هندسة تكنولوجيا ZigBee وتطبيقاتها

في عالم الاتصالات الحالي هذا ، تتوفر العديد من معايير الاتصال ذات معدل البيانات المرتفع ، ولكن لا يفي أي منها بمعايير اتصالات أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم. تتطلب معايير الاتصال عالية معدل البيانات هذه استهلاكًا منخفضًا للطاقة ووقت استجابة منخفضًا حتى عند عرض النطاق الترددي المنخفض. تقنية Zigbee للأنظمة اللاسلكية المتاحة منخفضة التكلفة ومنخفضة استهلاك الطاقة وخصائصها الممتازة والرائعة تجعل هذا الاتصال الأنسب العديد من التطبيقات المضمنة والتحكم الصناعي وأتمتة المنزل وما إلى ذلك. يتراوح نطاق تقنية Zigbee لمسافات النقل بشكل أساسي من 10 إلى 100 متر بناءً على خرج الطاقة بالإضافة إلى الخصائص البيئية.

ما هي تقنية Zigbee؟

تم تصميم اتصالات Zigbee خصيصًا لشبكات التحكم والاستشعار وفقًا لمعيار IEEE 802.15.4 لشبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPAN) ، وهو منتج من تحالف Zigbee. هذه معيار الاتصال يحدد الطبقات المادية وطبقات التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) للتعامل مع العديد من الأجهزة بمعدلات بيانات منخفضة. تعمل شبكات WPAN من Zigbee بترددات 868 ميجاهرتز و 902-928 ميجاهرتز و 2.4 جيجاهرتز. يعتبر معدل البيانات البالغ 250 كيلوبت في الثانية هو الأنسب لنقل البيانات بشكل دوري وكذلك متوسط ​​ثنائي الاتجاه بين أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم.

ما هي تقنية Zigbee؟

Zigbee هي شبكة شبكية منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة منتشرة على نطاق واسع للتحكم في التطبيقات ومراقبتها حيث تغطي 10-100 متر داخل النطاق. نظام الاتصال هذا أقل تكلفة وأبسط من نظام الملكية قصير المدى الآخر شبكات الاستشعار اللاسلكية مثل Bluetoot ح وواي فاي.

مودم زيجبي

يدعم Zigbee تكوينات الشبكة المختلفة للسيد لإتقان أو إتقان الاتصالات التابعة. وأيضًا ، يمكن تشغيله في أوضاع مختلفة نتيجة للحفاظ على طاقة البطارية. شبكات Zigbee قابلة للتمديد باستخدام أجهزة التوجيه وتسمح للعديد من العقد بالاتصال ببعضها البعض لبناء شبكة منطقة أوسع.

تاريخ تقنية زيجبي

في عام 1990 ، تم تنفيذ شبكات الراديو الرقمية ذات التنظيم الذاتي. تمت الموافقة على مواصفات Zigbee مثل IEEE 802.15.4-2003 في عام 2004 ، في 14 ديسمبر. تم الإعلان عن المواصفات 1.0 بواسطة Zigbee Alliance في عام 2005 ، في 13 يونيو ، والتي تسمى مواصفات ZigBee 2004.

مكتبة الكتلة

في عام 2006 ، سبتمبر ، تم الإعلان عن مواصفات Zigbee 2006 عن طريق استبدال مكدس 2004. لذا فإن هذه المواصفات تحل بشكل أساسي محل بنية الزوج للقيمة الرئيسية وكذلك الرسالة المستخدمة في حزمة 2004 من خلال مكتبة الكتلة.

تتضمن المكتبة مجموعة من الأوامر المتسقة ، المخطط لها أسفل مجموعات تسمى المجموعات بأسماء مثل أتمتة المنزل والطاقة الذكية ورابط الضوء من ZigBee. في عام 2017 ، تمت إعادة تسمية المكتبة بـ Dotdot بواسطة Zigbee Alliance وتم الإعلان عنها كبروتوكول جديد. لذلك ، عملت Dotdot هذه مع جميع أجهزة Zigbee تقريبًا باعتبارها طبقة التطبيق الافتراضية.

زيجبي برو

في عام 2007 ، تم الانتهاء من Zigbee Pro مثل Zigbee 2007. إنه نوع واحد من الأجهزة التي تعمل على شبكة Zigbee القديمة. نظرًا للتفاوتات في خيارات التوجيه ، يجب أن تتحول هذه الأجهزة إلى ZEDs بدون توجيه أو أجهزة Zigbee الطرفية (ZEDs) على شبكة Zigbee القديمة. يجب أن تتحول أجهزة Zigbee القديمة إلى أجهزة Zigbee النهائية على شبكة Zigbee Pro. إنه يعمل من خلال نطاق 2.4 جيجا هرتز ISM ويتضمن أيضًا نطاقًا فرعيًا.

كيف تعمل تقنية زيجبي؟

تعمل تقنية Zigbee مع أجهزة الراديو الرقمية من خلال السماح للأجهزة المختلفة بالتحدث من خلال بعضها البعض. الأجهزة المستخدمة في هذه الشبكة هي جهاز توجيه ومنسق بالإضافة إلى أجهزة طرفية. تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه الأجهزة في توصيل الإرشادات والرسائل من المنسق إلى الأجهزة أحادية الطرف مثل المصباح الكهربائي.

في هذه الشبكة ، يعد المنسق هو الجهاز الأكثر أهمية الذي يتم وضعه في أصل النظام. لكل شبكة ، يوجد منسق واحد يستخدم لأداء مهام مختلفة. يختارون القناة المناسبة لمسح القناة وكذلك للعثور على القناة الأنسب من خلال الحد الأدنى من التداخل ، ويخصصون معرفًا حصريًا بالإضافة إلى عنوان لكل جهاز داخل الشبكة بحيث يمكن نقل الرسائل بخلاف الإرشادات في الشبكة .

يتم ترتيب الموجهات بين المنسق بالإضافة إلى الأجهزة الطرفية المسؤولة عن توجيه الرسائل بين العقد المختلفة. تتلقى أجهزة التوجيه رسائل من المنسق وتخزنها حتى تصبح أجهزتها الطرفية في وضع يسمح لها بالحصول عليها. يمكن أن تسمح هذه أيضًا للأجهزة الطرفية الأخرى وكذلك أجهزة التوجيه بتوصيل الشبكة

في هذه الشبكة ، يمكن التحكم في المعلومات الصغيرة عن طريق الأجهزة الطرفية من خلال الاتصال بالعقدة الأصلية مثل جهاز التوجيه أو المنسق بناءً على نوع شبكة Zigbee. أجهزة النهاية لا تتحدث مباشرة من خلال بعضها البعض. أولاً ، يمكن توجيه كل حركة المرور نحو العقدة الأصلية مثل جهاز التوجيه ، الذي يحتفظ بهذه البيانات حتى يصبح الطرف المتلقي للجهاز في وضع يسمح له بالحصول عليها من خلال إدراكها. تُستخدم أجهزة النهاية لطلب أي رسائل تنتظر من الوالد.

العمارة زيجبي

يتكون هيكل نظام Zigbee من ثلاثة أنواع مختلفة من الأجهزة مثل Zigbee Coordinator و Router و End device. يجب أن تتكون كل شبكة Zigbee من منسق واحد على الأقل يعمل كجذر وجسر للشبكة. المنسق مسؤول عن معالجة وتخزين المعلومات أثناء إجراء عمليات استلام ونقل البيانات.

تعمل أجهزة توجيه Zigbee كأجهزة وسيطة تسمح للبيانات بالمرور من خلالها إلى الأجهزة الأخرى. تتمتع الأجهزة الطرفية بوظائف محدودة للاتصال بالعقد الأصلية مثل حفظ طاقة البطارية كما هو موضح في الشكل. يعتمد عدد أجهزة التوجيه والمنسقين والأجهزة النهائية على نوع الشبكات مثل الشبكات النجمية والشجرية والشبكات المعشقة.

تتكون بنية بروتوكول Zigbee من كومة من طبقات مختلفة حيث IEEE 802.15.4 يتم تعريفه بواسطة الطبقات المادية وطبقات MAC أثناء اكتمال هذا البروتوكول من خلال تجميع شبكة Zigbee وطبقات التطبيق الخاصة بها.

هندسة تقنية ZigBee

الطبقة المادية : تقوم هذه الطبقة بعمليات التشكيل وإزالة التشكيل عند إرسال الإشارات واستقبالها على التوالي. ترد أدناه هذه الطبقة التردد ومعدل البيانات وعدد من القنوات.

طبقة MAC : هذه الطبقة مسؤولة عن الإرسال الموثوق للبيانات عن طريق الوصول إلى شبكات مختلفة مع تجنب تصادم الوصول المتعدد لاستشعار الموجة الحاملة (CSMA). ينقل هذا أيضًا إطارات المنارة لمزامنة الاتصال.

طبقة الشبكة : تهتم هذه الطبقة بجميع العمليات المتعلقة بالشبكة مثل إعداد الشبكة ، واتصال الجهاز النهائي ، وقطع الاتصال بالشبكة ، والتوجيه ، وتكوينات الجهاز ، إلخ.

طبقة فرعية لدعم التطبيق : تتيح هذه الطبقة الخدمات اللازمة لكائنات جهاز Zigbee وكائنات التطبيق للتفاعل مع طبقات الشبكة لخدمات إدارة البيانات. هذه الطبقة مسؤولة عن مطابقة جهازين وفقًا لخدماتهم واحتياجاتهم.

إطار تطبيق : يوفر نوعين من خدمات البيانات كزوج ذي قيمة رئيسية وخدمات رسائل عامة. الرسالة العامة عبارة عن بنية يحددها المطور ، بينما يتم استخدام زوج المفتاح والقيمة للحصول على سمات داخل كائنات التطبيق. يوفر ZDO واجهة بين كائنات التطبيق وطبقة APS في أجهزة Zigbee. وهي مسؤولة عن اكتشاف وبدء وربط الأجهزة الأخرى بالشبكة.

أوضاع تشغيل Zigbee وتخطيطاتها

يتم نقل بيانات Zigbee ثنائية الاتجاه في وضعين: وضع Non-beacon ووضع Beacon. في وضع المرشد ، يقوم المنسقون والموجهات بمراقبة الحالة النشطة للبيانات الواردة باستمرار ومن ثم يتم استهلاك المزيد من الطاقة. في هذا الوضع ، لا تنام أجهزة التوجيه والمنسقون لأنه في أي وقت يمكن لأي عقدة أن تستيقظ وتتواصل.

ومع ذلك ، فهو يتطلب مزيدًا من الإمداد بالطاقة ويكون استهلاكه الإجمالي للطاقة منخفضًا لأن معظم الأجهزة في حالة غير نشطة لفترات طويلة في الشبكة. في وضع المرشد ، عندما لا يكون هناك اتصال بيانات من الأجهزة الطرفية ، تدخل أجهزة التوجيه والمنسقون في حالة السكون. بشكل دوري ، يستيقظ هذا المنسق وينقل الإشارات إلى أجهزة التوجيه في الشبكة.

تعمل شبكات المنارة هذه لفترات زمنية مما يعني أنها تعمل عندما يؤدي الاتصال المطلوب إلى دورات عمل أقل واستخدام أطول للبطارية. يمكن لهذه الأوضاع المنارة وغير المنارة في Zigbee إدارة أنواع البيانات الدورية (بيانات المستشعرات) والمتقطعة (مفاتيح الإضاءة) وأنواع البيانات المتكررة.

طبولوجيا زيجبي

يدعم Zigbee العديد من بنى الشبكات ، ومع ذلك ، فإن التكوينات الأكثر استخدامًا هي طبولوجيا النجوم والشبكة والعنقودية. يتكون أي طوبولوجيا من منسق واحد أو أكثر. في الهيكل النجمي ، تتكون الشبكة من منسق واحد مسؤول عن بدء وإدارة الأجهزة عبر الشبكة. تسمى جميع الأجهزة الأخرى بالأجهزة الطرفية التي تتصل مباشرة بالمنسق.

يستخدم هذا في الصناعات التي تحتاج إلى جميع أجهزة نقطة النهاية التواصل مع وحدة التحكم المركزية ، وهذا الهيكل بسيط وسهل النشر. في طبولوجيا الشبكة والأشجار ، يتم توسيع شبكة Zigbee بعدة أجهزة توجيه حيث يكون المنسق مسؤولاً عن التحديق بها. تسمح هذه الهياكل لأي جهاز بالاتصال بأي عقدة مجاورة أخرى لتوفير التكرار للبيانات.

في حالة فشل أي عقدة ، يتم توجيه المعلومات تلقائيًا إلى الأجهزة الأخرى بواسطة هذه الهياكل. نظرًا لأن التكرار هو العامل الرئيسي في الصناعات ، فإن الطوبولوجيا الشبكية تستخدم في الغالب. في شبكة شجرة الكتلة ، تتكون كل مجموعة من منسق مع عقد ورقية ، ويرتبط هؤلاء المنسقون بالمنسق الرئيسي الذي يبدأ الشبكة بأكملها.

نظرًا لمزايا تقنية Zigbee مثل أوضاع التشغيل منخفضة التكلفة والطاقة المنخفضة وطوبولوجياتها ، فإن تقنية الاتصالات قصيرة المدى هذه هي الأنسب للعديد من التطبيقات مقارنةً باتصالات الملكية الأخرى ، مثل Bluetooth و Wi-Fi وما إلى ذلك. مقارنات مثل مجموعة من Zigbee والمعايير وما إلى ذلك ، ترد أدناه.

لماذا انخفاض معدلات البيانات في Zigbee؟

نحن نعلم أن أنواعًا مختلفة من التقنيات اللاسلكية متوفرة في السوق مثل Bluetooth وكذلك WiFi التي توفر سرعة عالية للبيانات. ولكن ، معدلات البيانات في Zigbee أقل لأن الغرض الرئيسي من تطوير ZigBee هو استخدامها في التحكم اللاسلكي وكذلك المراقبة.

كمية البيانات ، وكذلك تواتر الاتصال المستخدمة في مثل هذه التطبيقات ، منخفضة للغاية. على الرغم من أنه من المحتمل أن تحصل شبكة مثل IEEE 802.15.4 على معدلات بيانات عالية ، لذا فإن تقنية Zigbee تعتمد على الشبكة IEEE 802.15.4.

تقنية Zigbee في إنترنت الأشياء

نحن نعلم أن Zigbee هو أحد أنواع تقنيات الاتصال المشابهة لتقنية Bluetooth وكذلك WiFi ، ومع ذلك ، هناك أيضًا العديد من بدائل الشبكات الجديدة الصاعدة مثل Thread وهو خيار لتطبيقات التشغيل الآلي للمنزل. في المدن الكبرى ، تم تنفيذ تقنيات Whitespace لحالات استخدام المنطقة الأوسع القائمة على إنترنت الأشياء.

ZigBee هو أحد مواصفات WLAN (شبكة محلية لاسلكية) منخفضة الطاقة. يوفر بيانات أقل باستخدام طاقة أقل بواسطة الأجهزة المتصلة بشكل متكرر لإيقاف تشغيل البطارية. نتيجة لذلك ، تم توصيل المعيار المفتوح من خلال اتصال M2M (من آلة إلى آلة) بالإضافة إلى إنترنت الأشياء الصناعي (إنترنت الأشياء).

أصبح Zigbee بروتوكول إنترنت الأشياء مقبول عالميًا. إنها تتنافس بالفعل مع Bluetooth و WiFi و Thread.

أجهزة زيجبي

تشتمل مواصفات IEEE 802.15.4 Zigbee بشكل أساسي على جهازين مثل الأجهزة كاملة الوظائف (FFD) وكذلك الأجهزة منخفضة الوظائف (RFD). يقوم جهاز FFD بأداء مهام مختلفة موضحة ضمن المواصفات ويمكنه اعتماد أي مهمة داخل الشبكة.

يتمتع جهاز RFD بقدرات جزئية لذلك فهو يؤدي مهام محدودة ويمكن لهذا الجهاز التحدث مع أي جهاز داخل الشبكة. يجب أن تتصرف وكذلك الاهتمام داخل الشبكة. يمكن لجهاز RFD التحدث ببساطة مع جهاز FFD ويتم استخدامه في تطبيقات بسيطة مثل التحكم في مفتاح من خلال تنشيطه وإلغاء تنشيطه.

في IEEE 802.15.4 n / w ، تلعب أجهزة Zigbee ثلاثة أدوار مختلفة مثل المنسق ومنسق الشبكة العامة والجهاز. هنا ، أجهزة FFD هي المنسق وكذلك منسق PAN بينما الجهاز إما جهاز RFD / FFD.

الوظيفة الرئيسية للمنسق هي نقل الرسائل. في شبكة المنطقة الشخصية ، تعد وحدة التحكم PAN وحدة تحكم أساسية ويعرف الجهاز كما لو كان الجهاز ليس منسقًا.
يمكن لمعيار ZigBee إنشاء ثلاثة أجهزة بروتوكول اعتمادًا على أجهزة Zigbee ومنسق PAN والمنسق والمواصفات القياسية لـ ZigBee مثل المنسق والموجه والجهاز النهائي التي تمت مناقشتها أدناه.

منسق زيجبي

في جهاز FFD ، يتم استخدام منسق PAN لتشكيل الشبكة. بمجرد إنشاء الشبكة ، فإنها تقوم بتعيين عنوان الشبكة للأجهزة المستخدمة داخل الشبكة. وأيضًا ، يقوم بتوجيه الرسائل بين الأجهزة الطرفية.

راوتر زيجبي

جهاز Zigbee Router هو جهاز FFD يسمح بنطاق شبكة Zigbee. يستخدم هذا الموجه لإضافة المزيد من الأجهزة إلى الشبكة. في بعض الأحيان ، يعمل كجهاز Zigbee End Device.

جهاز Zigbee End

هذا ليس جهاز توجيه ولا منسق يتعامل مع جهاز استشعار ماديًا ، وإلا فإنه يؤدي عملية تحكم. بناءً على التطبيق ، يمكن أن يكون إما RFD أو FFD.

لماذا ZigBee أفضل من WiFi؟

في Zigbee ، تكون سرعة نقل البيانات أقل مقارنة بشبكة WiFi ، لذا فهي أعلى سرعة هي 250 كيلو بت في الثانية. إنه أقل بكثير بالمقارنة مع سرعة WiFi الأقل.

أحد أفضل جودة Zigbee هو معدل استخدام الطاقة بالإضافة إلى عمر البطارية. بروتوكولها يستمر لعدة أشهر لأنه بمجرد تجميعها يمكننا أن ننسى.

ما هي الأجهزة التي تستخدم ZigBee؟

تدعم قائمة الأجهزة التالية بروتوكول ZigBee.

• بيلكين ويمو
• Samsung SmartThings
• أقفال ييل الذكية
• فيليبس هيو
• ترموستات من هانيويل
• ايكيا تريدفري
• أنظمة الأمن من Bosch
• Comcast Xfinity Box من سامسونج
• هايف اكتيف للتدفئة والاكسسوارات
• أمازون إيكو بلس
• أمازون إيكو شو

بدلاً من توصيل كل جهاز Zigbee بشكل منفصل ، يلزم وجود محور مركزي للتحكم في جميع الأجهزة. يمكن أيضًا استخدام الأجهزة المذكورة أعلاه مثل SmartThings بالإضافة إلى Amazon Echo Plus مثل Wink hub للعب دور حيوي داخل الشبكة. سيقوم المحور المركزي بفحص الشبكة بحثًا عن جميع الأجهزة المدعومة ويوفر لك تحكمًا بسيطًا في الأجهزة المذكورة أعلاه باستخدام تطبيق مركزي.

ما الفرق بين ZigBee و Bluetooth؟

تتم مناقشة الفرق بين Zigbee و Bluetooth أدناه.

ما هو الفرق بين LoRa و ZigBee؟

تتم مناقشة الفرق الرئيسي بين LoRa و Zigbee أدناه.

مزايا تقنية Zigbee وعيوبها

تشمل مزايا Zigbee ما يلي.

• هذه الشبكة لديها بنية شبكة مرنة
• عمر البطارية جيد.
• استهلاك الطاقة أقل
• بسيط جدا لإصلاح.
• يدعم ما يقرب من 6500 عقدة.
• اقل تكلفة.
• إنه شفاء ذاتي وكذلك أكثر موثوقية.
• إعداد الشبكة سهل جدًا وبسيط أيضًا.
• يتم توزيع الأحمال بالتساوي عبر الشبكة لأنها لا تتضمن وحدة تحكم مركزية
• مراقبة الأجهزة المنزلية والتحكم فيها أمر بسيط للغاية باستخدام جهاز التحكم عن بعد
• الشبكة قابلة للتطوير ومن السهل إضافة / جهاز ZigBee البعيد إلى الشبكة.

تشمل عيوب Zigbee ما يلي.

• يحتاج إلى معلومات النظام للتحكم في الأجهزة القائمة على Zigbee للمالك.
• بالمقارنة مع WiFi ، 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 لأنه يحتوي على حد تغطية أقل.
• على غرار الأنواع الأخرى من الأنظمة اللاسلكية ، فإن نظام الاتصالات ZigBee هذا عرضة للإزعاج من الأشخاص غير المصرح لهم.

تطبيقات تقنية زيجبي

تشمل تطبيقات تقنية ZigBee ما يلي.

الأتمتة الصناعية: في الصناعات التحويلية والإنتاجية ، يراقب رابط الاتصال باستمرار المعلمات المختلفة والمعدات الحيوية. ومن ثم ، فإن Zigbee يقلل بشكل كبير من تكلفة الاتصال هذه بالإضافة إلى تحسين عملية التحكم لزيادة الموثوقية.

أتمتة المنزل: مناسب تمامًا لـ Zigbee التحكم في الأجهزة المنزلية عن بعد كعنصر تحكم في نظام الإضاءة والتحكم في الأجهزة والتدفئة والتحكم في نظام التبريد وتشغيل معدات السلامة والتحكم والمراقبة وما إلى ذلك.

قياس ذكي: تشمل عمليات Zigbee عن بُعد في القياس الذكي الاستجابة لاستهلاك الطاقة ودعم التسعير والأمن عبر سرقة الطاقة وما إلى ذلك.

مراقبة الشبكة الذكية: تتضمن عمليات Zigbee في هذه الشبكة الذكية مراقبة درجة الحرارة عن بعد وتحديد موقع الخطأ وإدارة الطاقة التفاعلية وما إلى ذلك.

تُستخدم تقنية ZigBee لبناء مشاريع هندسية مثل نظام الحضور ببصمة الإصبع اللاسلكي وأتمتة المنزل.

يتعلق هذا كله بوصف موجز لبنية تقنية Zigbee وأنماط العمليات والتكوينات والتطبيقات. نأمل أن نكون قد قدمنا ​​لك محتوى كافياً حول هذا العنوان ، حتى تتمكن من فهمه بشكل أفضل. وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بنظرة عامة على تقنية Zigbee وهي تستند إلى شبكة IEEE 802.15.4. يمكن أن يكون تصميم هذه التقنية قويًا للغاية بحيث تعمل في جميع أنواع البيئات.

يوفر المرونة وكذلك الأمان للبيئات المختلفة. اكتسبت تقنية Zigbee شهرة كبيرة في السوق لأنها توفر شبكة متداخلة متسقة من خلال تمكين شبكة من التحكم في منطقة واسعة ، كما أنها توفر اتصالات منخفضة الطاقة. لذلك فهذه تقنية إنترنت الأشياء مثالية. إليك سؤال لك ، ما هي تقنيات الاتصالات اللاسلكية المختلفة المتوفرة في السوق؟ لمزيد من المساعدة والمساعدة الفنية ، يمكنك الاتصال بنا من خلال التعليق أدناه.