Mạng Mesh là một cách mạnh mẽ để định tuyến dữ liệu. Phạm vi được mở rộng bằng cách cho phép dữ liệu nhảy từ nút này sang nút khác và độ tin cậy được tăng lên bằng cách “tự phục hồi”, khả năng tạo các đường dẫn thay thế khi một nút bị lỗi hoặc mất kết nối.
Một giao thức mạng mesh phổ biến là ZigBee, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp, năng lượng thấp và mức tiêu thụ điện năng thấp cho phép pin hoạt động lâu hơn. ZigBee được sử dụng cho các ứng dụng giám sát và điều khiển. Bài báo này trình bày một đánh giá về các loại thiết bị ZigBee, cấu trúc và sử dụng trong tự động hóa và các ứng dụng điều khiển chiếu sáng.
Như đã đề cập trong Phụ lục 31 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) [1], năng lượng là thông số quan trọng nhất cần xem xét khi đánh giá tác động của các hệ thống kỹ thuật đối với môi trường. Phát thải liên quan đến năng lượng chịu trách nhiệm cho khoảng 80% lượng phát thải vào không khí và là trung tâm của các tác động và nguy cơ nghiêm trọng nhất đối với môi trường toàn cầu, bao gồm biến đổi khí hậu, lắng đọng axit, sương khói và các hạt nhỏ. Chiếu sáng là phụ tải điện lớn thứ hai trong các văn phòng nhưng chi phí tiêu thụ năng lượng chiếu sáng vẫn thấp khi so sánh với chi phí nhân sự. Do đó, tiềm năng tiết kiệm năng lượng của ánh sáng thường bị bỏ qua. Theo nghiên cứu của IEA, mức tiêu thụ điện dựa trên lưới điện toàn cầu cho chiếu sáng là khoảng 2.650 TWh vào năm 2005, tương đương với 19% tổng mức tiêu thụ điện toàn cầu.
Hệ thống điều khiển chiếu sáng và quản lý năng lượng thông minh có thể là một cách để tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là trong các hệ thống chiếu sáng công cộng. Nó nhằm mục đích BẬT/TẮT/Mờ đèn từ xa có thể tiết kiệm 40% chi phí năng lượng và 50% chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ của đèn lên 30% [2].
Sự cần thiết của hệ thống điều khiển ánh sáng
Một hệ thống điều khiển ánh sáng ở dạng đơn giản nhất có thể chỉ là một công tắc thủ công để bật và tắt đèn. Hoặc ở dạng phức tạp hơn như: “hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh” hoặc “hệ thống chiếu sáng mạnh mẽ”.
Mục tiêu của một hệ thống như vậy là mang lại sự thoải mái cho thị giác; giảm thiểu tiêu thụ năng lượng; và chất lượng của môi trường làm việc. Hệ thống điều khiển ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào việc lắp đặt về vị trí, cách vận hành, độ phức tạp, v.v.
Việc chuyển đổi sang các nguồn và bộ đèn hiệu suất cao, kết hợp với hệ thống điều khiển chiếu sáng tiết kiệm năng lượng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm tiêu thụ năng lượng. Các hệ thống điều khiển chiếu sáng lý tưởng có các khả năng sau:
- xử lý các loại đèn hiệu quả nhất, chẳng hạn như đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact và đèn LED;
- bật/tắt đèn và giảm độ sáng;
- kết nối với các loại cảm biến khác nhau, chẳng hạn như cảm biến chiếm chỗ và tế bào quang điện;
- xử lý thời gian biểu;
- tương tác với các hệ thống khác, chẳng hạn như camera, HVAC và hệ thống thành phố/tòa nhà;
- thân thiện với người dùng khi vận hành và lập trình; và
- linh hoạt về mức độ phức tạp và giá cả.
Cần mạng không dây có công suất thấp và độ trễ thấp
Có vô số tiêu chuẩn giải quyết tốc độ dữ liệu từ trung bình đến cao cho thoại, PC LANS, video, v.v. Tuy nhiên, trước ZigBee chưa có tiêu chuẩn mạng không dây cho các thiết bị điều khiển; cảm biến và điều khiển không cần băng thông cao nhưng chúng cần độ trễ thấp và mức tiêu thụ năng lượng rất thấp để có thời lượng pin dài và cho mảng thiết bị lớn.
ZigBee là công nghệ không dây dựa trên tiêu chuẩn duy nhất được thiết kế để giải quyết các nhu cầu riêng về mạng không dây và điều khiển chi phí thấp, công suất thấp ở bất kỳ thị trường nào. ZigBee cũng kết nối nhiều loại thiết bị nhất vào các mạng dễ sử dụng. Đó là một tập hợp các thông số kỹ thuật dành cho mạng không gian cá nhân không dây (WPAN) sử dụng các thiết bị có tốc độ dữ liệu thấp, tiêu thụ điện năng rất thấp và có tuổi thọ pin dài. Mạng lưới không dây của nó, có thể cung cấp độ tin cậy cao và phạm vi rộng hơn. Các nhà cung cấp chip ZigBee bán bộ vi điều khiển và radio tích hợp với bộ nhớ flash từ 60KB đến 256KB [3].
Các loại thiết bị ZigBee
Giao thức ZigBee [4] xác định ba loại thiết bị:
- Điều phối viên: thiết bị có khả năng nhất, điều phối viên tạo thành gốc của cây mạng và có thể kết nối với các mạng khác. Có một điều phối viên ZigBee trong mỗi mạng và lưu trữ thông tin về mạng, bao gồm hoạt động như một trung tâm tin cậy và kho lưu trữ các khóa bảo mật.
- Bộ định tuyến: ngoài chức năng chạy ứng dụng, bộ định tuyến có thể hoạt động như một bộ định tuyến trung gian, truyền dữ liệu từ các thiết bị khác.
- Thiết bị đầu cuối: chứa vừa đủ chức năng giao tiếp với nút cha; nó không thể chuyển tiếp dữ liệu từ các thiết bị khác. Mối quan hệ này cho phép nút ở chế độ ngủ trong một khoảng thời gian đáng kể, do đó mang lại thời lượng pin dài. Một thiết bị đầu cuối yêu cầu ít bộ nhớ nhất và có thể tương đối rẻ.
Hình 1. Thiết bị ZigBee.
Cấu trúc liên kết Zigbee
Cấu trúc liên kết đề cập đến cấu hình của các thiết bị phần cứng tạo nên mạng và cách dữ liệu được truyền qua cấu hình đó. Mạng ZigBee có thể có ba cấu trúc liên kết: sao, cây hoặc lưới, được minh họa trong Hình 2 và được mô tả bên dưới:
- Cấu trúc liên kết hình sao: trong cấu trúc liên kết này, nút điều phối trung tâm bắt đầu và duy trì mạng. Mọi thiết bị khác chỉ có thể giao tiếp với và thông qua điều phối viên.
- Cấu trúc liên kết cây: cấu trúc liên kết này có một nút “trên cùng” với cấu trúc nhánh/lá bên dưới để đi đến đích; thông điệp đi lên và xuống cây.
- Cấu trúc liên kết dạng lưới: cấu trúc liên kết này có cấu trúc dạng cây trong đó một số nhánh được liên kết trực tiếp; tin nhắn có thể đi qua cây khi có sẵn một tuyến đường phù hợp.
Hình 2. Các cấu trúc liên kết ZigBee: sao (trái), cây (giữa) và lưới (phải).
Ngăn xếp giao thức ZigBee
ZigBee xây dựng dựa trên lớp vật lý và kiểm soát truy cập phương tiện được xác định trong tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 dành cho WPAN tốc độ thấp. Thông số kỹ thuật tiếp tục hoàn thiện tiêu chuẩn bằng cách thêm bốn thành phần chính: lớp mạng, lớp ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) và các đối tượng ứng dụng do nhà sản xuất xác định cho phép tùy chỉnh và ưu tiên tích hợp toàn bộ. Bên cạnh việc thêm hai lớp mạng cấp cao vào cấu trúc cơ bản, cải tiến đáng kể nhất là việc giới thiệu ZDO. Chúng chịu trách nhiệm về một số nhiệm vụ, bao gồm giữ vai trò của thiết bị, quản lý các yêu cầu tham gia mạng, khám phá thiết bị và bảo mật.
Hình 3. Ngăn xếp giao thức ZigBee.
Vì các nút ZigBee có thể chuyển từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động trong 30 mili giây trở xuống nên độ trễ có thể thấp và thiết bị có thể phản hồi nhanh, đặc biệt so với độ trễ đánh thức Bluetooth, thường là khoảng ba giây. Bởi vì các nút ZigBee có thể ngủ trong hầu hết thời gian, nên mức tiêu thụ năng lượng trung bình có thể thấp, dẫn đến tuổi thọ pin dài.
Đặc điểm ZigBee
Chúng bao gồm:
• Mức tiêu thụ pin thấp. Thiết bị đầu cuối ZigBee sẽ hoạt động trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm mà không cần thay pin.
• Giá thấp.
• Tốc độ dữ liệu thấp. Tốc độ dữ liệu tối đa cho thiết bị ZigBee là 250Kbps.
• Dễ dàng thực hiện.
• Hỗ trợ tới 65.000 nút được kết nối trong mạng.
• ZigBee có thể tự động thiết lập mạng của nó.
• ZigBee sử dụng các gói tin nhỏ so với WiFi và Bluetooth.
Bảng 1 cho thấy sự so sánh các đặc tính của ZigBee với Wi-Fi và Bluetooth.
Bảng 1. Đặc điểm ZigBee, Bluetooth và Wi-Fi.
Trong số ba mạng không dây được so sánh, ZigBee là mạng duy nhất cung cấp cấu trúc liên kết lưới. Ngoài ra, thiết bị đầu cuối ZigBee có thể ở chế độ ngủ và vẫn giữ liên kết với mạng của nó. ZigBee là một mạng tinh vi hơn Bluetooth hoặc WiFi.
Ứng dụng của công nghệ ZigBee
Có rất nhiều ứng dụng [5]:
• Tự động hóa gia đình, tòa nhà và công nghiệp
• Điều khiển chiếu sáng không dây thông minh
• Kiểm soát/an ninh gia đình
• Giám sát y tế/bệnh nhân
• Theo dõi hậu cần và tài sản
• Mạng cảm biến và RFID chủ động
• Đo lường nâng cao/ năng lượng thông minh
• Tự động hóa tòa nhà thương mại
• Khai thác năng lượng
Kết luận
Nhu cầu ngày càng tăng để giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách quản lý việc sử dụng năng lượng cũng quan trọng đối với hệ thống chiếu sáng cũng như hệ thống sưởi/làm mát và năng lượng cho các thiết bị khác, dù là trong gia đình, văn phòng hay khu công nghiệp. Mặc dù người dùng có thể được khuyến khích tiết kiệm năng lượng bằng cách tắt đèn khi không cần thiết, nhưng nếu không triển khai các điều khiển tự động thì khó có thể đạt được toàn bộ lợi ích. Các cảm biến để phát hiện chuyển động và theo dõi mức độ ánh sáng xung quanh, kết hợp với bộ hẹn giờ, bộ lập trình và điều khiển thủ công/từ xa, cung cấp các công cụ cho công việc nhưng việc kết nối tất cả chúng lại với nhau có thể là một thách thức. Đây là nơi các giao diện không dây cung cấp một giải pháp lý tưởng, giảm độ phức tạp, chi phí và thời gian triển khai mạng điều khiển và mang lại sự linh hoạt cho những thay đổi trong tương lai. Tuy nhiên, khả năng tương thích giữa các thiết bị và sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau là rất quan trọng, vì vậy mạng độc quyền không phải là câu trả lời. Thay vào đó, các tiêu chuẩn như ZigBee là cần thiết để đảm bảo khả năng tương tác. Như bài viết này đã chỉ ra, ZigBee mang lại nhiều lợi ích và các giải pháp rẻ tiền, tích hợp cao có sẵn từ nhiều nhà sản xuất hàng đầu.
Tài liệu tham khảo
[1] Cơ quan năng lượng quốc tế. “Triển vọng Năng lượng Thế giới 2001-2006”
[2] F. Rubinstein, M. Siminovitch, và R. Verderber. “Tiết kiệm 50% năng lượng với điều khiển chiếu sáng tự động”
[3] Yogesh Kumar Sharma và Surender Jangra. “Vai trò tương lai của công nghệ ZigBee trong hệ thống thông tin liên lạc không dây” Grip The Standard Research ISSN-2278-8123 International Referred Online Research Journal Issue XVI, tháng 10 năm 2013.
[4] ZigBee Alliance, ZigBee Specification [z]. Phiên bản 1.0, http://www.ZigBee.org, 27/06/2005
[5] Shizhuang Lin, Jingyu Liu và Yanjun Fang. “Mạng cảm biến không dây dựa trên ZigBee và các ứng dụng của nó trong công nghiệp”, Hội nghị quốc tế về tự động hóa và hậu cần của IEEE, 18-21 tháng 8 năm 2007. Trang 1979-1983.
Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Thông tin được cung cấp trong tài liệu này đã được cung cấp một cách thiện chí bởi ADLTA. Nó chỉ nhằm mục đích hướng dẫn chung. ADLTA hoan nghênh mọi nhận xét hoặc phản hồi về chủ đề này. Nên tìm kiếm lời khuyên chuyên nghiệp trước khi dựa vào thông tin được cung cấp. ADLTA không đảm bảo tính chính xác của thông tin và từ chối mọi trách nhiệm pháp lý đối với bất kỳ tổn thất hoặc thiệt hại nào có thể xảy ra trực tiếp hoặc gián tiếp do dựa vào thông tin được cung cấp.