پروتکل‌های هوشمندسازی

در دنیای متصل و ایمن، محصولات هوشمند باید قادر به تبادل اطلاعات با چندین دستگاه باشند. برای این کار، آنها باید باهم با یک زبان مشابه صحبت کنند، که پروتکل‌های ارتباطی نامیده می‌شوند. پروتکل ها همه در مورد چگونگی ارسال سیگنال ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر برای ایجاد عملی مانند خاموش و روشن کردن چراغ ها هستند. درک تفاوت بین پروتکل ها هنگام انتخاب دستگاه ها برای یک اکوسیستم خودکار ضروری است، زیرا هر پروتکل بسته به نوع کاربرد مزایا و معایب مختلفی دارد. پروتکل های ارتباطی توسط کنسرسیوم ها، سازمان ها یا انجمن هایی تهیه می شوند که اعضای آن درباره جزئیات “زبان ویژه” صحبت و توافق می کنند، آنها را توصیف می‌کنند و حتی ممکن است برای نشان دادن آنها نمونه‌های سخت افزاری بسازند.

هر یک از پروتکل‌ها ویژگی‌های خاصی دارند که در زمان انتخاب پروتکل مورد نظر برای اجرا در یک خانه هوشمند باید در نظر گرفته شوند. پروتکل‌ها می‌توانند «باز» ​​باشند و تقریباً هر كسی اجازه استفاده از پروتكل را داشته باشد، مانند KNX و Z-wave. از سوی دیگر ، آنها می‌توانند به صورت خصوصی توسعه یابند، یعنی فقط یك سازنده خاص مجاز به استفاده از پروتكل باشد، یا پروتكل برای تولیدكنندگان متعددی باز باشد مانند Zigbee كه ابتدا باید مجوز استفاده از آن را بدست آورند. پروتکل‌ها به طور کلی به دو دسته «با سیم» و «بی‌سیم» دسته بندی می‌شوند. پروتکل KNX‌ و UPB نمونه‌های از پروتکل‌های با سیم و wifi، Z-wave و Zigbee‌ نمونه‌هایی از پروتکل بی‌سیم برای خانه هوشمند هستند. در ادامه دو پروتکل Z-wave و Zigbee‌ معرفی شده و با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

Z-Wave:

پروتکل‌های بسیاری برای خانه‌های هوشمند وجود دارد که پروتکل Z-Wave‌ یکی از محبوب‌ترین آن‌هاست که با فرکانس ۴۲/۹۰۸ مگاهرتز کار می‌کند. Z-Wave یک پروتکل ارتباطی بی سیم است که به طور خاص در سال 2001 برای دستگاه های خانه هوشمند ساخته شده است. از آن‌جایی که فرکانس عملکردی آن پایین‌تر از فرکانس باند فوق العاده محبوب 2.4 گیگاهرتز است که معمولاً در انبوهی از محصولات مجهز به بی سیم وجود دارد ، Z-Wave یک راه حل بدون تداخل برای گفتگو بین فناوری خانه های هوشمند ارائه می دهد. از جمله مزایای مهم آن این است که، دستگاه های Z-Wave بدون در نظر گرفتن تولید کننده یا نسخه Z-Wave بدون دردسر با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. این سازگاری به عقب و جلو تضمین می کند که هاب‌ها و گجت حتی با پیشرفت در پروتکل Z-Wave به کار خود ادامه می دهند.

به عنوان مثال، استاندارد Z-Wave Plus به بازار عرضه شد اما همچنان سازگاری با دستگاه های Z-Wave را فراهم می کند. اساساً، Z-Wave Plus صرفاً تکرار استاندارد Z-Wave است؛ اما اظهار می‌کند که امنیت و اطمینان بیشتری نیز وجود دارد. طبق Z-Wave Alliance ، دستگاه های Z-Wave Plus شامل ۶۷ درصد بهبود دامنه ، ۵۰ درصد افزایش عمر باتری و ۲۵ درصد پهنای باند بیشتر هستند. همچنین سه کانال RF نیز اضافه می‌شود که پهنای باند را بهتر کرده و تداخل صدا را کاهش می دهد.

برخلاف Wi-Fi و بلوتوث که هر دستگاه هوشمند نیاز به اتصال به هاب مرکزی دارد ، با Z-Wave ، دستگاه های هوشمند می توانند سیگنال هایی را به یکدیگر ارسال کنند. یک هاب مرکزی به اینترنت متصل است ، اما دستگاه های هوشمند اصلاً از Wi-Fi استفاده نمی کنند. آنها فقط از پروتکل Z-Wave برای ارسال داده ها به یک هاب Z-Wave استفاده می کنند.

Z-Wave از فن آوری شبکه مش یا شبکه بی سیم تک‌کاره استفاده می کند. با یک شبکه مش ، هر دستگاه به عنوان یک گره ظاهر می شود و به عنوان یک تکرار کننده عمل می کند. هر گره ای ممکن است با دیگری در شبکه صحبت کند. از آنجا که شبکه های مش دستگاه های جداگانه ای را به عنوان گره ارائه می دهند ، درصورتی که ابزارهای خاصی از محدوده گره دیگری خارج شوند ، همچنان می توانند از طریق گره دیگری در شبکه ارتباط برقرار کنند. از دیدگاه فنی ، Z-Wave سیگنالی با تأخیر کم و پایدار ارائه می دهد. سرعت انتقال بسته داده آن حداکثر به 100kbps می رسد. هاب Z-Wave به عنوان کنترل کننده دستگاه ها عمل می کند.

با تولید بیش از 1700 دستگاه Zigbee ، بسیاری از تولیدکنندگان Z-Wave را به کار گرفتند. Alarm.com،ADT، Silicon Labs،  Huawei، و  Samsung SmartThingبرخی از معروف‌ترین استفاده کنندگان از Z-Wave هستند. مأموریت Z-Wave «آوردن محصولات و خدمات بی سیم پیشرفته و در عین حال کاربردی به بازار است که بدون در نظر گرفتن برند یا فروشنده، به طور یکپارچه با هم کار می کنند».

Zigbee:

Zigbee نیز یک پروتکل خودکارسازی خانه هوشمند است. Zigbee مانند Z-Wave از فن آوری شبکه مش استفاده می کند. این فناوری، دامنه گسترده ای برای شبکه را تضمین می کند. Zigbee با فرکانس رادیویی 802.15.4 ارتباط برقرار می کند. هاب Zigbee با اکثر پروتکل های بی سیم متناسب با یک کنترل کننده مرکزی برای مدیریت دستگاه و ارتباطات عمل می کند. این یک پروتکل فقط بی سیم است که انرژی کمی را مصرف کرده و کم هزینه هم می ماند.

متأسفانه، در حالی که Z-Wave قابلیت سازگاری در نسخه‌های مختلف دارد، Zigbee چنین قابلیتی ندارد. بنابراین، برخی از دستگاه های Zigbee از تولید کنندگان مختلف و با نسخه های مختلف Zigbee ممکن است سازگاری را حفظ نکنند. با این حال ، تبلیغات Zigbee 3.0 قابلیت همکاری بین ابزارهای مجهز به Zigbee را بهبود بخشید.

پروتکل های اتوماسیون خانه های هوشمند Zigbee را می توان در بیش از 1200 دستگاه یافت. Samsung SmartThings، Texas Instruments، Sylvania، Schlange، GE، First Alert و Ecobee برخی از مهم‌ترین استفاده‌کنندگان از این پروتکل هستند.

تفاوت‌های Zigbee و Z-Wave:

Zigbee و Z-Wave ویژگی های مشابه بسیاری دارند، اما هر یک از این پروتکل ها مجموعه منحصر به فردی از مزایا را برای مشتریان فراهم می کنند. هر سیستم Zigbee یا Z-Wave شامل سه نوع دستگاه است: یک هماهنگ کننده ، یک روتر و به اصطلاح دستگاه های انتهایی. هماهنگ کننده به عنوان ریشه و پل شبکه عمل می کند؛ وظیفه مدیریت و ذخیره اطلاعات هنگام دریافت و انتقال داده ها از دستگاه های هوشمند را بر عهده دارد. روتر یک دستگاه واسطه است که به داده ها اجازه می دهد تا از طریق دستگاه های هماهنگ کننده به دستگاه های پایان خود منتقل شوند. انواع مختلف شبکه ها (ستاره ، درخت ، مش) به تعداد مختلفی از این دستگاه ها نیاز دارند.

Zigbee و Z-Wave به طور مشابه کار می کنند ، به کاربران اجازه می دهد تا از راه دور دستگاه های هوشمند را با استفاده از تلفن های هوشمند یا تبلت خود کنترل کنند.

تصور کنید که در محل کار خود هستید و فراموش کرده اید که چراغ اتاق نشیمن خود را خاموش کنید. می توانید روی دکمه خاموش کردن روشنایی تلفن هوشمند خود ضربه بزنید و این دستور از طریق اینترنت به هاب خانه هوشمند شما منتقل می شود. هنگامی که دستور توسط هاب دریافت می شود ، دستور را از یک دستگاه Zigbee یا Z-Wave به دستگاه دیگر ارسال می کند تا زمانی که به لامپ برسد و چراغ خاموش شود. در جدول زیر مقایسه‌ای بین این دو پروتکل ارائه می‌شود:

مشخصات	Zigbee	Z-Wave
موارد استفاده	خودکارسازی ساختمان، شبکه‌های هوشمند، کنترل خانه هوشمند	خودکارسازی و امنیت منازل
استاندارد IEEE	802.15.4	802.15.4
نوع شبکه	مش	مش
فاصله‌ عملکردی	10-20 متر	100 متر
بیشینه نودهای متصل	65536	232
باند عملکردی	2.4 گیگاهرتز(به ندرت 915 مگاهرتز و 868 مگاهرتز)	865.2–926 مگاهرتز
توان عملیاتی	حداکثر 110 کیلوبیت بر ثانیه	40 کیلوبیت بر ثانیه
امنیت	AES encryptioncipher block chaining messageauthentication code	AES encryption
مصرف انرژی	کم	کم

مزایا و معایب Zigbee و Z-Wave:

همانطور که در جدول فوق قابل ملاحضه است، هر دو پروتکل Zigbee و Z-Wave مصرف کمی دارند و رمزگذاری AES هستند. می توان از طریق Zigbee دستگاه های بیشتری را بهم متصل کرد (از نظر تئوریک ، بیش از 65000 گره می توانند متصل شوند) ، که این امر باعث می شود راه حل خوبی برای سیستم های بزرگ باشد. اما از طرف دیگر ، دستگاه ها نباید خیلی دور از یکدیگر قرار بگیرند. بر خلاف Z-Wave که برد دید آن تا 100 متر است ، برد شبکه Zigbee فقط تا 20 متر است.

از نظر امنیت، Zigbee از رمزگذاری AES-128 استفاده می کند ، که توسط انستیتوی استاندارد ملی و فناوری (NIST) ساخته شده و معمولاً توسط بانک ها استفاده می شود. هر شبکه دستگاه دارای کلید شبکه مخصوص به خود است و پیام های بین دستگاه ها با استفاده از کلیدهای منحصر به فرد احراز هویت می شوند. به عنوان مثال می توان از دستگاه های مجهز به Zigbee برای هشدار به صاحبان خانه در مورد مزاحمان ، دود یا نشت مونوکسید کربن استفاده کرد.

به هر شبکه Z-Wave مانند هر دستگاه درون هر شبکه یک شناسه اختصاصی اختصاص داده شده است. این شناسه ها برای برقراری ارتباط با هاب استفاده می شوند ، بنابراین باعث می شود هاب دیگر هرگز نتواند دستگاه های متصل خانه شما را کنترل کند. دستگاه هایی مانند قفل درب و هشدار دهنده به بسیاری از ویژگی های امنیتی نیاز دارند ، بنابراین Z-Wave از رمزگذاری AES-128 نیز استفاده می کند (دقیقاً همان کاری که Zigbee انجام می دهد).

اتحاد Zigbee در حال حاضر شامل حدود 450 سازمان عضو است که از استاندارد باز Zigbee برای ارتباطات بی سیم استفاده ، توسعه و بهبود می بخشند. اتحاد Z-Wave متشکل از 700 شرکت است که بیش از 3000 محصول Z-Wave تولید می کنند. Zigbee و Z-Wave به مشتریان این امکان را می دهند تا به راحتی سیستم های اتوماسیون خانگی تولید شده توسط شرکت های مختلف را با یکدیگر مخلوط و مطابقت دهند.

مشکل قابلیت همکاری Zigbee در روند صدور گواهینامه دشوار است. Zigbee دارای دو سطح گواهی است: سطح اول برای سخت افزار و سطح دوم برای نرم افزار. گاهی اوقات ، سخت افزار می تواند از طریق گواهینامه عبور کند در حالی که نرم افزار این کار را نمی کند. در این حالت ، ممکن است کاربران محصولی را دریافت کنند که سیگنال Zigbee را پخش می کند اما از نرم افزار مجاز استفاده نمی کند و بنابراین به درستی کار نمی کند. این امر باعث می شود تولیدکنندگان دستگاه های هوشمند بیشتر Z-Wave را انتخاب کنند.

همان‌طور که ذکر شد، دستگاههایی که با فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می کنند از قابلیت اطمینان کمتری برخوردار هستند. این فرکانس، یک فرکانس پرکاربرد و به عبارتی شلوغ است، بنابراین دستگاه ها می توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. کار با فرکانس 2.4 گیگاهرتز به اکثر دستگاه های Zigbee کمک می کند تا داده های بیشتری را انتقال دهند اما احتمال تداخل را افزایش می دهد. Z-Wave قابل اطمینان بیشتری نسبت به Zigbee دارد ، چرا که در طیف فرکانسی دیگری کار می کند. اما از طرف دیگر سرعت انتقال Z-Wave کندتر است. سرعت Z-Wave برای ارسال دستورات به دستگاه ها کافی است، اما ممکن است Z-Wave سرعت انتقال برای پخش ویدئو و صدا کافی نباشد.