ویژگی‌‌‌های پروتکل ارتباطی و گیت‌‌‌وی ZigBee و بازیگران اصلی در بازار جهانی

امروزه اینترنت اشیا به عنوان شاخه‌‌‌ای از تکنولوژی که با سرعت بسیار زیاد در حال رشد و گسترش است شناخته شده است. نیازهای متنوع جامعه بشری در کنار رشد تکنولوژی‌‌‌های مختلف منجر به همه‌‌‌گیری اینترنت اشیا در زمینه‌‌‌های مختلف زندگی امروز بشر شده است. یکی از مهم‌‌‌ترین عوامل در کاهش چالش‌‌‌های پیش رو در آغاز پیدایش اینترنت اشیا، ایجاد و رشد پروتکل‌‌‌های ارتباطی متناسب با نیازهای اینترنت اشیا بوده ‌‌‌است. در کنار توسعه روزافزون پروتکل‌‌‌های ارتباطی، رشد تکنولوژی ساخت ادوات و تولید دستگاه‌‌‌های ارتباطی به منظور کاهش هزینه و مصرف توان، یکی دیگر از عوامل محبوبیت و گسترش انفجاری اینترنت اشیا در جهان امروز بوده ‌‌‌است. گیت‌‌‌وی‌‌‌ها ادوات ارتباطی هستند که علاوه بر ایجاد شبکه ارتباط داخلی بین ادوات، به ادغام و ارسال داده‌‌‌های این دستگاه‌‌‌ها به بستر اینترنت می‌‌‌پردازند. در این گزارش یکی از محبوب‌‌‌ترین پروتکل‌‌‌های ارتباطی برد کوتاه و متوسط (ZigBee)، خصوصیات این پروتکل و جایگاه گیت‌‌‌وی‌‌‌ ZigBee در اینترنت اشیا معرفی شده‌‌‌است.

کلیدواژه‌‌‌ها: پروتکل ارتباطی ZigBee، گیت‌‌‌وی ZigBee، اینترنت اشیا، Machine to Machine Protocols

معماری IoT را معمولا می‌‌‌توان به چهار بخش (حوزه سنجش، حوزه شبکه، حوزه برنامه و حوزه مدیریت داده‌‌‌ها) تقسیم کرد. حوزه سنجش که به حوزه سخت افزار اینترنت اشیا نیز معروف است، نقش مهمی در اینترنت اشیا به عهده دارد چراکه بسیاری از محدودیت‌‌‌های شناخته شده در اینترنت اشیا به این حوزه مرتبط است. این حوزه «اشیا» را قادر می‌سازد تا با یکدیگر و با زیر ساخت‌های ارتباطی موجود یا در حال تکامل ارتباط برقرار کنند. ارتباطات در حوزه سنجش با پروتکل‌‌‌های ارتباطی متنوع مانند WiFi ،BLE ،ZigBee ،LoRa و … برقرار می‌‌‌شوند. هر کدام از این پروتکل‌‌‌های ارتباطی به منظور رفع مجموعه‌‌‌ای از نیازهای حیاتی یک اکوسیستمloT  ایجاد و تکامل یافته‌‌‌اند. اطلاعات جمع‌آوری ‌شده در حوزه سنجش در اینترنت اشیا ممکن است در محل جمع‌‌‌آوری داده‌‌‌ها (حسگرها) پردازش شوند. حوزه شبکه نیز مبتنی بر زیر ساخت‌های ارتباطی موجود یا در حال تکامل مانند ADSL ،2G ،3G ،LTE ،5G و … به انتقال داده‌‌‌های گردآوری شده در حوزه سنجش، به بستر اینترنت می‌‌‌پردازد. حوزه برنامه، مسئولیت پردازش داده‌‌‌ها و ارائه خدمات را بر عهده دارد. داده‌‌‌های انتقالی توسط سیستم‌‌‌های مربوطه در حوزه مدیریت داده کنترل می‌‌‌شود و سپس خدمات مختلفی به انواع کاربران ارائه می‌‌‌شود. به منظور انتقال اطلاعات از حوزه سنجش به بستر اینترنت (حوزه شبکه) از گیت‌‌‌وی‌‌‌ها استفاده می‌‌‌شود چراکه معمولا زیرساخت‌‌‌های ارتباطی برای انتقال داده‌‌‌ها به صورت مستقیم به بستر اینترنت، با توجه به نیازهای اساسی اینترنت اشیا مانند مصرف توان کم مناسب نیستند. در این مقاله به معرفی گیت‌‌‌وی‌‌‌ها و پروتکل ارتباطی ZigBee و بازیگران اصلی در گسترش ادوات این پروتکل پرداخته شده است.

معرفی گیت‌‌‌وی‌‌‌ها

اتصال مستقیم یک دستگاه ساده در اکوسیستم اینترنت اشیا مانند حسگرها به بستر اینترنت می‌‌‌تواند پیچیده و پرهزینه باشد، به خصوص اگر دستگاه، پردازنده اختصاصی نداشته باشد. علاوه بر این، انواع مختلف گره‌‌‌های انتهاییدر اینترنت اشیا عموما از پروتکل‌‌‌های مختلف ارتباطی پشتیبانی می‌‌‌کنند. جمع‌‌‌‌آوری و تجمیع داده‌ها از مجموعه‌ای متفاوت از ادوات و همچنین ایجاد یک شبکه داخلی بین این ادوات وظیفه اصلی گیت‌‌‌وی‌‌‌ها به شمار می‌‌‌رود. ادوات در گره‌‌‌های انتهایی اکوسیستم اینترنت اشیا می‌‌‌توانند ساخت شرکت‌‌‌های مختلف و با طیف وسیعی از قابلیت‌های پردازش باشند که به راحتی به وسیله گیت‌‌‌وی‌‌‌ها به یکدیگر و همچنین به بستر اینترنت متصل می‌‌‌گردند. گیت‌‌‌وی‌‌‌‌ها ابزاری زیبا برای ساده ‌سازی شبکه «اشیا» ارائه می‌دهند. گیت‌‌‌وی‌‌‌ها می‌‌‌توانند به طور مؤثری پیچیدگی ارتباط بین دستگاه‌های متنوع با پروتکل‌‌‌های ارتباطی متفاوت را با ادغام داده‌ها و ایجاد پل ارتباطی با اینترنت کاهش ‌دهند. نتیجه این است که ادوات متفاوت نیازی به تحمل پیچیدگی یا هزینه یک رابط اینترنت پر سرعت برای اتصال ندارند. باید توجه داشته باشیم که در بسیاری از کاربردها، نیازی به استفاده از گیت‌‌‌وی‌‌‌ها با پشتیبانی از چند پروتکل ارتباطی وجود نداشته و تنها موجب افزایش هزینه می‌‌‌شود.

گیت‌‌‌وی‌‌‌ها در اکوسیستم اینترنت اشیا یک جزء هوشمند مبتنی بر پلتفرم اینترنت اشیا هستند. این دستگاه‌‌‌ها معمولاً از طریق اینترنت تنظیم شده تا پارامترهای شبکه ادوات و ارتباطات آن‌‌‌ها (M2M) با ویژگی‌‌‌های دلخواه را تعیین کنند. هدف اصلی گیت‌‌‌وی، از بین بردن ناهمگونی بین شبکه‌های گره‌‌‌های انتهایی مختلف و اینترنت، تقویت مدیریت شبکه‌های گره‌‌‌های انتهایی و ایجاد پل بین بستر اینترنت با شبکه‌های گره‌‌‌های انتهایی است. از آنجایی که گیت‌‌‌وی‌‌‌های IoT امروزه توسط ابرها و خدمات درون ابر برنامه ریزی و تنظیم می‌‌‌شوند، شرکت‌‌‌های طراح و سازنده این ادوات بر ارائه خدمات انعطاف پذیر در ابر برای راحتی کاربران به منظور تجزیه و تحلیل داده های بزرگ و داده های هوشمند تأکید دارند. جایگاه گیت‌‌‌وی‌‌‌ها در اکوسیستم اینترنت اشیا در شکل 1 نمایش داده شده است. در این شکل توپولوژی ستاره برای ارتباط دستگاه‌‌‌ها با گیت‌‌‌وی نشان داده شده است.

شکل 1: جایگاه گیت‌وی در اکوسیستم اینترنت اشیا

پروتکل ارتباطی ZigBee

پروتکل ZigBee یکی از پرطرفدارترین پروتکل‌‌‌های اینترنت اشیا، نه تنها در پیاده سازی سناریوهای برد کوتاه بلکه در اجرای برخی از سناریوهای برد بلند نیز است. امروزه گیت‌‌‌وی‌‌‌ و ادوات ZigBee یکی از زیرساخت‌‌‌های مهم در بخش توسعه سخت افزاری اینترنت اشیا به حساب می‌‌‌آیند. این پروتکل ارتباطی با توجه به خصوصیات و ویژگی‌‌‌های خود، بسیاری از نیازهای مهم اتصالات در اینترنت اشیا را پشتیبانی کرده و از محبوبیت فراوانی در اجرای سناریوهای مختلف اینترنت اشیا برخوردار است. این بدین معنا است که با ادوات و گیت‌‌‌وی‌‌‌های ZigBee بسیاری از سناریوهای اینترنت اشیا شامل کنترل خانه‌‌‌های هوشمند، کشاورزی هوشمند، سلامت هوشمند، کنترل ترافیک هوشمند و … مستقل از مکان یا کاربرد تحت پوشش قرار می‌‌‌گیرند.

پروتکل ZigBee برای انتقال اطلاعات از فناوری طیف گسترش توالی مستقیم  استفاده می‌‌‌کند. باید در نظر داشته باشیم که همه ارتباطات رادیویی نوعی تداخل را تجربه می‌‌‌کنند. یکی از رایج ترین تداخل‌‌‌ها در پهنای باند مورد استفاده در پروتکل ZigBee، سیگنال‌‌‌های WiFi است. وجود سیگنال‌‌‌های WiFi در بسیاری از مناطق که ادوات ZigBee نصب شده‌‌‌اند رایج است. حتی اگر ترافیک WiFi سنگین باشد نیز با استفاده از CSMA-CA و تلاش مجدد در ارسال داده‌‌‌ها، ZigBee می‌‌‌تواند به ارتباط خود، ادامه دهد. دوره‌‌‌هایی از سکوت در شبکه WiFi (زمان‌‌‌هایی با عدم انتقال اطلاعات) دیده می‌‌‌شود. این موضوع حتی وقتی ادوات با پروتکل WiFi به طور مداوم با هم ارتباط برقرار می‌‌‌کند نیز وجود دارد. ZigBee از این دوره‌‌‌های خاموش برای برقراری ارتباط یا تلاش مجدد برای انتقال بسته‌‌‌ها بهره می‌‌‌برد.

یکی دیگر از موارد جالب در مورد WiFi و ZigBee این است که WiFi  معمولاً از کانال های 1، 6 یا 11 استفاده می‌‌‌کند. این بدان معناست که با توجه به وجود سیگنال‌‌‌های WiFi، بسیاری از کانال‌‌‌های موجود برای اجرای ZigBee مناسب خواهند بود. همان‌طور که در شکل 2 دیده می‌شود، کانال‌های 15، 20، 25 و 26 برای پروتکل ZigBee (802.15.4)  معمولا بدون هیچگونه تداخل یا با تداخل بسیار پایین با پروتکل ارتباطی WiFi موجود هستند.

شکل 2: کانال‌های مورد استفاده در پروتکل‌های ZigBee و WiFi

ویژگی‌‌‌های فنی پروتکل ZigBee 

ویژگی‌‌‌های منحصر‌به‌فرد پروتکل و گیت‌‌‌وی‌‌‌های ZigBee موجب شده‌‌‌اند تا این پروتکل از محبوبیت بالایی برخوردار بوده و شاهد گسترش ادوات و سناریوهای پیاده‌سازی شده توسط آنها در سراسر دنیا باشیم. این ویژگی‌‌‌ها در پروتکل ZigBee موجب شده‌‌‌اند تا اولا قابلیت اجرای سناریوهای بسیاری که نیاز به بردهای بلندتر از بردهای پروتکل‌‌‌های دیگر مانند WiFi که به عنوان برد کوتاه شناخته می‌‌‌شوند را دارا باشد. ثانیا، علاوه بر اجرای این سناریوها با بردهای متوسط، اجرای سناریوهایی که تاخیر کم در آنها از اهمیت بالایی برخوردار است را با مصرف پایین انرژی امکان‌پذیر می‌‌‌کند.

شبکه‌‌‌های ZigBee که با استاندارد 802.15.4 شناخته می‌‌‌شوند با فرکانس GHz 2.4 با سرعت 250 کیلو بیت بر ثانیه به انتقال داده می‌‌‌پردازد. پروتکل ارتباطی ZigBee برای افزایش قابلیت اطمینان در انتقال داده‌‌‌ها و گسترش دامنه شبکه، از پهنای باند استفاده می‌‌‌کند. بدین ترتیب که 802.15.4 MAC، حداکثر سه بار برای ارسال مجدد بسته‌‌‌های داده تلاش می‌‌‌کند تا پیام را به دستگاه بعدی انتقال دهد. ZigBee از یک انتقال یگانه برای ارسال داده در طول مسیر استفاده می‌‌‌کند، اما هر دستگاه (سنسور یا گیت‌‌‌وی) در مجاورت هر ارساکننده اطلاعات، می‌‌‌تواند این پیام را بشنود. همه این دستگاه‌‌‌های شنونده به جز دستگاه مورد نظر پیام را حذف می‌‌‌کنند، بنابراین در یک مجاورت خاص در هر لحظه تنها یک دستگاه مجاز به صحبت است.

ویژگی‌‌‌های مهم و محبوب پروتکل ZigBee عبارت است از:

•   برد انتقال اطلاعات به طور متوسط بین 75 تا 100 متر در فضای بسته و تا حدود 300 متر در فضای باز
•   از توپولوژی‌‌‌های متعدد شبکه (مانند شبکه های درخت و مش) پشتیبانی می‌‌‌کند
•  پوشش برد متوسط در این پروتکل (حدود 750 متر در فضای بسته و نهایتا 3 کیلومتر در فضای باز)
•   به‌کارگیری حالت کاری خواب در زمان‌‌‌هایی که لزومی به انتقال اطلاعات نیست
•  عمر باتری طولانی با توجه به حالت کاری خواب و بیدار
•   مصرف توان پایین (حدود 3/6 میلی وات به ازای انتقال داده در حالت استاندارد و 65 میلی وات به ازای انتقال داده در حالت Pro )
•  زمان تاخیر کم
•   پشتیبانی سنسورها و ادوات در شبکه تا حدود 65000 گره در هر شبکه
•  رمزگذاری 128 بیتی AES برای اتصالات داده ایمن

گیت‌‌‌وی‌‌‌های ZigBee امروزه یکی از پرطرفدارترین و پرکاربردترین انواع گیت‌‌‌وی‌‌‌ها در حوزه‌‌‌های مختلف به حساب می‌‌‌آیند. گیت‌‌‌وی‌‌‌های ZigBee برای جمع آوری داده‌‌‌ها از سنسورها، با توان مصرفی پایین با توجه به سناریو مدنظر در بستر اینترنت اشیا در کاربردهای بسیار وسیع طراحی و ساخته می‌‌‌شوند. این سناریوها با توجه به کاربرد به دو دسته کلی زیر دسته‌بندی می‌‌‌شوند:

• کاربردهای فضای بسته مانند ساختمان‌‌‌ها و کارخانه‌‌‌ها
•  کاربردهای فضای باز
• یک گیت‌‌‌وی ZigBee وظایف زیر را دارد:
•  یک شبکه مش، درخت و یا ستاره را بر اساس کاربرد تشکیل می‌‌‌دهد.
•  کانال ارتباطی 802.15.4 را فراهم می‌‌‌کند که شبکه در آن کار خواهد کرد.
•  شناسه PAN گسترده و کوتاه را برای شبکه ایجاد می‌‌‌کند.
•  مشخصات ادوات متصل در شبکه را ثبت و در صورت لازم تصمیمات لازم برای انتقال داده از یا به آن دستگاه را اتخاذ می‌‌‌کند.
•  به عنوان مرکز اعتماد برای برنامه‌‌‌ها و شبکه‌‌‌های امن عمل می‌‌‌کند.
•  به عنوان روتر برای مسیریابی مش عمل می‌‌‌کند.
•  اگر مسیریابی درخت را فعال کنید، به عنوان راس درخت عمل می‌‌‌کند.

شکل3، توپولوژی‌‌‌های مختلف ستاره، درخت و مش را در شبکه‌‌‌های ZigBee ایجاد شده توسط گیت‌‌‌وی ZigBee نشان می‌‌‌دهد.

شکل 3: انواع توپولوژی‌های ارتباطی در یک شبکه ZigBee و اتصال به لایه‌های بالاتر به‌وسیله گیت‌وی

بازار جهانی گیت‌‌‌وی و ماژول‌‌‌های پرکاربرد ZigBee

 شرکت‌‌‌های مختلف خارجی مانند Digi International ،Tuya ،Dusuniot و … نمونه‌‌‌های بسیار متنوع و تجاری این محصول را ارائه کرده‌‌‌اند. گیت‌‌‌وی‌‌‌های ZigBee ساخت این شرکت‌‌‌ها، با توجه به ویژگی‌‌‌هایی که در اختیار کاربر قرار می‌‌‌دهند (مانند پروتکل‌‌‌هایی که برای ارسال داده در بستر اینترنت می‌‌‌توانند داشته باشند یا انواع صنعتی و خانگی آن‌‌‌ها)، قیمت‌‌‌هایی در حدود چند ده دلار تا چند صد دلار دارند. در ادامه مقایسه بین گیت‌‌‌وی‌‌‌های مختلف از شرکت‌‌‌های نام برده شده را همراه با قیمت و ویژگی‌‌‌های تعیین کننده قیمت در جدول زیر مشاهده می‌‌‌کنیم.

ماژول‌‌‌های رادیویی ZigBee که برای برقراری ارتباط بی‌سیم با دستگاه‌‌‌های دیگر طبق پروتکل IEEE 802.15.4 استفاده می‌‌‌شوند، دارای سیستم کامل با یک فرستنده و گیرنده و همچنین یک MCU و آنتن روی برد مدار چاپی دارند. مزیت اصلی پروتکل Zigbee نسبت به دیگر پروتکل‌‌‌های ارتباطی، تامین کنندگان اصلی ماژول‌‌‌های Zigbee است. شرکت‌‌‌های بزگی مسئولیت توسعه ماژول های Zigbee را به عهده دارند که به توسعه هرچه بیشتر این پروتکل ارتباطی برای IOT کمک می‌‌‌کنند. از بزرگترین تولیدکنندگان ماژول‌‌‌های ZigBee می‌‌‌توانیم به سه شرکت بزرگ Microchip، Atmel و NXP اشاره کنیم. هر کدام از این ماژول‌‌‌های ارتباطی با توجه به قدرت پردازش تراشه به کار رفته و همچنین خصوصیاتی همچون میزان حافظه پشتیبانی شده و تعداد ادوات تحت پوشش در شبکه قیمت‌‌‌های متفاوتی دارند. به عنوان نمونه سه ماژول پرطرفدار با پروتکل ZigBee می‌‌‌توان از MRF24J40MD-I/RM  ساخت شرکت Microchip، ATmega256RFR2-ZigBit-Wireless-Module ساخت شرکت Atmel و JN5168-001-M05 ساخت شرکت NXP نام برد.

نتیجه‌‌‌گیری

با توجه به گستردگی و تنوع پروتکل‌‌‌های ارتباطی در اینترنت اشیا، شناخت ویژگی‌‌‌های هر کدام از این پروتکل‌‌‌ها، به انتخاب بهترین ادوات و بهینه‌‌‌ترین راه برای اجرای سناریوهای اینترنت اشیا کمک می‌‌‌کند. پروتکل ارتباطی ZigBee با توجه به ویژگی‌‌‌های منحصر به فرد و خاصی که برای اجرای سناریوهای اینترنت اشیا لازم و ضروری است، جایگاه ویژه‌‌‌ای در دنیای امروز دارد. ادوات و گیت‌‌‌وی‌‌‌های پشتیبانی کننده از این پروتکل به صورت صنعتی و تجاری توسط بسیاری از شرکت‌‌‌های بزرگ در سراسر جهان عرضه می‌‌‌گردند. این بدان معناست که بازیگران بزرگ حوزه اینترنت اشیا بر این باور هستند که  توسعه ادوات و گیت‌‌‌وی ZigBee منجر به گسترش بیشتر اینترنت اشیا می‌‌‌شود. 

منابع

[1] Kang, B. and H. Choo, An experimental study of a reliable IoT gateway. ICT Express, 2018. 4(3): p. 130-133.

[2] Kang, B., D. Kim, and H. Choo, Internet of everything: A large-scale autonomic IoT gateway. IEEE Transactions on Multi-Scale Computing Systems, 2017. 3(3): p. 206-214.

[3]  Gislason, D., ZigBee Gateways, in Zigbee Wireless Networking. 2008. p. 351-387.