پروتکل‌های اتوماسیون خانگی در عصر اینترنت اشیا

باید توجه داشت که اتوماسیون خانگی موضوع جدیدی نیست، زیرا لامپ‌های هوشمند و تجهیزات مبتنی بر تایمر مدت‌هاست که در بازار به فروش می‌رسند. با این حال، رشد و گسترش IoT از یک سو و الگوریتم‌های هوش مصنوعی از سوی دیگر، ابعاد تازه‌ای به این حوزه بخشیده‌اند. امروزه، خانه‌های هوشمند با کمترین دخالت کاربر قابلیت مانیتورینگ و کنترل پیدا کرده‌اند. انتظار می‌رود فناوری‌های مرتبط با این موضوع همچون تشخیص چهره و فرمان صوتی جایگاه مهم‌تری در صنعت پیدا کنند. البته تمرکز ما در این نوشتار، روی پروتکل‌های شبکه خواهد بود و بحث درباره سایر ابعاد اتوماسیون خانگی در این مختصر نمی‌گنجد.

اتوماسیون خانگی با زیگبی

پروتکل زیگبی (ZigBee)، از فناوری‌های مهم در حوزه اتوماسیون خانگی به شمار می‌آید. این پروتکل، به ساده بودن در بهره‌برداری و سازگاری با نسخه‌های قبلی خود مشهور است. همچنین زیگبی یک فناوری با مصرف توان کم محسوب می‌شود. در همین راستا طراحان زیگبی ادعا می‌کنند که با روی آوردن به این فناوری هفت سال به عمر باتری حسگرهای هوشمند افزوده می‌شود. این موضوع بیش از آنکه از لحاظ مصرف انرژی اهمیت داشته باشد، از این باب اهمیت دارد که کاربر را از تعویض باتری حسگر بی‌نیاز می‌کند. در ادامه برخی از ویژگی‌های پروتکل زیگبی آورده شده است:

- امکان دسترسی از راه دور به تجهیزات خانه هوشمند
- مدیریت و کنترل توان هوشمند برای تجهیزات پشتیبانی شده
- امکان نصب افزونه‌ها و پروتکل‌های امنیتی اضافی

لایه فیزیکی و لایه MAC پروتکل زیگبی بر پایه استاندارد IEEE 802.15.4 مخصوص شبکه‌های ناحیه شخصی کم‌توان بنا شده است. با این حال، در لایه شبکه سازوکار مخصوص به خود را دارد و از توپولوژی ستاره‌ای، درختی یا مش بهره می‌برد تا ارتباط اشیا و گره مرکزی برقرار شود. در شکل زیر یک شبکه زیگبی فرضی دیده می‌شود که در آن روترها (که خودشان نیز یک شیء هستند) ارتباط اشیای دیگر را با کنترل‌کننده برقرار می‌سازند. بدیهی است که خطوط رسم‌شده به لینک‌های بی‌سیم اشاره دارند. (شکل یک)

شکل 1

اتوماسیون خانگی با وای‌فای

فناوری وای‌فای یک گزینه بسیار مورد توجه در شبکه‌های محلی (LAN) محسوب می‌شود. امروزه، در بسیاری از خانه‌ها و سازمان‌ها از این فناوری برای دسترسی کاربران به اینترنت به صورت بی‌سیم استفاده می‌شود. اما وای‌فای می‌تواند یک گزینه احتمالی برای اتوماسیون خانگی باشد. این فناوری چندین مزیت عمده دارد: اول توانایی انتقال داده با نرخ بالا (بسیار بیشتر از پروتکل زیگبی که در بخش قبلی بحث شد) و دوم قابلیت رمزنگاری AES 256بیتی که امنیت بالایی را فراهم می‌سازد.
اما نقاط ضعف وای‌فای که محبوبیت آن را در اتوماسیون خانگی کاهش می‌دهد، چیست؟ اول اینکه قدرت امواج آن در عبور از موانع چندان زیاد نیست. به عنوان شاهدی بر این مدعا، احتمالاً شما نیز دردسرهای ناشی از نقاط کور وای‌فای در خانه یا سازمان خود را تجربه کرده‌اید! مودم‌هایی که در شماره نوروزی (شماره 203) امسال ماهنامه شبکه معرفی شده‌اند، به کمک فناوری‌هایی نظیر MIMO با یکدیگر در حذف نقاط کور رقابت دارند. ایراد دوم وای‌فای، مصرف توان بالای آن به خصوص در نسخه‌های متداول‌تر همچون 802.11n است. در واقع هر دو ایراد از فلسفه طراحی وای‌فای ناشی می‌شوند که در اصل برای کاربران انسانی با نیاز به نرخ بالا طراحی شده است.
نهاد استانداردسازی وای‌فای موسوم به Wi-Fi Alliance به تازگی یک نسخه جدید به نام 802.11ah (Wi-Fi HaLow) معرفی کرده که مخصوص اینترنت اشیا طراحی شده است. یکی از مزیت‌های این نسخه در مقایسه با نسخه‌های دیگر وای‌فای برخوردار بودن از برد پوشش‌دهی بالا (یک کیلومتر در حالت ایده‌آل) است. این فناوری جدید در فرکانس آزاد 900 مگاهرتز کار می‌کند. می‌دانیم که نسخه‌های معمول وای‌فای در فرکانس 2400 یا 5000 مگاهرتز کار می‌کنند. نکته قابل توجه اینکه هر چه فرکانس ارتباط بی‌سیم کاهش یابد، حداکثر نرخ انتقال اطلاعات کاهش یافته و در عوض توانایی عبور از موانع افزایش می‌یابد. بنابراین، فرکانس‌های زیر یک گیگاهرتز (اصطلاحاً فرکانس‌های sub-Gig) برد بیشتری دارند. (شکل دو)

شکل 2

علاوه بر فرکانس کاری 900 مگاهرتز، نسخه جدید وای‌فای قابلیت‌های دیگری همچون استفاده از رله و بهبود در مکانیزم حفظ توان دارد که در مجموع آن را برای اتوماسیون خانگی مناسب می‌سازد. البته باید در عمل دید که اقبال بازار به این فناوری چه خواهد بود.

مطلب پیشنهادی

نگاهی به درس «مبانی اینترنت اشیا» برای دانشجویان کارشناسی

مبانی اینترنت اشیا: توانمندسازی دانشجویان برای عصر هوشمند

اتوماسیون خانگی با بلوتوث

فناوری بلوتوث نیز همچون وای‌فای برای همگان نام‌آشنا است. با این حال برد کوتاه بلوتوث استفاده از آن را برای کاربردهای اینترنت اشیا محدود ساخته است. البته حامیان بلوتوث نیز همانند حامیان استاندارد وای‌فای بیکار ننشسته و سعی کرده‌اند نسخه‌ای جدید از بلوتوث ارائه کنند که محدودیت‌های کمتری داشته باشد. نسخه جدید، بلوتوث 5 نام دارد که در شماره 200 ماهنامه شبکه (دی ماه 96) در نوشتاری در مورد آن توضیح داده شده و توپولوژی مش در نسخه جدید بلوتوث (بر خلاف توپولوژی ستاره‌ای معمول در شبکه‌های بلوتوث) مورد بحث قرار گرفته است. توپولوژی مش برقراری ارتباط را بین تجهیزاتی را که لینک مستقیم بین آن‌ها ضعیف است، امکان‌پذیر می‌سازد.
همچنین قابلیت beaconing نیز در بلوتوث 5 ارتقاء یافته است. beaconing یک راه برای تبادل پیام‌های خیلی کوتاه بین دستگاه‌های مجهز به بلوتوث یا ردیابی آن‌ها است، بدون اینکه نیاز به جفت کردن (pairing) دستگاه‌ها باشد. این قابلیت می‌تواند برای اتوماسیون خانگی مفید باشد، به این ترتیب که امکان ارسال اطلاعات حسگرها به کنترل‌کننده مرکزی با مصرف انرژی بسیار پایین را فراهم می‌آورد. نکته دیگر در خصوص بلوتوث 5 افزودن امکاناتی به آن است تا بتواند در کنار سایر شبکه‌های روی فرکانس آزاد فعالیت کند و روی آن‌ها تداخلی ایجاد نکند. تکنیکی که به کار گرفته شده به طور ساده اینگونه کار می‌کند که فرستنده بلوتوث فرکانس‌های مورد استفاده در محیط را توسط شبکه‌های مخابرات سلولی پایش کرده و از ارسال اطلاعات روی آنها خودداری می‌کند. نکته آخر در خصوص بلوتوث امنیت نسبتاً ضعیف آن است که راه را برای حملاتی از جمله شنود اطلاعات (با توجه به استفاده از پروتکل AES 128بیتی که نقاط ضعفی دارد)، حمله مردی در میان (MITM) و جعل هویت باز می‌گذارد. به نظر می‌رسد این ایرادها در نسخه جدید بلوتوث برطرف شده باشد.

جدول 1

اتوماسیون خانگی با 6LoWPAN

نام این فناوری از ترکیب نام‌های استاندارد IPv6 و شبکه‌های ناحیه‌شخصی کم‌توان (LoWPAN) برداشته شده است. این پروتکل می‌تواند اطلاعات را به صورت بی‌سیم بر پایه اینترنت منتقل سازد و منحصرا برای تجهیزات بسیار ساده در IoT طراحی شده است. از جمله کاربردهایی که برای 6LoWPAN تعریف شده این موارد را می‌توان برشمرد: کنتورهای هوشمند، تجهیزات خانه هوشمند (لامپ، ترموستات و ...) و هر تجهیز کم‌توان دیگر.

پروتکل Thread برای اینترنت اشیا

Thread مجموعه‌ای از پروتکل‌های باز برای خانه هوشمند است که نخستین بار از سوی گوگل پیشنهاد شد و در سال 2015 نخستین نسخه از آن به تصویب رسید. این فناوری همچون 6LoWPAN بر بستر IP نسخه 6 کار می‌کند. پشته پروتکلی Thread در شکل 3 قابل مشاهده است. در لایه فیزیکی و MAC همانند زیگبی از استاندارد IEEE 802.15.4 مخصوص شبکه‌های ناحیه شخصی کم‌توان استفاده شده است. در مسیریابی آن از مسیریابی بردار فاصله که یک پروتکل ساده محسوب می‌شود بهره برده شده و پروتکل لایه انتقال آن نیز UDP است. (شکل سه)

شکل 3

در طراحی Thread به این موارد توجه شده است: سادگی در نصب و راه‌اندازی، امنیت بالا، مقیاس‌پذیر بودن و برد پوشش‌دهی بالا. نمایی از یک شبکه Thread در شکل 4 قابل مشاهده است که تا حدی به شبکه زیگبی (شکل 1) شباهت دارد. اما در این پروتکل به جز روتر، یک نقش دیگر موسوم به لیدر (Leader) برای گره‌ها در نظر گرفته شده که وظایف بیشتری دارد. جزییات فراوانی در خصوص پروتکل Thread به خصوص در ارتباط با آدرس‌دهی و مسیریابی وجود دارد که از ذکر آن صرف‌نظر می‌کنیم. (شکل چهار)

شکل 4

جمع‌بندی و مقایسه

فناوری‌هایی که در این نوشتار مورد توجه قرار گرفته‌اند، از بین شمار زیادی از گزینه‌ها شایستگی بیشتری دارند. با این حال خواننده علاقه‌مند می‌تواند در زمینه فناوری‌هایی همچون ANT، Insteon و EnOcean مطالعه کند. لازم به ذکر است شبکه‌های موبایل (به ویژه LTE و شبکه موبایل نسل پنجم یا 5G) از گزینه‌های جدی برای پیاده‌سازی اینترنت اشیا محسوب می‌شوند. به ویژه اینکه ارتباطات ماشین به ماشین (که ویژگی بارز IoT است) در طراحی 5G کاملاً لحاظ شده است. منتها این فناوری در فرکانس انحصاری کار می‌کند، در نتیجه برای اتوماسیون خانگی بر بستر شبکه موبایل به اپراتورهای موبایل نیاز خواهد بود و پیاده‌سازی مستقل آن امکان‌پذیر نیست.
در پایان، مراجعه به جدول یک سودمند خواهد بود که در این جدول بین فناوری‌های ذکر شده در این نوشتار مقایسه‌ای انجام شده است.