با گسترش اینترنت اشیا، ارتباط بین تجهیزات مختلف نقش پررنگی در هوشمندسازی ساختمان‌ها پیدا کرده است. برای نمونه، وقتی سنسور حرکتی حضور فردی را تشخیص می‌دهد، اطلاعات را به سیستم روشنایی می‌فرستد تا چراغها روشن شوند.
سنسورهای در و پنجره هم باز یا بسته شدن آنها را به مرکز کنترل گزارش می‌دهند. یکی از فناوری‌هایی که این ارتباط را ممکن میکند، پروتکل Zigbee ست. این فناوری با مصرف انرژی پایین و ایجاد شبکه‌ای مش، امکان ارتباط بین تجهیزات هوشمند را فراهم میکند.
در این مقاله از خانه هوشمند لوتوس، با نحوه کار Zigbee، ساختار شبکه، امنیت، مزایا و معایب زیگبی آشنا می‌شویم و جایگاهش را در کنار استانداردهای جدید بررسی می‌کنیم.
پروتکل Zigbee چیست؟
زیگبی یک فناوری ارتباط بیسیم با مصرف انرژی پایین است که برای اتصال تجهیزات اینترنت اشیا، سنسورها و سیستم‌های کنترلی به کار میرود.
در پاسخ به این سوال که پروتکل Zigbee چیست و چه کاربردی دارد میتوان گفت که زیگبی راهی برای برقراری ارتباط بین دستگاه‌های هوشمند و تبادل اطلاعات میان آن‌هاست.
برخلاف پروتکل wifi که برای انتقال داده‌های حجیم طراحی شده، زیگبی بیشتر برای ارسال پیام‌های کوتاه و اجرای فرمان‌های کنترلی کاربرد دارد.
این فناوری بر پایه استاندارد IEEE 802.15.4 کار میکند. این استاندارد دو بخش اصلی ارتباط، یعنی لایه فیزیکی (PHY) و کنترل دسترسی به رسانه (MAC) را مشخص میکند.
به زبان ساده، نحوه ارسال و دریافت سیگنال و چگونگی دسترسی دستگاه‌ها به کانال ارتباطی در این دو لایه تعریف شده است. بخش‌هایی مثل مسیریابی، امنیت و خدمات کاربردی هم در مشخصات زیگبی قرار دارند. پس با اینکه IEEE 802.15.4 و Zigbee ارتباط نزدیکی با هم دارند، دو استاندارد یکسان نیستند.
تاریخچه زیگبی: از Zigbee Alliance تا CSA
اتحادیه Zigbee Alliance در اکتبر ۲۰۰۲ با هدف ایجاد استانداردی مشترک برای شبکه‌های بیسیم کممصرف فعالیت خود را آغاز کرد. نخستین تجهیزات مجهز به این فناوری در سال ۲۰۰۶ به بازار آمدند و یک سال بعد، استاندارد مربوط به اتوماسیون خانگی توسعه پیدا کرد. در سال ۲۰۱۵، نسخه Zigbee 3.0 معرفی شد. این نسخه با ادغام پروفایل‌های کاربردی، ارتباط و هماهنگی میان دستگاه‌های مختلف را بهبود داد.
در سال ۲۰۲۱ نیز نام اتحادیه به Connectivity Standards Alliance یا CSA تغییر کرد تا فعالیت‌های گسترده‌تر آن، از جمله توسعه زیگبی و Matter، بازتاب پیدا کند.
تازه‌ترین تحول این مسیر در نوامبر ۲۰۲۵ با معرفی Zigbee 4.0 و فناوری زیر گیگاهرتز Suzi رقم خورد. این نسخه با امکانات امنیتی و مدیریتی بهتر، گام دیگری در مسیر تکامل زیگبی و توسعه ارتباط میان تجهیزات خانه هوشمند بود.
پروتکل زیگبی چگونه کار میکند؟
برای درک اینکه زیگبی چیست و شناخت عملکرد این فناوری، باید با لایه‌های ارتباطی، فرکانس‌ها و کار هر دستگاه آشنا شویم.
لایه‌های پروتکل: لایه فیزیکی و MAC در برابر لایه شبکه و کاربرد
معماری زیگبی ارتباط بین تجهیزات از چند لایه تشکیل شده که هر کدام کار مشخصی انجام می‌دهند. لایه فیزیکی و MAC مسئول ارتباط رادیویی، ارسال و دریافت داده‌ها و کنترل دسترسی دستگاه‌ها به کانال ارتباطی هستند.
لایه شبکه هم آدرس هر دستگاه را مشخص میکند و مسیر رسیدن پیام به مقصد را پیدا میکند. در لایه کاربرد نیز فرمان‌ها و نحوه تعامل تجهیزات با یکدیگر تعریف می‌شود.
همکاری این چهار لایه باعث می‌شود دستگاه‌های مختلف، حتی اگر کارکرد متفاوتی داشته باشند، بتوانند در یک شبکه زیگبی با هم ارتباط برقرار کنند.
فرکانس، کانال‌ها و نرخ انتقال داده
در تجهیزات خانگی، بیشتر از باند فرکانسی ۲٫۴ گیگاهرتز استفاده می‌شود. این باند در سراسر جهان کاربرد دارد و ۱۶ کانال با شماره‌های ۱۱ تا ۲۶ را در بر می‌گیرد. سرعت انتقال داده در آن به ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه می‌رسد.
برخی مناطق از فرکانس‌های زیر یک گیگاهرتز هم استفاده میکنند. برای مثال، سرعت انتقال داده در فرکانس ۸۶۸ مگاهرتز حدود ۱۰۰ و در بازه ۹۱۵ تا ۹۲۱ مگاهرتز حدود ۵۰۰ کیلوبیت بر ثانیه است. البته پشتیبانی از این فرکانس‌ها به قوانین هر منطقه و سخت‌افزار دستگاه بستگی دارد.
شبکه مش و نقش Coordinator، Router و End Device
یکی از قابلیتهای کاربردی این فناوری، پشتیبانی از شبکه مش زیگبی است. در این ساختار، دستگاه‌ها پیام‌ها را از طریق گره‌های میانی به مقصد می‌رسانند و نیازی نیست هر دستگاه ارتباط مستقیمی با مرکز کنترل داشته باشد. این ارتباط با کمک سه نقش اصلی در شبکه انجام می‌شود:
- Coordinator: شبکه را راه‌اندازی میکند، تنظیمات اولیه را انجام می‌دهد و ورود دستگاه‌های جدید را مدیریت میکند.
- Router: اغلب به برق شهری وصل است و پیام‌ها را بین دستگاه‌های شبکه جابه‌جا میکند.
- End Device: بیشتر با باتری کار میکند و برای کاهش مصرف انرژی، در زمان بیکاری به حالت خواب میرود. این دستگاه در انتقال پیام‌های سایر گره‌ها نقشی ندارد.
توپولوژی‌های شبکه: ستاره، درخت و مش
در معماری زیگبی، دستگاه‌ها با سه الگوی اصلی به هم متصل می‌شوند:
- ستاره‌ای: همه دستگاه‌ها مستقیما با هماهنگکننده ارتباط می‌گیرند. راه‌اندازی این ساختار ساده است، اما اگر گره مرکزی از کار بیفتد، ارتباط کل شبکه مختل می‌شود.
- درختی: دستگاه‌ها به شکل سلسله‌مراتبی به هم وصل می‌شوند و پیام‌ها از گره‌های بالاتر به گره‌های پایین‌تر می‌رسند.
- مش: در شبکه مش زیگبی، گره‌های مسیریاب با یکدیگر ارتباط دارند و چند مسیر برای انتقال پیام ایجاد میکنند. اگر یکی از مسیرها قطع شود، پیام از مسیر دیگری به مقصد می‌رسد.
برد و پوشش شبکه
برد ارتباطی هر دستگاه تحت تاثیر قدرت فرستنده، نوع آنتن، موانع فیزیکی و تداخل امواج قرار دارد. برای پوشش یک ساختمان بزرگ، برد یک دستگاه کافی نیست. قرار دادن Router در نقاط مناسب، محدوده پوشش را افزایش می‌دهد و ارتباط بین دستگاه‌ها را پایدارتر میکند.
نسخه‌ها و پروفایل‌ها: Zigbee PRO، Zigbee 3.0 و Green Power
نسخه‌های مختلف زیگبی با هدف بهبود عملکرد و اضافه شدن امکانات تازه توسعه پیدا کرده‌اند:
- Zigbee PRO امکانات پیشرفته‌ای مثل مسیریابی پیام‌ها، مدیریت گره‌های شبکه و تامین امنیت ارتباطات را در اختیار دستگاه‌ها قرار می‌دهد.
- Zigbee 3.0 پروفایل‌های کاربردی مختلف را در یک ساختار مشترک جمع کرده است. این کار ارتباط میان تجهیزات روشنایی، سنسورها و سایر دستگاه‌های سازگار را ساده‌تر میکند.
- Green Power برای دستگاه‌هایی ساخته شده که انرژی بسیار کمی مصرف میکنند. این فناوری از انرژی محیط، مثل نور، حرکت، گرما یا نیروی مکانیکی، برق مورد نیاز دستگاه را تامین میکند. در نتیجه، بعضی کلیدها و سنسورها بدون باتری و سیم‌کشی رایج کار میکنند.
- Zigbee 4.0 در سال ۲۰۲۵ معرفی شد. این نسخه قابلیتهای تازه‌ای برای امنیت و مدیریت شبکه دارد و سازگاری با نسل‌های قبلی زیگبی را هم در نظر گرفته است.
امنیت در پروتکل زیگبی
امنیت در شبکه‌های هوشمند موضوع مهمی است، چون این شبکه‌ها با تجهیزات حساس ساختمان در ارتباط هستند و اطلاعات آنها باید به خوبی محافظت شود. در معماری زیگبی، ساز و کارهای مختلفی برای حفظ امنیت ارتباطات در نظر گرفته شده است. زیگبی برای رمزنگاری اطلاعات از الگوریتم AES-128 استفاده میکند. سه بخش اصلی امنیت در این پروتکل عبارتند از:
- Network Key: کلید مشترکی برای رمزنگاری پیام‌ها در سطح شبکه است.
- Link Key: از ارتباط اختصاصی بین دو دستگاه یا ارتباط دستگاه با مرکز اعتماد محافظت میکند.
- Install Code: کدی اختصاصی برای ورود امن دستگاه به شبکه است که در ساخت کلید اولیه ارتباطی کاربرد دارد.
مزایای پروتکل زیگبی
مزایا و معایب زیگبی را باید در کنار هم بررسی کرد، اما این فناوری چند ویژگی کاربردی دارد که آن را به گزینه‌ای مناسب برای خانه‌های هوشمند تبدیل کرده است:
- مصرف انرژی پایین: باتری سنسورها و تجهیزات بیسیم برای مدت طولانی‌تری دوام می‌آورد.
- شبکه مش: دستگاه‌ها پیام‌ها را از مسیرهای مختلف منتقل میکنند و پوشش شبکه افزایش پیدا میکند.
- سرعت مناسب ارتباط: فرمان‌هایی مثل روشن و خاموش کردن چراغها با تاخیر کمی اجرا می‌شوند.
- گسترش آسان شبکه: با طراحی درست، دستگاه‌های جدید به شبکه اضافه می‌شوند.
- سازگاری با تجهیزات مختلف: استاندارد زیگبی امکان استفاده از محصولات سازگار برندهای مختلف را فراهم میکند.
- کنترل محلی: بسیاری از فرمان‌ها بدون اتصال مستقیم به اینترنت اجرا می‌شوند.
معایب و محدودیت‌های واقعی زیگبی
زیگبی در کنار مزایایی که دارد، چند نقطه ضعف هم دارد. این فناوری از باند ۲٫۴ گیگاهرتز استفاده میکند. همان محدوده‌ای که وای‌فای و بعضی تجهیزات بیسیم دیگر در آن کار میکنند. این موضوع گاهی باعث تداخل در ارتباطات می‌شود. از طرفی، راه‌اندازی شبکه به یک هماهنگکننده یا گیت‌وی نیاز دارد.
نکته دیگر، تفاوت عملکرد تجهیزات برندهای مختلف است. با اینکه زیگبی استاندارد مشخصی دارد، همه محصولات با یکدیگر سازگار نیستند. بعضی سازندگان از قابلیت‌ها و فرمان‌های اختصاصی خود استفاده میکنند.
شناخت این تفاوت‌ها به انتخاب بهتر تجهیزات خانه هوشمند کمک میکند. در این زمینه، بررسی تفاوت برندهای چینی، اروپایی و ایرانی در تجهیزات خانه هوشمند اطلاعات بیشتری در اختیارتان قرار می‌دهد.
با کلیک روی لینک رو به رو می‌توانید از تمامی محصولات Zigbee دیدن فرمایید.
کاربرد زیگبی در خانه هوشمند
از رایج‌ترین کاربردهای زیگبی میتوان به این موارد اشاره کرد:
- سنسورها: تشخیص حرکت، باز و بسته شدن در و پنجره، اندازه‌گیری دما و رطوبت و شناسایی نشت آب.
- روشنایی: کنترل کلیدها، دیمرها و تنظیم شدت نور.
- پرده‌ها: باز و بسته کردن پردههای برقی.
- سیستم امنیتی: ارتباط حسگرهای حضور، آژیرها و تجهیزات کنترل دسترسی.
- کنترل محیطی: تنظیم دما و مدیریت شرایط محیط داخل ساختمان.
برای مثال، وقتی سنسور حضور ورود فردی به اتاق را تشخیص می‌دهد، فرمان روشن شدن چراغ را ارسال میکند. سنسور در و پنجره هم با تشخیص باز بودن پنجره، وضعیت را به سیستم تهویه اطلاع می‌دهد.
این هماهنگی از طریق ارتباط بین وسایل هوشمند خانه شکل می‌گیرد. برای شناخت بهتر تجهیزات و نحوه کار این شبکه، سری هم به دسته‌بندی تجهیزات هوشمند زیگبی بزنید و مدل‌های مختلف آن را ببینید.
مقایسه زیگبی با Wi-Fi، Z-Wave و بلوتوث
برای درک بهتر تفاوت این فناوری‌ها، در جدول زیر زیگبی را از نظر مصرف انرژی، برد ارتباطی، سرعت انتقال داده و ساختار شبکه با Wi-Fi، Z-Wave و بلوتوث مقایسه کرده‌ایم:
| ویژگی | Zigbee | Wi-Fi | Z-Wave | Bluetooth |
|---|---|---|---|---|
| مصرف انرژی | بسیار کم | زیاد | بسیار کم | کم |
| برد ارتباطی | حدود ۱۰ تا ۱۰۰ متر | حدود ۲۰ تا ۵۰ متر | حدود ۳۰ تا ۱۰۰ متر | حدود ۱۰ تا ۱۰۰ متر |
| سرعت انتقال داده | تا ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه | از چند مگابیت تا چند گیگابیت بر ثانیه | حدود ۹.۶ تا ۱۰۰ کیلوبیت بر ثانیه | حدود ۱ تا ۳ مگابیت بر ثانیه |
| ساختار شبکه | مش، ستاره‌ای و درختی | عمدتاً ستاره‌ای | مش | ستاره‌ای و مش |
زیگبی در مقایسه با پروتکل wifi، برای ارتباط میان تجهیزات کممصرف و ارسال فرمان‌های کوتاه مناسب‌تر است. اما اگر قرار باشد تصویر یا حجم زیادی از داده منتقل شود، وای‌فای انتخاب کاربردی‌تری است.
در نهایت، انتخاب بین این دو به نوع تجهیزات، تعداد دستگاه‌ها و شرایط پروژه بستگی دارد. اگر هنوز برای انتخاب پروتکل مناسب خانه هوشمند تصمیم نگرفته‌اید، در راهنمای جامع انتخاب پروتکل مناسب برای خانه هوشمند با ویژگی‌ها و تفاوت‌های فناوری‌های مختلف بیشتر آشنا می‌شوید.
زیگبی در برابر Matter و Thread: آیا Zigbee منسوخ می‌شود؟
زیگبی و Matter دو فناوری رقیب برای حذف یکدیگر نیستند. Matter استانداردی در لایه کاربرد است که CSA آن را برای سازگاری بهتر تجهیزات خانه هوشمند توسعه داده است.
این استاندارد روی بسترهایی مثل Wi-Fi، اترنت و Thread کار میکند. Thread هم یک شبکه کممصرف مبتنی بر IEEE 802.15.4 است که برخلاف زیگبی، از IPv6 پشتیبانی میکند.
با ورود Matter، زیگبی کنار نرفته است. گیت‌وی‌ها و پل‌های ارتباطی، اتصال تجهیزات زیگبی به اکوسیستم Matter را امکانپذیر کرده‌اند. از طرفی، انتشار نسخه ۴٫۰ زیگبی نشان می‌دهد این فناوری همچنان در حال توسعه است.
به عنوان مثال، در محصولات تویا، گیت‌وی‌های سازگار ارتباط بین تجهیزات مختلف را برقرار میکنند و امکان کنترل آنها را در یک مجموعه فراهم می‌سازند. به نظر می‌رسد در آینده، چند فناوری ارتباطی در کنار هم کار کنند و هرکدام بخشی از نیاز خانه هوشمند را پوشش دهند.
راه‌اندازی شبکه زیگبی در خانه
برای اینکه شبکه زیگبی عملکرد خوبی داشته باشد، بهتر است هنگام نصب چند نکته را رعایت کنید:
- انتخاب محل گیت‌وی: مرکز کنترل را در جای مناسبی قرار دهید و تا حد امکان از موانع فلزی دور نگه دارید.
- چیدمان Router: تجهیزات متصل به برق شهری را طوری بچینید که ارتباط بین اتاق‌ها برقرار بماند. بعضی مدل‌های کلید برق هوشمند هم نقش Router را بر عهده دارند.
- انتخاب کانال: کانال‌های فعال وای‌فای را بررسی کنید تا احتمال تداخل کمتر شود. کانال‌های ۱۵، ۲۰ و ۲۵ گزینه‌های مناسبی برای بررسی هستند.
- افزودن مرحله‌ای دستگاه‌ها: ابتدا گیت‌وی و مسیریاب‌ها را راه‌اندازی کنید و بعد سراغ سنسورهای باتری‌خور بروید.
زیگبی و دستیارهای صوتی
زیگبی فرمان صوتی را به تنهایی پشتیبانی نمی‌کند و برای اتصال به الکسا، گوگل و سیری به هاب یا گیت‌وی نیاز دارد. بعضی مدل‌های Amazon Echo هاب زیگبی داخلی دارند و مستقیم به تجهیزات سازگار وصل می‌شوند.
در Google Home اغلب به گیت‌وی جداگانه نیاز است. برای اتصال به Siri و Apple Home نیز باید از واسطه سازگار با HomeKit یا Matter استفاده کرد. بنابراین، هنگام بررسی زیگبی و Matter، سازگاری گیت‌وی با دستیار صوتی موردنظر را هم در نظر بگیرید.
برای هوشمند سازی ساختمان خود با ما در ارتباط باشید
کارشناسان خانه هوشمند لوتوس آماده هستن تا ارائه مشاوره تخصصی رایگان، بهترین راهکار هوشمندسازی را متتاسب با نیاز شما پیشنهاد دهند.
شماره های ثابت
شماره های همراه
