آشنایی با شبکه‌های کوتاه برد: شبکه زیگ‌بی (ZigBee)

در مطلب «شبکه‌های کوتاه برد (Short Range) و اینترنت اشیا (IoT)» برخی از پروتکل‌های برد کوتاه معرفی شدند. در این مطلب «شبکه زیگ‌بی (ZigBee)» را به طور دقیق‌تر بررسی می‌کنیم.

زیگ‌بی (ZigBee) یک شبکه بی‌سیم اینترنت اشیا (IoT) کوتاه برد با توان مصرفی پایین، کم هزینه و مبتنی بر استانداردIEEE 802.15.4 است. شبکه زیگ‌بی (ZigBee) بر خلاف شبکه وای‌فای (WiFi)، از نرخ داده پایین‌تری پشتیبانی می‌کند. همچنین این شبکه با استفاده از پروتکل شبکه مش (mesh)، امکان ارتباط محلی بین دیوایس‌ها را به‌وجود می‌آورد.

شبکه زیگ‌بی (ZigBee) نسبت به سایر شبکه‌های شخصی بی‌سیم (WPAN) مانند بلوتوث (Bluetooth) و وای‌فای (WiFi)، ساده‌تر و ارزان‌تر است. یکی از کاربردهای شبکه بی‌سیم زیگ‌بی (ZigBee) در اتوماسیون‌ ساختمان، سیستم‌های خانه هوشمند و کاهش مصرف انرژی است.

زیگ‌بی (ZigBee): یک زبان قابل اعتماد اینترنت اشیا (IoT)

شبکه‌های مشابه با زیگ‌بی (ZigBee) نخستین بار در دهه ۹۰ میلادی بوجود آمد. شبکه زیگ‌بی با استاندارد IEEE 802.15.4-2003 در دسامبر سال ۲۰۰۴ به تصویب رسید و ZigBee Alliance اولین نسخه این فناوری را در سال ۲۰۰۵ عرضه کرد. پس از تولید اولین محصول مبتنی بر پروتکل زیگ‌بی (ZigBee)، شرکت‌ها به این فناوری جهانی متصل شدند و با گسترش آن، استاندارد ساختمان هوشمند زیگ‌بی (ZigBee) وارد بازار شد.

زیگ‌بی (ZigBee) مبتنی بر استاندارد بی‌سیم IEEE 802.15.4 و برای شبکه شخصی بی‌سیم (WPAN) ساخته شده است. شبکه زیگ‌بی روی فرکانس ۲٫۴ گیگاهرتز (در اکثر مناطق)، ۹۰۰ مگاهرتز (در آمریکا و استرالیا) و ۸۶۸ مگاهرتز (در اروپا) کار می‌کند. به کمک زیگ‌بی (ZigBee) می‌توان تا ۶۴ هزار دستگاه را به صورت بی‌سیم به یکدیگر متصل کرد.

در این پروتکل ارتباطی برای اتصال تعداد دستگاه‌های زیاد با نرخ داده پایین، یک لایه نظارت بر دسترسی چندگانه (MAC) تعریف می‌شود. نرخ داده‌ها در پروتکل زیگ‌بی (ZigBee) حداکثر ۲۵۰ kbps است و در این شرایط می‌توان با امنیت بالا، اطلاعات را بین حسگرها و کنترل‏‌کننده‌ها در فاصله ۱۰ تا ۱۰۰ متر ارسال کرد.

زیگ‌بی (ZigBee) پیکربندی بسیاری از شبکه‌ها را پشتیبانی می‌کند و امکان ارتباط گسترده‌تری را به‌وجود می‌آورد. همچنین با توجه به پشتیبانی از پروتکل شبکه مش (mesh)، این شبکه امکان اتصال داخلی بین حسگرها را فراهم می‏‌کند. با فناوری مش هر گره شبکه به‌طور مستقیم به گره دیگر متصل می‌شود. در این فناوری برخی از گره‌ها به همه گره‌های دیگر متصل می‌شوند و بعضی فقط به گره‌هایی متصل می‌شوند که باید با آن‌ها اطلاعات جابه‌جا کنند.

معماری شبکه زیگ‌بی (ZigBee)

در پروتکل زیگ‌بی (ZigBee) سه نوع گره تعریف می‌شود: Coordinator، Router و End Device. اگرچه همه این گره‌ها می‌توانند داده ارسال و دریافت کنند، اما هر کدام نقش متفاوتی دارند. در هر شبکه Coordinator اطلاعات را دسته‌بندی کرده و امنیت شبکه‌ را فراهم می‌کند. Router‌ها گره‌های داخلی هستند که داده‌ها را بین دستگاه‌ها منتقل می‌کنند. در نهایت End Device می‌توانند دستگاه‌هایی با توان مصرفی کم باشند که با Coordinator به طور مستقیم و یا از طریق Routerها در ارتباط هستند. تعداد Coordinatorها، Router‌ها و End Deviceها به نوع شبکه (ستاره‌ای، درختی و مش) بستگی دارد.

پروتکل زیگ‌بی (ZigBee) از چندین لایه تشکیل شده است:

لایه فیزیکی: این لایه شامل بخش ارتباط رادیویی (مودولاسیون و دمودولاسیون) می‌شود که وظیفه انتقال و دریافت سیگنال را بر عهده دارد. با فرکانس ۲٫۴ گیگاهرتز در این لایه می‌توان اطلاعات را تا ۲۵۰ kbps ارسال و دریافت کرد.

لایه MAC: این لایه وظیفه نظارت بر انتقال مطمئن داده‌ها را برعهده دارد.

لایه درونی پشتیبانی نرم‌افزار: این لایه ارتباط داخلی دستگاه‌ها و نرم‌افزار را فراهم می‌کند و مسئول هماهنگ کردن دو دستگاه بر اساس نوع سرویس‌ها و نیاز‌ها است.

چارچوب نرم‌افزار: این بخش دو نوع سرویس داده را برای ارتباط دو‏طرفه و ارسال عمومی فراهم می‌کند.

پروفایل زیگ‌بی (ZigBee)

در شبکه زیگ‌بی، داده‌ها روی یک پروفایل نرم‌افزار، ارسال و دریافت می‌شوند. شناسه پروفایل نرم‌افزار یک عدد ۱۶ بیتی در محدوده‌ ۰x0000 تا ۰x7fff برای نسخه‏‌های عمومی و از ۰xbf00 تا ۰xffff برای نسخه‌‏های اختصاصی تولیدکننده‏‌های عضو Zigbee Alliance است.

اتوماسیون ساختمان (Home Automation) یک پروفایل عمومی است که برای محدوده زیادی از تجهیزات شبکه زیگ‌بی در کاربرد خانه هوشمند کاربرد دارد. برخی از راهکارهای تعریف شده در این پروفایل عبارت‏‌اند از: روشنایی و کلیدها، پریزها، کنترل کننده‌ها، ترموستات و سیستم گرمایشی، قفل در و سیستم‌های امنیتی.

سری مطالب آشنایی با شبکه‌های کوتاه‌برد

همچنین برای آشنایی با شبکه‌های LPWAN به مطلب «شبکه‌های LPWAN (دوربرد با توان پایین) و اینترنت اشیا (IoT)» مراجعه کنید.

برخی منابع مورد استفاده:

https://www.elprocus.com/what-is-zigbee-technology-architecture-and-its-applications

https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/ZigBee

https://www.sensorsmag.com/components/zigbee-language-internet-things

https://www.netguru.co/codestories/the-zigbee-protocol

https://www.postscapes.com/internet-of-things-protocols