ما هي تقنية ZigBee وكيف تعمل؟

ما هو ZigBee؟

ZigBee هو بروتوكول اتصال لاسلكي مشترك واسع الاستخدام على نطاق واسع في إنترنت الأشياء (IoT) وبروتوكول الاتصال من آلة إلى آلة (M2M) التطبيقات. الغرض الرئيسي من إعداد تقنية لاسلكية منخفضة المعدل هو تحقيق أجهزة منخفضة الطاقة من طرف إلى طرف. يعتمد معيار ZigBee اللاسلكي على معيار شبكة المنطقة الشخصية IEEE 802.15.4. وهي تعمل في الطيف غير المرخص من النطاقات 2.4 GHz و900 MHz و868 MHz. بصرف النظر عن المعدل المنخفض، سيكون لأجهزة ZigBee استهلاك أقل للطاقة، مما يجعلها تتمتع بعمر بطارية طويل. هذا هو المكان الذي ستتمتع فيه أجهزة ZigBee بمزاياها مقارنةً بالتقنيات اللاسلكية قصيرة المدى المماثلة مثل بلوتوث وWi-Fi. نظرًا لأن أجهزة Wi-Fi وBluetooth تتمتع بعمر بطارية طويل جدًا مقارنة بأجهزة ZigBee. يتراوح نطاق تشغيل أجهزة ZigBee من 10 أمتار إلى 100 متر. تم تقديم اقتراح ZigBee من قبل تحالف يعرف باسم تحالف ZigBee الذي تم تأسيسه في عام 2002 تقريبًا. ثم، في عام 2005، تم الإعلان عن ZigBee 1.0 كشبكة منطقة شخصية لاسلكية (شبكة WPAN) القياسية. عندما يتعلق الأمر بالمخاوف الأمنية، تتمتع ZigBee بمزاياها الخاصة على منافسيها مثل Wi-Fi. مع كل هذه الميزات الواعدة، تُستخدم ZigBee على نطاق واسع في العديد من القطاعات والتطبيقات وتكتسب شعبية كبيرة في السوق.

شبكات ZigBee

قبل الغوص في أساسيات شبكات ZigBee، من الجدير بالذكر تحديد عدة أنواع من عقد ZigBee. تحتوي كل شبكة ZigBee على منسق واحد على الأقل وعدد قليل من أجهزة التوجيه والعديد من الأجهزة الطرفية. يحتوي المنسق على الميزات التالية:

• لا ينبغي أن يكون خاملاً في أي موقف معين
• يقوم بتهيئة الشبكة عن طريق تحديد القناة ومعرف PAN
• يقوم بتوجيه البيانات في الشبكة ويسمح لأجهزة التوجيه والأجهزة الطرفية بالانضمام إلى الشبكة

يحتوي جهاز التوجيه على الميزات التالية:

• من الضروري أن ينضم جهاز التوجيه إلى الشبكة قبل إرسال البيانات واستقبالها
• يقوم بتوجيه البيانات في الشبكة
• يجب ألا يكون خاملاً

يحتوي الجهاز النهائي على الميزات التالية:

• يمكن أن ينتقل إلى وضع السكون عندما لا يقوم بإرسال البيانات
• يمكنه إرسال البيانات واستقبالها فقط من خلال أصله فقط

بعد أن حددنا الآن المكونات الرئيسية لشبكة ZigBee، سنناقش بعد ذلك طوبولوجيا الشبكات المختلفة في شبكة ZigBee. يمكن تحقيق شبكة ZigBee باستخدام طوبولوجيا النجمة، حيث يكون منسق ZigBee هو عنصر التحكم المركزي. ستجمع هذه العقدة المركزية جميع المعلومات من جميع عقد الاستشعار المتصلة. طوبولوجيا الشجرة هي طوبولوجيا أخرى مشهورة لشبكة ZigBee. تتبع هذه الطوبولوجيا هيكل الشجرة والفرع والأوراق. يمكن تحقيق شبكة ZigBee باستخدام طوبولوجيا الشبكة أيضًا. ومع ذلك، نظرًا لأن الأجهزة الطرفية فقط هي القادرة على النوم فقط، لا يمكن أن تكون شبكات ZigBee حقيقية الشبكات المتداخلة. لذلك، يتم استخدام بروتوكول يُعرف باسم "DigiMesh" لتحقيق الشبكات الشبكية.

بنية ZigBee

تتكون بنية ZigBee من خمس طبقات رئيسية. وهي (من الأسفل إلى الأعلى):

1. الطبقة الفيزيائية

يتم تعريف هذه الطبقة في إطار معيار IEE 802.15.4 WPAN القياسي. وتتمثل مسؤوليتها الرئيسية في التحكم في جهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي وإرسال النطاقات والمعلومات المشتركة في شكل حزم بيانات بين الأجهزة المختلفة.

2. طبقة التحكم في الوصول المتوسط (MAC)

تعمل هذه الطبقة كطبقة وسيطة بين طبقة الشبكة والطبقة المادية. يتم تعريف طبقة MAC أيضاً في معيار IEE 802.15.4 WPAN القياسي. وهي مسؤولة أيضاً عن نقل إطارات الإشارات للمزامنة.

3. طبقة الشبكة

يتم تعريف هذه الطبقة في مواصفات ZigBee. وهي تتعامل مع جميع عمليات الشبكة. ويشمل ذلك:

• إعداد الشبكة
• إنهاء توصيل الجهاز وفصله
• التوجيه
• تكوين الجهاز

4. الطبقة الفرعية لدعم التطبيقات

توفر هذه الطبقة خدمات للأجهزة الطرفية للتفاعل مع طبقة الشبكة. يتم توفير هذه الخدمات بواسطة كيان بيانات دعم التطبيقات وكيان إدارة دعم التطبيقات.

5. طبقة التطبيقات

هذه هي الطبقة الأخيرة والأعلى في بنية ZigBee. وهي تضم تطبيقات المستخدم وكائنات أجهزة ZigBee (ZDOs). تعتبر ZDOs مسؤولة عن توفير واجهة بين كائنات التطبيق والطبقة الفرعية لدعم التطبيقات في أجهزة ZigBee. وهي مسؤولة أيضاً عن ربط الأجهزة الجديدة وإزالة الأجهزة الموجودة من الشبكة.

متى تفكر في ZigBee؟

قبل تحديد سبب كون ZigBee مرشحًا رائعًا لتطبيق التصميم الخاص بك. أولاً، لننظر أولاً في بعض مواصفات ZigBee المتاحة في السوق. هناك ثلاث مواصفات رئيسية لـ ZigBee، وهي

• ZigBee Pro: يوفر هذا النظام اتصالاً مشتركاً منخفض الطاقة من جهاز إلى جهاز mmunication. كما يوفر ميزة "الطاقة الخضراء" الجديدة، حيث يتم تشجيع الأجهزة التي تعمل بالطاقة الذاتية من خلال حصاد الطاقة.
• ZigBee RF4CE: هذه مواصفات ZigBee بسيطة، حيث لا يحتاج المستخدم إلى إمكانية الربط الشبكي الشبكي المعقد في معيار ZigBee.
• ZigBee IP: توفر هذه المواصفات شبكات لاسلكية متداخلة كاملة قائمة على IPv6.

يعتبر ZigBee مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة، مع وجود عدد هائل من الأجهزة المتصلة ببعضها البعض. ZigBee ليس مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب معدلات بيانات عالية وهي مناسبة أكثر للمسافات التي تتراوح بين 1 م - 100 م. كما أنها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية. تتحقق الموثوقية العالية من خلال شبكات ZigBee Mesh. ميزة أخرى مثيرة للاهتمام لشبكة ZigBee Mesh هي قدرتها على الشفاء الذاتي. يمكن أن تساعد قدرة الشفاء الذاتي هذه الشبكة على إصلاح نفسها تلقائيًا مع البيئة المتغيرة. كما تم تجهيز ZigBee أيضًا بتشفير AES-128-CCM عبر الأثير لتأمين الاتصال الشبكي المشترك1TP14.

مزايا وعيوب ZigBee ومساوئه

دعنا نقارن ZigBee مع حلول ZigBee الأخرى الأكثر رواجًا في مجال إنترنت الأشياء وشبكات WPAN من آلة إلى آلة.

تطبيقات ZigBee

يُستخدم ZigBee في مختلف القطاعات والصناعات في العالم الحديث بسبب انخفاض استهلاك الطاقة وزيادة شعبيته. تزداد شعبية ZigBee بشكل متزايد حيث ينمو تحالف ZigBee يومًا بعد يوم مما يجعل الأجهزة المختلفة قابلة للتشغيل البيني مع بعضها البعض. بعض مجالات التطبيق الرئيسية التي يتم فيها نشر ZigBee هي:

• الأجهزة الذكية: وتشمل الأجهزة المنزلية الذكية وأجهزة المراقبة الصحية الذكية. وهي تقتصر على مساحة شخصية معينة حيث تكون هناك حاجة إلى مراقبة الأجهزة والتحكم فيها.
• أنظمة الإضاءة الذكية: ستدير هذه الأنظمة اختلافات الإضاءة في مساحة معينة من خلال التحكم في اختراق الضوء إما عن بُعد أو باستخدام تطبيقات داخلية.
• أنظمة إدارة الطاقة الذكية: وتشمل العدادات الذكية وأجهزة تتبع الطاقة الشمسية الذكية التي من شأنها أن تساعد المستخدم على مراقبة المتغيرات المهمة في البيئة والمرافق والتحكم فيها.
• مساحات التسوق الذكية: يمكن لمحلات السوبر ماركت الذكية ومتاجر البيع بالتجزئة استخدام أجهزة استشعار وأجهزة قائمة على ZigBee لتشغيل نظام ذاتي. ويشمل ذلك عربات التسوق الذكية والرفوف الإلكترونية.
• أنظمة وقوف السيارات الذكية: يمكن استخدام ZigBee للحفاظ على مكان وقوف السيارات بشكل فعال لتعزيز متطلبات المستخدم.

الخاتمة

في الختام، يمكننا القول إن ZigBee مرشح مثالي لشبكات WPAN التي تتطلب طاقة منخفضة ومعدلات بيانات منخفضة. ومع تزايد عدد المنظمات والصناعات التي تنضم إلى تحالف ZigBee، فهي تقنية واعدة للمستقبل.