پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند از جمله موارد بسیار مهمی است که در هنگام انتخاب و خرید تجهیزات هوشمندسازی ساختمان باید مورد توجه قرار گیرد. پروتکل یا زبان ارتباطی تجهیزات بر روی زیرساخت مورد استفاده در پروژه نیز تاثیر گذار هستند.

در عمل زیرساخت انتقال داده و زبان ارتباطی در کنار هم پروتکل نامیده می شوند. در ادامه ابتدا تعریف جامع و کامل پروتکل را بررسی و سپس به معرفی و مقایسه پروتکل های مختلف مورد استفاده در خانه هوشمند خواهیم پرداخت.

پروتکل چیست؟

به بیان ساده، پروتکل زبان ارتباطی بین نودهای مختلف یک شبکه است. تجهیزات مورد استفاده در یک شبکه برای تبادل داده با یکدیگر از اصول و استانداردهای خاصی تبعیت می کنند. فعالیت های انجام شده در یک شبکه براساس تبادل اطلاعات بین تجهیزات مختلف و کاربران استوار است.

فارغ از اینکه تجهیزات با چه توپولوژی شبکه ای به هم متصل شده اند؛ جهت برقراری ارتباط بین دو نود در شبکه لازم است که آن ها زبان یکدیگر را بفهمند. بنابراین پروتکل یعنی استاندارد برقراری ارتباط بین نودهای مختلف یک شبکه. زمانی که دو فرد با هم صحبت می کنند، ارتباط آن ها دو شاخصه اصلی دارد.

اولا به زبانی صحبت می کنند که هر دو نفر آن را متوجه میشوند. همچنین صحبت آن ها از طریق یک بستر ارتباطی که در اینجا هوا است جابجا می شود. یا اگر از طریق تلفن با هم صحبت کنند بستر ارتباطی آن ها سیم تلفن یا امواج رادیویی است. پروتکل ارتباطی خانه هوشمند نیز باید همین دو شاخصه را داشته باشد. زبان ارتباطی واحد و همچنین یک بستر مناسب برای انتقال داده که از نوع سیمی یا بی سیم است.

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

تفاوت اصلی پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند در بستر ارتباطی و استاندارد تبادل اطلاعات آن ها است. یکی از موضوعات بسیار مهم در زمینه شبکه های انتقال اطلاعات، امنیت داده ها است. به منظور حفظ امنیت داده ها در ارتباط بین شبکه از رمزگذاری استفاده می شود.

رمزگذاری همان زبان واحد بین نودهای شبکه است. در هریک از نودهای شبکه یک بخش رمز وجود دارد که وظیفه رمز کردن اطلاعات ارسالی و رمزگشایی اطلاعات دریافتی را بر عهده دارد.

برای رمزگذاری الگوریتم ها و استانداردهای مختلفی وجود دارد اما به عنوان مثالی ساده فرض کنید الگوریتم رمز کردن ما معکوس کردن کلمات باشد. در اینصورت واحد رمزگذار کلمه روشن را به نشور و واحد رمزگشا کلمه نشور را به روشن تبدیل می کند.

مقایسه پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

برای مقایسه پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند پارامترهای زیادی وجود دارند. مهمترین پارامترهایی که در مقایسه پروتکل ها باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:

• امنیت اطلاعات: امنیت اطلاعات را می توان به عنوان مهمترین پارامتر اثر گذار بر کیفیت یک ارتباط معرفی کرد. رسیدن اطلاعات درست به مقصد و غیر قابل ترجمه بودن اطلاعات برای تجهیزات و افراد خارج از شبکه، مهمترین عوامل تعیین کننده امنیت یک ارتباط هستند.

بخش عمده امنیت اطلاعات از طریق رمزگذاری تامین می شود. بنابراین غیرقابل نفوذ بودن سیستم رمزگذاری و رمزگشایی از اهمیت بالایی برخوردار است.

• بستر ارتباطی: منظور از بستر در یک شبکه، مسیر جابجایی اطلاعات بین نودهای مختلف است. از منظر بستر ارتباطی می توان پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند را به دو گروه کلی بی سیم و با سیم تقسیم کرد.

هریک از انواع ارتباط بی سیم یا باسیم خود به زیر شاخه های متنوعی تقسیم می شوند. از منظر بستر ارتباطی، تفاوت پروتکل های با سیم در نوع سیم مورد استفاده و تفاوت ارتباط های بی سیم در باند فرکانسی انتقال داده توسط آن هاست.

لازم به ذکر است که بستر ارتباطی بخشی از پروتکل به حساب می آید و نه کل پروتکل.

انواع پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند را می توان در دو گروه پروتکل های با سیم و پروتکل های بی سیم دسته بندی کرد.

پروتکل های  Z-wave و Zig – bee مهمترین پروتکل های بی سیم استاندارد هستند. در زمینه ارتباط بی سیم بسیاری از شرکت ها اقدام به توسعه پروتکل داخلی خود نموده اند. بستر ارتباطی این پروتکل ها می تواند امواج وای فای، امواج رادیویی (RF) و بلوتوث باشد.

استاندارد رمزگزاری داده بین شرکت های مختلف متفاوت و اختصاصی است. رمزگذاری اختصاصی سبب عدم سازگاری تجهیزات شرکت های مختلف با یکدیگر می شود.

پروتکل های ارتباط سیمی قدمت بیشتری دارند. از جمله مهمترین پروتکل های سیمی مورد استفاده در خانه هوشمند می توان KNX، mode bus، S bus، X 10 را نام برد.

البته پروتکل های ارتباطی دیگری نیز در هر گروه حضور دارند که به دلیل فراگیر نبودن از پرداختن به آن اجتناب می کنیم.

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند سیمی

همانطور که قبلا اشاره شد، زیرساخت پروتکل های سیمی یا به بیان ساده تر کابل انتقال دیتا در پروتکل های مختلف متفاوت است.

پروتکل KNX

از جمله پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند قدیمی و پر طرفدار می توان به KNX اشاره کرد. KNX یک استاندارد بین المللی کنترل ساختمان است (ISO/IEC 14543) که به کمک تبادل اطلاعات، تجهیزات مختلف از قبیل سنسور ها، عملگرها، کنترلرها و ترمینالها را به یکدیگر متصل می کند.

ویژگی ها:

• این پروتکل امکان برقراری ارتباط محصولات تولید کنندگان مختلف تجهیزات خانه هوشمند با یکدیگر را فراهم می کند.
• کلید های پروتکل KNX در قوطی کلیدهای با استاندارد اروپایی و آمریکایی نصب می شوند.
• به دلیل استفاده از کابل شیلد دار در نصب تجهیزات نویز کمی به سیستم وارد می گردد.
• امکان کنترل رطوبت، مصرف جریان الکتریکی، کلید روشنایی و سیستم سرمایشی گرمایشی و … .

پروتکل X-10

ویژگی اصلی پروتکل X-10 ارسال فرمان هاي کنترلی از طریق شبکه تغذیه برق شهر است. به این ترتیب نیاز به سیم کشی دوباره و یا دستکاري در وضعیت برق خانه مرتفع می گردد.

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند نقش مهمی در طراحی سیستم دارند. براي طراحی خانه هوشمند با پروتکل X10، کافی است وسیله برقی خود را از طریق واسطه اي به پریز موجود در منزل متصل کنید. به این ترتیب قادر خواهید بود به کمک فرستنده سازگار با این پروتکل، وسیله مورد نظر را با توجه به آی دی تنظیم شده آن کنترل کنید.

ویژگی ها:

•  هزینه پایین براي توسعه کامل سیستم.
•  قابلیت سازگاري و همکاري در میان محصولات تجاري.
• ریموت هاي X-10 با تکنولوژی RF فعالیت می شوند.
• حداکثر تعداد 256 دستگاه توسط پروتکل X-10 قابل کنترل است.
• بر روی تلویزیون و رادیو نویز ایجاد می کند.
• از سیستم هایی که موتور الکتریکی دارند نویز پذیر است.
•  براي حذف نویز مجبور به استفاده از فیلتر هاي متعدد می باشد.

پروتکل مدباس

شبکه ModBus یکی از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند است که کاربرد اولیه آن در استفاده از PLC ها بود. ولی بتدریج بعنوان یک استاندارد ارتباطی پذیرفته شد و بسیاری از سازندگان تجهیزات اتوماسیون آن را پشتیبانی کردند.

در حال حاضر Modbus بصورت یک استاندارد متن باز درآمده است که محصولات سازندگان مختلف به سهولت توسط این پروتکل با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند.

ویژگی ها:

• جهت کاربردهای صنعتی توسعه و گسترش یافته است
• به صورت رایگان منتشر شده است
• گسترش پذیری و نگهداری ساده ای دارد
• اجازه انتقال بیت ها و بایت ها را بدون محدودیت خاصی به تولید کننده دستگاه می دهد

Modbus پروتکل جهت برقراری ارتباط بین تعداد زیادی (تا 247) دستگاه متصل به یک شبکه استفاده می شود، به عنوان مثال دما و رطوبت اندازه گیری شده توسط سنسورها از طریق این پروتکل توسط کنترل کننده مرکزی قرائت می شود.

در حال حاضر محصولات خانه هوشمند گلدور با استاندارد MOD-BUS قابل سفارش هستند. از آن جمله می توان به کلید لمسی هوشمند مد باس و رله هوشمند اشاره کرد.

پروتکل های خانه هوشمند بی سیم

همانطور که در ابتدای مقاله بیان کردیم در حوزه پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند استانداردهای مختلفی معرفی شده اند. همچنین با استفاده از بسترهای ارتباطی مختلف، تولیدکنندگان اقدام به توسعه پروتکل های مختلفی کرده اند.

در ادامه به معرفی مهمترین پروتکل های ارتباط بی سیم پرداخته شده است.

پروتکل  zigbee

یکی از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند است که براي ارتباط بی سیم با فواصل کم استفاده می شود. ZigBee پروتکلی دو سویه است که با مصرف انرژي کم و هزینه پایین بین دستگاه هاي الکتریکی ارتباط برقرار می کند.

به کمک این تکنولوژي کنترل تمامی بخش های ساختمان مانند کنترل دما، میزان رطوبت ، کنترل نور و… می تواند انجام شود.

ویژگی ها:

• استانداردي بر پایه IEEE 802.15.4 است.
• فرکانس کاری آن در محدوده 2.4 گیگا هرتز و و سرعت انتقال آن 250 کیلو بیت بر ثانیه می باشد.
•  پشتیبانی از بیش از 65635 وسیله در هر شبکه.
• انتقال داده ي قابل اطمینان به خاطر شبکه بندي ترکیبی خود ساخته و محکم.
• این پروتکل در شبکه های شخصی (PAN) و کوچک و قدرت پایین مورد استفاده قرار میگیرد.
•  پروتکل zigbee با پسوردهای 128 بیتی رمز گذاری می شود که با شبکه های درختی و ستاره ای و مش پشتیبانی می شوند.

پروتکل Z-Wave

زد ویو یکی دیگر از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند بی سیم است که در درجه اول برای اتوماسیون ساختمان استفاده می شود. این پروتکل برای کنترل محل های مسکونی و مغازه ها و به منظور ارائه یک روش ساده و قابل اعتماد برای کنترل مواردی چون روشنایی، سیستم امنیتی، سینمای خانگی، پنجره های اتوماتیک و … استفاده می شود.

مانند دیگر سیستم های کنترلی موجود در بازار اتوماسیون ساختمان،  زد ویو نیز می تواند از طریق اینترنت و به وسیله یک gateway  یا یک دستگاه کنترل کننده مرکزی کنترل شود.

ویژگی ها:

• پروتکل Z-Wave به صورت بی سیم کار می کند و برای استفاده از آن به هیچ گونه تغییری در سیم کشی ساختمان خود احتیاجی ندارید.
• افزایش محدوده دسترسی مستقیم تا 150 متر.
• استاندارد های جدید برای به روز رسانی سیستم.
• اندازه سخت افزاری کوچک که آنرا براي مجتمع شدن با دیگر وسایل مناسب می کند.
• به دلیل عملکرد این پروتکل بر روي فرکانسی خاص با سایر وسایل بیسیم تداخل ندارد.

پروتکل WIFI

شرکت طراحان فناوری گلدوِر توس با بهره گیری از دانش تیم فنی خود اقدام به توسعه پروتکل ارتباطی خانه هوشمند گلدور بر بستر ارتباط WIFI نموده است.

کلیه ابزارک های موجود در خانه هوشمند گلدور از طریق ارتباط وای فای به اینترنت متصل می شوند. در واقع اینترنت بستر ارتباطی تجهیزات با لایه های مختلف سرور است. کلیه فرآیندهای آدرس دهی، مسیریابی و ذخیره اطلاعات کاربران بر روی سرور انجام می شود. وجود سرور برای سیستم هوشمند سه مزیت اصلی دارد:

1.  با حذف اپلیکیشن، سوختن گوشی و … اطلاعات حساب کاربر از بین نمی رود.
2.  به دلیل امکان ذخیره سازی اطلاعات و ارسال فرمان از سمت سرور، امکان تعریف سناریوهای زمانبندی شده و زمانبندی اجرای دستورات در سیستم وجود دارد.
3.  با توجه به تنظیم آی پی استاتیک بر روی سرور، این سیستم ها نیازی به آی پی استاتیک ندارند. عدم نیاز به آی پی استاتیک دست کاربر را برای استفاده از سرویس دهنده های مختلف اینترنت از جمله اینترنت همراه باز می گزارد.

ویژگی ها

• برای استفاده از تجهیزات خانه هوشمند گلدوِر به هیچ گونه تغییری در سیم کشی ساختمان خود احتیاجی ندارید.
• عدم نیاز به دستگاه واسط و ارتباط مستقیم نودها با اینترنت.
• اندازه سخت افزار کوچک که سبب کوچک بودن تجهیزات نهایی می شود.
• اخذ استاندارد بین المللی IEC در زمینه عدم تداخل امواج ارسالی و دریافتی تجهیزات خانه هوشمند با سایر دستگاه ها.
• نصب راحت و بی دردسر تجهیزات
• عدم وابستگی عملکرد یک نود به سایر تجهیزات

جمع بندی

هریک از پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند نامبرده شده در این مقاله کاربردها و قابلیت های متفاوتی دارند. اما به صورت کلی پروتکل های سیمی برای محیط های صنعتی و مکان های با گستردگی زیاد مانند بیمارستان ها، هتل ها و … مناسب تر است.

اگرچه از این پروتکل ها می توان در خانه هوشمند نیز استفاده کرد اما هزینه این پروتکل ها بالاست.

در سوی دیگر پروتکل های بی سیم هزینه اولیه کمی دارند اما برای مکان های با گستردگی بالا و مکان هایی که نویز در آنجا زیاد است مناسب نیستند.