Zigbee là gì ? Zigbee hoạt động như thế nào ?

Zigbee là một trong nhiều cách để kết nối các thiết bị nhà thông minh qua mạng không dây. Trong bài viết này, mình sẽ làm rõ mạng Zigbee hoạt động như thế nào và lý do tại sao nó hữu ích trong thế giới nhà thông minh.

Zigbee là gì

Zigbee là một giao thức truyền thông không dây tiêu tốn ít năng lượng. Zigbee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 . Nó được cho là một giải pháp có hiệu suất năng lượng, và chi phí tối ưu thay thế cho công nghệ Bluetooth và Wifi.

Zigbee specification đã được xây dựng từ cách đây 15 năm. Nó được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị trong nhà và tòa nhà. Các thiết bị như ổ cắm, công tắc cảm ứng, điều chỉnh nhiệt độ, khóa cửa thông minh,….. đều có thể kết nối trong cùng một mạng không dây và được quản lý thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính.

Ngoài ra, Zigbee cũng được sử dụng trong các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, quản lý năng lượng, điều khiển từ xa hay trong lĩnh vực bán lẻ.

Zigbee Mesh là gì

Sự khác biệt giữa Zigbee và một số giao thức truyền thông khác là dữ liệu không chỉ truyền trực tiếp (point – to -poin) giữa 2 thiết bị với nhau. Thay vào đó, các thiết bị Zigbee hoạt động như một mạng Mesh, đem đến sự tin cậy cho người sử dụng.

Mạng mesh là một cấu trúc mạng nội bộ mà các thiết bị trong mạng có thể kết nối với nhau. Một số ví dụ tiêu biểu về mạng mesh là: LAN (local area network) , VLAN (Virtual LAN), WLAN (Wireless LAN).

Zigbee là một cấu trúc mạng Mesh đầy đủ (full mesh topology), mà mỗi thiết bị được kết nối tới mọi thiết bị khác. Trong mạng Zigbee, các thiết bị truyền tín hiệu ở khoảng cách ngắn (10 -100m), nhưng bởi vị Zigbee là một mạng mesh nên mỗi thiết bị có thể hoạt động như một bộ lặp tín hiệu (repeater) và mở rộng khoảng cách truyền thông.

Ngoài ra, Zigbee mesh có cơ chế “self healing”. Khi một thiết bị thất bại trong việc truyền nhận tín hiệu, một thiết bị khác trong mạng có thể nhận và truyền tín hiệu đó tới thiết bị đích.

Khả năng tương tác của Zigbee

Tất cả các thiết bị Zigbee đều có khả năng tương tác với nhau dù chúng thuộc các nhà sản xuất khác nhau. Ví dụ nếu bạn có một công tắc Zigbee (smart switch) của một hãng, và bóng đèn (light bulb) của một hãng khác, thì chúng vẫn có thể làm việc với nhau. Bạn vẫn có thể sử dụng công tắc để bật hoặc tắt bóng đèn.

Zigbee hoạt động như thế nào

Các thiết bị trong mạng zigbee có thể đóng 03 vai trò khác nhau

• Zigbee Coordinator (ZC)
• Zigbee Router (ZR)
• Zigbee End device (ZED)

Zigbee Coordinator

ZC đóng vài trò thiết lập mạng. Mỗi mạng Zigbee chỉ có duy nhất 01 ZC làm nhiệm vụ quản lý mạng và lưu trữ các thông tin thiết bị (node) trong mạng.

ZC thiết lập mạng bằng cách chọn kênh (channel) để truyền thông trong mạng. ZC cũng đóng vai trò như Trust Center, quản lý và phân phối khóa bảo mật (key). Quá trình này cho phép các thiết bị gia nhập (join) vào mạng hoặc rời bỏ (leave) mạng. Zigbee Coordinator phải được cấp nguồn trong suốt quá trình hoạt động, và không được phép vào chế độ ngủ.

Zigbee Router

ZR hoạt động như một Router trung gian trao đổi và chia sẻ thông tin giữa các thiết bị (giống như Router trong mạng LAN). Nó có thể truyền, nhận, và định tuyến thông tin trong mạng của riêng nó hoặc với các mạng khác. ZR cũng có khả năng cho phép các ZR hoặc các ZED gia nhập vào mạng. Zigbee Router cũng không được phép hoạt động trong chế độ ngủ và phải được cấp nguồn trong toàn bộ thời gian hoạt động.

Zigbee End Device

ZED chỉ giao tiếp với các Router và Coordinator. Nó là thiết bị cơ bản nhất trong mạng Zigbee. ZED chỉ có thể truyền, nhận dữ liệu và thường được sử dụng pin

ZED không thể định tuyến thông tin tới các thiết bị khác, do đó nó không yêu cầu nhiều bộ nhớ. Nó cũng không thể cho phép các thiết bị khác join vào mạng.

ZED thông thường sẽ không hoạt động thường xuyên, do đó cho phép chúng có thể ngủ trong hầu hết thời gian hoạt động giúp tăng thời gian sử dụng của pin

Ví dụ Zigbee CC2530 trong chế độ ngủ chỉ tiêu tốn 2.4 μA, mô đun ZigBee EFR32 của Silab là 2.5 μA, Module ZigBee JN5169 của NXP là 1 μA.

Băng tần Zigbee (Zigbee Radio Band)

Zigbee hoạt động trên băng tần ISM (Industry, Scientific, Medical). Băng tần ISM không được định hướng để sử dụng cho viễn thông. Nó thường được sử dụng cho các thiết bị không dây năng lượng thấp (low-power) như Zigbee, Bluetooth, WIFI, RFID.

Zigbee có độ trễ thấp. Mỗi thiết bị Zigbee sẽ bao gồm vi điều khiển và thu phát radio.

Zigbee hoạt động ở băng tần 2.4 Ghz phổ biến trên khắp thế giới. Tuy nhiên cũng có một vài nơi có thể sử dụng Zigbee ở băng tần khác (Trung Quốc là 784Mhz, Châu Âu là 868Mhz, Mỹ là 915Mhz).

Băng tần 2.4 Ghz cho phép tốc độ truyền thông lên tới 250 Kbyte/s , 868 Mhz là 20 Kbytes/s., 915Mhz là 40Kbytes/s.

Bảo mật trong mạng Zigbee

Zigbee hỗ trợ mã hóa AES 128 bit mà được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4. Mạng Zigbee và các thiết bị sử dụng 2 loại key:

• Network Key
• Link Key

Network Key

Network key là được chia sẻ và sử dụng bởi tất cả các thiết bị trong mạng để bảo mật dữ liệu truyền nhận. Nó được sinh ra bởi Trust Center (do ZC quản lý) và được gửi tới tất cả các thiết bị mới gia nhập mạng.

Link key

Trust Center được cấu hình trước với Link key và được sử dụng để bảo vệ Network Key khi nó được truyền tới các thiết bị mới gia nhập mạng.

Link key cũng được sử dụng để mã hóa giao tiếp giữa 2 thiết bị. Những khóa liên kết duy nhất (unique link key) chỉ được chia sẻ giữa 2 thiết bị và được cung cấp bởi Trust Center.

Mô hình bảo mật của Zigbee

Zigbee cung cấp 02 mô hình: tập trung (centralized) và phân tán (distributed). Hai mô hình này khác nhau trong cách cho phép một thiết bị mới gia nhập mạng và cách chúng bảo mật giao tiếp trong mạng.

Phân tán (distributed)

Mô hình phân tán là đơn giản, và it bảo mật hơn. Mô hình này bao gồm Zigbee Router và Zigbee End Device. Một ZR khi khởi động, nó sẽ tự tạo một mạng của riêng nó nếu nó không tìm thấy một mạng khác để gia nhập.

Trong mô hình này, bất kỳ ZR nào cũng đều có quyền cho phép ZR hoặc ZED khác gia nhập mạng với Link key được cấu hình từ trước. Sau đó Network key sẽ được truyền tới các thiết bị mới gia nhập mạng. Tất cả các thiêt bị trong mô hình này sử dụng Network key giống nhau để mã hóa bản tin.

Tập trung (centralized)

Mô hình tập trung cung cấp mức độ bảo mật cao hơn. Khác với mô hình phân tán, Zigbee Coordinator cũng là một thành phần trong mô hình.

Trust Center thiết lập mạng bằng cách cấu hình và xác thực các thiết bị mà muốn gia nhập mạng. Nó tạo ra Network key cho mỗi thiết bị để sử dụng mã hóa bản tin. Những Network key này có thể được thay đổi định kì để chống việc hack.

Trust Center cũng phân phối Unique Trust Center Link key tới các thiết bị khi chúng gia nhập mạng. Các Link key này được các thiết bị sử dụng để giao tiếp với Trust Center.

Lợi ích của Zigbee

Có thể tóm tắt một số lợi ích của Zigbee như sau

• Năng lượng thấp (low-power)
• Chi phí thấp (low-cost)
• Độ tin cậy cao
• Bảo mật

Theo https://www.diysmarthomesolutions.com/