Cả hai giao thức không dây Zigbee® và Bluetooth® đều được sử dụng rộng rãi cho truyền thông cục bộ trong các ứng dụng Internet of Things (IoT) và có một số đánh đổi cần xem xét để chọn đúng cho từng ứng dụng. Mỗi giao thức có những điểm mạnh riêng biệt giúp quyết định sử dụng giải pháp nào khi thiết kế một mạng mới
Trong một số tình huống nhất định, một giao thức sẽ phù hợp hơn giao thức kia, mặc dù đôi khi giải pháp phù hợp là thực hiện cả hai cùng nhau để tận dụng các điểm mạnh kết hợp của chúng, như chúng ta sẽ thảo luận trong bài viết này.

Để hiểu rõ hơn về các tùy chọn giao thức IoT này, chúng ta hãy xem xét các ưu điểm và hạn chế của Zigbee, và 3 phân nhánh khác nhau của Bluetooth: Classic, BLE và BT Mesh. Điều này sẽ giúp giải thích sự đánh đổi và một số trường hợp sử dụng cho mỗi loại, để bạn có thể chọn giao thức tối ưu cho ứng dụng IoT của mình - có thể là thành phố thông minh, IoT công nghiệp, biển báo kỹ thuật số hoặc các trường hợp sử dụng công nghệ kết nối khác
Công nghệ Zigbee trong ứng dụng IoT

Zigbee là một tiêu chuẩn toàn cầu mở cho mạng lưới không dây băng thông thấp, tiết kiệm chi phí, được phát triển bởi một nhóm các công ty trong Liên minh Zigbee. Giao thức Zigbee cho phép truyền dữ liệu trong khoảng cách xa bằng cách truyền thông tin qua mạng lưới các nút trung gian để đến các nút ở xa. Tin nhắn "nhảy" (hop) qua các nút radio trung gian trên đường đến đích. Dải tần số 2,4 GHz của Zigbee có thể được triển khai trên toàn cầu, không cần giấy phép. Hiện có khoảng 300 triệu nút Zigbee được triển khai.

Ưu điểm của giao thức Zigbee

Các mạng lưới liên kết có thể được tạo bằng Zigbee lớn hơn nhiều so với phạm vi tiếp cận của bất kỳ một giải pháp RF nào. Lưới Zigbee tự động cấu hình (tự hình thành) và sẽ tự động cấu hình lại để tự sửa chữa nếu các nút bị vô hiệu hóa hoặc bị xóa (tự phục hồi). Là một tiêu chuẩn tương thích, các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể giao tiếp liền mạch, giúp tạo ra sự chấp nhận rộng rãi của Zigbee trong cả tự động hóa gia đình và IoT công nghiệp. Chi phí tối ưu, với rất nhiều tùy chọn thiết bị OEM trên thị trường mở.

Tài liệu có sẵn rộng rãi và bao gồm nhiều trường hợp sử dụng khác nhau. Các bảng định tuyến, phân giải địa chỉ, bảo mật, thử lại và xác nhận được tích hợp ngay trong giao thức, tiết kiệm đáng kể thời gian kỹ thuật. Zigbee hỗ trợ nhiều topo mạng như point-to-point, point-to-multipoint, ngôi sao, và lưới mạng, và cho phép hơn 65.000 nút cho mỗi mạng và lên đến hai dặm (3,2 km) phạm vi ngoài trời lý tưởng line-of-sight

Những hạn chế của giao thức Zigbee

Giống như hầu hết các mạng lưới, các nút định tuyến Zigbee  hoặc các bản tin "hop" phải luôn được bật nguồn. Các thiết bị cuối (End devices) có thể ngủ để kéo dài tuổi thọ pin có thể tham gia vào lưới, nhưng không các node này không thể mở rộng

Zigbee không sử dụng địa chỉ IP. Do đó, phải cần các gateway để giao tiếp với Internet và các dịch vụ đám mây. Vì hầu hết điện thoại, máy tính bảng và máy tính không có kết nối Zigbee, nên cũng cần có cổng để giao tiếp với chúng. Việc cung cấp phải được thực hiện có chủ ý để đảm bảo rằng các nút tham gia đúng mạng và giao tiếp với cổng thích hợp. Độ trễ với mesh lớn hơn so với các giao thức điểm-điểm đơn giản hơn, mặc dù điều này phải được xem xét trong bối cảnh phạm vi hiệu quả và độ tin cậy lớn hơn nhiều của mesh.

Các ứng dụng của Zigbee trong Smart cities, nông nghiệp và hơn thế nữa

Nhà thông minh là nơi ra đời của Zigbee, nhưng các trường hợp sử dụng thương mại và công nghiệp đã trở nên nổi bật không kém bao gồm năng lượng thông minh, hệ thống chiếu sáng, thiết bị y tế, tự động hóa nhà máy, hệ thống chiếu sáng đường phố và giám sát bán lẻ.

Hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh trong thành phố là một ví dụ tuyệt vời về xu hướng mạng lưới ngày càng tăng mà Zigbee rất thích hợp, vì nó cho phép các chức năng chính như quản lý từ xa một mạng lớn các thiết bị. Xem câu chuyện của khách hàng CIMCON trên Digi.com để biết ví dụ về trường hợp sử dụng này.

Các ứng dụng nông nghiệp cũng đang tận dụng công nghệ mạng lưới, ví dụ để quản lý các thiết bị kết nối hệ thống tưới nước thông minh

Bluetooth “classic”

Bluetooth Classic được thiết kế để truyền thông dữ liệu thông lượng cao lên đến 2,1 Mbps trong khoảng cách ngắn mà thời lượng pin dài không phải là mối quan tâm lớn. Đây là một giải pháp tuyệt vời cho các thiết bị âm thanh và video yêu cầu băng thông cao và có thể được sạc lại hàng ngày. Các thiết bị cổ điển bao gồm tai nghe di động, tai nghe, bàn phím, chuột, máy in và các thiết bị ngoại vi khác thường được kết nối với máy tính, hệ thống giải trí trên xe hoặc điện thoại di động. Bluetooth sử dụng kiến trúc master/client. Một thiết bị master có thể giao tiếp với tối đa bảy thiết bị client trong một mạng lưới khu vực cá nhân nhỏ.

Ưu điểm của mạng Bluetooth cơ bản

Nếu dự án của bạn cần gửi hoặc nhận nhiều dữ liệu, đặc tính cho phép thông lượng cao của Bluetooth cơ bản sẽ là một giải pháp tốt. Có rất nhiều thiết bị được trang bị Bluetooth cơ bản. Đối với nguồn cấp dữ liệu âm thanh và video, bạn có thể dễ dàng ghép nối với điện thoại, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay để bắt đầu nhận thông tin và các luồng nối tiếp cũng có thể được hỗ trợ. Bluetooth cơ bản là một giao thức có tính hoàn thiện cao và tài liệu đầy đủ, chi tiết, trực tuyến và tất nhiên trong tài liệu theo tiêu chuẩn chính thức.

Điểm hạn chế cả Bluetooth cơ bản

Bluetooth cơ bản có thể phức tạp để triển khai, với yêu cầu ghép nối cùng với giao diện người dùng để quản lý quá trình đó. Băng thông cao của nó cũng có nghĩa là nó tương đối ngốn điện. Giao thức được thiết kế cho các thiết bị dễ dàng được sạc lại hàng ngày hoặc có thể hàng tuần, khiến nó không phù hợp với nhiều ứng dụng IoT. Các mạng có kích thước khá hạn chế vì giao thức được thiết kế để thay thế cáp ngoại vi tầm ngắn chứ không phải cho các mạng cảm biến có thể mở rộng lưu trữ hàng trăm thiết bị.

Ứng dụng thực tế của Bluetooth truyền thống

Bluetooth truyền thống cực kỳ phổ biến trong tai nghe âm thanh, ghép nối điện thoại thông minh, xe và giải trí gia đình. Băng thông cao và sự chấp nhận tiêu chuẩn công nghiệp của nó sẽ tiếp tục thúc đẩy việc sử dụng nó trong các loại ứng dụng này trong một thời gian tới. Đối với hầu hết các ứng dụng IoT, hai phiên bản tiếp theo của Bluetooth có thể phù hợp hơn.

Bluetooth Low Energy (BLE)

.

Bluetooth Low Energy (BLE) hỗ trợ kết nối băng thông thấp trong khoảng cách ngắn với khả năng quản lý điện năng tuyệt vời. Nó được sử dụng trong các trường hợp mạng khu vực cá nhân không cần xử lý các luồng dữ liệu lớn và khi pin cần kéo dài hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm. Các thiết bị BLE bao gồm đèn hiệu định vị, cân kỹ thuật số, màn hình nhiệt độ, bộ điều khiển ánh sáng, đồng hồ thông minh, nồi nấu và hàng nghìn trường hợp sử dụng hoạt động bằng pin băng thông thấp khác.

BLE được triển khai theo kiến trúc khách / chủ (client/server) cho phép phần cứng chỉ triển khai các tính năng giao tiếp cần thiết, tiết kiệm tiền, pin và băng thông. Mạng BLE về mặt lý thuyết có thể chứa một số lượng lớn các thiết bị, mặc dù băng thông, không gian vật lý và quan trọng nhất là phạm vi giới hạn thì kích thước mạng BLE cũng lên đến hàng trăm thiết bị.

Ưu điểm của BLE

Giống như tên gọi của nó, Bluetooth Low Energy không sử dụng nhiều năng lượng. Các thiết bị có thể được chạy bằng các pin đồng xu trong thời gian dài, làm cho nó trở thành giao thức Bluetooth được lựa chọn cho các thiết bị chứa dữ liệu cần chạy mà không cần giám sát trong nhiều tháng tại một thời điểm. Giao thức đơn giản hơn của nó đi kèm với những ưu điểm khác. Phần cứng ít phức tạp hơn có nghĩa là chip và thiết bị BLE có thể có giá thành khá thấp.

Mô hình khách-chủ làm cho việc thực hiện truyền thông đơn giản hơn, giảm thời gian phát triển và kỹ thuật. Điều đó cũng có nghĩa là các thiết bị không cần phải được ghép nối để giao tiếp, nhưng có thể đọc và gửi dữ liệu không đồng bộ và tức thì bất cứ khi nào cần. Giao thức được chấp nhận rộng rãi và triển khai trên hàng tỷ thiết bị trên toàn thế giới với rất nhiều tài liệu, thiết bị OEM và đội ngũ phát triển được đào tạo luôn sẵn sàng

Nhược điểm của BLE

BLE là một giao thức điểm-điểm. Do đó, thiết bị BLE không thể liên lạc ngoài phạm vi cá nhân của chúng. Điều này giới hạn kích thước vật lý của mạng trong phạm vi 10 mét điển hình của BLE, phù hợp với các văn phòng gia đình, nhưng không tốt cho các ứng dụng giám sát nông nghiệp hoặc điều khiển chiếu sáng đường phố thành phố. Ngoài ra, để kết nối tới mạng IP và điện toán đám mây, người ta cần thêm các Gateway.

Nhiều ứng dụng BLE được thiết kế để sử dụng điện thoại thông minh làm gateway; tuy nhiên, điều này chỉ hoạt động khi có điện thoại thông minh. Đối với các thiết bị đeo được như đồng hồ thông minh hoặc dây đeo thể dục, điều đó là tốt, tuy nhiên, các cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường không thể sử dụng gateway bằng smart phone. BLE có băng thông thấp hơn nhiều so với Bluetooth Classic và không thể được sử dụng hiệu quả khi dùng như thiết bị truyền thông đa phương tiện

BLE sử dụng trong thực tế

BLE được sử dụng chính trong các thiết bị gia dụng, màn hình máy thể dục thể dục và mạng xe cộ. Beaconing trong BLE được thiết kế để hỗ trợ các hệ thống định vị trong nhà có thể xác định vị trí của bạn trong cửa hàng bán lẻ hoặc bên trong nhà máy.

Smart home là một thị trường quan trọng, nhưng bất kỳ hệ thống thương mại nhỏ nào cũng có thể tận dụng Bluetooth Low Energy để giao tiếp bên trong không gian có quy mô gia đình. Vì vậy, mặc dù BLE có thể không tuyệt vời cho việc canh tác quy mô lớn, nhưng nó hoàn toàn phù hợp để giám sát các nhà kính nhỏ trong nuôi trồng. Nó cũng có thể cung cấp thông tin liên lạc cục bộ cho những việc cài đặt cấu hình (thông qua smart phone) cho các thiết bị IoT thông qua một giao thức tầm xa hơn, chẳng hạn như Zigbee mesh hoặc dữ liệu di động di động

Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh (BT Mesh) là một giao thức rất mới. Nó là sự mở rộng BLE điểm-điểm đơn giản bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn định tuyến và hình thành mạng bổ sung để tạo mạng lưới nơi các nút có thể hoạt động như rơle để mở rộng mạng ngoài phạm vi của bất kỳ thiết bị nào. BT Mesh gần giống với Zigbee về chức năng và kiến trúc tổng thể, nhưng có một số điểm khác biệt rất quan trọng. Một mạng lưới BT Mesh về mặt lý thuyết có thể hỗ trợ hơn 32 nghìn nút, tuy nhiên giống như các giao thức khác, những hạn chế thực tế của băng thông và không gian vật lý khiến cho những mạng riêng lẻ ổn định với khoảng vài trăm thiết bị.

Ưu điểm của Bluetooth Mesh

Các mạng được hình thành dưới dạng lưới không bị giới hạn bởi phạm vi tiếp cận của bất kỳ nút radio riêng lẻ nào. Thay vào đó, mỗi nút có thể chuyển tiếp và định tuyến các thông điệp đến các đích vượt xa phạm vi danh nghĩa của nó, tạo thành các mạng vật lý rất lớn. Vì Bluetooth Mesh dựa trên BLE, nó mang nhiều ưu điểm của giao thức đó bao gồm sử dụng năng lượng thấp, bảo mật tốt, hỗ trợ tài liệu cơ bản phổ biến. Mạng lưới BT Mesh có khả năng tự hình thành và tự phục hồi, hỗ trợ chế độ ngủ cho các thiết bị cuối trong mối quan hệ cha / con lưu trữ và chuyển tiếp tương tự như trong Zigbee

Điểm hạn chế của Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh vẫn là một giao thức mới và nó vẫn đang được cải tiến và sửa đổi. Nó chưa được hỗ trợ rộng rãi, có nghĩa là thiết bị OEM, cổng và thiết bị cầm tay có khả năng chưa tương thích đầy đủ. Điều này có thể sẽ được cải thiện khi giao thức đạt được sức hút nhiều hơn từ giới công nghệ; tuy nhiên, nó chắc chắn là một giải pháp được thiết kế cho những thiết bị sẽ ra mắt trong tương lai.

Giao thức " managed flood " làm cho việc thiết kế mạng trở nên đơn giản hơn, nhưng là sự đánh đổi giữa hiệu quả và sử dụng điện năng so với giao thức lưới được định tuyến đầy đủ như Zigbee. Bất kỳ thiết bị nào định tuyến phải được cấp nguồn chính chứ không phải chạy bằng pin, vì giống như các nút Zigbee, bộ định tuyến BT Mesh không được phép ở chế độ ngủ. Chúng không sử dụng địa chỉ IP, do đó, các tương tác với Internet và máy chủ đám mây phải được thông qua các gateway cố định hoặc bộ định tuyến biên, kết nối dịch giữa BLE và giao thức thông thường của Internet. Mạng lưới luôn có độ trễ cao hơn vì các thông báo cần phải "nhảy" qua nhiều nút trên đường đến đích của chúng, do đó, các ứng dụng phải có khả năng chịu được thời gian phản hồi chậm hơn để đổi lấy quy mô mạng lưới lớn hơn

Ứng dụng của Bluetooth Mesh trong thực tế

Bluetooth Mesh ban đầu được thiết kế có tính đến thị trường chiếu sáng. Bởi vì các nút bộ định tuyến cần được cấp nguồn liên tục, chiếu sáng là một ứng dụng tuyệt vời vì hầu hết các thiết bị sẽ có nhiều quyền truy cập vào nguồn điện chính toàn thời gian. Ngoài ra còn có một lớp ứng dụng được thực hiện bởi Bluetooth Mesh dành riêng cho khả năng tương tác giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực chiếu sáng, vì vậy các công tắc từ một nhà cung cấp có thể điều khiển các thiết bị chiếu sáng do các nhà cung cấp khác tạo ra. Mạng cảm biến có thể được hỗ trợ dễ dàng bởi BT Mesh, mặc dù vì các nút định tuyến trong lưới không thể được cấp nguồn bằng pin, nên bản thân các cảm biến được triển khai tốt nhất trong các tình huống có sẵn mạng cấp nguồn, ví dụ như trong một tòa nhà đã có sẵn đèn BT Mesh

.