD có thể giao tiếp đơn giản với Thiết bị FFD & nó được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản như điều khiển công tắc bằng cách kích hoạt và tắt kích hoạt nó.

Trong IEEE 802.15.4 n / w, các thiết bị Zigbee đóng ba vai trò khác nhau như Điều phối viên, Điều phối viên PAN & Thiết bị. Ở đây, các thiết bị FFD là Điều phối viên cũng như Điều phối viên PAN trong khi Thiết bị là Thiết bị RFD / FFD.

Chức năng chính của bộ điều phối là để chuyển tiếp các bản tin. Trong mạng khu vực cá nhân, bộ điều khiển PAN là bộ điều khiển thiết yếu và một thiết bị được biết đến như thể thiết bị không phải là bộ điều phối.
Chuẩn ZigBee có thể tạo ba thiết bị giao thức tùy thuộc vào thiết bị Zigbee, bộ điều phối PAN, bộ điều phối và đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn của ZigBee như bộ điều phối, bộ định tuyến và thiết bị cuối được thảo luận bên dưới.

Điều phối viên Zigbee

Trong một thiết bị FFD, nó là một PAN Coordinator được sử dụng để tạo mạng. Sau khi mạng được thiết lập, nó sẽ gán địa chỉ của mạng cho các thiết bị được sử dụng trong mạng. Ngoài ra, nó định tuyến các thông điệp giữa các thiết bị đầu cuối.

Bộ định tuyến Zigbee

Bộ định tuyến Zigbee là một Thiết bị FFD cho phép phạm vi của Mạng Zigbee. Bộ định tuyến này được sử dụng để thêm nhiều thiết bị hơn vào mạng. Đôi khi, nó hoạt động như một Thiết bị cuối Zigbee.

Thiết bị cuối Zigbee

Đây không phải là Bộ định tuyến cũng không phải là Bộ điều phối giao tiếp vật lý với cảm biến thực hiện một hoạt động điều khiển. Dựa trên ứng dụng, nó có thể là RFD hoặc FFD.

Tại sao ZigBee tốt hơn WiFi?

Ở Zigbee, tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với WiFi, vì vậy tốc độ cao nhất chỉ đơn giản là 250kbps. Nó rất ít hơn so với tốc độ thấp hơn của WiFi.

Thêm một chất lượng tốt nhất của Zigbee là tốc độ sử dụng năng lượng cũng như tuổi thọ của pin. Giao thức của nó kéo dài trong vài tháng vì một khi nó được lắp ráp thì chúng ta có thể quên.

Thiết bị nào sử dụng ZigBee?

Danh sách các thiết bị sau đây hỗ trợ giao thức ZigBee.

• Belkin WeMo
• Samsung SmartThings
• Ổ khóa thông minh Yale
• Philips Huế
• Bộ điều nhiệt từ Honeywell
• Ikea Tradfri
• Hệ thống An ninh của Bosch
• Comcast Xfinity Box từ Samsung
• Hệ thống sưởi và phụ kiện Hive Active
• Amazon Echo Plus
• Amazon Echo Show

Thay vì kết nối từng thiết bị Zigbee một cách riêng biệt, cần có một trung tâm để điều khiển tất cả các thiết bị. Các thiết bị được đề cập ở trên như SmartThings cũng như Amazon Echo Plus cũng có thể được sử dụng như một trung tâm Wink để đóng một vai trò quan trọng trong mạng. Trung tâm trung tâm sẽ quét mạng để tìm tất cả các thiết bị được hỗ trợ và cung cấp cho bạn khả năng kiểm soát đơn giản các thiết bị trên bằng một ứng dụng trung tâm.

Sự khác biệt giữa ZigBee và Bluetooth là gì?

Sự khác biệt giữa Zigbee và Bluetooth được thảo luận dưới đây.

Sự khác biệt giữa LoRa và ZigBee là gì?

Sự khác biệt chính giữa LoRa và Zigbee được thảo luận dưới đây.

Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ Zigbee

Những lợi thế của Zigbee bao gồm những điều sau đây.

• Mạng này có cấu trúc mạng linh hoạt
• Thời lượng pin tốt.
• Tiêu thụ điện năng ít hơn
• Rất đơn giản để sửa chữa.
• Nó hỗ trợ khoảng 6500 nút.
• Chi phí ít hơn.
• Nó có khả năng tự phục hồi cũng như đáng tin cậy hơn.
• Cài đặt mạng rất dễ dàng cũng như đơn giản.
• Tải được phân bổ đồng đều trên toàn mạng vì nó không bao gồm bộ điều khiển trung tâm
• Giám sát cũng như điều khiển thiết bị gia dụng cực kỳ đơn giản bằng cách sử dụng điều khiển từ xa
• Mạng có thể mở rộng và dễ dàng thêm / từ xa thiết bị cuối ZigBee vào mạng.

Những nhược điểm của Zigbee bao gồm những điều sau đây.

• Nó cần thông tin hệ thống để điều khiển các thiết bị dựa trên Zigbee cho chủ sở hữu.
• So với WiFi, nó không an toàn.
• Chi phí thay thế cao khi bất kỳ sự cố nào xảy ra trong các thiết bị gia dụng của Zigbee
• Tốc độ truyền của Zigbee ít hơn
• Nó không bao gồm một số thiết bị cuối.
• Nó rất rủi ro được sử dụng cho thông tin cá nhân chính thức.
• Nó không được sử dụng như một hệ thống liên lạc không dây ngoài trời vì nó có giới hạn phủ sóng ít hơn.
• Tương tự như các loại hệ thống không dây khác, hệ thống liên lạc ZigBee này dễ bị những người không có thẩm quyền làm phiền.

Các ứng dụng của Công nghệ Zigbee

Các ứng dụng của công nghệ ZigBee bao gồm những điều sau đây.

Tự động trong công nghiệp: Trong các ngành sản xuất và chế tạo, một liên kết truyền thông liên tục giám sát các thông số khác nhau và thiết bị quan trọng. Do đó Zigbee giảm đáng kể chi phí truyền thông này cũng như tối ưu hóa quy trình kiểm soát để có độ tin cậy cao hơn.

Tự động hóa tại nhà: Zigbee hoàn toàn phù hợp với điều khiển thiết bị gia dụng từ xa như điều khiển hệ thống chiếu sáng, điều khiển thiết bị, điều khiển hệ thống sưởi và làm mát, vận hành thiết bị an toàn và điều khiển, giám sát, v.v.

Đo thông minh: Các hoạt động từ xa của Zigbee trong đo sáng thông minh bao gồm phản hồi tiêu thụ năng lượng, hỗ trợ định giá, bảo mật chống trộm cắp điện, v.v.

Giám sát lưới thông minh: Các hoạt động của Zigbee trong lưới thông minh này liên quan đến giám sát nhiệt độ từ xa , định vị lỗi, quản lý công suất phản kháng, v.v.

Công nghệ ZigBee được sử dụng để xây dựng các dự án kỹ thuật như hệ thống chấm công vân tay không dây và tự động hóa gia đình.

Đây là tất cả về 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 nó hơn. Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về công nghệ Zigbee và nó dựa trên mạng IEEE 802.15.4. Thiết kế của công nghệ này có thể được thực hiện cực kỳ mạnh mẽ vì vậy nó hoạt động trong mọi loại môi trường.

Nó cung cấp tính linh hoạt cũng như bảo mật cho các môi trường khác nhau. Công nghệ Zigbee đã trở nên phổ biến trên thị trường vì nó cung cấp mạng lưới nhất quán bằng cách cho phép mạng kiểm soát trên một khu vực rộng lớn và nó cũng cung cấp truyền thông năng lượng thấp. Vì vậy, đây là một công nghệ IoT hoàn hảo. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, các công nghệ truyền thông không dây khác nhau hiện có trên thị trường là gì? Để được trợ giúp thêm và hỗ trợ kỹ thuật, bạn có thể liên hệ với chúng tôi bằng cách bình luận bên dưới.