Mạng lưới tổ chức và quản lý hoạt động thông tin khoa học công nghệ
Trang 1CÔNG NGHỆ & ỨNG ĐỤNG
Cac node ZigBee duoc lap
đặt trong nhà ở
^v |
KHONG DAY
¡ không khí điện tử
ZIGBEE
Điều khiển điểu hoà
Báo động
khí CO ” -
Đáo động nhiệt
Điều khiển
tự động
HVAC
Điểu chỉnh
thd! gian
Điều chính
nhiệt độ
Điều khiển khoanh vùng ˆ
Điều khiển bộ phận đánh lửa điện tử
⁄ ia >
Điều chỉnh khí gas — Điểu chỉnh để
và tốc đó động co
Điều cr
Báo động nhiệt thời gi
Điều chỉnh khí
2 Điểu khiển bổ r
đánh lửa điện
-Van dự phòng
-Điều chỉnh làm tan banc
-Thay đổi bộ điểu chỉnh
-Điều chỉnh áp suất
Báo động khói
Go hol mat if Men dal líiI HH nha ha
Nguyen tim lan (ĐHBKHN)
Sau Bluetooth, chúng ta đang đón nhận một công nghệ không dây mới là ZigBee - công nghệ đem lại
một mạng gia đình thứ hai có thể tự điều khiển ngôi nhà của bạn
ước đây ta vẫn biết cần phải
nối một đường dây từ ngọn đèn
đến công tặc đèn nếu chúng ta
muốn bật đèn nhưng bây giờ
với công nghệ thu phát sóng radio
không dây, bạn chỉ cần một công tac
mà bạn có thể dan vào tường với một
băng dán hai mặt Ÿ tưởng này đã tung
được lập đoàn HomeRF Working
Group nghiên cứu từ năm 1998 nhưng
vì nhiều lý do khác nhau, các tiêu
chuẩn không dây đang có không phù
hợp với yêu cầu công việc, vi vậy các
nhà nghiên cứu phải xây dựng chuẩn
không dây mới Năm 2000, IEEE bắt
đầu dự án riêng của minh, Xây dựng
chuẩn IEEE 802.15.4 cho các mạng
không dây khu vực cá nhân hoặc
WPAN Kết quả là đến năm 2003
chuẩn này đã ra đời Nó vừa được cập
44 | Automation Today 64 5 49 (2; 2g) soo;
nhật trong năm vừa qua và được biết
đến nhiều hơn với cái tên ZigBee 1.0
Tén goi nay xuat phat từ ý tưởng về
hướng di chuyển zÍc zắc cua những con ong mật khi dẫn đàn ong của mình đến một Đông hoa - một phép ẩn dụ chỉ cách các thiết bị trong mạng tìm kiếm và liên kết với nhau
Giống như chuẩn 802.11, thường được biết đến VỚI cái tên Wi-Fi, ZigBee
là công nghệ nối mạng cục bộ bao phủ
ngôi nhà với thông tin không dây
Nhưng nói theo cách khác, hai chuẩn này không khác nhau mấy Wi-Fi dùng năng lượng cung cấp cho dòng dữ liệu, trong khi ZigBee hầu như không phải dùng năng lượng cho dòng dữ liệu Wi-
Fi dùng một router trung tâm để phan
tán thông tin đầu ra, trong khi ZigBee
tích lũy thông tin đầu ra bên ngoài các
node nhỏ mà có thể cùng kết hợp trong
một mạng Một số node có thể được đặt dưới sản nhà và ở những nơi khó
với tới, vì vậy ngay cả nếu chúng chỉ tốn ít năng lượng, chúng cũng cần phải
có pin bên ngoài Một điểm điều khiển
ZigBee có thể chạy bằng một cặp pin
kiếm AA trong nhiều năm Khả năng của ZigBee vượt xa ngoài ,những vận
đề đơn giản như điều khiển công tắc đèn Những năm gần đây chúng ta đã
có các công nghệ sensor có thể biến đổi ngôi nhà, nhưng cái chúng ta không
có là cách thức sử dụng chúng để mang lại lợi nhuận
Ví dụ, các cảm biến trên cửa sổ và
trên cửa ra vào có thể truyền tin không
dây một vải lần mỗi phút tới bộ điều khiển bảo vệ {rung tam dé bao rang
“mọi thứ đều ổn” - một mức bảo vệ mới }
Trang 2Xudn Dink Hoi - 2007
„ mà cho đến vài năm trước chỉ có ở viện
bảo tàng mới có Các cảm biến trong
mỗi phòng có thể giảm sát sự có mặt
của con người, nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng và sau đó gửi dữ liệu đến bộ điều
khiến nhiệt - thông gió - điều hòa không
khí (HVAC) Đầu tiên bộ điều khiển chỉ
ra liệu ai đó có ở đúng phòng hay
không và ngay sau đó ,quyết định có
nên kéo lên hay hạ thấp rèm cửa sổ,
đóng hoặc mở quạt thông gió hoặc
chạy hệ thống HVAC với toàn bộ công
suất hoặc thấp hơn công suất tối đa
Các phòng đã dùng có thể được duy trì
các thông số trong một phạm vi hep,
trong khí nhiệt độ trong phòng trống
cho phép tăng hoặc giảm với dải rộng
hơn Các cảm biến trong vườn rau sé
kiểm tra liên tục nhiệt độ và độ ẩm của
đất, ánh sáng, nhiệt độ không khí và
chuyển sang hệ thống phun nước tưới
cây khi cần
Các hệ thống làm được một trong
các chức năng trên đã có từ nhiều năm
nay trong các tòa nhà công so va xi
nghiệp Dây cáp được nối xuyên suốt
tòa nhà, kết nối các cảm biến dat tién
tới các server trung tâm Việc nối lại
dây trong một ngôi nhà để có thể làm
được những việc này là quá tốn kém và
không đáng làm, người thợ sẽ phải
khoan đục tường, sau khi kéo dây xong
thì sẽ phải sửa chữa lại ngôi nhà
Trong mạng ZigBee, các thông điệp
bản tin chắc chắn được nhận và không
bị ảnh hưởng do sự thay đổi bất thường
của việc thu phát sóng radio, bao gồm
cả các bản tin từ những nơi xa hơn như
các cửa sổ gara hay các cảm biến đo
các chỉ số của đất trong vườn Một
node trong mạng ZigBee là một điểm
điều khiến rất đơn giản Trọng tâm của
nó là một bộ đa kênh hai hướng radio
và bộ vi điểu khiển đều nằm trên một
miếng silic, được bọc trong một lớp vỏ
nhựa chỉ bé bằng móng tay Các sản
phẩm hoàn chỉnh chắc chắn nhiều hơn
chip ZigBee don gian này Ví dụ, với bộ
ổn nhiệt có thêm các rơle, LCD và các
đặc tính khác
ZigBee là mạng tự định dạng, do đó
khi người chủ nhà cài đặt một thiết bị
thứ hai thì nó sẽ tìm kiếm cái thứ nhất,
gần như là công tắc điểu khiển khởi
động cho mạng Thiết bị thứ ba khi
được cài đặt sẽ tìm cái gần nhất trong
hai cái đầu và cứ như vậy Bằng mặc
định, tất cả các thiết bị ngoài cái đầu
tiên sẽ phải xác nhận trước khi chúng
được phép sử dụng các thiết bị đã có như một mối liên lạc xương sống cho
việc truyền nhận các bản tin Sự xác nhận đơn giản chỉ là việc ấn một nút
mặc dù có thể phức tạp hơn nếu thiết bị
có màn hình hiển thị và bàn phím
Trong thực tế, mạng thường được đặt cấu hình để yêu cầu Sự chấp thuận của người chủ trước khi bố sung thêm thiết
bị (để tránh cho các thiết bị của các nhà hàng xóm xung quanh có thể truy
nhập vào mạng) Sau khi thiết bị đã
được kết nối, mạng sẽ tự hoạt động độc
lập và chúng ta có thể yêu cầu các dịch
vụ nó có thể cung cấp
Nếu ZigBee là một mạng mà bạn
thấy cần thì làm thế nào có thể thiết lập nó? Điều này phụ thuộc vào số lượn
chức năng của hệ thống mà bạn có thể
tự lắp đặt Để thêm vào một công tắc
đèn có thể gỡ ra và dán lại, bạn chỉ việc
thay thế công tắc cũ trên tường bằng
một công tặc dùng trong mang ZigBee
và sau đó dán một công tắc điều, khiển lên tường Để biến một công tắc nối dây cũ trên tường thành một phiên bản
cua ZigBee ta chi can ding đến một
cai tuốc - nơ - vít Bạn kết nổi hai công tắc này bằng cách ấn một nút trên một chiếc và nhanh chóng ấn nút tương
ứng trên chiếc kia Tử thời điểm đó, hai
công tắc sẽ làm việc với nhau (sau này
sẽ có những đồ vật thắp Sáng cài đặt sẵn ZigBee, nhưng ban đầu thì phải thay thé bang cach lam nay) Tuy nhiên, nếu bạn muốn lắp đặt các chốt khóa cửa có thế điểu khiển bằng
ZigBee trên cửa sổ hoặc cửa ra vào thì
lúc đấy có lẽ bạn phải cần đến thợ
khóa
Mạng ZigBee được thiết kế cho
phạm vi hoạt động công suất thấp,
việc truyền bản tin ngăn gọn giữa các
thiết bị có thể tốn nhiều thời gian chờ đợi Tốc độ truyền dữ liệu tối đa trên
lý thuyết khoảng 250 kbps đủ nhanh
để tối thiểu hóa thời gian truyền đúng giờ của cả nơi truyền và nơi nhận
Một cuộc trao đổi thông thường giữa hai thiết bị thường kéo dài khoảng vài
miligiây, cho phép bộ phận truyền có thể nhanh chóng quay trở lại trạng thái chờ
Sử dụng cùng băng thông như Wi-
Fi, ZigBee được phát triển từ nhiều
SỐ 1+8 (77278) 9007
người đã cùng tham gia nghiên cứu các
chuẩn 802 khác của IEEE như chuẩn
802.11 cho Wi-Fi và 802.16 cho
WiMax Có bao nhiêu dải thông được
cấp phép miễn phí để sử dụng thì các
chuẩn 802 đều sử dụng hầu hết các dải
thông đó Mặc dù lợi ích về kinh tế được
các kĩ sư của ZigBee đặt lên trên
nhưng cũng không thể vượt qua tắm
quan trọng của chất lượng mạng, độ tin
cậy và tính kháng nhiêu trong môi
trường tần số radio Các nhà thiết kế chuẩn cho phần thu phát sóng radio đã tìm kiếm
phương pháp điều chế tốt nhất có thể, cuối cùng đã chọn Quadrature PSK, một công nghệ mà NASA đã dùng trong hai thập kỷ trước để giao tiếp với các làu vũ trụ Voyager và Galileo cũng
như các tàu thám hiểm sao Hỏa Kỹ thuật này dựa trên lý thuyết điều chế pha PSK, trong đó các đỉnh và các day
dao động tuần hoàn của sóng radio nhảy nửa chu kỳ Sự nhảy pha không liên tiếp cho thấy có sự thu nhan bit 1
hoặc 0, sự gián đoạn này rất rõ đến mức nó có thể bị phát hiện ngay cả
trong các môi trường nó không hoạt động
Kỹ thuật Quadrature PSK (QPSK)
đã đi thêm một bước xa hơn Thay vì
việc biến đổi mỗi pha mang theo một bit 1 hoặc 0, nó có thể mang theo hai
bịt thông tin: 00, 01, 10, và 11, cho
phép truyền thông tin gấp hai lần trong
cùng một khoảng thời gian QPSK có
độ tin cậy cao, nhưng là một phương pháp điều chế, nó hiếm khi được sử dụng trong hệ thống không đất tiền vì
giá thành cao và tính phức tạp của nó
Thật sự chỉ đến khi có những tiến bộ trong công nghệ silic với tần số radio
trong thập kỷ vừa qua mới làm cho
QPSK trở nên khả thi với người tiêu dùng
Giao thức ZigBee định danh các
thiết bị trong mạng với một hệ thống 64 bịt Khi một thiết được cài đặt, nó sẽ được định địa chỉ vào địa chỉ của mạng
cục bộ 16 bit, vi vậy một mang ZigBee
có thể có hơn 64000 thiết bị cùng hoạt động Số lượng thiết bị nhiều như thế này chắc chăn đủ cho căn nhà và khu vườn của ban
Ngay cả trong một mạng có hàng
ngàn thiết bị, tất cả cùng một lúc kết nối vào mạng, hầu như tất cả các sensor >
Tự động hóa ngày nay 45
Trang 3CONG NGHE & UNG DUNG
đều “ngủ" trong thời gian dài, chỉ hoạt
động khi cần báo cáo về một sự kiện
nào đấy Kỹ thuật gói thu phát radio cơ
bản đảm bảo rằng bản tin được truyền
nhận thành công cho dù kênh truyền
có tắc nghẽn như thế nào Vì gói thu
phát radio của mạng ZigBee có thể
kiếm tra kênh truyền hơn một nghìn lần
mỗi giây, nó có thể tránh băng thông
tắc nghẽn do Wi-Fi, điện thoại di động
hay lò vi sóng Sau khi đã gửi xong các
gói tin thì nó quay trở về trạng thái
“ngủ”
Không giống các hệ thống đã có
trong thế giới mạng nối dây và không
dây, ZigBee được thiết kế từ đầu để
chống được hacker hoặc những tên
trộm cố gắng phá khóa điện tử của
những ngôi nhà không được bảo vệ
Chuẩn IEEE sử dụng chuẩn mã hóa
tiên tiến, một dạng tin cậy của mật
mã khóa chung Hệ thống sử dụng
các giải pháp phân phát và quản lý
khóa bảo mật tử các nhà cung cấp
thương mại, nơi sẽ bổ sung toàn bộ
các chức năng bảo mật Phương
pháp này không chỉ bao gồm việc gửi
khóa một cách an toàn qua mạng mà
còn chỉ cho phép chủ nhà hoặc nhà
Cung cấp đáng tin cậy được truy nhập
vào mạng, bỗ sung cảm biến mới và
cập nhật phần mềm của mạng
Các bộ xử lý và thu phát radio của
mạng ZigBee phải có kích thước bé
và tiêu thụ điện năng ít nhưng như thế
chưa đủ Tương tự các chuẩn nối
mạng khác, chúng phải tương thích
với các thiết bị gắn với chuẩn Một tập
đoàn công nghiệp tên là ZigBee
Alliance đã đứng ra xây dựng các yêu
cầu về đảm bảo thực thi và một hệ
phương pháp kiểm tra cho chuẩn và
cho khả năng tương thích với tần số
radio - giống như chuẩn IEEE 802.11
c6 Wi-Fi Alliance và chuẩn 802.16 có
WiMax Forum ZigBee Alliance là một
tập đoàn phi lợi nhuận ở California
được sát nhập vào năm 2002 bởi
nhiều người cùng tham gia hình thành
chuẩn co ban IEEE va bay giờ nó đã
bao gồm khoảng 200 công ty thành
viên Đó là các nhà ,xây dựng hệ
thống điều khiển truyền thống (như
Honeywell, Johnson Controls và
Siemens), các công ty thiết kế hệ
thống điều khiến mới (Tập đoàn
Control4 ở thành phố Salt Lake), các
4Ì Automation Today SỐ 1+9 Œ7+78) 9007
công ty chuyên về công nghiệp (Tập đoàn sản suất HVAC quốc tế Danish Danfoss), các công ty chuyên về
mạng ZigBee (Daintree Networks cua
Uc, Orange Logic cua Han Quốc và
San Juan Software ở gần Seattle) và
các công ty bán dân (Freescale Semiconductor, STMicroelectronics
và Texas Instruments) Một số các
hãng sản xuất hàng điện tử tiêu dùng
và các hãng viễn thông cũng là thành
viên của tập đoàn này
Mạng ZigBee không phải là sự lựa
chọn duy nhất cho việc điều khiển trong nhà, nhưng tất cả lựa chọn khác
băng cách nào đi nữa cũng không đạt
tới mục đích cuối cùng Ví dụ, X10 có
lẽ là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất nhưng về cơ bản nó là công
nghệ dựa trên mạng nối dây với một
Ít tính năng không dây và một số các địa chỉ có thể định danh đối tượng -
một mặt hạn chế mà thưởng giới hạn
một mạng X10 chỉ có đến 16 thiết bị
Sau đó có Bluetooth, một công nghệ nối mạng không dây phạm vi ngắn trở nên phổ biến rất nhanh mà Ít nhất về
lý thuyết với một số thao tác kỹ thuật
nó có thể hỗ trợ hàng trăm thiết bị
trong một phạm vì dân cư bình thường Nhưng nó lại không được thiết kế để hỗ trợ cho các thiết bị nhỏ hoạt động bằng pin, vì vậy nếu ta cải tiến Bluetooth để dùng cho việc điều khiển trong nhà thì sẽ chẳng khác gì
ta phải thiết kế toàn bộ công nghệ thu phát radio mới Bluetooth cũng có
một mặt bất lợi giống như X10 là thiếu
không gian địa chỉ Thực tế tất cả các công nghệ không dây có thể dùng cho việc điều khiến trong nhà đều có
mặt hạn chế này Vi vậy trong mạng
Bluetooth trong nhà, các thiết bị sẽ
phải liên tục thoát ra và truy nhập lại,
Các sản phẩm đầu tiên của
ZigBee sẽ được giới thiệu tại các cửa
hàng điện tử và các trung tâm cải tiến
nhà ở trong năm tới Các chuyên gia
dự đoán rang công tắc đèn dán có thể bán với giá 20 USD cho công tắc điều khiển tự động và 15 USD cho công tắc dùng tay Ngay thời điểm
này, nó vẫn rẻ hơn 5 USD nếu so
sánh với các thiết bị cùng loại của công nghệ X10 Giá thành các sản phẩm này sẽ giảm nhanh chóng, vì quy mô kinh doanh và sự cạnh tranh
tử nhiều nhà cung cấp Và các sản phẩm hoàn chỉnh ZigBee sẽ có nhiều tinh nang hơn các phiên bản bổ sung của chúng Ví dụ, cảm biến chuyển
động thông báo khi người đi vào
phòng có thể vừa khởi động được
điều hòa nhiệt độ và vừa bật đèn, bất
kể hai thiết bị này do hãng nào sản
xuất Cùng Ỹ tưởng đó, các đầu đo khói có thể bật đèn và tắt thiết bị thông gió, tạo cơ hội cho con người thoát khỏi tòa nhà đang cháy Cho đến bây giờ, bộ điều khiển trong nhà tích hợp như thế này rất khó và đắt tiền
Trong khi chúng ta chủ yếu bản luận về ứng dụng trong nhà của
ZigBee thì công nghệ này đã được
thiết kế để có thể đáp ứng các đòi hỏi thiết thực của các khách hàng trong
thương mại cũng như công nghiệp
Ưu điểm dễ nhận thấy của ZigBee đối
với các doanh nghiệp lả việc giảm lượng điện năng tiêu thụ thông qua sự
điều khiển chính xác của hệ thống
HVAC Tuy nhiên, các khách hàng
thương mại và công nghiệp sẽ cần
thêm thời gian để chấp nhận các hệ
thống ZigBee Vì các mạng lưới kinh
doanh sẽ có hàng nghìn node, các hệ
thống của chúng cần phải được thiết
kế, cải đặt và duy trì bởi các chuyên gia, giống như các mạng máy tính được cài đặt và hoạt động bởi một đội
ngũ kỹ sư công nghệ thông tin có chuyên môn Vì vậy, ZigBee có lẽ sẽ tìm cách tiếp cận” với các ngôi nhà trước, bằng các sản phẩm mà người chủ nhà bình thường có thể tự lắp đặt
được
Khi hoàn thành, mạng ZigBee sẽ
có thể giao tiếp với bạn trong khi bạn không ở nhà bằng cách kết nối với đường Internet của gia đình hoặc gửi bản tin đến di động của bạn Di động của bạn cũng là sản phẩm của công nghệ ZigBee, cho phép bạn có thể
tác động trực tiếp đến ngôi nhà của
mình trong khi bạn đang trong nhà hay ngoài vườn và sử dụng di động như một bộ điều khiến từ xa linh hoạt
và hiệu quả Ngôi nhà kết nối mạng
ZigBee sé t6n it nang lugng hon, sé
an toàn hơn và thoải mái hơn Khi đạt được những điều này thì chúng ta sẽ hiểu đây không phải là vấn đề nhả.T
Theo Spectrum tháng 10/2006