بخشی از مقاله
معرفی استاندارد هوشمندسازی ساختمان ZigBee
چکیده
در دنیای هوشمندسازی ساختمان استانداردهای گوناگونی وجود دارند که استاندارد بیسیم ZigBee نیز از جمله آنها است. ZigBee با کنترل زیرسیستمها و سنسورهای مختلف موجود در ساختمان، زمینه را برای هوشمندسازی ساختمانها مهیا میسازد. سنسورها، حسگرها، نقاط دسترسی و ... با طیف فرکانسی مختلف به صورت بیسیم به شبکه و بستر ZigBee متصل میشوند و به سهولت قابل مدیریت و برنامهریزی میباشند. در این مقاله سعی ما بر این است تا به معرفی این استاندارد هوشمندسازی ساختمان بپردازیم و عملکرد و نحوه پیادهسازی آن را بهصورت آزمایشی مورد بررسی قرار دهیم.
کلمات کلیدی
استاندارد Zig Bee، هوشمندسازی ساختمان، شبکه بیسیم
-1 مقدمه
استانداردهای بسیاری وجود دارند که نرخ داده های متوسط و بالا را برای صدا، تصویر یا شبکه های محلی و غیره آدرس دهی میکنند. اما تاکنون یک استاندارد برای شبکه های بی سیمی که نیازهای به خصوص و منحصربه فرد دستگاه های کنترلی و سنسورها را برآورده کند، وجود نداشته است. سنسورها و دستگاه های کنترلی پهنای باند زیادی نیاز ندارند ولی نیازمند زمان تاخیرکم و مصرف خیلی کم انرژی به منظور طول عمر بالای باطری هستند. Zig Bee یک استاندارد منبع باز و بین المللی است. امروزه سیستمهای بیسیم اختصاصی فراوانی تولید میشوند که نیاز به نرخ ارسال داده بالا ندارند ولی نیاز به هزینه کم دارند. این سیستم های بیسیم، اختصاصی طراحی شدند و چون استاندارد خاصی برای پوشش دادن به نیازهای آن ها وجود ندارد، مشکلات فراوان و تداخل قابل توجهی بایکدیگر و با تکنولوژیهای جدید دیگر ایجاد می کنند.
Zig Bee از فرستندهها و گیرندههای دیجیتال کوچک و کم مصرف مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 برای شبکههای بیسیم با نرخ ارسال داده پایین استفاده میکند. Zig Bee به منظور تعریف یک تکنولوژی ساده تر و ارزانتر از بلوتوث برای شبکههای شخصی بیسیم بوجود آمده است که به کمک آن میتوان بیش از 64000 وسیله را بطور بیسیم از طریق شبکه به هم وصل نمود. در این شبکهها سه نوع ابزار میتوان یافت: هماهنگ کنندهها، مسیریابها و دستگاههای پایانهای. هماهنگ کنندهها بر آرایش و امنیت شبکه نظارت میکنند، مسیریابها برد شبکه را گسترش میدهند و دستگاههای پایانهای، عملکردهای حسی یا کنترلی خاص را بر عهده دارند. با این حال اغلب این ابزارها میتوانند بیش از یک کارایی داشته باشند. مثلا یک دستگاه میتواند در عین حال که تجهیزات روشنایی را کنترل میکند برای پیامهایی که از سایر قسمتهای شبکه میآید بهعنوان مسیر یاب عمل کند. خوب است بدانیم نام Zig Bee از زنبور عسل خانگی برگرفته شده است، که به منظور انتقال اطلاعات مهم به دیگر زنبورهای کندو از حرکت زیگ زاگی بهره میبرند. این حرکت ارتباطی، اصل زیگ بی است. چیزی که مهندسین سعی دارند با این پروتکل شبیهسازی نمایند. (مجموعه اورگانیسمهای پیچیده و ساده که به منظور انجام وظایف گوناگون به یکدیگر متصل میشوند). [ ZigBee Alliance, 2009, 3]
شکل (1) کاربرد استاندارد Zig Bee
-2 انجمن Zig Bee
انجمن Zig Bee ، مجموعهای از شرکتهایی است که به منظور تعریف یک استاندارد جهانی برای ایجاد یک شبکه بیسیم کم مصرف با یکدیگر همکاری می کنند. هدف انجمن زیگبی تدوین مشخصاتی است که تعریف کند چگونه می توان توپولوژیهای گوناگونی با ویژگیهای خاص و نرم افزارهای سازگار ساخت. این انجمن شامل طیف وسیعی از کمپانیهای متفاوت است. از سازنده های ریزتراشه تا شرکتهای عظیم. تعداد کمپانی های این انجمن به سرعت در حال گسترش می باشد و هم اکنون در میان اعضا، شرکتهایی مانند فیلپس، سامسونگ، ال جی و موتورولا به چشم می خورد. درحقیقت واژه Zig Beeثبت علامت تجاری این گروه بوده و یک استاندارد فنی نیست. این انجمن تکنولوژی جدیدی را تدوین نمیکند، بلکه مجموعهای از راهکارهای استاندارد شده را برای سنسورها و دستگاههای کنترلی ارائه می دهد. مشخصات ابتدایی Zig Bee در سال 2004 تصویب شد و نسل اول محصولات آن در سال 2005 وارد بازار شد. چالش بزرگ انجمن ایجاد سازگاری به منظور بهرهگیری از محصولات گوناگون است. به منظور حل این مشکل انجمن Zig Bee بسته به اینکه محصولات به کدام دسته بندی تعلق دارند، پروفایلهای گوناگونی را تهیه کرده است. به طور مثال پروفایلی با نام روشنایی خانه وجود دارد که به طور دقیق مشخص میکند که چگونه برندهای گوناگون محصولات روشنایی منازل باید با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و به هم وصل شوند.
-3 فناوری Zig Bee
استانداردهای شبکههای بیسیم در همه جا وجود دارند. همه ما در مورد تکنولوژیهای Wi-Fi و بلوتوث شنیده ایم. حال این سوال پیش می آید که دلیل استفاده از Zig Bee چیست؟ استاندارد Zig Bee در محدوده ای از استانداردهای شبکههای بیسیم فعالیت میکند که قبلا توسط استاندارد دیگری پوشش داده نشده است.
شکل (2) محدوده فعالیت زیگ بی
Zig Bee در رده سنسورهای شبکه های بی سیم یا بطور اختصار کنترل بی سیم کار می کند. در حالیکه دیگر استانداردهای بیسیم سعی بر افزایش سرعت خود و اضافه کردن امکانات جانبی گوناگون دارند، Zig Bee تلاش در رسیدن به نرخ داده کمتر و پشته کوچکتر به منظور بهرهگیری از میکروکنترلر 8 بیتی دارد. سایر استانداردهای شبکههای بی سیم به دنبال پخش بالاترین کیفیت صوت و تصویر هستند، در حالی که Zig Bee به دنبال کنترل یک لامپ و یا فرستادن اطلاعات دما به یک ترموستات است. سایر تکنولوژیهای شبکههای بیسیم به منظور کارکردن به مدت چند ساعت و یا حتی چند روز با استفاده از باطری هستند، در حالیکه Zig Bee برای چند سال کارکردن بدون تعویض باطری طراحی شده است. محصولات دیگر تکنولوژیها دارای 12 تا 14 ماه عمر مفید هستند، در حالیکه محصولات Zig Bee به طور معمول یک دهه عمر مفید دارند. در حقیقت شعار Zig Bee ایجاد کنترل بیسیمی است که به آسانی کار میکند. ZigBee Alliance, 2009, ][9
-4 کابرد Zig Bee
Zig Bee فناوری جدیدی برای ایجاد شبکههای ارتباطی بیسیم در داخل خانه هاست، که مسئولیت تنظیم و بررسی (کنترل) خانه را به عهده دارد . اگر صاحب خانه در خانه حضور نداشته باشد، این دستگاه با ارسال پیام به پست الکترونیکی یا تلفن همراه، وی را از بروز هر گونه دزدی با خبر می کند. سامانه آتش سوزی را بیدرنگ به ساکنان خانه اطلاع می دهد و تا رسیدن ماموران و صاحبخانه دستگاههای آتش نشانی را در داخل خانه روشن می کند. اعضای خانواده در چند قدمی خانه می
توانند با فشار دادن کلید روی صفحه نمایش قفل در را باز کنند یا ببندند و چراغها، دستگاه تهویه مطبوع، رادیو، تلویزیون دیگر وسایل مورد نیاز را به کار اندازند. پروتکلZig Bee برای اهداف گسترده ای طراحی شده است که به نرخ ارسال داده توان مصرفی کم نیاز دارد. تمرکز Zig Bee بر تعریف شبکه مش، خود سازمان دهنده کم هزینه و همه منظوره است که در کنترل صنعتی، جمع آوری اطلاعات پزشکی، اتوماسیون خانگی، ساختمانی و هشداردهنده های دود مورد استفاده قرار می-گیرد. شبکههای حاصله توان کمی مصرف خواهند کرد. به طوری که وسایل به صورت مجزا می توانند برای چندین سال با باتری نصب شده اصلی به کار خود ادامه دهند. در صنعت از Zig Bee در نسل آینده کارخانه های اتوماتیک استفاده خواهد شد. با نصب فرستنده ها روی هر کدام از وسایل، آنها به کامپیوتر مرکزی متصل میشوند. اینگونه سطح جدید از ارتباط اجازه مانیتورینگ دقیق از راه دورو کنترل آنها را می دهد. [ ZigBee Alliance, 2009,15]
شکل (3) کاربرد زیگ بی در صنعت
در بازار مصرفی نیز Zig Bee کاربردهای فراوانی دارد. از جمله ارتباط وسایل خانگی کم توان مثل هشدار دهندههای دود به بخش کنترل مرکزی خانه یا کنترل مرکزی روشنایی، از دیگر مصارف خانگی می توان به موارد زیر اشاره کرد.کنترل دمای پیشرفته، مصارف امنیتی، وسایل خانگی هوشمند و غیره علاوه بر این Zig Bee می تواند در وسایل جانبی کامپیوتر مثل موس، صفحه کلید، جویاستیک و در وسایل الکترونیکی مصرفی همانند تلوزیون و وسایل پخش صوت وتصویر به کار گرفته شود. مدیریت انرژی، مدیریت محیط و مدیریت اموال از دیگر کاربردهای این تکنولوژی در محیط های صنعتی می باشد.
شکل (4) زیگ بی در منزل
-5 ویژگیهای Zig Bee
این استاندارد ویژگیهای زیر را دارا میباشد:
· مصرف برق کم و طول عمر زیاد باتری
· سادگی در اجرا و پیادهسازی
· قیمت ارزان (تجهیزات ، نصب ، نگهداری)
· بدون محدودیت در تعداد و انواع Nod ها در شبکه
· ساختار پروتکل بسیار ساده است. (حجم کد ها در 1/4 Zig Bee بلوتوث و یا 802,11 است.)
· نرخ داده خام )Max 250 Kb/s) که برای سنسورها و آلارمها استفاده شود.
· برد 10 تا 100 متر با توجه به قدرت فرستنده و ویژگیهای محیط
اکنون برخی از ویژگیهای مهم Zig Bee را بررسی می کنیم:
-1-5 نرخ پایین انتقال داده
سوال مهم این که چرا یک استاندارد شبکه می خواهد به نرخ پایین انتقال داده دسترسی یابد؟
زیرا Zig Bee تماما مورد نظارت و کنترل بیسیم می باشد. به طور مثال یک کلید چراغ برق، هرچند وقت نیاز به برقراری ارتباط دارد؟ 10 مرتبه در طول روز؟ در یک روزخاص و یا به هیچ عنوان؟ تجهیزات Zig Bee باید مدام در دسترس باشند. از Zig Bee انتظار پخش صدا و تصویر نباید داشته باشید. البته شرکتهایی هم هستند که از Zig Bee بدین منظوراستفاده کردهاند ولی پهنای باند بسیاری را اشغال می کند. Zig Bee یک پروتکل استاندارد شبکه است که بازار کنترل بی سیم را هدف قرار داده است. این پروتکل متناسب با میکرو کنترلهای 8 بیتی است.
-2-5 قابلیت اطمینان بالا
در شبکه های Zig Bee با توپولوژی مش، دادهی گره اول بدون در نظر گرفتن مسافت، مادامی که در پوشش سایر گرهها باشد، به تبادل اطلاعات میپردازند. [ Khanh Tuan Le, 2007,5]
شکل (5) نحوه انتقال داده بین نود ها
زمانی که گره 1 با گره 3 میخواهد ارتباط برقرارکند ولی گره 3 در محدوده گره 1 نیست. در این موقع Zig Bee به صورت خودکار بهترین مسیر را تشخیص می دهد. پس گره شماره 1، داده را به گره شماره 2 می فرستد. که این گره به گره 3 ارسال خواهد کرد.
حال تصور کنید که برای این مسیر اتفاقی افتاده و مسدود شده است. مثلا گره 2 خراب شده و یا مانعی بر سر راه ارسال به گره 2 وجود دارد. مانع یک دیوار بتنی است. این باعث از کار افتادن کامل نمی شود بلکه Zig Bee به طور خودکار مسدود شدن و قطعی مسیر را تشخیص داده و آن مسیر را دور خواهد زد.
شکل (6) نحوه انتفال داده بین نود ها در صورت بروز مشکل در میان مسیر
در توپولوژی مش، Zig Bee قادر به ارسال داده به صورت Broadcast و Multicast نیز خواهد بود . در این میان Zig Bee قادر خواهد بود، بستههای داده تکراری که نیاز به دریافت دوباره نیست را از بین برده و دریافت نکند. Zig Bee با اعمال توپولوژی مش باعث افزایش قابلیت اطمینان می شود.
-3-5 مصرف انرژی بسار کم
توضیح ساده این است که یک وسیله در شبکه Zig Bee می تواند با یک باطری AA برای چندین سال کار کند. البته این بدان معنی نیست که Zig Bee اصلا مصرف انرژی ندارد، بلکه بدین معنی است که با مدیریت صحیح می تواند خیلی بیشتر نیز بشود. رمز اصلی مصرف کم Zig Bee در چرخه وظیفه کوتاه آن است. یک نود در شبکه Zig Bee برای باقی ماندن در شبکه نیاز ندارد که به طور ثابت به آن متصل باشد. مثلا یک سنسور دما هر یک ساعت یک مرتبه گزارش میدهد مگر تغیر ناگهانی دما رخ دهد با یک کلید روشنای شاید 6 تا 10 مرتبه و یا حتی کم تر در روز تغییر وضعیت می دهد. دستگاههای Zig Bee میتوانند تا 5 سال با یک باطری کار کنند. [ Khanh Tuan Le, 2007, 6]
-4-5 امنیت بسیار بالا
Zig Bee برای امن کردن شبکه از استاندارد رمزنگاری AES که مورد تایید انستیتو بین المللی استاندارد میباشد استفاده میکند. AES یک بلوک رمز میباشد که پکتهای داده را به روشی رمز نگاری میکند که کرک کردن آن بسیار دشوار خواهد بود. این استاندارد یکی از بهترین و شناخته شده ترین استانداردهای رمزنگاری می باشد. دلیل انتخاب شدن این استاندارد و روش رمزنگاری توسط Zig Bee بنا به دو دلیل می باشد. نخست اینکه استانداردی بین المللی و مورد تایید می باشد، و همینطور قابل پیاده سازی بر روی پردازنده های 8 بیتی می باشد. Zig Bee شیوههای رمز نگاری و احراز هویت را اعمال می نماید. بدین معنی که بسته های داده برای نود هایی که میتوانند به آنها گوش دهند ولی کلید یا رمز را ندارند، غیر قابل فهم می باشد و همچنین نود های مخرب قادر به تزریق بسته های داده خراب به شبکه نخواهند بود و سایر نود ها این بسته های مخرب را ازبین خواهند برد. Zig Bee از استاندارد AES به منظور اعمال رمزنگاری و همچنین اهراز هویت استفاده می کند.
-5-5 مشخصات فنی Zig Bee
-6 نمونه پیاده سازی شده
