Zigbee là gì? Tìm hiểu công nghệ kết nối cho nhà thông minh

Trong một ngôi nhà thông minh, cảm biến, công tắc, đèn và nhiều thiết bị khác cần trao đổi dữ liệu để phối hợp với nhau. Tuy nhiên, không phải thiết bị nào cũng cần đường truyền tốc độ cao như điện thoại, máy tính hay camera.

Với những thiết bị như cảm biến cửa, cảm biến hiện diện, công tắc hoặc thiết bị chạy pin, yêu cầu quan trọng thường là tiêu thụ ít năng lượng, kết nối ổn định và có thể mở rộng trong không gian sống.

Đây là nhóm nhu cầu mà Zigbee được thiết kế để đáp ứng. Zigbee là công nghệ kết nối không dây dành cho các thiết bị Internet vạn vật, được xây dựng trên nền tảng IEEE 802.15.4 và hỗ trợ nhiều kiểu tổ chức mạng, trong đó có mạng lưới.

Zigbee là gì?

Zigbee là tiêu chuẩn kết nối không dây dành cho các thiết bị Internet vạn vật, được xây dựng trên IEEE 802.15.4 và hỗ trợ mạng lưới.

Zigbee được phát triển cho những thiết bị không cần truyền lượng dữ liệu lớn nhưng cần hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Vì vậy, công nghệ này thường xuất hiện trong cảm biến, công tắc, đèn, khóa cửa và nhiều thiết bị tự động hóa khác.

Điểm đáng chú ý là Zigbee không chỉ quy định cách thiết bị truyền dữ liệu qua sóng vô tuyến. Đặc tả còn quy định cách các thiết bị tham gia và tổ chức thành mạng, cũng như cách chúng trao đổi dữ liệu trong hệ sinh thái Zigbee.

Có thể hiểu đơn giản, Zigbee tạo ra một mạng kết nối riêng cho các thiết bị thông minh. Nhờ đó, cảm biến và công tắc không nhất thiết phải kết nối trực tiếp với mạng Wi-Fi của gia đình.

Zigbee hoạt động như thế nào?

Hãy hình dung một căn nhà có bộ điều khiển Zigbee, các công tắc và nhiều cảm biến được bố trí ở từng phòng.

Khi cảm biến cửa phát hiện cửa mở, nó gửi thông tin vào mạng Zigbee. Cảm biến có thể giao tiếp thông qua bộ điều phối hoặc bộ định tuyến gần đó, tùy theo cấu trúc mạng.

Trong một mạng Zigbee, có ba vai trò thiết bị chính:

Bộ điều phối chịu trách nhiệm hình thành mạng và giữ vai trò điều phối mạng. Tùy kiến trúc, nó có thể đảm nhiệm thêm một số chức năng quản lý mạng hoặc bảo mật. Trong nhiều hệ thống nhà thông minh, chức năng này được tích hợp bên trong bộ trung tâm hoặc bộ điều khiển.

Bộ định tuyến có khả năng chuyển tiếp dữ liệu giữa các thiết bị. Một số công tắc, đèn hoặc thiết bị được cấp nguồn liên tục có thể đảm nhiệm vai trò này nếu sản phẩm hỗ trợ.

Thiết bị đầu cuối tham gia mạng để gửi hoặc nhận dữ liệu nhưng không thực hiện nhiệm vụ định tuyến. Nhiều cảm biến chạy pin thuộc nhóm này. Một số thiết bị đầu cuối có thể sử dụng trạng thái ngủ để giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Cách phân chia này giúp Zigbee phù hợp với cả thiết bị luôn được cấp nguồn và những thiết bị nhỏ cần hoạt động bằng pin.

Zigbee Mesh là gì?

Mạng lưới Zigbee (Mesh) là mô hình trong đó các thiết bị có khả năng định tuyến có thể chuyển tiếp dữ liệu cho nhau.

Ví dụ, bộ điều phối được đặt tại khu vực trung tâm của căn nhà. Một cảm biến ở cuối hành lang nằm khá xa bộ điều phối. Nếu có một công tắc hoặc đèn đóng vai trò bộ định tuyến ở vị trí phù hợp, dữ liệu từ cảm biến có thể được chuyển tiếp qua thiết bị này.

Nhờ cách tổ chức đó, mạng có thể mở rộng theo không gian của công trình mà không yêu cầu mọi thiết bị phải kết nối trực tiếp với bộ điều phối.

Tuy nhiên, cần lưu ý một điểm thường bị hiểu sai: không phải mọi thiết bị Zigbee đều có khả năng tiếp sóng.

Thiết bị đóng vai trò Bộ định tuyến (Router) mới đảm nhiệm chức năng chuyển tiếp dữ liệu. Các cảm biến chạy pin thường là Thiết bị đầu cuối (End Device) và không giúp mở rộng mạng.

Vì vậy, khi triển khai Zigbee cho nhà nhiều tầng, việc bố trí các thiết bị có khả năng định tuyến vẫn rất quan trọng.

Zigbee 3.0 là gì?

Zigbee 3.0 là chuẩn trong hệ sinh thái Zigbee, được xây dựng nhằm thống nhất cách các nhóm thiết bị khác nhau hoạt động và giao tiếp với nhau.

Zigbee 3.0 sử dụng các thành phần như Zigbee Cluster Library để mô tả chức năng, thuộc tính và lệnh của thiết bị. Cách tổ chức này tạo ra một mô hình ứng dụng chung cho nhiều nhóm sản phẩm như đèn, công tắc, cảm biến và khóa cửa.

Tuy nhiên, việc hai thiết bị đều ghi “Zigbee 3.0” không có nghĩa chúng chắc chắn sử dụng được mọi chức năng của nhau. Khả năng tương tác thực tế còn phụ thuộc vào thiết bị, nền tảng điều khiển và cách nhà sản xuất triển khai.

Zigbee sử dụng băng tần nào?

Zigbee dựa trên IEEE 802.15.4 và có thể hoạt động trên nhiều dải tần tùy khu vực. Trong đó, 2,4 GHz là dải được sử dụng trên toàn cầu. Ngoài ra còn có các dải dưới 1 GHz ở một số khu vực.

Các thiết bị Zigbee phổ biến trong nhà thông minh hiện nay chủ yếu sử dụng 2,4 GHz. Đây cũng là dải tần được Wi-Fi và Bluetooth sử dụng, nên môi trường vô tuyến vẫn có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết nối.

Mạng lưới không có nghĩa Zigbee hoàn toàn không bị nhiễu. Vị trí lắp đặt, vật cản, khoảng cách và cách bố trí các thiết bị định tuyến đều cần được tính đến khi thiết kế hệ thống.

Zigbee được dùng để làm gì trong nhà thông minh?

Zigbee phù hợp với những thiết bị cần truyền dữ liệu điều khiển và trạng thái, đặc biệt khi yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp. Connectivity Standards Alliance hiện liệt kê nhiều ứng dụng của Zigbee trong nhà thông minh, chiếu sáng, an ninh và tự động hóa công trình.

Cảm biến

Cảm biến cửa, cảm biến chuyển động, cảm biến hiện diện, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có thể sử dụng Zigbee để gửi dữ liệu về hệ thống.

Ví dụ, cảm biến cửa phát hiện cửa mở và gửi trạng thái để hệ thống thực hiện một kịch bản đã được thiết lập.\

Tìm hiểu thêm bài viết: Cảm biến nhà thông minh có mấy loại? Công dụng từng loại

Công tắc và chiếu sáng

Công tắc và đèn thông minh có thể sử dụng Zigbee để trao đổi lệnh điều khiển.

Trong căn hộ, người dùng có thể nhấn công tắc để điều khiển đèn hoặc sử dụng nền tảng điều khiển tương thích để thực hiện các thao tác từ xa.

An ninh và thiết bị gia dụng

Zigbee cũng được sử dụng trong một số loại khóa cửa, ổ cắm và thiết bị phục vụ an ninh hoặc tự động hóa.

Điểm chung của các ứng dụng này là không cần truyền lượng dữ liệu lớn như camera. Zigbee được thiết kế phù hợp với lớp thiết bị cảm biến và điều khiển hơn là những ứng dụng truyền dữ liệu lớn.

Zigbee có ưu điểm và hạn chế gì?

Zigbee có một số đặc điểm khiến công nghệ này phù hợp với thiết bị nhà thông minh.

1. Tiêu thụ năng lượng thấp: phù hợp với nhiều thiết bị nhỏ và cảm biến chạy pin.
2. Mạng lưới: các thiết bị có chức năng định tuyến có thể chuyển tiếp dữ liệu và mở rộng phạm vi mạng.
3. Phù hợp với thiết bị Internet vạn vật: Zigbee được thiết kế cho các thiết bị chủ yếu trao đổi dữ liệu điều khiển và trạng thái.
4. Hệ sinh thái đa dạng: có nhiều nhóm thiết bị sử dụng Zigbee như cảm biến, công tắc và đèn.

Bên cạnh đó, Zigbee cũng có những điểm cần lưu ý. Mạng vẫn chịu ảnh hưởng của môi trường vô tuyến, đặc biệt khi sử dụng 2,4 GHz. Không phải mọi thiết bị đều có khả năng định tuyến và khả năng phối hợp thực tế vẫn cần được kiểm tra theo thiết bị, nền tảng và các chức năng mà nhà sản xuất triển khai.

Zigbee có cần bộ trung tâm không?

Không phải mọi hệ thống Zigbee đều cần một bộ trung tâm riêng.

Trong cách triển khai phổ biến, bộ trung tâm (Hub) thường chứa chức năng bộ điều phối (Coordinator) và kết nối mạng Zigbee với ứng dụng hoặc nền tảng điều khiển.

Tuy nhiên, cần phân biệt chức năng bộ điều phối với một thiết bị Hub vật lý riêng. Zigbee Direct cho phép thiết bị hỗ trợ Zigbee Direct giao tiếp với thiết bị Bluetooth Low Energy tương thích để tương tác với thiết bị hoặc mạng Zigbee mà không nhất thiết cần một Gateway hoặc Hub riêng.

Điều đó có nghĩa là không phải mọi kiến trúc Zigbee đều cần một Hub hoặc Gateway riêng để người dùng thiết lập và điều khiển thiết bị.

Khi lựa chọn thiết bị Zigbee, người dùng nên kiểm tra kiến trúc của sản phẩm để biết thiết bị cần bộ trung tâm, bộ chuyển đổi hay hỗ trợ Zigbee Direct.

Zigbee có bị nhiễu Wi-Fi không?

Có thể.

Zigbee và Wi-Fi có thể cùng hoạt động trong dải 2,4 GHz. Vì vậy, môi trường vô tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết nối Zigbee. CSA xác nhận 2,4 GHz là dải Zigbee sử dụng trên toàn cầu.

Điều này không đồng nghĩa Zigbee sẽ luôn gặp vấn đề khi sử dụng cùng Wi-Fi. Một hệ thống được thiết kế đúng, lựa chọn kênh hợp lý và bố trí thiết bị phù hợp vẫn có thể hoạt động ổn định.

Đặc biệt với nhà nhiều tầng, không nên chỉ quan tâm đến khoảng cách giữa cảm biến và bộ điều phối. Cần xem xét cả vị trí của các thiết bị có khả năng định tuyến.

Zigbee khác Wi-Fi và Thread như thế nào?

Zigbee, Wi-Fi và Thread đều có thể xuất hiện trong một ngôi nhà thông minh nhưng được thiết kế cho những nhu cầu khác nhau.

Zigbee và Thread có điểm chung là sử dụng IEEE 802.15.4 ở lớp vô tuyến, nhưng kiến trúc của hai công nghệ khác nhau. Thread được xây dựng trên nền tảng IP, trong khi Zigbee có mô hình mạng và lớp ứng dụng riêng.

Vì vậy, không có một công nghệ phù hợp cho mọi thiết bị. Việc lựa chọn cần dựa trên loại thiết bị, mức tiêu thụ năng lượng, kiến trúc mạng và nền tảng điều khiển.

Zigbee có phù hợp với nhà thông minh cao cấp?

Có thể, nhưng Zigbee nên được xem là một lớp kết nối cho những thiết bị phù hợp, thay vì toàn bộ hệ thống tự động hóa.

Zigbee phù hợp với cảm biến, công tắc và một số thiết bị chiếu sáng không dây. Trong một công trình cao cấp, công nghệ này có thể được kết hợp với KNX cho tự động hóa tổng thể hoặc DALI-2 cho điều khiển chiếu sáng.

Cách tiếp cận phù hợp là xác định chức năng cần điều khiển trước, sau đó lựa chọn công nghệ và thiết bị tương ứng.

Kết luận

Zigbee là tiêu chuẩn kết nối không dây dành cho các thiết bị Internet vạn vật, được xây dựng trên IEEE 802.15.4 và hỗ trợ mạng lưới. Công nghệ này phù hợp với nhiều thiết bị nhà thông minh như cảm biến, công tắc, đèn và khóa cửa, đặc biệt với những ứng dụng cần tiêu thụ năng lượng thấp.

Ba vai trò quan trọng trong mạng Zigbee gồm bộ điều phối (Coordinator), bộ định tuyến (Router) và thiết bị đầu cuối (End Device). Trong đó, bộ định tuyến có khả năng chuyển tiếp dữ liệu, còn thiết bị đầu cuối không đảm nhiệm chức năng định tuyến.

Zigbee là một lựa chọn đáng chú ý cho lớp thiết bị không dây trong nhà thông minh. Khi triển khai thực tế, cần xem xét đồng thời thiết bị, cấu trúc mạng, môi trường vô tuyến và khả năng tích hợp với kiến trúc tự động hóa tổng thể.