Mạng ZigBee và tiêu chuẩn 802.15.4 môn IoT và ứng dụng | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58647650
1. Giới thiệu về ZigBee
1.1. Khái niệm WPAN là gì?
WPAN (Wireless Personal Area Network) Mạng cá nhân không dây được sử dụng để
phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn. Không giống như
mạng WLAN(mạng cục bộ không dây), mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không
đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ
tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băng tần eo hẹp.
Phân loại các chuẩn mạng
WPAN IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt
thong qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lương và chất lượng dịch vụ (QoS: quality of service).
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện
yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.
WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứng dụng trong các
mạng điện thoại tế báo đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoS phù hợp cho thông tin thoại.
WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm công
nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp,
không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS. Chính tốc độ truyền dữ liệu thấp cho
phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng. Trong chuẩn này thì công nghe ZigBee
IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình.
1.2. Khái niệm ZigBee/IEEE 802.15.4 là gì?
Zigbee là tiêu chuẩn khu vực mạng lưới cá nhân 802.15.4 của IEEE, đã tồn tại hơn
một thập kỷ. Nó được xem là một giải pháp thay thế cho Wi-Fi và Bluetooth của một số
ứng dụng bao gồm các thiết bị sử dụng năng lượng thấp mà không cần nhiều băng thông
như các hệ thống cảm biến trong nhà thông minh.
Công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4 là gì?
Đây là chuẩn sử dụng tín hiệu vô tuyến tần số ngắn, bao gồm một lớp vật lý và một lớp
địa chỉ MAC, tương tự như chuẩn 802.15.4. Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền
thông tin của các con ong mật đó là kiểu "zig-zag" của loài ong "honey-Bee". Cái tên Zigbee
cũng được ghép từ 2 từ này.
Ngoài ra, Zigbee còn xây dựng các lớp bổ sung để các thiết bị của các hãng khác
nhau có thể nhận ra nhau và kết nối với nhau dễ dàng hơn.
1.3. ZigBee/IEEE 802.15.4 có đặc điểm gì ?
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi
phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự
động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời lOMoAR cPSD| 58647650
gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee
đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin
với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian
sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth.
Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network)
rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ
ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường
truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps
ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu).
1.4. Lịch sử phát triển của 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. PHIÊN BẢN CHI TIẾT ZigBee 2004
Đây là phiên bản đầu tiên của ZigBee – được gọi là ZigBee 1.0, ra đời vào tháng 6/2005. lOMoAR cPSD| 58647650 PHIÊN BẢN CHI TIẾT ZigBee 2006
Phiên bản này giới thiệu khái niệm chùm, được ra đời vào tháng 9/2006. ZigBee 2007
Phiên bản tiếp theo ra đời tháng 10/2007 và có 2 loại hình dạng khác nhau. ZigBee PRO
Phiên bản này là 1 phiên bản của năm 2007 nhưng được nâng cấp lên để cài đặt nhanh
hơn và tăng tính bảo mật cho hệ thống. RF4CE
Là dạng tần sóng vô tuyến cho các thiết bị điện tử có ứng dụng âm thanh nghe nhìn, ra đời năm 2009.
2. Nguyên lý hoạt động của ZigBee/IEEE 802.15.4
2.1. Cấu trúc liên kết mạng ZigBee/IEEE 802.15.4.
Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho
công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết nhau theo cấu
trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc cụm hình cây. Sự đa
dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi.
Hình 2.1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tô sao, tô pô mắt lưới, tô pô cây.
Hình 2.1: Cấu trúc liên kết mạng 2.1.1.
Cấu trúc liên kết mạng hình sao (star) lOMoAR cPSD| 58647650
Hình 2.2: Cấu trúc liên kết mạng hình sao
Cấu trúc mạng Zigbee đầu tiên mà chúng ta sẽ khám phá là cấu trúc hình sao. Như tên
gọi của nó, cấu trúc này giống với cấu trúc hình sao, với một nút điều phối trung tâm và một
số thiết bị đầu cuối được kết nối với nó. Cấu trúc hình sao là cấu hình đơn giản và cơ bản
nhất trong mạng Zigbee. Trên thực tế, nó được định nghĩa bởi thông số kỹ thuật 802.15.4 cơ
bản, đóng vai trò là nền tảng cho giao thức Zigbee. Trong thiết lập này, mọi giao tiếp giữa
các thiết bị đều chảy qua nút điều phối. Mặc dù cấu trúc hình sao mang lại sự đơn giản và dễ
triển khai, nhưng nó cũng có những hạn chế. Vì mọi giao tiếp đều dựa vào bộ điều phối, nên
lỗi ở nút trung tâm này có thể làm gián đoạn toàn bộ mạng. Ngoài ra, không có đường dẫn
thay thế nào để truyền tin nhắn từ nguồn đến các thiết bị đầu cuối, điều này có thể trở thành
trở ngại trong một số trường hợp nhất định. 2.1.2.
Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)
Hình 2.2: Cấu trúc liên kết mạng hình cây lOMoAR cPSD| 58647650
Tiếp theo, chúng ta hãy khám phá cấu trúc cây, được xây dựng dựa trên cấu trúc
hình sao bằng cách đưa vào các thành phần bổ sung và độ phức tạp. Trong cấu trúc cây,
chúng ta vẫn có một nút điều phối, nhưng nó đi kèm với một vài bộ định tuyến và thiết bị
đầu cuối. Bộ điều phối hoặc các bộ định tuyến hoạt động như các nút trung tâm hoặc nút
gốc trong mạng, trong khi các thiết bị đầu cuối được gọi là các thiết bị con. Các thiết bị
con này chỉ có thể giao tiếp với nút cha của chúng, cho dù đó là bộ điều phối hay bộ định
tuyến. Bộ định tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng phạm vi phủ sóng
mạng, cho phép các thiết bị ở xa bộ điều phối kết nối và giao tiếp hiệu quả. Tuy nhiên,
một hạn chế của cấu trúc cây là nếu nút cha bị vô hiệu hóa hoặc gặp sự cố, các nút con
được kết nối với nút đó sẽ không thể giao tiếp với các thiết bị khác trong mạng, ngay cả
khi chúng ở gần nhau về mặt vật lý. Sự phụ thuộc này vào một nút cha duy nhất có thể
dẫn đến cô lập mạng và hạn chế kết nối. 2.1.3.
Cấu trúc liên kết mạng mắt lướt (mesh)
Hình 2.3: Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới
Cuối cùng, chúng ta đến với cấu trúc ngang hàng hoặc lưới, cấu trúc linh hoạt và bền
bỉ nhất trong ba cấu trúc mạng Zigbee. Trong cấu trúc lưới, chúng ta có một bộ điều phối,
một số bộ định tuyến và các thiết bị đầu cuối, tương tự như cấu trúc cây. Tuy nhiên, yếu
tố phân biệt chính là sự hiện diện của nhiều đường dẫn tiềm năng để truyền tin nhắn. Mỗi
thiết bị trong mạng lưới có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào khác, tạo ra một cấu trúc
giống như web. Tính linh hoạt này cho phép tăng phạm vi mạng, vì có thể thêm các thiết
bị bổ sung để mở rộng vùng phủ sóng. Hơn nữa, nếu đường truyền bị lỗi hoặc bị cản trở,
nút bị ảnh hưởng có thể tự động tìm một đường dẫn thay thế để đến đích, do đó loại bỏ
các vùng chết trong mạng. Khả năng tự phục hồi này nâng cao độ tin cậy và tính mạnh
mẽ của mạng Zigbee. Hơn nữa, cấu trúc lưới đơn giản hóa quá trình thêm hoặc xóa thiết
bị khỏi mạng vì bất kỳ thiết bị nào cũng có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị đích nào trong
mạng. Tính linh hoạt và khả năng mở rộng này làm cho cấu trúc lưới rất phù hợp với các
ứng dụng IoT, nơi thành phần thiết bị và yêu cầu kết nối có thể thay đổi thường xuyên.
2.2. Các thành phần chính trong mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 lOMoAR cPSD| 58647650
Trước hết ta nên tìm hiểu các thuật ngữ:
Full-function devices (FFDs): là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức năng theo chuẩn của
IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất cứ vai trò nào trong hệ thống. FFD có thể hoạt động
trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN, hay là điều phối viên của một
mạng con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng, bổ sung bộ nhớ và sức mạnh tính
toán làm cho nó trở thành lý tưởng trong chức năng router mạng hoặc nó có thể sử dụng
trong các thiết bị mạng cạnh (nơi mạng chạm thế giới thực).
Reduced-function devices (RFDs): là những thiết bị giới hạn một số chức năng (chỉ giao
tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ
liệu như tắt, mở đèn) với chi phí thấp hơn và phức tạp hơn.
Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, một FFD có thể làm việc với nhiều RFD
hay nhiều FFD trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.
Có 3 loại thiết bị:
• Thiết bị điều phối (Zigbee Coordinator): Đây được gọi là thiết bị gốc có nhiệm vụ quyết
định kết cấu mạng, quy đinh cách đánh địa chỉ và lưu trữ bảng địa chỉ. Mỗi mang chỉ có
duy nhất một ZC và nó cũng là thiết bị duy nhất “nói chuyện”được với các mạng khác
• Thiết bị định tuyến (Zigbee Router): Thiết bị này sẽ có nhiệm vụ định tuyến trung gian
trong việc truyền dữ liệu, nó sẽ tự phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh cũng như
là theo dõi và điều khiển các nút hoạt động bình thường.
• Thiết bị cuối (Zigbee End Device): Gọi là thiết bị điểm cuối và nó sẽ giao tiếp với ZC và
ZR ở gần nó nhất. Chúng có nhiệm vụ đọc thông tin từ các thành phần vật lý, chúng
thường ở trạng thái nghỉ và chỉ làm việc khi cần chuyểnhoặc nhận thông điệp nào đó.
3. Cơ chế hoạt động của ZigBee/IEEE 802.15.4
3.1. Cơ chế kết nối mạng ZigBee lOMoAR cPSD| 58647650
Mạng ZigBee dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, được thiết kế cho các ứng dụng
truyền thông không dây công suất thấp. Cấu trúc mạng gồm ba loại thiết bị:
Coordinator (thiết bị điều phối), Router (thiết bị trung gian) và End Device (thiết bị cuối).
ZigBee hỗ trợ ba mô hình kết nối: mạng hình sao (Star), mạng dạng cây (Tree) và
mạng lưới (Mesh). Trong đó, mạng Mesh có khả năng tự phục hồi tốt nhất nhờ tính
năng giao tiếp đa điểm.
Quá trình tham gia mạng bắt đầu khi một thiết bị mới quét kênh RF để tìm mạng,
gửi yêu cầu tham gia, được xác thực và cấp địa chỉ mạng. Truyền dữ liệu trong
ZigBee có thể theo giao tiếp một bước (Single-hop) hoặc nhiều bước (Multi-hop)
thông qua Router, sử dụng thuật toán định tuyến AODV.
ZigBee tối ưu năng lượng bằng cách cho phép End Device vào trạng thái ngủ khi
không truyền dữ liệu, giúp kéo dài tuổi thọ pin. Nhờ tiêu thụ năng lượng thấp, khả
năng tự phục hồi và mở rộng linh hoạt, ZigBee được ứng dụng rộng rãi trong nhà
thông minh, giám sát môi trường và tự động hóa công nghiệp.
3.2. Cơ chế truyền dữ liệu
Dữ liệu trong mạng ZigBee có thể truyền trực tiếp (Single-hop) hoặc qua nhiều
nút trung gian (Multi-hop). Mạng sử dụng thuật toán định tuyến AODV (Ad-hoc
OnDemand Distance Vector) để tìm đường đi tối ưu:
Quá trình truyền dữ liệu gồm ba bước:
• Khởi tạo truyền dữ liệu: Thiết bị gửi tạo gói tin và xác định địa chỉ đích.
• Định tuyến dữ liệu: Gói tin được chuyển tiếp qua Router hoặc đi theo nhiều đường trong mạng Mesh.
• Chuyển tiếp và nhận dữ liệu: Thiết bị đích xử lý và phản hồi nếu cần.
ZigBee tối ưu năng lượng bằng cách cho thiết bị cuối (End Device) vào trạng thái
ngủ, giúp tiết kiệm pin. Với khả năng định tuyến linh hoạt và tự phục hồi, ZigBee
đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả trong các ứng dụng nhà thông minh, IoT
và tự động hóa công nghiệp.
3.3. Cơ chế quản lý công suất ( tiết kiệm năng lượng)
Mạng ZigBee tối ưu năng lượng bằng cách cho thiết bị cuối (End Device) vào
trạng thái ngủ khi không truyền dữ liệu, trong khi Router và Coordinator luôn hoạt
động để duy trì mạng. Thiết bị có thể chuyển đổi giữa các chế độ Hoạt động (Active),
Nhàn rỗi (Idle) và Ngủ (Sleep) để giảm tiêu thụ điện năng.
Ngoài ra, ZigBee còn điều chỉnh công suất phát sóng để phù hợp với khoảng cách
truyền, sử dụng giao tiếp Multi-hop thay vì truyền xa với công suất lớn. Nhờ cơ chế
này, ZigBee giúp kéo dài tuổi thọ pin, giảm tiêu thụ năng lượng và phù hợp với các
ứng dụng IoT, nhà thông minh và tự động hóa.
3.4. Cơ chế định tuyến và tự phục hồi mạng lOMoAR cPSD| 58647650
ZigBee sử dụng thuật toán AODV (Ad-hoc On-Demand Distance Vector) để tìm
tuyến đường tối ưu. Dữ liệu có thể truyền trực tiếp (Single-hop) hoặc qua nhiều bước
(Multi-hop) thông qua các Router. Khi cần gửi dữ liệu, thiết bị phát gói tin yêu cầu
đường đi (RREQ), các Router phản hồi bằng gói tin trả lời (RREP) hoặc tiếp tục lan
truyền yêu cầu cho đến khi tìm thấy đích.
Khi một nút gặp lỗi, mạng sẽ tự động tìm đường thay thế, phát gói tin báo lỗi
(RERR) để cập nhật tuyến đường. Nhờ cơ chế này, ZigBee đảm bảo kết nối liên tục,
giảm độ trễ và tăng độ tin cậy, phù hợp với các ứng dụng IoT, nhà thông minh và tự động hóa.
3.5. Cơ chế bảo mật
ZigBee sử dụng mã hóa AES-128 để bảo vệ dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn
thông qua mã kiểm tra (MIC). Hệ thống quản lý khóa gồm khóa mạng (Network Key)
dùng chung cho toàn mạng và khóa liên kết (Link Key) bảo mật giữa hai thiết bị cụ thể.
Cơ chế bảo mật giúp chống nghe lén, giả mạo thiết bị và tấn công từ chối dịch vụ
(DoS) bằng cách xác thực danh tính trước khi tham gia mạng và giới hạn số lần gửi
yêu cầu. Nhờ vậy, ZigBee đảm bảo bảo mật cao, dữ liệu an toàn và chống truy cập
trái phép, phù hợp với các ứng dụng IoT, nhà thông minh và tự động hóa công nghiệp
4. Phân tích chức năng các lớp giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4
Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE 802.15.4
ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng
mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính vì thể nên
nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4. Đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu
hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. Dựa vào mô hình
như hình 2.1, các nhà sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà
vẫn có thể làm việc tương thích cùng với nhau. lOMoAR cPSD| 58647650
Hình 4.1: Mô hình giao thức của Zigbee
4.1. Tầng vật lý của liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 (PHY):
Tầng vật lý (PHY - Physical Layer) trong ZigBee dựa trên tiêu chuẩn IEEE
802.15.4, có nhiệm vụ truyền và nhận dữ liệu qua môi trường không dây, đồng thời
thực hiện các chức năng quan trọng như điều chế tín hiệu, giải điều chế, mã hóa dữ
liệu, kiểm soát năng lượng phát và đánh giá chất lượng liên kết. Tầng vật lý hoạt động
trên ba dải tần chính: 2.4 GHz (phổ biến nhất) với 16 kênh và tốc độ 250 kbps, 915
MHz (chủ yếu ở Mỹ) với 10 kênh và tốc độ 40 kbps, 868 MHz (chủ yếu ở châu Âu)
với 1 kênh và tốc độ 20 kbps. Để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả, ZigBee sử dụng
kỹ thuật DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) giúp giảm nhiễu và tăng độ tin
cậy, kết hợp với các phương pháp điều chế như O-QPSK (Offset Quadrature Phase
Shift Keying) ở 2.4 GHz và BPSK (Binary Phase Shift Keying) ở 868/915 MHz.
Ngoài ra, tầng vật lý còn hỗ trợ phát hiện năng lượng kênh (ED) để đánh giá mức
nhiễu, chỉ báo chất lượng liên kết (LQI) để đo lường độ mạnh tín hiệu, và điều khiển
công suất truyền để tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng.
4.2. Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC:
Tầng điều khiển dữ liệu trong ZigBee, còn được gọi là tầng MAC (Medium
Access Control) theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, đóng vai trò quan trọng trong việc
quản lý truy cập kênh truyền, điều phối luồng dữ liệu, bảo mật thông tin và tối ưu hóa
mức tiêu thụ năng lượng. Tầng MAC chịu trách nhiệm kiểm soát cách các thiết bị
trong mạng truy cập và sử dụng kênh vô tuyến, đảm bảo dữ liệu được truyền tải một
cách hiệu quả và không bị xung đột. Để thực hiện điều này, ZigBee sử dụng cơ chế
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) giúp tránh xung
đột dữ liệu giữa các thiết bị, đồng thời hỗ trợ truyền dữ liệu theo hai phương thức:
không có kết nối (connectionless) thông qua CSMA/CA và có kết nối (connection-
oriented) thông qua beacon để đồng bộ dữ liệu. lOMoAR cPSD| 58647650
4.3. Tầng mạng của Zigbee/IEEE 802.15.4
Tầng mạng (Network Layer - NWK) trong ZigBee theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4
đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập, duy trì và quản lý kết nối giữa các
thiết bị trong mạng, đồng thời thực hiện chức năng định tuyến dữ liệu. Đây là tầng
trung gian giữa tầng MAC (Medium Access Control) và tầng ứng dụng (Application
Layer), giúp đảm bảo dữ liệu được truyền đi hiệu quả trong các mạng không dây có cấu trúc linh hoạt.
Tầng mạng của ZigBee hỗ trợ nhiều mô hình mạng, bao gồm mạng hình sao
(Star), mạng cây (Cluster Tree) và mạng mắt lưới (Mesh), giúp tăng cường khả năng
mở rộng và tính linh hoạt của hệ thống. Nó chịu trách nhiệm phát hiện và kết nạp
thiết bị mới vào mạng, gán địa chỉ động cho các nút, duy trì bảng định tuyến và đảm
bảo dữ liệu được chuyển tiếp đúng hướng. Cơ chế định tuyến của ZigBee sử dụng
thuật toán AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing) được tối ưu hóa cho
mạng không dây công suất thấp, cho phép tìm đường đi tối ưu giữa các nút mà không
tiêu tốn quá nhiều tài nguyên.
4.4. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4:
Tầng ứng dụng (Application Layer - APL) trong ZigBee là tầng cao nhất, chịu trách
nhiệm giao tiếp giữa người dùng và hệ thống mạng, đồng thời cung cấp các dịch vụ cho
các ứng dụng chạy trên thiết bị. Đây là tầng có độ linh hoạt cao, giúp ZigBee có thể
được tùy chỉnh cho nhiều mục đích khác nhau, từ nhà thông minh đến tự động hóa công
nghiệp và giám sát môi trường.
Tầng ứng dụng của ZigBee bao gồm hai thành phần quan trọng: Application
Framework (Khung ứng dụng) và Application Profiles (Hồ sơ ứng dụng).
Application Framework (Khung ứng dụng) có nhiệm vụ quản lý các thiết bị trong
mạng và duy trì kết nối giữa các nút, bao gồm:
Dò tìm thiết bị: Xác định xem có nút hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động
trong vùng phủ sóng không.
Duy trì kết nối: Giúp các thiết bị giữ liên lạc và đảm bảo dữ liệu được truyền tải một cách ổn định.
Chuyển tiếp thông tin: Hỗ trợ truyền dữ liệu giữa các nút mạng, giúp tối ưu hóa
quá trình trao đổi thông tin.
Application Profiles (Hồ sơ ứng dụng) giúp định nghĩa vai trò và cách thức giao
tiếp giữa các thiết bị trong mạng, bao gồm:
Xác định vai trò của thiết bị: Chẳng hạn như bộ điều khiển trung tâm, cảm biến, bộ truyền động, v.v. lOMoAR cPSD| 58647650
Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối: Hỗ trợ thiết bị tham gia vào mạng hoặc
phản hồi các yêu cầu kết nối từ thiết bị khác.
Tạo lập các mối quan hệ giữa thiết bị: Định nghĩa cách các thiết bị tương tác với
nhau, chẳng hạn như thiết bị cảm biến có thể gửi dữ liệu đến bộ điều khiển hoặc thiết bị đầu cuối.
5. Những thách thức của ZigBee/IEEE 802.15.4
5.1. Phạm vi truyền dữ liệu hạn chế
1. Giới hạn về khoảng cách truyền dữ liệu
ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hoạt động với công suất thấp, nên phạm vi
truyền thường bị hạn chế:
• Trong nhà: Khoảng 10 - 30m, tùy vào số lượng và loại vật cản.
• Ngoài trời: Có thể đạt 75 - 300m trong điều kiện lý tưởng, khi không có chướng ngại vật. • Dải tần số:
• 2.4 GHz: Phổ biến nhất, nhưng bị suy hao nhanh hơn khi gặp vật cản.
2. Nguyên nhân gây hạn chế phạm vi truyền Công suất phát thấp
• Chuẩn IEEE 802.15.4 giới hạn công suất phát để tiết kiệm năng lượng, thường chỉ từ 1 - 10 mW.
• So với WiFi (100 - 500 mW), ZigBee có phạm vi nhỏ hơn đáng kể.
Ảnh hưởng của môi trường
• Vật cản vật lý: Tường bê tông, kính, kim loại làm suy giảm tín hiệu.
• Hấp thụ và phản xạ sóng: Nước và kim loại có thể hấp thụ hoặc phản xạ tín
hiệu, làm giảm hiệu suất.
• Nhiễu từ các thiết bị khác: WiFi, Bluetooth, lò vi sóng cùng hoạt động ở 2.4 GHz có thể gây nhiễu.
Suy hao đường truyền (Path Loss): Suy hao tín hiệu tỷ lệ với khoảng cách. Cường
độ tín hiệu giảm mạnh trong môi trường nhiều vật cản hoặc khi thiết bị di chuyển.
3. Cách khắc phục giới hạn phạm vi truyền Dùng mạng Mesh (đa hop)
• Các thiết bị có thể đóng vai trò như các nút chuyển tiếp để mở rộng phạm vi.
• ZigBee hỗ trợ cấu trúc Mesh Network, giúp tín hiệu có thể đi xa hơn bằng
cách truyền qua nhiều thiết bị trung gian.
Tăng công suất phát (có giới hạn)
• Một số thiết bị ZigBee hỗ trợ bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA),
có thể tăng phạm vi truyền.
• Tuy nhiên, điều này sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, làm giảm thời gian hoạt
động của thiết bị chạy pin.
Chọn tần số phù hợp: Nếu ứng dụng không yêu cầu tốc độ cao, có thể chọn tần số
868 MHz hoặc 915 MHz để có phạm vi xa hơn so với 2.4 GHz. lOMoAR cPSD| 58647650
Sử dụng ăng-ten định hướng: Các ăng-ten định hướng có thể giúp tập trung tín
hiệu vào một hướng, giảm suy hao và mở rộng phạm vi.
5.2. Tốc độ truyền dữ liệu thấp
1. Giới hạn tốc độ truyền
• IEEE 802.15.4 hỗ trợ tốc độ tối đa 250 kbps (ở 2.4 GHz), thấp hơn nhiều so
với WiFi (hàng trăm Mbps) và Bluetooth (1 - 3 Mbps).
• Các băng tần khác có tốc độ thấp hơn: 868 MHz: 20 kbps 915 MHz: 40 kbps
2. Nguyên nhân gây hạn chế tốc độ
• Thiết kế tiết kiệm năng lượng: Mạng ZigBee ưu tiên tiêu thụ điện năng thấp hơn là tốc độ cao.
• Độ rộng băng thông nhỏ: IEEE 802.15.4 sử dụng kênh 2 MHz, trong khi WiFi
có thể lên tới 20 - 160 MHz.
• Cơ chế truy cập đa nút: Nhiều thiết bị chia sẻ cùng một kênh truyền, có thể
gây tắc nghẽn dữ liệu. 3. Cách khắc phục
• Dùng chuẩn ZigBee PRO: Hỗ trợ cải thiện hiệu suất và giảm tắc nghẽn mạng.
• Tối ưu gói dữ liệu: Giảm kích thước và tần suất truyền gói tin để tăng hiệu quả.
• Sử dụng mạng Mesh: Phân tải dữ liệu qua nhiều nút để tránh nghẽn mạng.
• Chuyển sang chuẩn khác nếu cần tốc độ cao: WiFi HaLow hoặc Bluetooth 5.0
có thể là lựa chọn thay thế nếu ứng dụng yêu cầu băng thông lớn hơn.
5.3. Dễ bị nhiễu sóng từ các thiết bị khác 1. Nguyên nhân gây nhiễu
• Cùng băng tần với WiFi, Bluetooth, lò vi sóng (2.4 GHz), dẫn đến xung đột tín hiệu.
• Mạng ZigBee sử dụng công suất thấp, dễ bị lấn át bởi các thiết bị phát mạnh
hơn như WiFi (100 - 500 mW).
• Đông thiết bị cùng hoạt động trên một kênh có thể gây tắc nghẽn và mất gói tin.
2. Ảnh hưởng của nhiễu sóng
• Giảm tốc độ truyền do phải gửi lại dữ liệu nhiều lần.
• Mất kết nối hoặc trễ truyền dữ liệu trong các môi trường nhiều sóng RF.
• Giảm hiệu suất tổng thể của mạng ZigBee khi hoạt động trong khu vực có nhiều thiết bị khác. 3. Cách giảm nhiễu
• Chọn kênh truyền ít bị xung đột (các kênh ZigBee 15, 20, 25 ít trùng với WiFi). lOMoAR cPSD| 58647650
• Dùng cơ chế tránh nhiễu (CSMA-CA): Giúp thiết bị chờ đến khi kênh trống mới truyền dữ liệu.
• Điều chỉnh vị trí thiết bị: Đặt xa nguồn nhiễu như router WiFi, lò vi sóng.
Dùng băng tần khác nếu có thể (868 MHz, 915 MHz để tránh 2.4 GHz).
5.4. Độ trễ khi mở rộng mạng lớn
1. Nguyên nhân gây độ trễ trong mạng lớn
• Giao thức đa hop: Dữ liệu phải đi qua nhiều nút trung gian, làm tăng thời gian truyền.
• Cơ chế CSMA-CA: Thiết bị phải chờ kênh trống mới truyền, gây trễ khi mạng đông đúc.
• Giới hạn tài nguyên của thiết bị: ZigBee sử dụng vi điều khiển đơn giản, xử lý
chậm hơn so với các công nghệ mạnh hơn như WiFi.
• Quản lý địa chỉ mạng: Khi mở rộng, việc duy trì bảng định tuyến và cập nhật
cấu trúc mạng có thể làm tăng thời gian xử lý.
2. Ảnh hưởng của độ trễ
• Thời gian phản hồi chậm: Ứng dụng điều khiển thời gian thực có thể bị ảnh
hưởng (ví dụ: tự động hóa nhà thông minh).
• Giảm hiệu suất mạng: Khi mở rộng, mạng có thể bị nghẽn và giảm tốc độ trao đổi dữ liệu.
3. Giải pháp giảm độ trễ
• Tối ưu cấu trúc mạng: Dùng kiến trúc Cluster Tree để giảm số lần truyền qua nhiều nút.
• Dùng ZigBee PRO: Cải thiện thuật toán định tuyến giúp giảm độ trễ.
• Hạn chế số lượng nút trung gian: Tránh thiết lập mạng quá sâu (nhiều lớp truyền).
• Điều chỉnh tần suất truyền dữ liệu: Giảm số lần gửi dữ liệu không cần thiết để tránh tắc nghẽn.
5.5. Bảo mật và nguy cơ tấn công 1. Các nguy cơ bảo mật
• Tấn công nghe lén (Eavesdropping): Kẻ tấn công có thể bắt tín hiệu ZigBee
do truyền không mã hóa hoặc sử dụng khóa yếu.
• Giả mạo nút (Spoofing): Kẻ xấu có thể giả mạo một thiết bị hợp lệ để gửi dữ liệu sai lệch.
• Tấn công từ chối dịch vụ (DoS): Gửi nhiều gói tin rác làm nghẽn mạng, chặn
truyền thông giữa các thiết bị.
• Chiếm quyền điều khiển mạng: Nếu khóa mã hóa bị lộ, kẻ tấn công có thể
chiếm quyền điều khiển toàn bộ hệ thống.
2. Nguyên nhân gây mất an toàn
• Khóa mã hóa yếu hoặc chia sẻ không an toàn.
• Không có xác thực mạnh giữa các thiết bị. lOMoAR cPSD| 58647650
• Giao tiếp không mã hóa trên một số lớp mạng.
• Lỗ hổng trong quá trình gia nhập mạng mới (quá trình "joining" có thể bị tấn công). 3. Giải pháp bảo mật
• Dùng mã hóa AES-128: ZigBee hỗ trợ AES-128 để bảo vệ dữ liệu truyền tải.
• Quản lý khóa an toàn: Cập nhật khóa định kỳ và tránh sử dụng khóa mặc định.
• Xác thực thiết bị trước khi kết nối: Kiểm tra nguồn gốc thiết bị trước khi cho phép vào mạng.
• Giám sát lưu lượng mạng: Phát hiện các hành vi bất thường có thể là dấu hiệu của tấn công.
5.6. Tính tương thích giữa các thiết bị ZigBee khác nhau
1. Nguyên nhân gây ra vấn đề không tương thích
• Phiên bản ZigBee khác nhau: ZigBee có nhiều phiên bản như ZigBee 2007,
ZigBee PRO, ZigBee 3.0, gây khó khăn trong việc kết nối giữa thiết bị cũ và mới.
• Nhà sản xuất khác nhau: Một số thiết bị ZigBee không tuân thủ hoàn toàn tiêu
chuẩn chung mà sử dụng giao thức riêng, làm giảm khả năng tương thích.
• Cấu hình mạng khác nhau: ZigBee hỗ trợ nhiều cấu trúc mạng như Star, Tree,
Mesh, nhưng không phải thiết bị nào cũng hỗ trợ tất cả các cấu trúc này.
• Dải tần số khác biệt: Một số thiết bị hoạt động trên 868 MHz hoặc 915 MHz
thay vì 2.4 GHz, khiến chúng không thể giao tiếp với thiết bị khác trên tần số khác.
2. Hậu quả của việc không tương thích
• Khó kết nối hoặc mất kết nối giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau.
• Giảm hiệu suất mạng do cần bộ chuyển đổi hoặc cầu nối (hub) để kết nối các
thiết bị không tương thích.
• Giới hạn lựa chọn thiết bị khi mở rộng hệ thống, phải chọn thiết bị từ một nhà cung cấp duy nhất. 3. Giải pháp khắc phục
• Dùng thiết bị hỗ trợ ZigBee 3.0: ZigBee 3.0 hợp nhất các tiêu chuẩn trước
đây, giúp cải thiện khả năng tương thích.
• Sử dụng ZigBee Alliance Certified Devices: Các thiết bị đạt chứng nhận của
ZigBee Alliance đảm bảo tương thích tốt hơn.
• Dùng bộ điều khiển trung tâm (hub): Một số hub (như SmartThings,
Zigbee2MQTT) có thể giúp kết nối thiết bị từ các hãng khác nhau.
• Chọn thiết bị từ cùng một hệ sinh thái: Ví dụ, thiết bị ZigBee của Philips Hue
thường tương thích tốt với nhau.
6. So sánh ZigBee với các công nghệ mạng khác ZigBee vs Bluetooth vs WI-FI lOMoAR cPSD| 58647650 ZigBee
• Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ mạng Mesh lớn, phù hợp cho IoT và cảm biến.
• Nhược điểm: Tốc độ truyền thấp, không phù hợp với truyền dữ liệu lớn như video.
• Ứng dụng: Nhà thông minh (đèn, ổ cắm, cảm biến nhiệt độ), công nghiệp IoT,
mạng cảm biến không dây (WSNs). Bluetooth
• Ưu điểm: Tiêu thụ ít năng lượng hơn Wi-Fi, kết nối nhanh, phù hợp cho thiết bị đeo thông minh.
• Nhược điểm: Khoảng cách kết nối ngắn hơn ZigBee, hỗ trợ thiết bị hạn chế hơn Wi-Fi.
• Ứng dụng: Tai nghe không dây, loa Bluetooth, thiết bị đeo tay, chuột & bàn
phím không dây, truyền dữ liệu giữa điện thoại & laptop. Wi-Fi
• Ưu điểm: Tốc độ cao, hỗ trợ nhiều thiết bị, băng thông lớn.
• Nhược điểm: Tiêu thụ năng lượng cao, phạm vi bị giới hạn bởi vật cản.
• Ứng dụng: Internet gia đình, doanh nghiệp, truyền tải dữ liệu lớn, camera an ninh, IoT công suất cao. lOMoAR cPSD| 58647650
ZigBee, Bluetooth và Wi-Fi là ba công nghệ không dây phổ biến, mỗi loại có đặc
điểm riêng, phục vụ cho những nhu cầu khác nhau. ZigBee là một chuẩn truyền thông
không dây dựa trên IEEE 802.15.4, hoạt động chủ yếu ở băng tần 2.4 GHz, với khả năng
tiêu thụ năng lượng thấp và hỗ trợ mạng Mesh giúp kết nối hàng ngàn thiết bị. Công nghệ
này thường được sử dụng trong các ứng dụng IoT như nhà thông minh, cảm biến môi
trường và hệ thống tự động hóa công nghiệp. Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee
khá thấp (khoảng 250 kbps), khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn.
Trong khi đó, Bluetooth được thiết kế để truyền dữ liệu tầm ngắn giữa các thiết bị
như tai nghe không dây, loa Bluetooth, bàn phím và chuột không dây. Bluetooth Classic
có tốc độ truyền khoảng 1-3 Mbps, trong khi Bluetooth Low Energy (BLE) được tối ưu
hóa để tiết kiệm năng lượng hơn, hỗ trợ tốt cho thiết bị đeo thông minh. Tuy nhiên, phạm
vi hoạt động của Bluetooth thường ngắn hơn so với ZigBee và Wi-Fi, chủ yếu trong
khoảng 1-100m tùy theo phiên bản.
Ngược lại, Wi-Fi là công nghệ không dây phổ biến nhất cho kết nối Internet, với tốc
độ truyền dữ liệu cao, có thể lên đến hàng Gbps (với Wi-Fi 6). Wi-Fi sử dụng các băng
tần 2.4 GHz, 5 GHz và 6 GHz, cho phép truyền dữ liệu lớn, hỗ trợ nhiều thiết bị kết nối
cùng lúc. Tuy nhiên, Wi-Fi tiêu thụ năng lượng cao hơn so với ZigBee và Bluetooth, và
có thể bị ảnh hưởng bởi vật cản trong môi trường. Công nghệ này phù hợp cho các ứng
dụng cần băng thông rộng như truyền phát video, chơi game trực tuyến, và mạng doanh nghiệp.
7. Ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4
Năng lượng thông minh: là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm tương
thích mà theo dõi, kiểm soát, thông bảo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng
lượng nước. Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách cho người tiêu dùng những
thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền.
Tiêu chuẩn này hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất
sản phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và nước trong tương lai.
Zigbee điều khiển từ xa: cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử dụng
điều khiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử dụng và tuổi
thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các hộp settop, thiết bị âm thanh khác.
Điều khiển từ xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng từ chỉ điều khiển từ xa ở các
thiết bị. Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểm soát các thiết bị lOMoAR cPSD| 58647650
từ phòng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau
gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy tinh.
Zigbee nhà thông minh: ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu
cho các sản phẩm tương thích cho phép nhà thông minh có thể kiểm soát thiết bị, chiếu
sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các
mạng ZigBee. Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn
hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì.
Zigbee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng của các nhà cung cấp dịch vụ
và các nhà sản xuất sản phẩm khi họ phát minh ra sản phẩm cần thiết để tạo ra ngôi nhà
thông minh. Những sản phẩm này là lý tưởng để xây dựng mới thêm các thị trường, và
rất dễ sử dụng, duy trì và cài đặt.Tất cả sản phẩm Zigbee nhà thông minh được chứng
nhận để thực hiện. Nhiều công ty đổi mới đã đóng góp chuyên môn của họ vào tiêu chuẩn
này, bao gồm Phillips. Control4 và Texas Instruments.
Zigbee chăm sóc sức khỏe: là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và nhịp
tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang một
thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp tim.
Sau đó dữ liệu được truyền không dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một máy
tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực hiện.
Cuối cùng, thông tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân viên vật lý
trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn. Chăm sóc sức khỏe hàng đầu và công ty
đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức khỏe, bao gồm
Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Awarepoint và công nghệ RF.
Zigbee dịch vụ viễn thông: ZigBee Dịch vụ viễn thông cung cấp một tiêu chuẩn toàn
cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép một loạt các dịch vụ giá trị gia tăng, bao gồm
giao thông, chơi game di động, dịch vụ dựa trên địa điểm, thanh toán di động an toàn,
quảng cáo di động, thanh toán khu vực, tiếp cận văn phòng di động kiểm soát, thanh toán,
và peer-to-peer dịch vụ chia sẻ dữ liệu.
Điều này tiêu chuẩn duy nhất cung cấp một cách hợp lý và dễ dàng để giới thiệu dịch
vụ sáng tạo mới mà tất cả mọi người liên lạc hầu như sử dụng điện thoại di động và thiết
bị cầm tay điện tử khác. Nó cung cấp nhiều dịch vụ giá trị gia tăng cho các nhà khai thác
mạng điện thoại di động, nhà bán lẻ, các doanh nghiệp, và chính phủ. Người tiêu dùng có
thể sử dụng điện thoại di động của họ để trả cho các sản phẩm và dịch vụ, tạo ra game
riêng của họ và mạng lưới truyền thông, nhận được giảm giá hoặc phiếu giảm giá từ các
nhà bán lẻ, và có được hướng dẫn hoặc thông tin về không gian công cộng với GPS.
ZigBee Dịch vụ viễn thông hỗ trợ các nhà sản xuất sản phẩm, các nhà khai thác điện
thoại mạng di động, các doanh nghiệp và chính phủ khi họ tìm cách mới để tương tác với
công chúng. Tất cả các sản phẩm ZigBee Dịch vụ viễn thông được chứng nhận để thực hiện.
Các công ty viễn thông hàng đầu, các nhà sản xuất sản phẩm và công ty công nghệ
dẫn sự phát triển của tiêu chuẩn này, bao gồm cả Phillips, Telecom Italia, Telefonica,
OKI, Huawei, Motorola và Texas Instruments.