Internet vạn vật (Internet of Things – IoT) là lĩnh vực công nghệ đang có tốc độ phát triển mạnh mẽ và tạo ra nhiều giá trị cho con người. Một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của IoT, ứng dụng mà mọi người nghĩ tới đầu tiên chính là nhà thông minh. Trong nhà thông minh, hai công nghệ không dây phổ biến nhất là Zigbee và Bluetooth. Bài viết nhằm giới thiệu, so sánh ưu nhược điểm của cả hai công nghệ trên.
Zigbee và Bluetooth được xếp vào nhóm công nghệ không dây tầm ngắn (hai nhóm khác là tầm xa năng lượng thấp và mạng di động), có khoảng cách kết nối vô tuyến từ vài cm tới vài trăm mét, thường có tốc độ thấp và tiết kiệm năng lượng (trừ WiFi). Các công nghệ không dây tầm ngắn khác gồm có: WiFi, Thread, Z-wave, 6LoWPAN,…
1. Zigbee
Zigbee ra đời vào năm 2004 bởi Zigbee Alliance, sau đổi tên thành Connectivity Standards Alliance – CSA vào năm 2021.
Tần số vô tuyến: Zigbee dựa theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, hoạt động ở các tần số: 868MHz, 915MHz và 2.4GHz.
Hình 1: Kiến trúc giao thức của Zigbee
Mức độ chuẩn hoá và tính mở: Zigbee có mức độ chuẩn hoá và tính mở cao. Trong đó, lớp ứng dụng quản lý thiết bị và định nghĩa hành vi thiết bị cho từng ứng dụng cụ thể, bao gồm cả định nghĩa riêng của nhà phát triển.
Cấu trúc liên kết mạng: Zigbee có cấu trúc mạng mesh, gồm các nút: Coordinator, router và end device. Trong đó, coordinator là nút quan trọng nhất, quyết định các thông số, chức năng của mạng. Zigbee truyền tin theo cơ chế routing.
Hình 2: Cấu trúc mạng mesh của Zigbee
Chất lượng mạng: Tốc độ truyền tin tối đa đạt 250Kbps, độ trễ giữa 1 hop trung bình là 30ms. Số lượng nút mạng Zigbee tối đa trên thực tế phụ thuộc nhiều vào phần cứng, dao động từ vài chục đến vài trăm nút.
Hệ sinh thái và hướng phát triển: Theo dự báo của CSA tới năm 2023, có gần 4 tỷ thiết bị Zigbee trên toàn cầu. Zigbee đang phát triển thêm các tính năng: Zigbee RF4CE, Zigbee Direct.
Zigbee là công nghệ kết nối có hệ sinh thái lớn, ngày càng phát triển theo hướng thông minh hơn, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng IoT, đặc biệt là tự động hoá toà nhà và văn phòng.
2. Bluetooth
Bluetooth phát triển qua nhiều phiên bản với các tính năng khác nhau. Các phiên bản gần nhất Bluetooth 5.x có các tính năng quan trọng cho ứng dụng IoT: Mesh và model (bài viết đề cập tới Bluetooth mesh).
Hình 3: Kiến trúc giao thức của Bluetooth mesh
Tần số vô tuyến: Bluetooth mesh có lớp vật lý dựa trên Bluetooth Low Energy (BLE), hoạt động ở tần số 2.4GHz.
Mức độ chuẩn hoá và tính mở của Bluetooth cao: Định nghĩa hành vi và quản lý thiết bị cho từng ứng dụng cụ thể theo các model. Về cấu trúc lớp ứng dụng, Bluetooth đã học hỏi rất nhiều từ Zigbee nên lớp ứng dụng có nhiều điểm tương đồng.
Hình 4: Cấu trúc mạng mesh của Bluetooth
Cấu trúc liên kết mạng: Mạng Bluetooth bao gồm các nút proxy, relay và low power. Trong đó, proxy tính năng nổi bật ở Bluetooth, cho phép điều khiển thiết bị từ điện thoại thông minh cả khi không có kết nối internet. Bluetooth truyền tin theo cơ chế managed flooding, là cơ chế truyền tin hàng loạt, phù hợp với ứng dụng có số nút lớn và dữ liệu nhỏ (như chiếu sáng).
Chất lượng mạng: Tốc độ truyền tin đạt tới 2Mbps, trễ trung bình giữa hai nút mạng là 10-20ms. Kích thước gói tin gửi đi tối đa là 12 byte (Zigbee là 68 byte), nên bản tin Bluetooth kích thước lớn sẽ bị phân mảnh nhiều, làm giảm tốc độ và tăng đỗ trệ khi khối lượng dữ liệu lớn.Cấu trúc liên kết mạng: Mạng Bluetooth bao gồm các nút proxy, relay và low power. Trong đó, proxy tính năng nổi bật ở Bluetooth, cho phép điều khiển thiết bị từ điện thoại thông minh cả khi không có kết nối internet. Bluetooth truyền tin theo cơ chế managed flooding, là cơ chế truyền tin hàng loạt, phù hợp với ứng dụng có số nút lớn và dữ liệu nhỏ (như chiếu sáng).
Hệ sinh thái và hướng phát triển: Hệ sinh thái IoT của Bluetooth chưa phát triển bằng Zigbee, tuy nhiên, Bluetooth có lợi thế về số lượng phần cứng sẵn có (có thể nâng cấp firmware để hỗ trợ Bluetooth mesh): 4,7 tỷ thiết bị Bluetooth được bán ra trong năm 2021, trong đó có 486 triệu thiết bị IoT, với 33% thiết bị IoT cho ứng dụng chiếu sáng.
KẾT LUẬN: Zigbee và Bluetooth có nhiều điểm tương đồng với nhau: Thuộc nhóm công nghệ không dây tầm ngắn, kiến trúc giao thức có mức độ chuẩn hoá và tính mở cao, có cấu hình mạng mesh, tiết kiệm năng lượng, phù hợp với các ứng dụng giám sát thông số và điều khiển sử dụng dữ liệu nhỏ. Cả hai công nghệ là non-IP nên cần có thêm gateway để kết nối internet.
Mạng Zigbee có độ ổn định cao hơn, Zigbee ra đời trước nên có hệ sinh thái thiết bị, ứng dụng lớn hơn. Hiện nay, Bluetooth thường được sử dụng song song, hoặc là công nghệ thay thế cho Zigbee trong ứng dụng nhà thông minh.