اینترنت اشیا, خانه هوشمند

پروتکل‌های ارتباطی خانه هوشمند؛ از KNX تا Zigbee

پروتکل ارتباطی خانه هوشمند

المان‌ها و سنسورهای متفاوتی در ساخت یک خانه هوشمندبا پروتکل‌های ارتباطی خانه هوشمند به کار می‌روند. آن چه در یک خانه هوشمند اهمیت دارد کارکرد منحصر به فرد هر المان نیست بلکه ارتباط مداوم سنسورها و المان‌ها است که دارای اهمیت می‌باشد. با توجه به این نکته، هر خانه هوشمند نیازمند یک سیستم ارتباطی میان سنسورها و المان‌های هوشمند خود است. این سیستم‌های ارتباطی در واقع مثل زبان عمل می‌کنند و داده‌های هر المان را برای المان دیگر ترجمه می‌کنند. این سیستم ارتباطی را به اصطلاح پروتکل ارتباطی می‌نامند.

پروتکل‌های ارتباطی خانه هوشمند

پروتکل ارتباطی خانه هوشمند

پروتکل‌های ارتباطی خانه هوشمند

تاکنون پروتکل‌های ارتباطی فراوانی در حوزه خانه‌های هوشمند معرفی شده‌اند. در این مقاله، مروری خواهیم داشت بر مهمترین و رایج‌ترین پروتکل‌های ارتباطی که در خانه‌های هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

پروتکل X10

پروتکل X10 را می‌توان اولین پروتکل ارتباطی دانست که در ساخت خانه‌های هوشمند استفاده شده است. این پروتکل برای اولین بار در سال 1975 عرضه شد.

پروتکل X10 اطلاعات را با امواج رادیویی 120 کیلو هرتز و از طریق سیم‌کشی برق شهری انتقال می‌دهد. تنها راه ارتباطی این پروتکل با دستگاه‌های هوشمند پریز برق است. به واسطه این پروتکل تنها می‌توان چگونگی و زمان کار دستگاه‌ها را مشخص کرد. برای مثال شما می‌توانید به پنکه خانه‌تان دستور دهید 2 ساعت دیگر با سرعت متوسط شروع به کار کند. پروتکل X10 یک پروتکل یک‌طرفه می‌باشد. این امر به این معناست که از طریق X10 تنها می‌توان دستورات را صادر کرد اما نمی‌توان از اجرای دقیق آن اطلاع یافت یا هیچگونه بازخوردی دریافت کرد. هر چند که سالهاست امکان ارتباط دو طرفه از طریق این پروتکل ایجاد شده است اما بسیار گران بوده و مقرون به صرفه نمی‌باشد.

مهم‌ترین مسئله و چالش استفاده از پروتکل X10 نویزپذیری آن است. از آنجایی که این پروتکل از سیم‌کشی برق شهری برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند، به احتمال زیاد، در فرکانس‌های رادیویی X10 اختلال ایجاد می‌شود. در صورت استفاده از این پروتکل بیشترین نویز و اختلال در رادیو، تلویزیون و موتورهای الکتریکی(مثل کولر آبی و پنکه) رخ می‌دهد.  به همین علت اساسا پروتکل X10 پروتکل امن و قابل اعتمادی نمی‌باشد.

 

پروتکل KNX

پروتکل KNX یکی از قدیمی‌ترین و محبو‌ترین پروتکل‌های مورد استفاده در صنعت خانه‌های هوشمند می‌باشد. دو علت محبوبیت این پروتکل لایه باز بودن و داشتن استاندارد بین‌المللی ISO/IEC 14543 می‌باشد. همین دو دلیل علت آن است که با استفاده از پروتکل KNX می‌توان محصولات شرکت‌های مختلف را به هم متصل کرد.

پروتکل KNX، 4 جزء اصلی دارد که عبارت‌اند از: منبع تغذیه، گذرگاه‌های اطلاعاتی، عمل‌گرها و حس‌گرها(سنسورها). در واقع وظیفه اصلی این پروتکل اتصال این چهار رکن خانه‌های هوشمند می‌باشد. این اتصال و ارتباط از طریق کابل‌های شیلدداری صورت می‌گیرد که تا 2500 ولت را تحمل می‌کنند و از عایق مناسبی برای جلوگیری از نویزهای احتمالی، برخوردار هستند.

مهم‌ترین ویژگی پروتکل KNX توپولوژی غیرمتمرکز آن است. به عبارتی ساده‌تر، این پروتکل به دستگاه مرکزی برای ارتباط با اجزا نیاز ندارد و از طرفی دیگر، در صورت قطع شدن ارتباط یک بخش، باقی بخش‌ها به کار خود ادامه می‌دهند، یعنی در این پروتکل هیچ بخشی به بخش دیگر وابسته نمی‌باشد.

مهم‌ترین نقطه ضعف این پروتکل ارتباط سیمی آن است. هر چند این نوع ارتباط به مرور زمان بهینه شده است و به طور مثال کلیدهای این پروتکل دقیقا در قوطی کلیدهای معمولی نصب می‌شوند، اما کماکان معضلات دیگری وجود دارد. یکی از این چالش‌ها هزینه نسبتا بالای کابل کشی در محیط‌های وسیع می‌باشد. چالش دیگر این است که اگر خانه‌ای ساخته شده بخواهد از این پروتکل استفاده کند باید سیم‌کشی ساختمان تغییر پیدا کند که هزینه ی زیادی در بر خواهد داشت.

 

پروتکل Z-wave

پروتکل ارتباطی Z-wave، یک پروتکل لایه باز می‌باشد که در سال 1999 در کشور دانمارک طراحی شده است. استفاده از  این تکنولوژی در سال 2005 در آمریکا پذیرفته شد و به مرور زمان گسترش یافت.

یکی از پروتکل ارتباطی بی‌سیم، پروتکل Z-wave می‌باشد که برای ایجاد ارتباط از فرکانس‌های رادیویی(RF) در محدوده 908 مگا هرتز استفاده می‌کند. به همین دلیل Z-wave یک پروتکل کم مصرف به شمار می‌رود.

پروتکل Z-wave، با استفاده از توپولوژی مش امکان تبادل اطلاعات و فرامین را میان دستگاه‌های هوشمند ایجاد می‌کند. در این فرآیند سیگنال‌ها و پیام‌ها به یک ایستگاه مرکزی یا هاب و در آنجا تبادل اطلاعات صورت می‌گیرد. لازم به ذکر است که به کمک برنامه‌های مبتنی بر اینترنت می‌توان به این اطلاعات دست یافت و دستگاه‌های هوشمند را کنترل و مدیریت کرد. همین امر سبب شده است که این پروتکل، پروتکلی مناسب برای تکنولوژی‌هایی باشد که از اینترنت اشیا (IoT) استفاده می‌کنند.

یکی از مزایای استفاده از این پروتکل امنیت اطلاعاتی آن است. علت این امر هم کدینگ قوی اطلاعات در این پروتکل است. موردی که ممکن است باعث نگرانی درباره استفاده از Z-wave شود، امکان تداخل امواج آن با امواج دیگر تکنولوژی‌های رایج در خانه‌ها، مثل امواج Wi-Fi، است. اما به این دلیل که این پروتکل از فرکانس خاصی برای تبادل اطلاعات استفاده می‌کند، به هیچ وجه تداخلی با امواج سایر وسایل بی‌سیم رخ نخواهد داد.

برای استفاده از پروتکل Z-wave در خانه هوشمند خود باید دو نکته را در نظر داشته باشید. نخست باید بدانید که این پروتکل در حال رشد است و هنوز بسیاری از شرکت‌ها به استفاده از آن روی نیاورده‌اند، در نتیجه، در صورت استفاده از این پروتکل، از وسایل و برندهای محدودی می‌توان استفاده کرد. چالش دوم استفاده از Z-wave برد ارتباطی آن است. معمولا هاب مرکزی این پروتکل فضایی 100 متری را پوشش می‌دهد. برای افزایش محدوده پوشش این پروتکل باید ایستگاه‌های تقویت کننده تعبیه شود، اما نهایتا تا 200 متر امکان افزایش پوشش وجود دارد. همین امر سبب می‌شود که Z-wave پروتکل مناسبی برای محدوده‌های وسیع و خانه‌های بزرگ نباشد.

پروتکل اترنت

امروزه، پروتکل اترنت پرکاربردترین پروتکل ارتباطی دنیا است. بیشترین استفاده آن در مودم‌های اینترنت است. می‌توان گفت تقریبا تمام دستگاه‌های مدرن قابلیت ارتباط با اترنت را دارا هستند. اترنت با فریم‌بندی اطلاعات و تلفیق آن با پروتکل TCP/IP ارتباط با اینترنت را برقرار می‌کند.

پروتکل اترنت یک ارتباط مبتنی بر کابل و شبکه را ایجاد می‌کند. مهم‌ترین ویژگی‌های این پروتکل سرعت نسبتا بالا و در عین حال امنیت اطلاعات است.

هر چند پروتکل اترنت، پروتکل محبوبی است اما در خانه‌های هوشمند مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. دلیل عدم استفاده از اترنت این است که تنها تا مسافت 100 متر می‌توان از آن استفاده کرد. دلیل دیگر، کابلی بودن این نوع ارتباط است که محدودیت‌هایی را با خود به همراه می‌آورد.

پروتکل Wi-Fi

شاید پروتکل Wi-Fi را بتوان نام آشناترین پروتکل ارتباطی دانست.  امروزه این پروتکل با استفاده از باندهای 5 گیگاهرتزی، در شرایط ایده‌آل شعاع یک کیلومتری را پوشش می‌دهند.

یکی از مزیت‌های استفاده از پروتکل Wi-Fi، توانایی آن در مدیریت حجم بالایی از داده‌هاست. پروتکل Wi-Fi برای انجام این کار از یک شیوه کدگذاری به نان AES 256 استفاده می‌کند. همین امر سبب شده تا Wi-Fi پروتکلی مناسب برای خانه‌های هوشمند باشد.

پروتکل ارتباطی Wi-Fi مزایایی دارد که آن را از سایر پروتکل‌ها مجزا می‌کند. اولین ویژگی آن عدم نیاز به سیم‌کشی است که همین امر سبب کاهش چشمگیر هزینه‌ها می‌گردد. دومین مزیت آن، ساده بودن است، با کمک یک Access point همه دستگاه‌های مورد نظر به این پروتکل متصل می‌شوند. سومین مزیت آن، احتمال پایین تداخل امواج است.

پروتکل Wi-Fi با همه مزیت‌هایی که دارد، یک ویژگی منفی نیز دارد و آن احتمال بالای قطعی است. در صورت قطع شدن ارتباط، عملا تمام دستگاه‌ها از کار می‌افتند.

 

پروتکل ارتباطی Zigbee

پروتکل Zigbee یکی از محبوب‌ترین پروتکل‌های ارتباطی بی‌سیم برای خانه‌ها و سازمان‌های هوشمند است. این پروتکل از شبکه‌های درختی، ستاره‌ای و مش استفاده می‌کند. همین امر این پروتکل را به انعطاف‌پذیرترین پروتکل ارتباطی تبدیل کرده است. علاوه بر انعطاف‌پذیری، Zigbee با کد IEEE 802.15.4 استانداردسازی شده است، همین ویژگی پروتکل Zigbee را قابل اعتماد می‌کند. انعطاف‌پذیری و قابلیت اعتماد Zigbee باعث شده است این پروتکل در محیط‌های مختلفی از مسکونی تا صنعتی، مورد استفاده قرار بگیرد.

پروتکل ارتباطی Zigbee یک پروتکل دو سویه است، به این معنا که در هر لحظه می‌توان فرمانی را صادر و بازخورد آن را مشاهده کرد. ویژگی دیگر این پروتکل، مصرف بسیار پایین انرژی است به گونه‌ای که می‌توان گفت استفاده از Zigbee هزینه‌ای برای صاحب خانه نخواهد داشت.

در پروتکل Zigbee به علت استفاده از شبکه مش، عملا نیازی به یک هاب مرکزی وجود ندارد. از طرف دیگر، این پروتکل از لحاظ مصرف انرژی خوداتکا است. به این معنی که حتی اگر برق خانه قطع شود، ارتباط دستگاه‌های هوشمند قطع نخواهد شد.

انتقال داده‌ها در Zigbee با یک شبکه‌بندی ترکیبی و خود ساخته و امن صورت می‌گیرد. علاوه بر امن بودن انتقال داده‌ها، آنچه Zigbee را منحصر به فرد می‌کند پشتیبانی و ارتباط با بیش از 65000 دستگاه در لحظه است، قابلیتی که در دیگر پروتکل‌ها وجود ندارد.

پروتکل Zigbee یک پروتکل لایه باز و قابل توسعه است. به همین دلیل، بسیاری از شرکت‌های تولیدکننده استفاده از این پروتکل را در دستور کار خود قرار داده‌اند.

از پروتکل Zigbee در صنایع و مصارف مختلفی نظیر مخابرات، لوازم خانگی، روشنایی، وسایل ابزار دقیق فروشگاه‌ها و غیره استفاده می‌شود. امروزه در بسیاری از کشورها از جمله چین، Zigbee پروتکل غالب خانه‌های هوشمند است.

 

 

با این تفاسیر مقایسه پرکاربرد ترین پروتکل های ارتباطی بین وای‌فای و زیگ‌بی است که میتوانید برای مطالعه دقیق تر به مقاله مقابل مراجعه کنید : مقایسه پروتکل Z-Wave و Wi-Fi 

برای مطالعه تخصصی تر به مقاله مقابل مراجعه کنید: انواع توپولوژی‌ها در پروتکل ارتباطی ZIGBEE 

مطالب مرتبط

1 نظر در “پروتکل‌های ارتباطی خانه هوشمند؛ از KNX تا Zigbee

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.