در دنیای هوشمندسازی امروزه، ارتباط و هماهنگی بین دستگاه‌ها و سیستم‌ها یکی از عوامل حیاتی به حساب می‌آید. به همین دلیل، ما به معرفی یکی از پیشرفته‌ترین و کارآمدترین پروتکل‌های ارتباطی در این زمینه، یعنی پروتکل زیگبی، می‌پردازیم. این پروتکل با قابلیت‌های برجسته‌ای که ارائه می‌دهد، امکان اتصال بهینه و مدیریت هوشمند را برای دستگاه‌ها و سیستم‌های هوشمند فراهم می‌کند. در این مقاله، ما قصد داریم اصول اولیه‌ای را در مورد اینکه پروتکل zigbee دقیقا چیست، چه کاربردهایی دارد و چرا استاندارد ارتباطی مورد علاقه سازندگان خانه‌های هوشمند در سراسر جهان است، به اشتراک بگذاریم.
فهرست مطالب این مقاله
پروتکل Zigbee چیست؟
ZigBee یک پروتکل باز، جهانی و مبتنی برمتن بسته است که متخصصان آن را برای ارائه یک معماری با کاربری آسان برای شبکه‌های بی‌سیم ایمن، قابل اعتماد و کم مصرف طراحی کرده‌اند. تجهیزات کنترل جریان یا فرآیند را می توان در هر مکانی قرار داد و همچنان با بقیه سیستم ارتباط برقرار کرد. همچنین می‌توان آن را جابه‌جا کرد، زیرا شبکه به موقعیت فیزیکی حسگر، پمپ یا شیر اهمیتی نمی‌دهد.
فن‌آوری بی‌سیم ZigBee اساساً یک استاندارد جهانی در دسترس برای رفع نیازهای منحصربه‌فرد شبکه‌های بی‌سیم M2M (ماشین به ماشین) کم‌مصرف و کم‌هزینه و همچنین اینترنت اشیا (IoT) است. این پروتکل بر اساس مشخصات رادیویی فیزیکی IEEE 802.15.4 کار می‌کند و حتی در باندهای بدون مجوز شامل 2.4 گیگاهرتز، 900 مگاهرتز و 868 مگاهرتز نیز کار می‌کند.
در سال 2003، مشخصات 802.15.4 که پروتکل ZigBee روی آن کار می‌کند، تأییدیه رسمی و رسمیت یافتن از مؤسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) را دریافت کرد. این مشخصات یک پروتکل رادیویی مبتنی بر متن بسته است که برای دستگاههای کم هزینه و با باتری در نظر گرفته شده است. این پروتکل به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا باتری با عمر طولانی داشته باشند و همچنین به آنها اجازه می‌دهد در انواع توپولوژی‌های شبکه ارتباط برقرار کنند.
اصول پروتکل Zigbee
پروتکل زیگبی به گونه‌ای قوی است که می‌تواند در محیط‌های RF، Wi-Fi، و مبتنی بر بلوتوث، که در کاربردهای صنعتی مختلف رایج هستند، استفاده شود. پروتکل زیگبی دارای مکانیزم منحصر به فردی است و از تکنیک‌های اجتناب از تداخل IEEE 802.15.4 بهره می‌برد.
این پروتکل به صورت جهانی بر روی یک فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می‌کند.
ZigBee برد بی‌سیم 70 متر در داخل خانه و 400 متر در فضای باز ارائه می‌دهد.
با ارائه پشتیبانی از چندین شبکه مانند شبکه های مش نقطه به نقطه، نقطه به چند نقطه، انعطاف پذیری شبکه را برای پوشش خانه‌ها در هر اندازه ارائه می‌دهد.
تأخیر کم و چرخه کار کم منجر به مصرف انرژی کمتر می شود و عمر باتری طولانی مدت را تا 7 سال به سنسورها می‌دهد.
طیف گسترده توالی مستقیم (DSSS)، به ارائه نرخ داده بالاتر برای پاسخ‌های سریع‌تر کمک می‌کند.
به هزاران دستگاه برای شبکه های گسترده پاسخ می‌دهد.
ZigBee از رمزگذاری AES 128 (رمزگذاری دولتی، تجاری و نظامی که در سراسر اینترنت استفاده می‌شود) استفاده می‌کند، بنابراین از اطلاعات شما از طریق انتقال هوایی محافظت می‌کند.
پروتکل ZigBee می‌تواند به راحتی نظارت و کنترل سیستم‌های چراغ، سیستم‌های امنیتی و تشخیص حرکت را یکپارچه کند.
عملکرد شبکه مش ZigBee احتمال خرابی در گره‌ها را کاهش می‌دهد و مسیریابی ad-hoc پایداری بیشتری را ارائه می‌دهد.
کاربردهای پروتکل زیگبی
پروتکل زیگبی به سه دلیل اصلی کم‌هزینه بودن، کم مصرف بودن و اتصال بی‌سیم سریع‌تر، کاربردهای زیادی مانند اتوماسیون صنعتی، اتوماسیون خانگی، اندازه‌گیری هوشمند، شبکه‌های هوشمند و غیره را برآورده می‌کند. انرژی مورد نیاز، عملکرد یکپارچه حسگرهای مختلف را تضمین می کند که سال‌ها عمر باتری را ارائه می‌دهد. در اینجا به برخی از مناطقی که ZigBee در آنها به طور گسترده استفاده می شود، اشاره شده است:
اتوماسیون صنعتی: پروتکل زیگبی یک ارتباط سریع و کم هزینه را ارائه می‌دهد که می‌تواند تقریباً با تمام دستگاه‌ها در کارخانه‌های هوشمند ارتباط برقرار کند و آنها را در یک مکان متمرکز کند و نظارت بر هر فرآیند را برای شما آسان کند و در نتیجه فرآیند کنترل را بهینه کند. پروتکل ZigBee همچنین در صنعت بهداشت و سلامت، نظیر بیمارستان هوشمند و بسیاری از تجهیزات پزشکی و علمی مانند مانیتورینگ، ردیاب‌های ورزشی و تناسب اندام حضور دارد و حتی می‌تواند برای نظارت از راه دور بیمار مورد استفاده قرار گیرد.
اندازه‌گیری هوشمند و نظارت بر شبکه هوشمند: به منظور اندازه‌گیری هوشمند، پروتکل ZigBee برای پاسخگویی بهتر به مصرف انرژی، امنیت در مورد سرقت برق، پشتیبانی از قیمت و غیره استفاده می‌شود. مانیتورینگ دما از راه دور و … .
اتوماسیون خانگی: پروتکل زیگبی یکی از پرکاربردترین پروتکل‌ها در اکثر تجهیزات هوشمندسازی ساختمان است. این پروتکل، از ارائه راه حل برای سیستم روشنایی، سنسورهای هوشمند، تا راه حل‌های امنیتی و نظارت، در همه جا حضور دارد.
پروتکل زیگبی برای اتوماسیون خانگی
پروتکل ZigBee به طور گسترده برای هوشمندسازی خانه و ساختمان استفاده می‌شود و برای تکمیل راه حل‌های جامع کنترل روشنایی، کنترل امنیتی و حتی مدیریت انرژی ارائه می‌شود.
چندین برند معروف جهانی در زمینه اخانه هوشمند و اتوماسیون خانگی وجود دارند که از ZigBee برای دستگاههای خود استفاده می‌کنند. از آنجایی که Zigbee سازگار و قابل تعامل است، مدیریت دستگاههای مختلف از برندهای متفاوت را آسان و ساده می‌کند. اگر دستگاهی با سیستم اتوماسیون خانگی ZigBee (HA 2.1) سازگار است، می‌توانید مطمئن باشید که بدون توجه به برند، با سیستم اتوماسیون شما کار می کند.
برخی از ویژگی‌های پروتکل زیگبی در خانه هوشمند عبارتند از:
راه اندازی و نگهداری ساده
ایده آل برای ساخت و ساز جدید و بازسازی
ZigBee امکان دسترسی به دستگاه‌ها را در هر نقطه از جهان فقط از طریق تلفن هوشمند شما فراهم می‌کند.
مصرف برق را کنترل می کند و به شما امکان می دهد دستگاه ها را از مکان های دور روشن یا خاموش کنید.
به شما کمک می کند تا سناریوهای نورپردازی را بر اساس برنامه‌ها، رویدادها و فعالیت‌های روزانه سفارشی کنید.
به دلیل مصرف کم انرژی پروتکل ZigBee، سنسورهای امنیتی شما می توانند برای مدت 7 سال کار کنند.
جزییات فنی پروتکل زیگبی
دستگاههای ZigBee به سه نوع زیر طبقه بندی می‌شوند:
ZigBee Coordinator (ZC): این مهم‌ترین وسیله است زیرا ریشه درخت شبکه را تشکیل می‌دهد و به اتصال به شبکه‌های دیگر کمک می‌کند. این بدان معنی است که شما یک هماهنگ کننده ZigBee را در هر شبکه پیدا خواهید کرد. زیرا این دستگاه مسئول شروع شبکه است. این دستگاه حاوی تمام اطلاعات شبکه است و به عنوان مرکز اعتماد و مخزن کلیدهای امنیتی عمل می‌کند.
روتر ZigBee (ZR): علاوه بر اجرای یک تابع برنامه، برای مسیریابی داده‌ها از دستگاههای دیگر و کمک به رسیدن به مقصد استفاده می‌کند.
ZigBee End-Device (ZED): دستگاه پایانی دارای عملکرد کافی برای مکالمه با هماهنگ کننده یا روتر است. توجه داشته باشید که نمی‌تواند به داده‌های دستگاههای دیگر تکیه کند. این باعث می‌شود که گره برای مدت قابل توجهی در خواب بماند و در نتیجه عمر باتری را تا حد قابل توجهی افزایش دهد. یک دستگاه ZED در مقایسه با ZC یا ZR به کمترین مقدار انرژی نیاز دارد.
انواع توپولوژی شبکه Zigbee
توپولوژی ستاره (ZigBee Smart Energy): شامل یک هماهنگ کننده و چندین دستگاه نهایی است، دستگاههای پایانی فقط با هماهنگ کننده ارتباط برقرار می‌کنند. دستگاه پایانی هم از نظر فیزیکی و هم از نظر الکتریکی جدا می‌شوند، یعنی هیچ ارتباط مستقیمی بین دستگاههای پایانی وجود ندارد. تمام اطلاعات باید از طریق Coordinator ارسال شود، حتی اطلاعات از یک دستگاه انتهایی به دستگاه دیگر.
مش (فرایند خود درمانی): توپولوژی مش متشکل از یک هماهنگ کننده، چندین مسیریاب و دستگاه پایانی است. توپولوژی مش Zigbee، یک توپولوژی Peer-to-Peer است و توسعه توپولوژی درخت خوشه‌ای است. دستگاههای پایانی که به‌عنوان FFD پیکربندی شده‌اند می‌توانند مستقیماً با سایر دستگاههای FFD (اعم از روترها یا دستگاههای پایانی) ارتباط برقرار کنند. اما دستگاههای پایانی که به‌عنوان RFD پیکربندی شده‌اند، هنوز باید از طریق روترها یا هماهنگ‌کننده‌ها ارتباط برقرار کنند.
توپولوژی درختی: توپولوژی درخت خوشه ای نوعی توپولوژی Peer-to-Peer است.در این توپولوژی، شبکه متشکل از یک گره مرکزی که یک هماهنگ کننده، چندین مسیریاب و دستگاه انتهایی می‌باشد، است. عملکرد روتر گسترش پوشش شبکه است. در توپولوژی درخت خوشه Zigbee، دستگاههای پایانی از طریق Coordinator یا Router به شبکه می پیوندند. از آنجایی که روتر Zigbee محدوده شبکه زیگبی را گسترش می‌دهد، دستگاه پایانی لازم نیست در محدوده Coordinator باشد.
حتی در توپولوژی درختی، دستگاههای پایانی نمی‌توانند مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، اما روتر می‌تواند با سایر روترها و هماهنگ کننده ارتباط برقرار کند.
چرا از پروتکل زیگبی در خانه هوشمند استفاده می‌شود؟
اجازه دهید به برخی از مزایایی که هنگام انتخاب پروتکل ZigBee به دست می آورید، نگاهی بیندازیم.
فناوری بی‌سیم دردسرهای سیم‌کشی و کابل‌های فراوان را از بین می‌برد.
یک پروتکل استاندارد که به مشتریان امکان انتخاب انواع محصولات با برندهای متنوع را می‌دهد.
نصب و نگهداری آسان هزینه‌های عملیات را کاهش می‌دهد و راه حل‌های مقرون به صرفه‌ای را ارائه می‌دهد.
قابلیت همکاری بیشتر و سازگاری متقابل بین دستگاه‌ها.
Device Authentication و AES 128 انتقال امن داده را تضمین می‌کند.
اتصال به اینترنت برای کنترل و دسترسی بیشتر.
دریافت اعلان‌های فوری پس از تشخیص هر گونه رویداد غیر معمول.
به همه بخش‌ها مانند روشنایی، امنیت، لوازم خانگی و دسترسی به خانه هوشمند پاسخ می‌دهد.
پراکندگی بهتر انتقال داده و کاهش بار در یک نقطه
تأخیر زمانی کوتاه، معمولاً 15 میلی‌ثانیه برای آماده به کار شدن تا فعال‌سازی، 15 میلی‌ثانیه برای دسترسی به کانال دستگاههای فعال و 30 میلی‌ثانیه برای جستجوی دستگاه
چه دستگاه‌هایی از پروتکل Zigbee استفاده می کنند؟
هزاران دستگاه از صدها سازنده مختلف از Zigbee استفاده می‌کنند. بنابراین مطمئن باشید که احتمال بالایی برای یافتن دستگاهی که مطابق با اکثر نیازها باشد، وجود دارد. کنترل‌های درب گاراژ، قفل هوشمند، لامپ‌های هوشمند، حسگرهای حرکتی، سنسورهای درب، آشکارسازهای دود، ترموستات‌ها، کنترل از راه دور، آژیرها و لوازم خانگی همه به طور گسترده، توسط این پروتکل، پوشش داده می‌شوند.
فناوری Zigbee با پشتیبانی برخی از بزرگترین شرکت‌های جهان، از جمله فیلیپس، نست، سامسونگ، تگزاس، زیمنس و ویرپول، در حال حاضر در میلیون‌ها دستگاه خانه هوشمند در سراسر جهان ساخته می‌شود. اخیراً شرکت‌هایی مانند آمازون، اپل و گوگل همگی شروع به ادغام Zigbee در اسپیکرهای هوشمند و صفحه نمایش‌های هوشمند خود کرده‌اند!
آیا پروتکل Zigbee امن است یا می‌توان آن را هک کرد؟
مانند بسیاری از فناوری‌ها، هیچ چیز غیرممکن نیست، بنابراین هر کسی که به این سؤال با یک «نه» قاطع پاسخ دهد، صادق نیست!
خود پروتکل Zigbee از رمزگذاری AES 128 بیتی استفاده می‌کند و بر اساس مدل امنیتی تعریف شده در استاندارد IEEE 802.15.4 ساخته شده است. دستگاههای موجود در شبکه Zigbee از دو نوع کلید امنیتی برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند: یک کلید شبکه و یک کلید پیوند.
کلید شبکه به اشتراک گذاشته می‌شود و توسط همه دستگاههای موجود در شبکه برای انتقال ایمن پیام‌ها استفاده می‌شود. این کلید توسط یک “Trust Center” تولید می‌شود که در بیشتر موارد کنترل کننده خانه هوشمند خواهد بود. کلید شبکه به تمام دستگاههای جدیدی که به شبکه می‌پیوندند، ارسال می‌شود. کلید شبکه هرگز بدون رمزگذاری به دستگاه‌ها ارسال نمی‌شود، در عوض از کلید پیوند استاندارد Zigbee برای محافظت از کلید شبکه در هنگام ارسال به دستگاههای متصل استفاده می‌شود.
کلیدهای پیوند نیز برای ارتباطات رمزگذاری شده بین دستگاه‌ها استفاده می‌شوند و توسط مرکز اعتماد تولید و ارائه می‌گردند. این کلید، یک لایه امنیتی اضافی را فراهم می‌کند و به این معنی است که دستگاه های دیگر نمی‌توانند آن ارتباط را رهگیری کنند.
به طور کلی هنگامی که صحبت از ایمن سازی خانه هوشمند شما می‌شود، در واقع یک مورد از اجرای بهترین شیوه‌ها به منظور کاهش هرگونه مشکل احتمالی است. پایبندی به استانداردهای صنعتی و فناوری‌های معتبر مانند Z-Wave و Zigbee، استفاده از رمزهای عبور ایمن، اطمینان از ایمن بودن اتصالات شبکه WiFi و اترنت، به‌روزرسانی نرم‌افزار در دستگاههای هوشمند، هاب‌ها و دروازه‌ها برای به روز نگه داشتن آنها – همه این موارد کمک می‌کند تا مطمئن شوید که سیستم اتوماسیون خانگی شما سالم، پایدار و ایمن است.
آیا می‌توان با استفاده از پروتکل Zigbee از الکسا، گوگل و سیری استفاده کرد؟
بله! برخی از سخت‌افزارهای دستیار صوتی مانند بلندگوهای هوشمند و صفحه‌نمایش‌های هوشمند مستقیماً از دستگاههای Zigbee پشتیبانی می‌کنند، بنابراین می‌توانید بلافاصله شروع به اضافه کردن آنها کنید. برای دیگر محصولات، باید از یک کنترلر خانه هوشمند استفاده کنید که از فناوری Zigbee پشتیبانی می‌کند و با دستیار صوتی انتخابی شما یکپارچه می‌شود.
با تشخیص زبان طبیعی و یادگیری ماشینی، حتی می‌توانید به جای دستورات مستقیم، استنتاج کنید. به الکسا یا سیری بگویید که هوا خیلی تاریک است و آنها به طور خودکار سطح روشنایی را بر این اساس بالا می‌برند. حتی بهتر از آن، «صحنه‌های» نورپردازی ایجاد کنید که می‌توانند به‌طور خودکار تنظیم شوند.
