Giao thức ZigBee trong truyền thông công nghiệp

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