مقدمه
به لطف پیشرفت های فناوری، مزایای هوشمندسازی خانه با افزایش برنامه ها و ظرفیت ها همچنان در حال تکامل است. با این حال، چیزی که ثابت مانده است این واقعیت است که یک خانه هوشمند از چندین سیستم تشکیل شده است که با هم کار می کنند تا خانه را خودکار، راحت و بدون استرس بسازند.
پروتکل چیست و مفهوم پروتکل در شبکه چیست
پروتکل به معنی مجموعه از قوانین و رویه ها برای برقراری ارتباط است .
پس با توجه به تعریف برای اینکه میزبان ها بتوانند با یکدیگر ارتباط شبکه ای برقرار کنند بایستی از یک سری قوانین و رویه ها پیروی کنند یا به عبارت دیگر همگی از یکسری قوانین و پروتکل های یکسان استفاده کنند . بنابراین اگر یک میزبان از نوع خاصی از پروتکل استفاده کند و میزبان دیگر از نوع دیگری از پروتکل استفاده کند , آنها قادر به صحبت کردن با یکدیگر نخواهند بود .
به لطف پیشرفت های فناوری، مزایای هوشمندسازی خانه با افزایش برنامه ها و ظرفیت ها همچنان در حال تکامل است. با این حال، چیزی که ثابت مانده است این واقعیت است که یک خانه هوشمند از چندین سیستم تشکیل شده است که با هم کار می کنند تا خانه را خودکار، راحت و بدون استرس بسازند.
در زمان های اخیر، یک محرک کلیدی در تحول سیستم های هوشمندسازی خانه، اینترنت اشیا (IoT) بوده است. اینترنت اشیا با این نوید به وجود آمد که ما بتوانیم عناصر و اشیا موجود در محیط خود را به اینترنت متصل کنیم، و این منجر به تحولی عظیم و پویا در بسیاری از بخش ها از جمله خانه هوشمند شده است. به لطف اینترنت اشیا، محصولات خانه هوشمند که قبلاً داده ها را فقط با یکدیگر و در محدوده خانه به اشتراک می گذاشتند، اکنون می توانند داده ها را در اینترنت به اشتراک گذاشته و به کاربران خانه های هوشمند امکان تعامل با خانه و زیر ساخت خود را در هر زمانی می دهند.
این امر راه حل های هوشمندسازی خانه را «هوشمندتر» کرده و راهی برای چندین برنامه جدید ایجاد کرده است، از محاسبات ابری، یادگیری ماشین و هوش مصنوعی برای پردازش داده ها، ارزیابی سناریوها در زمان حال، و تصمیم گیری هوشمند فراتر از حد معمول نسبت به قبل استفاده می‌کند.
اجزای اصلی سیستم های خانه هوشمند و اینترنت اشیا، پروتکل‌های ارتباطی هستند. آن ها زیر ساخت را فراهم کرده و شرایطی را تعیین می‌کنند که دستگاه ها با آن ها ارتباط برقرار کنند تا دیتا بین محصولات خانه هوشمند جا به جا شود. این مقاله راهنمای پروتکل ها و استانداردهای ارتباطی را ارائه می‌کند که روند فعلی خانه های هوشمند را امکان پذیر می‌سازد.
پروتکل های هوشمندسازی خانه
برنامه های کاربردی خانه هوشمند بر اساس توانایی چندین دستگاه، حسگر، محرک و غیره برای صحبت با یکدیگر ساخته شده اند. از اتصال ترموستات با کولر برای تنظیم دمای خانه گرفته تا سنسورهای حرکتی که چراغ های اتاق خالی را خاموش می‌کنند. این امر باعث می شود پروتکل های ارتباطی بخشی جدایی ناپذیر از برنامه های کاربردی خانه هوشمند باشند. با این حال، به دلیل تفاوت در ویژگی ها، قابلیت ها، نحوه عملکرد و نیازمندی ها، چندین پروتکل ارتباطی توسط سازندگان برای کاربردهای مختلف ایجاد شده است. برخی از پروتکل های ارتباطی محبوب هوشمندسازی خانه عبارتند از:
WiFi
مسلماً شناخته شده ترین پروتکل هوشمندسازی خانه، WiFi می باشد. پروتکل WiFi به دلیل استفاده همه جانبه از آن در سایر برنامه های روزمره، ساده ترین مسیر ارتباطی را برای راه حل های خانه هوشمند ارائه می دهد. اکثر خانه ها از قبل دارای روترهای WiFi هستند که استقرار دستگاه های خانه هوشمند مبتنی بر WiFi را آسان تر و ارزان تر می‌کند. پهنای باند بالای آن، آن را برای برنامه هایی که به توان عملیاتی داده بالایی نیاز دارند، مناسب می‌کند و معماری مبتنی بر IP آن، استقرار برنامه های مبتنی بر اینترنت اشیا را نسبت به سایر پروتکل ها نسبتاً آسان تر و ساده تر می‌کند.
با این حال، WiFi جز استاندار های بین المللی هوشمندسازی خانه محسوب نمی شود زیرا دارای معایب زیر می باشد:
- مصرف انرژی بالا
- برد کوتاه و حساسیت بالا به تداخل
- محدودیت اتصال دیوایس ها به روتر مودم
- امنیت پایین
- تداخل در عملکرد خانه در زمان آپلود یا دانلود از اینترنت
Lora
با توجه به مصرف انرژی یکسان (همان مقدار انرژی مصرف شده) در مقایسه با 2.4 گیگاهرتز (WiFi)، حدود ده برابر برد با LORA خواهید داشت و این یک قانون ساده فیزیک است. در فرکانس های زیر گیگاهرتز مانند LORA با توجه به افزایش برد نسبت به فرکانس های 2.4Gz دیگر مشکل هوشمندسازی خانه برای ساختمان های دوبلکس، تری بلکس و … وجود نخواهد داشت.
همین طور باید توجه داشته باشید که فرکانس های 2.4 گیگاهرتز (WiFi) حداکثر تا 100 متر برد خواهند داشت و برای افزایش برد باید از Repeater ها استفاده شود که موجب هزینه های سربار اضافی و کاهش امنیت می شوند. در کل می توان گفت که: هرچه فرکانس کمتر باشد، مصرف انرژی کمتر، برد بیشتر و تداخل فرکانس کمتر است.
سه دلیل اصلی برای عملکرد برد بهتر Lora نسب به WiFi ذکر شده است:
- در حالی که امواج رادیویی از دیوارها و سایر موانع عبور می کنند، سیگنال شان ضعیف می شود. نرخ تضعیف در فرکانس های بالاتر افزایش می یابد. بنابراین سیگنال 2.4 گیگاهرتز سریعتر از سیگنال زیر گیگاهرتز ضعیف می شود.
- امواج رادیویی 2.4 گیگاهرتز نیز سریعتر از امواج زیر گیگاهرتز محو می‌شوند، زیرا از سطوح متراکم منعکس می‌شوند. در محیط های پر تراکم، انتقال 2.4 گیگاهرتز می تواند به سرعت ضعیف شود، که بر کیفیت سیگنال تأثیر منفی می گذارد.
- اگرچه امواج رادیویی در یک خط مستقیم حرکت می‌کنند، اما زمانی که به یک لبه جامد برخورد می‌کنند خم می‌شوند. با کاهش فرکانس‌ها، زاویه پرش افزایش می‌یابد و به سیگنال‌های زیر گیگاهرتز اجازه می‌دهد تا دورتر دور یک مانع خم شوند و اثر مسدود شدن را کاهش دهند.
در مورد طول عمر باتری، می توان توضیح داد که فرکانس‌های زیر گیگاهرتز می‌توانند تا پنج برابر فرکانس‌های مشابه ۲.۴ گیگاهرتز در مصرف باتری صرفه جویی کنند. به عنوان مثال یک قفل درب هوشمند از یک سازنده خاص با فرکانس رادیویی در 900 مگاهرتز، احتمالاً 24 تا 30 ماه برای شما بدون هیچ گونه مشکلی بابت تامین انرژی کار کند. از طرف دیگر، برای فرکانس 2.4 گیگاهرتز، به دلیل ماهیت ارتباطی مانند(WiFi)، حداکثر 12 تا 15 ماه خواهد بود.
Zigbee
یک پروتکل ارتباطی بسیار محبوب در هوشمندسازی خانه می باشد. Zigbee یک پروتکل ارتباطی منبع باز، انعطاف پذیر (توپولوژی شبکه مش) و کم مصرف است که در باند 2.4 گیگاهرتز توسعه یافته است. برای برنامه های هوشمندسازی خانه مبتنی بر باتری مناسب است اما مبتنی بر IP نیست. به این ترتیب، دستگاه‌های مبتنی بر Zigbee به یک گیت وی برای اتصال به اینترنت برای برنامه های مبتنی بر IoT نیاز دارند که هزینه اولیه را افزایش می‌دهد. Zigbee پهنای باند پایینی را ارائه می دهد و گاهی اوقات به دلیل رقابت در باند 2.4 گیگاهرتز، هنگام استقرار در کنار WiFi، تداخل زیادی را تجربه می کند.
Z-Wave
Z-Wave یک پروتکل اختصاصی، متمرکز و کم مصرف است که توسط اتحاد Z-wave توسعه یافته است. این پروتکل در معماری شبکه مش مشابه Zigbee عمل می کند، اما در باند 908 مگاهرتز کار می کند. تأخیر کم و تداخل کم را ارائه می دهد اما در مقایسه با پروتکل های دیگر دارای توان عملیاتی بسیار کمتری است.
BLE
BLE (Bluetooth Low Energy) که به آن بلوتوث هوشمند نیز گفته می شود، اصلاحی در پروتکل بلوتوث کلاسیک با مصرف انرژی کم به عنوان یکی از محورهای اصلی آن است. این محصول تمایل به کاهش میزان انرژی مصرفی دستگاه ها، هم هنگام انتقال داده و هم در حالت بیکار، برای اطمینان از عمر طولانی تر باتری را دارد. با این حال، اگر چه سادگی در استقرار و تأخیر کم را ارائه می دهد، اما دامنه برد کوتاه آن به شدت در هوشمندسازی خانه با مشکل مواجه می شود.
Matter
توسعه یافته توسط Connectivity Standard Alliance (قبلاً اتحاد Zigbee) و توسط سازندگان هوشمندسازی خانه پشتیبانی می شود، از جمله؛ اپل، آمازون و گوگل. این یک پروتکل مبتنی بر IP است که برای مقابله با چالش های قابلیت ادغام محصولات هوشمندسازی خانه طراحی شده است و چارچوبی را ارائه می کند که ارتباط بین دستگاه ها، برنامه ها و سرویس های ابری را امکان پذیر می‌سازد. معماری Matter بیت ها و تکه های پروتکل های موجود را ترکیب می‌کند تا یک پروتکل بالقوه یک اندازه را ارائه دهد. اولین نسخه از مشخصات استاندارد دارای لایه های شبکه WiFi و Thread-based با BLE است که برای راه اندازی استفاده می شود.
راه حل های معماری خانه هوشمند: درک رابطه بین پروتکل های ارتباطی و برنامه کاربردی خانه هوشمند IoT
برخی از ویژگی های برنامه های خانه هوشمند که پروتکل های مورد استفاده را تعیین می کند عبارتند از:
- حجم داده ها
- قدرت
- چرخه عملیات
- هزینه
حجم داده ها
یکی از ویژگی های اصلی برنامه های خانه هوشمند که تعیین می‌کند کدام پروتکل ها استفاده می‌شوند، میزان داده ای است که باید ارسال یا دریافت شود. برنامه هایی که شامل حسگرها و محرک های اصلی هستند که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، معمولاً با پروتکل های پهنای باند کم مانند Lora یا Zigbee به دلیل حجم کم داده ای که رد و بدل می‌شوند، مشکلی ندارند. اما برنامه هایی که شامل ویدیو یا تصاویر و غیره می‌شوند، حجم داده بالا بالایی دارند، به دلیل پهنای باند بالا و توان عملیاتی داده، به پروتکل هایی مانند WiFi نیاز است.
قدرت
دستگاه هایی که در برنامه های خانه هوشمند استفاده می‌شوند معمولاً یا به برق متصل هستند یا با باتری کار می‌کنند. با توجه به اینکه مصرف انرژی یک محدودیت اصلی برای اکثر پروتکل ها است، نحوه تغذیه دستگاه همیشه سهم عمده ای در انتخاب پروتکل دارد. برای دستگاه های متصل به برق، از نظر پروتکل های مورد استفاده آزادی عمل بیشتری وجود دارد، اما برای دستگاه های با باتری، پروتکل‌هایی مانند WiFi با مصرف انرژی بالا معمولاً مناسب نیستند و تولیدکنندگان را مجبور می کند پروتکل های سازگار با انرژی بیشتری مانند Lora را انتخاب کنند.
چرخه عملیات
برنامه های کاربردی خانه هوشمند نیاز دارند که دستگاه ها «همیشه روشن» باشند یا به طور متناوب بین چرخه های sleep یا زمانی که توسط رویدادهای داخلی یا خارجی فعال می‌شوند، روشن شوند. در حالی که اکثر برنامه ها، دستگاه ها را در حالت «همیشه روشن» اجرا می کنند، حالت های متناوب دارای دوره های sleep، به برنامه ها (به ویژه آنهایی که دستگاه های که با باتری کار می کنند) اجازه می‌دهند پروتکل های ارتباطی را انتخاب کنند که معمولاً مناسب نیستند.
به عنوان مثال، یک دستگاه باتری دار با پهنای باند بالا می تواند یک پروتکل ارتباطی با مصرف انرژی بالا مانند WiFi (همه فاکتورهای دیگر که به درستی در نظر گرفته می شود) انتخاب کند، و از حالت های sleep برای افزایش زمان کارکرد دستگاه استفاده کند.
هزینه
بخش بزرگی از هر تصمیم مهندسی هزینه است. برای هوشمندسازی خانه، استفاده از پروتکل های خاص برای برخی از برنامه ها باعث می شود هزینه سیستم بیشتر از ارزش ذاتی برنامه باشد. به عنوان مثال، هزینه یک گیت وی Z-Wave ممکن است برای یک برنامه مدیریت روشنایی که شامل اتصال بسیاری از لامپ های مبتنی بر Z-Wave به اینترنت است، منطقی باشد. با این حال، استفاده از هزینه مشابه در یک گیت وی Z-Wave برای یک برنامه کنترلی درب گاراژ منطقی نخواهد بود، بنابراین ممکن است پروتکل متفاوتی مورد نیاز باشد.
مطالب پیشنهادی
لورا تو ایران تو چ فرکانسی کار می کنه؟
با سلام
عموما در فرکانس 410-525 MHZ کار می کند
خیلی جالب بود تا حالا در مورد ble نشنیده بودم
لطفا در مورد پروتکل های بی سیم بیشتر توضیح بدین
با سلام لطفا لینک زیر را مطالعه کنید
https://aisasmarthome.com/1400/10/15/smart-home-protocols/
میشه در مورد knx هم آموزش بدین
با سلام
لطفا لینک زیر را مطالعه کنید
https://aisasmarthome.com/1401/01/19/what-is-knx/
خیلی ممنون از توضیحات خوب تون
سپاس از نظر لطف شما