Giao thức ZigBee trong truyền thông công nghiệp ppt

Giao thức ZigBee trong truyền thông công nghiệp

I. Tổng quan về các giao thức truyền thông không dây
Nhiều phương pháp và chuẩn kết nối không dây đã được phát triển trên toàn thế
giới dựa trên sự đa dạng về nhu cầu thương mại. Những công nghệ này có thể được
xếp loại thành 4 nhóm (PAN, LAN, MAN, WAN) dựa trên những ứng dụng đặc
trưng và phạm vi truyền của chúng. Hình
1 mô tả các nhóm này.
a. Personal Area Network (PAN)
PAN là một mạng sử dụng cho việc kết
nối giữa các thiết bị cá nhân (gồm điện
thoại và các thiết bị số cá nhân khác).
Phạm vi truyền thông của PAN chỉ là vài
mét. PAN có thể kết nối các thiết bị với
nhau hoặc với mạng Internet.
Mạng PAN không dây (Wireless PAN) thường được kết nối bằng cách sử dụng các
giao thức Infrared (IrDA), Bluetooth.
b. Local Area Network (LAN)
Mạng LAN không dây (WLAN) là mạng kết nối hai hay nhiều đối tác truyền thông
với nhau mà không cần dây nối. Nó sử dụng sóng radio để đạt được chức năng
tương tự như mạng LAN nối dây. WLAN cho phép người dùng di chuyển trong
một vùng phạm vi hẹp (nhà ở, phòng làm việc, trường học ) mà vẫn kết nối được

Hình 1. Các nhóm truyền thông không
dây.
với mạng.

Wifi (chuẩn IEEE 802.11) là một đại diện điển hình của WLAN, gồm có
802.11a/b/g/n.
c. Metropolitan Area Network (MAN)
Mạng MAN không dây là tên được đặt bởi IEEE 802.16 - nhóm làm việc trên
chuẩn không dây băng tần rộng (được biết đến trong thương mại là WiMAX). Nó
được định nghĩa là truy cập internet băng thông rộng từ thiết bị cố định hoặc di
động thông qua ăng ten. Các trạm đăng ký kết nối với trạm cơ sở và trạm cơ sở kết
nối đến mạng lõi.
WiMAX có khả năng thay thế tốt mạng dây cố định vì đơn giản và tương đối rẻ
trong việc xây dựng. Phạm vi phủ sóng của WiMAX có thể lên đến 16 km, tuy
nhiên ở khoảng cách lớn khả năng tải của mạng giảm đáng kể. Trong hầu hết mọi
trường hợp, các điểm truy cập được thêm vào để duy trì chất lượng của dịch vụ.
d. Wide Area Network (WAN)
WAN là mạng máy tính phủ sóng một vùng địa lý rộng, khác với PAN, LAN hay
MAN thường chỉ hoạt động trong một khuôn viên giới hạn. Ví dụ điển hình nhất
của WAN chính là mạng Internet.
WAN được sử dụng để kết nối các mạng địa phương (LAN) với nhau, vì thế người
dùng và máy tính trong khu vực này có thể kết nối với người dùng và máy tính
trong khu vực khác. Nhiều mạng WAN là mạng kín được xây dựng cho các tổ
chức đặc biệt. Các mạng khác được xây dựng bởi nhà cung cấp dịch vụ Internet
(ISP) thì có nhiệm vụ kết nối mạng LAN của tổ chức vào Internet. Bên cạnh đó,
WAN cũng là tên gọi cho các mạng truyền thông dữ liệu di động như GSM, GPRS
và 3G.
II. Giao thức ZigBee
a. Giới thiệu
ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn
truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá
nhân PAN (personal area network). ZigBee thích hợp với những ứng dụng không
đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời
gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được

thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và
Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm
2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ
chức ZigBee Alliance.
Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag của ong mật (honey
bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí
của hoa và nguồn nước.
b. Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) là một tổ chức phi lợi
nhuận nhằm mục đích nghiên cứu phát triển các công nghệ liên quan đến thiết bị
điện và điện tử. Trong đó, nhóm 802 chuyên nghiên cứu về các công nghệ mạng và
bộ phận 802.15 được dành riêng cho các chuẩn mạng không dây. IEEE 802.15.4
quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm vi 10 mét đến 100 mét và hoạt
động ở ba dải tần chính:
* Dải 868 - 868.8 MHz (châu Âu): chỉ một kênh tín hiệu, trong dải này tốc độ
truyền là 20kb/s.
* Dải 902 - 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc): có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ
truyền thường là 40kb/s.v
* Dải 2.4 - 2.4835 GHz (hầu hết các nước khác trên thế giới): 16 kênh tín hiệu từ
11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.

c. Cấu trúc của giao thức ZigBee
Tương tự như các giao thức truyền
thông khác, ZigBee cũng có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật
lý và tầng MAC (Medium Access Control) được định nghĩa giống chuẩn IEEE
802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng
mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) và
các đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc
thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng
thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu

truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị
d. Thành phần mạng ZigBee
Một mạng kiểu ZigBee gồm có 3 loại thiết bị:
* ZC (Zigbee Coordinator): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu
mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy
nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với
các mạng khác.
* ZR (Zigbee Router): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát
hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như
nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền
thông với các thành phần khác của mạng.
Hình 2 .Cấu trúc giao thức.
* ZED (Zigbee End Devide): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc
Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt
động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở
trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức"
khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó.
Các thiết bị này thường được chia làm 2 loại là FFD (Full Function Device) và
RFD (Reduced Function Device). Trong đó FFD có thể hoạt động như một
Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End
Device trong một mạng ZigBee.
e. Mô hình mạng ZigBee
Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ
bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà
người ta thiết lập mạng theo các cấu hình
khác nhau:
Mạng hình sao (Star Network)
Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED). Khi ZC được kích hoạt
lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN
ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD

và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Mạng hình lưới (Mesh Network)

Hình 3. Cấu trúc mạng sao.
Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác
định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang
nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nút trong lưới đều có khả năng kết
nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận.
Đặc điểm: hình thành tương tự như mạng hình sao, song trong mạng này có thêm
sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó
cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình thường.


Hình 4. Cấu trúc mạng lưới Hình 5. Cấu trúc mạng cây
Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lưới, trong đó đa số thiết bị là
FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng như một nút rời rạc ở điểm cuối của
nhánh cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, cung
cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc
mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình
mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều
phối mạng PAN (PAN coordinator).
f. ZigBee và các giao thức truyền
thông khác
Bảng so sánh ZigBee với các giao
thức truyền thông không dây phổ
biến như Wifi, Bluetooth và
GSM/GPRS/CDMA
III. Ứng dụng ZigBee trong
truyền thông công nghiệp

a. Tự động hóa trong công nghiệp
Một hệ thống tự động hóa công nghiệp gồm có các thành phần chính:
+ Bộ điều khiển: PLC trung tâm hoặc PLC phân tán
+ Cảm biến: thu nhận trạng thái của môi trường (nhiệt độ, áp suất, dòng điện, điện
áp…)
+ Cơ cấu chấp hành: van, môtơ, rơle…
Trong thực tế, các bộ phận này luôn có nhu cầu trao đổi thông tin với nhau. Thông
tin trong môi trường công nghiệp thường là tín hiệu của cảm biến hoặc cơ cấu chấp
hành, do đó chúng thường có dạng luồng định kì gồm các gói thông tin nhỏ. Tuy
nhiên các gói này thường gắn với những nhiệm vụ điều khiển quan trọng, đòi hỏi
độ chính xác cao về thời gian trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, chấn rung
mạnh, áp suất lớn, hóa chất ăn mòn…). Vì vậy thông tin trong công nghiệp thường

không đòi hỏi đường truyền lớn nhưng phải có độ tin cậy và ổn định cao.
Trong những điều kiện đặc biệt như vậy, dây nối truyền thống sẽ không đáp ứng
được yêu cầu của hệ thống điều khiển/giám sát công nghiệp. Trong khi đó các
công nghệ không dây hiện nay sẵn sàng cung cấp cho chúng ta kết nối không dây
giá rẻ và linh hoạt. Các ưu điểm khác của chúng là lắp đặt nhanh chóng và dễ dàng,
hỗ trợ nhiều ứng dụng chuyên biệt và đặc biệt hữu ích trong các môi trường khắc
nghiệt mà dây nối thông thường không
thể đáp ứng.
b. Vì sao nên sử dụng ZigBee?
Hiện nay có rất nhiều giao thức truyền
thông không dây phổ biến (như đã đề
cập ở trên), tuy nhiên so với chúng,
ZigBee có nhiều đặc trưng vượt trội
phù hợp với các hệ thống công nghiệp.
+ Tính ổn định: mạng ZigBee hình lưới
có đặc điểm tự thích nghi, tức là chúng có khả năng tự xây dựng lại và hoạt động
như bình thường ngay cả khi một vài nút bị hỏng, hoặc tìm đường đi khác khi

đường đi thông thường bị chặn - đây đều là những tình huống có thể xảy ra trong
hệ thống công nghiệp.
+ Tính bảo mật: chuẩn ZigBee hỗ trợ bảo mật trên nhiều tầng, gồm có tầng xác

Hình 6. Một hệ thống điều khiển/giám sát
công nghiệp sử dụng dây nối
thực cơ bản, mã hóa AES 128bit, bảo mật trong cơ cấu hình thành và sát nhập nút
mới vào mạng.
+ Khả năng mở rộng: cơ chế định địa chỉ 64bit có thể mở rộng đến 65000 mạng, có
khả năng bao quát toàn bộ nhà máy công nghiệp.
+ Giá thành rẻ: bao gồm chi phí mua thiết bị, chi phí lắp đặt và chi phí bảo trì. Các
thiết bị ZigBee có thể hoạt động bằng pin chính trong vài năm mà không cần có bộ
sạc, đồng thời các nút có thể hoạt động ở chế độ nghỉ (sleep mode) giúp tiết kiệm
đáng kể năng lượng.
+ Khả năng hỗ trợ: chuẩn mở với nhiều nhà cung cấp, hỗ trợ nhiều ứng dụng và
ngày càng được cải tiến, phát triển rộng rãi
Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều thiết bị hỗ trợ giao thức ZigBee.
Các thành phần cảm biến, cơ cấu chấp hành, PLC đều có phiên bản ZigBee tương
đương với chúng. Bên cạnh đó, các hệ thống cũ đang hoạt động cũng có thể được
trang bị truyền thông ZigBee bằng cách kết nối thêm các thành phần ZigBee
module, modem cảm biến, cổng giao tiếp dữ liệu (gateway)…
IV. Kết luận
Truyền thông không dây ngày càng có vai trò quan trọng trong các ứng dụng công
nghiệp hiện nay. Trong số đó, tính linh động, khả năng mở rộng và khả năng hoạt
động ổn định là những ưu điểm khiến ZigBee trở nên vượt trội so với các giao thức
truyền thông phổ biến khác, đặc biệt đối với một hệ thống điều khiển/giám sát
công nghiệp. Với những hệ thống đòi hỏi thời gian thực, ZigBee sẽ phù hợp cho
chức năng giám sát. Còn ở những hệ thống chấp nhận được độ trễ nhỏ (10ms mỗi
chặng), ZigBee trở nên hữu dụng cả ở tầng giám sát và tầng điều khiển