معرفی پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

قبلاً به طور مفصل در مورد هوشمندسازی و  مزایای هوشمندسازی ساختمان صحبت کردیم. اما، برای پیاده‌سازی و اجرای سامانه‌های هوشمند لازم است تا پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند مناسبی فراهم شود. وظيفه‌ی چنین زیرساختی امکان‌پذير کردن ارتباط میان انواع ادواتی‌ست که در سامانه‌ی هوشمند به کار برده می‌شوند. نهادها و شرکت‌های متعددی در اين زمينه با طراحی و استانداردسازی پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند به فعالیت پرداخته‌اند.

پروتکل X10

با عرضه‌ی X10 که جزء پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند بود در سال ۱۹۷۵ خيال خانه‌ی هوشمند که تصورش در مجموعه‌ی انيميشن «خانواده‌ی جتسون» مطرح شده بود، به واقعيت پيوست. X10 می‌توانست از طريق سيم‌کشی برق خانه سيگنال‌های راديويی با فرکانس ۱۲۰ کيلوهرتز که حامل اطلاعات ديجيتالی بودند، به سمت سوئيچ‌ها و تجهيزات قابل برنامه‌ريزی بفرستد. اين سيگنال‌ها حامل فرمان‌هايی برای کنترل عمل‌کرد تجهيزات بودند. مثلا يک فرستنده می‌توانست فرمانی را از طريق سيم‌کشی برق خانه ارسال کند و يک ابزار مشخص را در زمان خاصی روشن يا خاموش کند.

معایب X10

از آن‌جا که سيم‌کشی برق خانه چنان پياده‌سازی نشده که دچار نويز در محدوده‌ی راديويی نباشد، پروتکل X10 چندان قابل اتکا نبود. سيگنال‌ها از دست می‌رفتند و گاهی مدار گيرنده به خاطر تفاوت استانداردهای انتقال نيرو قادر به تشخيص سيگنال‌ها نبود. علاوه بر اين، X10 در بدو عرضه دارای روی‌کرد ارتباطی يک‌طرفه بود. تجهيزاتی که گيرنده‌ی سيگنال راديويی بودند، نمی‌توانستند به سمت واحد فرستنده پاسخی بفرستند. بعدها تکنولوژی X10 توسعه يافت و البته با قيمتی گران‌تر تجهيزات ارتباطی دو طرفه عرضه شدند.

با آغاز به کار شرکت اتوماسيون اينستئون در سال ۲۰۰۵ تکنولوژی تازه‌يی که به صورت يک‌پارچه سيم‌کشی برق و سيگنال‌های بی‌سيم را به کار می‌گرفت، معرفی شد. پروتکل‌های ديگری، نظير ZigBee ، Zwave پيش‌نهاد شدند تا از مشکلات X10 گذر شود. با اين‌حال، هم‌چنان X10 هنوز يکی از متداول‌ترين پروتکل های هوشمندسازی در حال استفاده است.

پروتکل KNX

تکنولوژی کانکس يا KNX (که اين حروف مخفف کلمه‌ی Konnex هستند) یکی از محبو‌ب‌ترین استانداردهای جهانی و پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند برای پياده‌سازی سیستم هوشمندسازی ساختمان‌ها با حدود دو دهه قدمت است. اين تکنولوژی در آغاز با عنوان EIB (اين حروف سرنام عبارت European Installation Bus هستند) شناخته می‌شد. پروتکل هوشمندسازی کانکس با اين روی‌کرد آماده شده که مدارهای قدرت و فرمان را از يک‌ديگر تفکيک می‌کند و اتوماسیون خانگی و ساختمانی با استفاده از سوئيچينگ الکترونيک اعمال می‌شود.

مزايای KNX

اجرای پروتکل هوشمندسازی کانکس در يک پروژه مزايای زيادی در بر دارد. یکی از دلایل محبوبیت این پروتکل مشتری محور بودن آن است، به طوری که با استفاده از آن می‌توان گستره‌ی متنوعی از درخواست‌های کاربران مانند کنترل از راه دور سیستم‌های تهويه، پخش صدا و ويدئو، حس‌گرهای حرکتی، تنظیم پرده‌ها و روشنایی را پشتیبانی کرد. این استاندارد یک ارتباط ساده بین تمام اجزاء سيستم‌های تحت کنترل برقرار می‌کند و پياده‌سازی آن بدون پيچيدگی امکان‌پذير است. از نظر کاربردی، اين راه حل بسيار کاربرپسند است و باعث صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی می‌شود. مزيت ديگر اين روی‌کرد، باز بودن استاندارد کانکس است که با توجه به آن، هر کسی می‌تواند با روی‌کرد اختصاصی خود آن را توسعه دهد. هم‌چنين، عدم وابستگی به سخت‌افزار يک امتياز مهم ديگر است، چندان که بيش از سیصد شرکت عضو انجمن جهانی کانکس حدود ۸۵۰۰ محصول مختلف مبتنی بر اين تکنولوژی و پروتکل تا سال ۲۰۱۵ به بازار ارائه کرده‌اند.

نکته‌ی عملياتی قابل اعتنا برای این پروتکل ارتباطی این است که علاوه بر امکان نصب تجهیزات کانکس در ساختمان‌های صنعتی و تجاری در حال احداث، می‌توان اين راه حل را در ساختمان‌های قدیمی نیز به اجرا در آورد و حتا در اماکنی که سیم‌کشی مجدد امکان‌پذير نيست، می‌توان اين تکنولوژی را به صورت بی‌سیم به منظور انتقال داده‌ها به کار گرفت.

زيرساخت، ساختار و نحوه‌ی عمل‌کرد پروتکل KNX

اجزاء يک پروتکل ارتباطی خانه هوشمند KNX شامل منبع تغذیه، گذرگاه‌ها، عمل‌گرها و حس‌گرهاست. منبع تغذیه برق گذرگاه و ساير اجزاء را تأمين می‌کند. گذرگاه مسير انتقال اطلاعات است.

فرمان‌هايی که در سیستم صادر می‌شوند، وابسته به عمل‌کرد حس‌گرهايی مانند زمان‌سنج‌ها و ترموستات‌ها هستند. حسگرها بروز اتفاق‌ها را در ساختمان تشخيص می‌دهند، مثلا وقتی شخصی کليدی را می‌زند یا در محل حرکت می‌کند و یا دمای محيط از حد مناسب و تنظیم‌‌شده کم‌تر یا بیش‌تر می‌شود. در نتيجه، حس‌گرها بسته‌های اطلاعاتی متناظر با اين اتفاق‌ها را از طريق گذرگاه انتقال KNX پخش می‌کنند و ادواتی که گيرنده‌ی بسته‌های اطلاعاتی‌اند، با توجه به برنامه‌ی عمل‌کردی‌شان، دستور لازم را صادر می‌کنند.

تجهيزات کنترل روشنایی، سرمایش و گرمایش، کنترل پرده‌ها و ديگر رله‌هایی که فرمان‌ها را اجرا می‌کنند، در مجموعه‌ی عمل‌گرها دسته‌بندی می‌شوند. عمل‌گرها اطلاعات ارسال‌شده را دریافت می‌کنند و در واکنش به آن‌ها يک فعاليت را سر و سامان می‌دهند. این اطلاعات میتواند منجر به صدور فرمان تنظيم وضعیت پرده، تنظيم شدت روشنايی و کنترل سیستم سرمایشی و گرمایشی و مانند اين‌ها شود. انتخاب عمل‌گرها با توجه به کاربرد مورد نظر انجام می‌شود. علاوه بر ضرورت ايجاد اتصال بين عمل‌گر و گذرگاه، لازم است از يک واحد عملياتی که مجهز به برنامه‌ی کاربردی‌ست بهره گرفت. برنامه‌ی کاربردی مد نظر با کمک يک واسط ارتباطی که به گذرگاه‌ها دسترسی دارد، روی واحد عملياتی نصب و بارگذاری می‌شود.

گذرگاه پروتکل ارتباطی خانه هوشمند کانکس تمام اجزاء سيستم را به یک‌دیگر متصل می‌کند. يکی از متداول‌ترين بسترهای گذرگاهی زوج سیم‌هايی هستند که درون یک پوشش عایق قرار دارند و تا ۲۵۰۰ ولت را تحمل می‌کنند. در پروتکل هوشمندسازی کانکس با استفاده از یک زوج سیم هم انتقال برق مستقيم برای تغذيه‌ی اجزاء هم انتقال اطلاعات صورت می‌پذيرد. روش دیگری که می‌توان با اتکا به آن سیستم کانکس را پیاده‌سازی کرد، استفاده از تکنولوژی خطوط انتقال نيرو در ساختمان است. وقتی امکان سيم‌کشی وجود نداشته باشد يا در محيط‌های وسيع و دور از دست‌رس، با استفاده از فرکانس‌های رادیویی و ارتباطات بی‌سيم می‌توان اين روی‌کرد را به اجرا در آورد.

پروتکل Zwave

زد–وِيو یکی دیگر از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمنداست که کاربرد اصلی آن پشتی‌بانی از شبکه‌های خانگی هوشمند است و به دستگاه‌های هوشمند اجازه می‌دهد تا با يک‌ديگر اطلاعات و فرمان‌های کنترلی تبادل کنند. این پروتکل متکی به یک تکنولوژی ارتباطی بی‌سیم است و در عين حال، با سیگنال‌های وای‌فای تداخلی ندارد. زد–وِيو در مقايسه با وای‌فای يک جای‌گزين کم‌مصرف است و از طرفی، در مقايسه با پروتکل بلوتوث برد بيش‌تری دارد.

زمانی که تکنولوژی زد–وِيو در تجهیزات مورد استفاده در سبک زندگی روزمره‌ی مدرن مانند سامانه‌ی تهويه‌ی هوای سرد و گرم، قفل‌ها‍‍ و سيستم‌های امنيتی، کلیدها و چراغ‌ها پیاده‌سازی می‌شود، به آن‌ها این توانایی را می‌دهد تا با یک‌دیگر ارتباط برقرار کنند و شما می‌توانيد از هر جا که هستید، به کمک برنامه‌ی مبتنی بر اينترنت آن‌ها را هوشمندانه کنترل و مدیریت کنید. به اين ترتيب، اين تکنولوژی در مسير توسعه و فراگيری اينترنت اشياء کاربرد و تأثير فراوان دارد.

پيشگامان صنعت و بازار Zwave

پروتکل Zwave از سوی شرکت دانمارکی ذن‌سيس (Zensys) در سال ۱۹۹۹ معرفی شد و در همان سال، یک تراشه‌ی اختصاصی برای اتوماسیون خانگی و کنترل روشنایی با استفاده از پروتکل زد–وِيو عرضه شد. پس از توسعه و تکامل سری‌های اوليه‌ی تراشه‌های زد-وِيو، در سال ۲۰۰۵ که اين تکنولوژی در آمریکا متعارف و مرسوم شد، شرکت‌هایی نظیر دانفوس، لويتون و ديگران اتحادیه‌ی Zwave را تأسيس کردند. هدف آن‌ها از تشکیل این اتحادیه بهبود عمل‌کرد، گسترش کاربردها و توانايی‌های Zwave و ترویج استفاده از آن اعلام شد. تعداد اعضای اين اتحاديه در سال ۲۰۱۸ به بيش از هفتصد شرکت از سراسر دنيا رسيده است.

از طرفی، در سال ۲۰۰۸ شرکت‌های مانند پاناسونيک و سيسکو در ذن‌سيس سرمايه‌گذاری کردند و در انتهای همان سال مالکیت زد–وِيو به سیگما دیزاین (Sigma Design) انتقال یافت. پس از سال‌ها و نهايتا در سال ۲۰۱۸ تکنولوژی Zwave به ارزش ۲۴۰ ميليون دلار به سیلیکون لبز (Silicon Labs) واگذار شد.

عرضه‌ی محصولات Zwave و محبوبيت کاربرد آن‌ها سال به سال افزايش يافته است. بر اساس گزارش‌ها، در سال ۲۰۰۵، تنها ۶ محصول در بازار وجود داشت که مبتنی بر اين پروتکل کار می‌کردند. با رواج صنعت و بازار خانه‌ی هوشمند، در سال ۲۰۱۲ اين تنوع به حدود ششصد محصول در آمريکا رسيد. در سال ۲۰۱۹، تنوع محصولات Zwave به بيش از ۲۶۰۰ نمونه رسيده است. بر اساس آمار شرکت‌های مختلف و بنا بر ادعای اتحاديه‌ی زد–وِيو، بیش از صد ميليون از انواع محصولات زد–وِيو برای به کارگيری در خانه‌های هوشمند به فروش رسيده‌اند.

اکنون در فرصتی که مهياست از ساختار شبکه‌های مبتنی بر پروتکل Zwave و نحوه‌ی عمل‌کرد اين شبکه‌ها صحبت می‌کنیم.

ساختار شبکه‌ی Zwave و عمل‌کرد آن

ارتباطات Zwave به صورت راديويی (RF) و در محدوده‌ی فرکانسی ۴۲.۹۰۸ مگاهرتز صورت می‌پذيرد (در مقايسه با وای‌فای که فرکانس کار آن ۴.۲ گيگاهرتز است) و به اين ترتيب، تجهيزات می‌توانند با هم در ارتباط قرار گيرند. به عبارت واضح‌تر، پياده‌سازی اين پروتکل با شبکه‌های دارای توپولوژی مش يا توری شکل و سطح مصرف انرژی بسيار کم امکان‌پذير است. در اين شبکه، سیگنال‌های داده و پيام‌های اطلاعاتی بين هاب يا کنترل‌کننده‌ی مرکزی و ايستگاه‌ها تبادل می‌شوند و ايستگاه‌ها اين امکان را دارند تا محموله‌های داده و اطلاعات را دست به دست کنند. به اين ترتيب، سيگنال حتا توسط ادواتی هم که خارج از برد هاب هستند، تشخيص داده می‌شود. به عبارتی، هر ايستگاه نصب‌شده در شبکه می‌تواند نقش يک تکرارکننده را ايفا کند. با اين قابليت، هر چه تعداد ادوات مجهز به پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند Zwave در محدوده‌ی شبکه، مثلا در خانه، بيش‌تر باشد، شبکه توانمندتر خواهد شد.

ديوار و سقف مانعی جدی برای سیگنال‌های Zwave نيستند و بخش‌های مختلف خانه به کمک پروتکل Zwave به طور يک‌پارچه و قوی پوشش داده می‌شوند. در اين رابطه بايد دانست که هر چند Zwave در فضای باز محدوده‌ی ۱۰۰ متر را پوشش می‌دهد، اما بافت مصالح ساختمانی برد و دامنه‌ی پوشش هم‌چه شبکه‌يی را کاهش می‌دهند. به همين خاطر، پیشنهاد می‌شود در فواصل ۱۰ متری يا حتا کم‌تر یک ايستگاه Zwave تعبيه شود تا شبکه به بهره‌وری بهينه برسد. با چنين روی‌کردی سیگنال Zwave می‌تواند تقریبا تا برد ۲۰۰ متری منتقل شود و محدوده‌ی سر راه را به خوبی پوشش دهد. برای گسترش محدوده‌ی خدمات‌رسانی، می‌توان چندين شبکه‌‌ی Zwave را به یک‌دیگر متصل کرد.

يک کاربر با استفاده از برنامه‌ی نصب‌شده روی گوشی هوشمند يا تبلت خود می‌تواند به کنترل‌کننده‌ی Zwave یا همان هاب شبکه متصل شود. پس از انتقال فرمان به هاب، پيام و فرمان در الگوی توری شبکه منتقل می‌شود و ايستگاه مد نظر در محدوده‌ی تحت پوشش مديريت و نظارت می‌شوند.

برای مثال، در نظر بگيريد که می‌خواهید در گاراژ را ببندید. با استفاده از تبلت یا گوشی هوشمند خود گزینه‌ی باز و بسته کردن در گاراژ را انتخاب می‌کنید. این کار را می‌توانید از هر مکان دل‌خواه به شرط داشتن دسترسی به اینترنت انجام دهید. هاب فرمان شما را دریافت می‌کند و آن را از یک وسیله به وسیله‌ی دیگر می‌فرستد تا به کنترل‌کننده در گاراژ برسد. آن‌گاه فرمان اجرا و در گاراژ بسته می‌شود. پس از اجرای فرمان، هاب از طریق ايستگاه‌های واسطه می‌فهمد که در گاراژ بسته شده و نهایتا، شما از طریق تبلت یا گوشی هوشمندتان از بسته شدن در باخبر می‌شويد. تمام مراحل اين فرآيند به صورت بی‌سيم انجام می‌شود و در عين حال، تداخلی با امواج شبکه‌ی وای‌فای ندارد.

مزايای نصب و کاربرد شبکه‌های مبتنی بر Zwave

اين پروتکل و شبکه‌های مبتنی بر آن مزايای بارزی دارد. پياده‌سازی بی‌سيم شبکه به آسانی امکان‌پذير است. هم‌چنين اين عمليات بسيار اقتصادی و مقرون به صرفه است. تعداد تجهيزات اين شبکه را به تدريج و در هر زمان دل‌خواه می‌توان بيش‌تر کرد. با وجود ارتباطات بی‌سيم، اين شبکه باعث نگرانی امنيتی نمی‌شود، زيرا کدينگ قوی پيام‌ها و فرمان‌ها امنيت مطلوبی را فراهم می‌کند. از طرفی، فراگير شدن بازار محصولات و تجهيزات مبتنی بر اين پروتکل ارتباطی اين نگرانی را رفع می‌کند که مبادا خدمات پشتی‌بانی فنی در ميانه‌ی راه کاربری قطع شود. تجربه‌ی حدود دو دهه از راه‌اندازی شبکه‌های Zwave و عرضه‌ی محصولات آن سبب شده تا کيفيت خدمات آن به مطلوبيت و پایداری رسيده باشد.

پروتکل زیگبی

زيگبی هم یکی از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند است که با هزينه‌ی کم و توان پايين پياده‌سازی می‌شود و در ارتباطات ماشين به ماشين (M2M) و شبکه‌های اينترنت اشياء (IoT) کاربرد دارد.

زيگبی استانداردی باز و قابل توسعه است که با نرخ بيت‌های پايين کار می‌کند. به اين ترتيب، از لحاظ نظری، شرکت‌های توليدکننده‌ی مختلف می‌توانند از اين استاندارد برای طراحی و توسعه‌ی محصولات‌شان بهره ببرند، اما اين امر سبب می‌شود تا احتمال بروز مشکل و ناسازگاری در تعامل محصولات مبتنی بر زيگبی که توسط شرکت‌های مختلف توليد شده‌اند، وجود داشته باشد.

خلاف‌آمد وای‌فای (WiFI) که برای ايجاد ارتباط ميان ادوات کاربری متکی به نقطه‌ی دست‌رسی مرکزی و شبکه‌های سريع است، زيگبی با استفاده از شکل شبکه‌يی توری بدون نياز به جعبه تقسيم مرکزی و با نرخ انتقال داده‌ی اندک کار می‌کند.

استانداردسازی زیگبی

طبق استاندارد IEEE 802.15.4 که مخصوص شبکه‌های بی‌سيم WPAN است، فرکانس کار شبکه‌های زيگبی می‌تواند روی مقادير ۲.۴ گيگاهزتز، ۹۰۰ و ۸۶۸ مگاهرتز تنظيم شود.

با توجه به باز بودن استاندارد زيگبی، اين امکان وجود دارد تا شرکت‌های توليدکننده می‌توانند محصولات و برنامه‌هايشان را به طور اختصاصی طراحی کنند و توسعه بخشند، به شرطی که نيازی نباشد با ساير محصولات و برنامه‌هايی که ديگر شرکت‌ها ساخته‌اند در تعامل باشند.

تا کنون به طور گسترده سه روی‌کرد اختصاصی در توسعه‌ی پروتکل هوشمندسازی زيگبی پس از ثبت فراگير شده است: زيگبی پرو، زيگبی RF4CE و زيگبی آی‌پی. زيگبی پرو از ظرفيت پشتی‌بانی شبکه‌های اينترنت اشياء برخوردار است و از لحاظ مصرف انرژی خوداتکا و بدون نياز به باتری يا منبع تغذيه‌ی متناوب کار می‌کند. زيگبی RF4CE برای کاربرد برنامه‌های کنترلی ساده بدون نياز به تمام قابليت‌های شبکه‌بندی توری طراحی شده است. زيگبی آی‌پی برای بهينه‌سازی استاندارد در تعامل با شبکه‌های توری کاملا بی‌سيم مبتنی بر Ipv6 توسعه يافته است.

ساختار شبکه ZigBee و گره‌ها

پروتکل زيگبی در شکل توری شبکه سه نوع گره را تعريف می‌کند: گره‌های سازمان‌دهنده، مسيرياب و ابزار. تمام گره‌ها قادر به ارسال و دريافت داده هستند، اما هر کدام نقش متفاوتی بر عهده دارند.

در هر شبکه يک گره سازمان‌دهنده برای ذخيره‌سازی اطلاعات مربوط به شبکه، شامل کليدهای امنيتی، وجود دارد. گره‌های مسيرياب نقش واسطه را بر عهده دارند که داده‌ها را بين ابزارها دست به دست می‌کنند. ابزارهای نهايی با توان اندک کار می‌کنند و می‌توانند با مسيرياب‌ها و سازمان‌دهنده‌ها در ارتباط باشند، اما نمی‌توانند به طور مستقيم با ساير ابزارها داده مبادله کنند.

زيگبی ظرفيت پياده‌سازی فراگير شبکه‌های بی‌سيم را با هزينه‌ی اندک و با مصرف پايين انرژی فراهم می‌آورد. به کمک آن می‌توان برای چندين سال به کمک باتری‌های ارزان‌قيمت يک وسيله‌ی ميزبان را برای برنامه‌های کنترل و نظارت تغذيه کرد. کاربردهايی نظير شبکه‌های انرژی هوشمند، AMR، کنترل روشنايی، سامانه‌های اتوماسيون خانگی، نظارت بر مخازن و انبارها، سامانه‌ی کنترل تهويه‌ی HVAC، تجهيزات پزشکی و کنترل ناوبری تنها بخشی از فهرست بالابلند کاربردهايی‌ست که برای تکنولوژی زيگبی متصور است.

زيگبی به کار چه کسانی می‌آيد؟

شرکت‌های مخابراتی بسياری در طراحی و ساخت فرستنده‌ها و گيرنده‌های ماهواره‌يی، دروازه‌های شبکه‌يی (به منظور نظارت بر تجهيزات خانگی و مديريت مصرف انرژی) از پروتکل هوشمندسازی زيگبی بهره می‌برند.

از زيگبی در توليد محصولات روشنايی اماکن نيز استفاده می‌شود. با محصولات خانه‌ی هوشمند مبتنی بر پروتکل هوشمندسازی زيگبی، انواع تابلوهای ديودی، لامپ‌ها، کليدها و ادوات کنترل از راه دور را می‌توان مديريت کرد تا مصرف انرژی بهينه شود.

شرکت‌های ابزار دقيق با استفاده از استاندارد زيگبی برای طراحی ادوات سنجش و اندازه‌گيری هوشمند می‌توانند عمليات کنترل، نظارت، اطلاع‌رسانی، خودکارسازی را در فرآيندهای مصرف آب و انرژی به انجام رسانند. بهينه شدن مصرف منابع نيرو سبب می‌شود تا هزينه‌ی مصرف انرژی نيز کاهش يابد.

هم‌چنين با استفاده از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند زيگبی می‌توان فرآيندهای پشتی‌بانی و تدارکاتی را در اماکن فروشگاهی و انباری خودکار کرد و سامان‌دهی عمليات کنترل تهويه‌ی هوا، تنظيم دما و رطوبت را به انجام رساند. علاوه بر اين، زيگبی به کار پشتی‌بانی از کارت‌های خريد هوشمند و استفاده از برچسب‌های پی‌گيری اموال و طبقه‌بندی الکترونيکی نيز می‌آيد.