خدمة الاتصالات ZigBee

في عالم الاتصالات، تتوفر العديد من معايير الاتصال ذات معدل البيانات المرتفع، ولكن لا يفي أي منها بمعايير اتصالات أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم، حيث تحتاج معايير الاتصال عالية معدل البيانات هذه استهلاكاً قليلاً للطاقة ووقت استجابة منخفضاً حتى عند عرض النطاق الترددي المنخفض، ونظام “Zigbee” للأنظمة اللاسلكية المتاحة هي منخفضة التكلفة ومنخفضة استهلاك الطاقة، وخصائصها الممتازة والرائعة تجعل هذا الاتصال الأنسب للعديد من التطبيقات المضمنة والتحكم الصناعي وأتمتة المنزل.

ما هو زيجبي ZigBee؟

نظام “ZigBee”: هي خدمة لاسلكية تم تطويرها كمعيار عالمي مفتوح لتلبية الاحتياجات الفريدة لشبكات إنترنت الأشياء اللاسلكية منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة، حيث يعمل معيار “ZigBee” وفقاً لمواصفات الراديو المادية “IEEE 802.15.4” ويعمل في نطاقات غير مرخصة بما في ذلك “2.4 جيجاهرتز” و”900 ميجاهرتز” و”868 ميجاهرتز”.

تم تصميم اتصالات “ZigBee” خصيصاً لشبكات التحكم وأجهزة الاستشعار لشبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية “WPANs”، وهو منتج من تحالف “Zigbee”، حيث يخصص معيار الاتصال هذا الطبقات المادية وطبقات التحكم في الوصول “MAC”؛ للتعامل مع العديد من الأجهزة بمعدلات بيانات منخفضة كما تعمل شبكات “WPAN” من “Zigbee” بترددات “868 ميجاهرتز” و”902-928 ميجاهرتز” و”2.4 جيجاهرتز”، كما يعتبر معدل البيانات البالغ “250 كيلوبت في الثانية” هو الأنسب لنقل البيانات بشكل دوري، وكذلك متوسط ​​ثنائي الاتجاه بين أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم.

كما أنّ “Zigbee” هي شبكة شبكية منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة منتشرة على نطاق واسع للتحكم في التطبيقات ومراقبتها، حيث تغطي “10-100 متر” داخل النطاق، ونظام الاتصال هذا أقل تكلفة وأبسط من شبكات الاستشعار اللاسلكية قصيرة المدى الأخرى مثل “Bluetooth” و”Wi-Fi”، كما يدعم “Zigbee” تكوينات الشبكة المختلفة للإتقان أو إتقان الاتصالات التابعة، وأيضاً يمكن تشغيله في أوضاع مختلفة نتيجة للحفاظ على طاقة البطارية، حيث أنّ شبكات “Zigbee” قابلة للتمديد باستخدام أجهزة التوجيه وتسمح للعديد من العقد بالاتصال ببعضها البعض لبناء شبكة منطقة أوسع.

في عام 1990م، تم تنفيذ شبكات الراديو الرقمية ذات التنظيم الذاتي، حيث تمت الموافقة على مواصفات “Zigbee”، مثل “IEEE 802.15.4-2003” في عام 2004م، حيث تم إصدار مواصفات 1.0 بواسطة “Zigbee Alliance” في عام 2005م، والتي تسمى مواصفات “ZigBee 2004″، أمّا في عام 2006م تم الإعلان عن مواصفات “Zigbee 2006” عن طريق استبدال بروتوكول “2004”، لذا فإنّ هذه المواصفات تحل بشكل أساسي محل البنية الثنائية للكمية الرئيسية وكذلك الرسالة المستخدمة في حزمة 2004م من خلال الكتلة.

• “WPAN” هي اختصار لـ “Wireless Personal Area Network”.

• “MAC” هي اختصار لـ “medium access control”.

• “IEEE” هي اختصار لـ “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.

آلية عمل نظام Zigbee:

يعمل نظام “Zigbee” مع أجهزة الراديو الرقمية من خلال السماح للأجهزة المختلفة بالتحدث من خلال بعضها البعض، والأجهزة المستخدمة في هذه الشبكة هي جهاز توجيه ومنسق بالإضافة إلى أجهزة طرفية، حيث تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه الأجهزة في توصيل الإرشادات والرسائل من المنسق إلى الأجهزة أحادية الطرف مثل المصباح الكهربائي، وفي هذه الشبكة، يُعد المنسق هو الجهاز الأكثر أهمية الذي يتم وضعه في أصل النظام.

لكل شبكة، يوجد منسق واحد يستخدم لأداء مهام مختلفة، حيث يختارون القناة المناسبة لمسح القناة وكذلك للعثور على القناة الأنسب من خلال الحد الأدنى من التداخل، ويخصصون معرفاً حصرياً بالإضافة إلى عنوان لكل جهاز داخل الشبكة، بحيث يمكن نقل الرسائل بخلاف الإرشادات في الشبكة، كما يتم ترتيب المواجهات بين المنسق بالإضافة إلى الأجهزة الطرفية المسؤولة عن توجيه الرسائل بين العقد المختلفة، وتتلقى أجهزة التوجيه رسائل من المنسق وتخزينها؛ حتى تصبح أجهزتها الطرفية في وضع يسمح لها بالحصول عليها.

يمكن أن تسمح هذه للأجهزة الطرفية الأخرى بالإضافة إلى أجهزة التوجيه بتوصيل الشبكة، حيث يمكن التحكم في المعلومات الصغيرة عن طريق الأجهزة الطرفية من خلال الاتصال بالعقدة الأصلية مثل جهاز التوجيه أو المنسق بناءً على نوع شبكة “Zigbee”، وأجهزة النهاية لا تتحدث مباشرةً من خلال بعضها البعض.

أولاً يمكن توجيه كل حركة البيانات نحو العقدة الأصلية مثل جهاز التوجيه، الذي يحتفظ بهذه البيانات حتى يصبح الطرف المتلقي للجهاز في وضع يسمح له بالحصول عليها من خلال إدراكها، بحيث تُستخدم أجهزة النهاية لطلب أي رسائل تنتظر من الأساس.

أوضاع تشغيل Zigbee:

يتم نقل بيانات “Zigbee” ثنائية الاتجاه في وضعين وضع “Non-beacon” ووضع “Beacon”، حيث في وضع المرشد اللاسلكي “Beacon”، يقوم المنسقون والموجهات بمراقبة الحالة النشطة للبيانات الواردة باستمرار وبعد ذلك يتم استهلاك المزيد من الطاقة، وفي هذا الوضع لا تنام أجهزة التوجيه والمنسقون لأنّه في أي وقت يمكن لأي عقدة أن تتنشط وتتواصل، ومع ذلك فهو يتطلب مزيداً من الإمداد بالطاقة ويكون استهلاكه الإجمالي للطاقة منخفضاً؛ لأن معظم الأجهزة في حالة غير نشطة لفترات طويلة في الشبكة.

في وضع المرشد، عندما لا يكون هناك اتصال بيانات من الأجهزة الطرفية، كما تدخل أجهزة التوجيه والمنسقون في حالة السكون، وبشكل دوري يتنشط هذا المنسق وينقل الإشارات إلى أجهزة التوجيه في الشبكة، حيث تعمل شبكات “Beacon” هذه لفترات زمنية، ممّا يعني أنّها تعمل عندما يؤدي الاتصال المطلوب إلى دورات عمل أقل واستخدام أطول للبطارية، كما يمكن لهذه الأوضاع “Non-beacon” و”Beacon” في “Zigbee” إدارة أنواع البيانات الدورية أي بيانات المستشعرات والمتقطعة أي مفاتيح الإضاءة وأنواع البيانات المتكررة.

مزايا نظام Zigbee:

• تمتلك الشبكة بنية شبكة مرنة.

• عمر البطارية جيد.

• استهلاك الطاقة أقل.

• بسيط جداً لإصلاح.

• يدعم ما يقرب من 6500 عقدة.

• اقل تكلفة.

• أكثر موثوقية.

• إعداد الشبكة سهل جداً وبسيط أيضاً.

• يتم توزيع الأحمال بالتساوي عبر الشبكة؛ لأنّها لا تتضمن وحدة تحكم مركزية.

• مراقبة الأجهزة المنزلية والتحكم فيها أمر بسيط للغاية باستعمال جهاز التحكم عن بعد.

• الشبكة قابلة للتطوير ومن السهل إضافة أي جهاز “ZigBee” البعيد إلى الشبكة.

عيوب نظام Zigbee:

• يحتاج إلى معلومات النظام للتحكم في الأجهزة القائمة على “Zigbee” للمالك.

• بالمقارنة مع “Wi-Fi“، فهي ليست آمنة.

• تكلفة الاستبدال المرتفعة بمجرد حدوث أي مشكلة داخل الأجهزة المنزلية القائمة على “Zigbee”.

• معدل انتقال “Zigbee” أقل.

• لا يشمل العديد من الأجهزة الطرفية.

• من الخطورة للغاية استخدامها للمعلومات الرسمية الخاصة.

• لا يتم استخدامه كنظام اتصال لاسلكي خارجي؛ لأنّه يحتوي على حد تغطية أقل.

• على التماثل مع الأنواع الأخرى من الأنظمة اللاسلكية، فإنّ نظام الاتصالات “ZigBee” هذا عرضة للإزعاج من الأشخاص غير المصرح لهم.

تطبيقات نظام Zigbee:

أولاً: الأتمتة الصناعية:

في صناعات التصنيع والإنتاج، يراقب رابط الاتصال باستمرار مختلف المعلمات والمعدات الحيوية، وبعد ذلك إنّ “Zigbee” يقلل بشكل كبير من تكلفة الاتصال هذه بالإضافة إلى تحسين عملية التحكم لزيادة الموثوقية.

ثانياً: أتمتة المنزل:

تُعتبر “Zigbee” مناسبة تماماً للتحكم في الأجهزة المنزلية عن بُعد كجهاز تحكم في نظام الإضاءة والتحكم في الأجهزة والتحكم في نظام التدفئة والتبريد وعمليات معدات السلامة والتحكم والمراقبة.

ثالثاً: القياس الذكي:

تشمل عمليات “Zigbee” عن بُعد في القياس الذكي الاستجابة لاستهلاك الطاقة ودعم التسعير والأمن عبر سرقة الطاقة.

رابعاً: مراقبة الشبكة الذكية:

تتضمن عمليات “Zigbee” في الشبكة الذكية مراقبة درجة الحرارة عن بُعد وتحديد موقع الخطأ وإدارة الطاقة التفاعلية، كما يُستخدم نظام “ZigBee” لبناء مشاريع هندسية مثل نظام الحضور ببصمة الإصبع اللاسلكي وأتمتة المنزل، حيث يتعلق هذا كله بوصف موجز لبنية نظام “Zigbee” وأنماط العمليات والتكوينات والتطبيقات.