ZigBee là giao thức dựa theo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.15.4 sử dụng để tạo ra mạng vô tuyến cá nhân cho vùng nhỏ, công suất thấp. Công nghệ ZigBee đơn giản và ít tốn kém hơn các mạng cá nhân không dây khác (WPANs), như Bluetooth hoặc Wi-Fi. Ứng dụng bao gồm công tắc đèn không dây, thiết bị đo điện năng trong nhà, hệ thống quản lý giao thông và các thiết bị dân dụng và công nghiệp yêu cầu tầm ngắn và công suất thấp.
Do sử dụng công suất thấp nên ZigBee dùng cho truyền khoảng cách từ 10 - 100 m. Để truyền cho khoảng cách xa hơn ZigBee sử dụng mạng mesh với các thiết bị trung gian. ZigBee công suất thấp thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu thời gian sống của pin lâu, bảo mật (Mạng ZigBee sử dụng mã hoá đối xứng 128 bít - 128 bit symmetric encryption keys). ZigBee truyền với tốc dộ 250 kbit /s, phù hợp nhất cho việc truyền dữ liệu liên tục từ cảm biến hoặc thiết bị đầu vào.
ZigBee được hình thành vào năm 1998, tiêu chuẩn hóa vào năm 2003, và được sửa đổi vào năm 2006. Tên tiêu chuẩn dựa theo điệu nhảy lúc lắc của ong mật khi trở về tổ.
Tổng quan
ZigBee là chuẩn giao tiếp mạng mesh không dây chi phí thấp, công suất thấp, phát triển cho thiết bị có thời gian sử dụng pin dài cho ứng dụng điều khiển và giám sát không dây. Thiết bị Zigbee có độ trễ thấp. Chip ZigBee thường được tích hợp bộ phát sóng radio và chíp vi điều khiển sử dụng bộ nhớ flash 60-256 KB. ZigBee hoạt động ở băng tần số công nghiệp, khoa học và y tế: 2.4 GHz trên toàn thế giới; 784 MHz ở Trung Quốc, 868 MHz ở châu Âu và 915 MHz ở Mỹ và Úc. Tốc độ truyền dữ liệu từ 20 kbit / s (băng tần 868 MHz) đến 250 kbit / s (băng tần 2.4 GHz).
ZigBee hỗ trợ mạng hình sao, hình cây và mạng mesh. Mỗi mạng đều có một thiết bị điều phối (coordinator device), khởi tạo mạng, kiểm soát các thông số và duy trì mạng. Trong mạng hình sao, thiết bị điều phối ở trung tâm node. Mạng cây và mạng mesh đều cho dùng router ZigBee để mở rộng mạng.
ZigBee được xây dựng trên lớp vật lý và điều khiển truy nhập theo chuẩn EEE 802.15.4 cho điểm truy nhập vô tuyến tiêu thụ tốc độ thấp (low-rate WPANs). Tiêu chuẩn kỹ thuật bổ sung thêm bốn thành phần: lớp mạng, lớp ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects ZDOs), và đối tượng ứng dụng theo nhà sản xuất (manufacturer-defined application objects ) cho việc tùy biến và tích hợp. ZDOs dùng cho các nhiệm vụ như theo dõi các vai trò thiết bị, quản lý yêu cầu đăng nhập mạng, phát hiện thiết bị và bảo mật.
ZigBee là tiêu chuẩn toàn cầu do nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.15 phụ trách. Phiên bản thứ tư trong series là phiên bản mới nhất, điểm truy cập vô tuyến tốc độ thấp WPAN Low Rate / ZigBee dành cho các thiết bị có tốc độ dữ liệu thấp, tiêu thụ điện năng rất thấp và sử dụng tuổi thọ pin dài.
Sử dụng
Giao thức ZigBee dành cho các ứng dụng nhúng đòi hỏi tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Thiết bị muốn đạt tiêu chuẩn ZigBee phải có tuổi thọ pin ít nhất hai năm.
Các ứng dụng điển hình:
Thiết bị điều khiển và giải trí trong nhà (Home Entertainment and Control) — Thiết bị nhà thông minh như QIVICON, điều khiển ánh sáng (smart lighting), điều khiển nhiệt độ (advanced temperature control), an ninh và an toàn (safety and security), phim ảnh và âm nhạc.
Mạng cảm biến không dây ví dụ như Telosb/Tmote và Iris của hãng Memsic
Điều khiển công nghiệp (Industrial control)
Cảm biến nhúng (Embedded sensing)
Thu thập dữ liệu y tế (Medical data collection)
Báo cháy, báo khói và báo đột nhập (Smoke and intruder warning)
Nhà thông minh (Building automation)
Tiêu chuẩn
Các tiêu chuẩn đã công bố:
- ZigBee Home Automation 1.2
- Smart Energy 1.1b
- Telecommunication Services 1.0
- Health Care 1.0
- RF4CE – Remote Control 1.0
- RF4CE – Input Device 1.0
- Remote Control 2.0
- Light Link 1.0
- IP 1.0
- Building Automation 1.0
- Gateway 1.0
- Green Power 1.0 (Optional battery-less remote control feature of ZigBee 2012)
- Retail Services
Các tiêu chuẩn đang phát triển:
- ZigBee Smart Energy 2.0
- Smart Energy 1.2/1.3
- Light Link 1.1
- Home Automation 1.3
Tiêu chuẩn ZigBee Smart Energy V2.0 là giao thức IP dùng theo dõi, điều khiển, thông báo và tự động hóa sử dụng năng lượng và nước. Nó là bản mở rộng của tiêu chuẩn ZigBee Smart Energy version 1 với các chức năng nạp xe chạy điện (electric vehicle - PEV), cài đặt và tải firmware, dịch vụ trả trước, thông tin người dùng và nhắn tin, thông tin và ứng dụng phổ biến và đáp ứng theo yêu cầu cho mạng có dây và không dây. Tiêu chuẩn được phát triển bởi các tổ chức:
HomeGrid Forum phụ trách tiếp thị và xác thực chuẩn ITU-T G.hn
HomePlug Powerline Alliance
International Society of Automotive Engineers SAE International
IPSO Alliance
SunSpec Alliance
Wi-Fi Alliance.
Phấn cứng vô tuyến
Thiết kế vô tuyến của ZigBee được thiết kế tối ưu cho việc sản xuất hàng loạt số lượng lớn. Bao gồm cả kỹ thuật tương tự và kỹ thuật số. Tất cả thiết bị vô tuyến trên một mặt bán dẫn phải có cùng đặc tính RF. Nếu một lớp vật lý không đống nhất sẽ giảm thời gian sử dụng pin cũng như đến các thiết bị trên mạng ZigBee khác. Sóng vô tuyến ZigBee có ràng buộc rất chặt về tần số cũng như công suất phát. Sóng vô tuyến đươc kiểm tra theo hướng dẫn tại mục 6 tiêu chuẩn 802.15.4-2006. Hầu hết các nhà sản xuất điều tích hợp ăng ten vô tuyến với bộ microcontroller trên một chíp để làm nhỏ thiết bị.
Chuẩn hoạt động ờ tần số 2.4GHz (trên toàn thế giới), 915 MHz (châu Mỹ và Úc) và 868 MHz (châu Âu) băng ISM. Mười sáu kênh được phân bổ trong băng tần 2,4 GHz, mỗi kênh cách nhau 5 MHz, mặc dù chỉ sử dụng 2 MHz băng thông. Sóng vô tuyến sử dụng mã hóa trải phổ direct-sequence spread spectrum, đưa chuối tín hiệu số vào bộ điều chế. Điều chế khóa dịch pha nhị phân (Binary phase-shift keying - BPSK) sử dụng cho băng 868 và 915 MHz, và điều chế khóa dịch pha vuông pha (offset quadrature phase-shift keying - OQPSK) truyền hai bit cho mỗi ký hiệu được sử dụng trong băng tần 2,4 GHz.
Chuỗi dữ liệu được phát sóng (over-the-air) tốc độ 250 kbit / s mỗi kênh với băng tần 2,4 GHz, 40 kbit / s mỗi kênh với băng tần 915 MHz và 20 kbit / s với băng 868 MHz. Tốc độ dữ liệu thực sẽ nhỏ hơn tốc độ bit tối đa do phần tiêu đề và trễ xử lý gói tin. Đối với các ứng dụng trong nhà ở tần sối 2,4 GHz khoảng cách truyền từ 10-20 m, tùy thuộc vào vật liệu xây dựng, khoảng hở và công suất phát cho phép. Với ngoài trời line-of-sight, phạm vi có thể lên đến 1500 m tùy thuộc vào công suất phát và đặc điểm môi trường. Công suất sóng vô tuyến thường khoảng 0-20 dBm (1-100 mW).
Phân loại thiết bị và chế độ hoạt động
Thiết bị Zigbee được chia ra làm ba chế độ hoạt động:
ZigBee Coordinator (ZC - Điều phối). Zigbee ở gốc của của mạng hình cây và có khả năng bridge sang các mạng khác. Chỉ có một điều phối cho mỗi mạng. Nó lưu trữ thông tin mạng, xác thực (Trust Center), lưu khóa bảo mật.
ZigBee Router (ZR): Bộ định tuyến trung gian, truyền dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác.
ZigBee End Device (ZED): Chỉ có chức năng giao tiếp với nút trên (Coordinator hoặc Router). Không thể chuyển tiếp dữ liệu giữa các thiết bị. Thiết kế này cho phép thiết bi "ngủ" trong phần lớn thời gian, giúp tiết kiệm pin. ZED cũng yêu cầu ít bộ nhớ nhất, cắt giảm chi phí sản xuất so với ZC hoặc ZR.