در این پست از مجله تکنولوژی لبه فناوری قصد داریم به معرفی انواع پروتکل های ارتباطی بی سیم در IOT
بپردازیم.
اینترنت اشیا (اینترنت اشیا) قدرتی دارد که کل سیستم را خودکار کند. پروتکل های ارتباطی IOT مختلفی وجود دارد که در ارتباط بین دستگاه های موجود در شبکه اینترنت اشیا استفاده می شود. پروتکل ارتباط بی سیم مجموعه ای استاندارد از قوانین است که با استناد به آن دستگاه های الکترونیکی مختلف به صورت بی سیم با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند.
از آنجایی که پروتکل های ارتباطی بی سیم زیادی برای استفاده برای محصول شما وجود دارد، انتخاب صحیح پروتکل برای طراحان محصول دشوار می شود، اما زمانی که دامنه کاربرد اینترنت اشیا مشخص شد، انتخاب پروتکل مناسب آسان تر می شود. در اینجا به طور مختصر برخی از پروتکل های مورد استفاده در IOT را با ویژگی ها و کاربردهایشان توضیح می دهیم.
بپروتکل Wi-Fi (Wireless Fidelity) محبوب ترین پروتکل های ارتباطی IOT برای شبکه های محلی بی سیم (WLAN) است که از استاندارد IEEE 802.11 از طریق فرکانس های 2.4 گیگاهرتز UHF و 5 گیگاهرتز ISM استفاده می کند. Wi-Fi دسترسی به اینترنت را برای دستگاه هایی فراهم می کند که در محدوده 20 تا 40 متری از منبع قرار دارند. بسته به فرکانس کانال مورد استفاده و تعداد آنتن ها، حداکثر سرعت داده تا 600 مگابیت در ثانیه دارد. در سیستم‌های تعبیه‌شده، کنترل‌کننده‌های سری ESP از Espressif برای ساخت برنامه‌های مبتنی بر اینترنت اشیا محبوب هستند. ESP32 و ESP8266 متداول ترین ماژول های وای فای برای برنامه های تعبیه شده هستند. می توانید پروژه های مختلف مبتنی بر ESP32 و ESP8266 را با دنبال کردن لینک مشاهده کنید.
از نظر استفاده از پروتکل Wi-Fi برای IOT، باید مزایا و معایبی را در نظر گرفت. هزینه زیرساخت یا دستگاه برای Wi-Fi کم است و استقرار آن آسان است، اما مصرف انرژی بالا است و محدوده Wi-Fi کاملاً متوسط است. بنابراین، Wi-Fi ممکن است بهترین انتخاب برای همه انواع برنامه های IOT نباشد، اما می تواند برای برنامه هایی مانند Home Automation استفاده شود.
بردهای توسعه زیادی در دسترس هستند که به افراد اجازه می دهند برنامه های IOT را با استفاده از Wi-Fi بسازند. محبوب ترین آنها Raspberry Pi و Node MCU هستند. این بردها به افراد اجازه می دهند نمونه های اولیه IOT بسازند و همچنین می توانند برای برنامه های کوچک بلادرنگ مورد استفاده قرار گیرند. به همین ترتیب Marvell Avastar 88W8997 SoC است که از استاندارد IEEE 802.11n وای فای پیروی می کند. این تراشه دارای کاربردهایی مانند پوشیدنی ها، صدای بی سیم و خانه هوشمند است.
بلوتوث یک فناوری است که برای تبادل داده ها به صورت بی سیم در فواصل کوتاه استفاده می شود و بر پروتکل های شبکه vaouros IOT ترجیح داده می شود. از امواج رادیویی UHF با طول موج کوتاه با فرکانس 2.4 تا 2.485 گیگاهرتز در باند ISM استفاده می کند. فناوری بلوتوث بر اساس کاربردهای خود دارای 3 نسخه مختلف است:
بلوتوث: بلوتوثی که در دستگاه‌های ارتباطی استفاده می‌شود، امروزه کاربردهای زیادی در دستگاه‌های IOT/M2M دارد. این یک فناوری است که با استفاده از آن دو دستگاه می توانند به صورت بی سیم ارتباط برقرار کرده و داده ها را به اشتراک بگذارند. در باند ISM 2.4 گیگاهرتز کار می کند و داده ها قبل از ارسال در بسته ها تقسیم می شوند و سپس با استفاده از هر یک از 79 کانال تعیین شده در پهنای باند 1 مگاهرتز به اشتراک گذاشته می شوند.
پروتکل BLE (بلوتوث 4.0، بلوتوث کم انرژی): BLE یک تفاوت اصلی با بلوتوث دارد و آن این است که انرژی کم مصرف می کند. با این کار، محصول را کم هزینه و ماندگارتر از بلوتوث می کند.
پروتکل iBeacon: این یک تکنیک ارتباطی ساده شده است که توسط اپل استفاده می شود و کاملاً مبتنی بر فناوری بلوتوث است. بلوتوث 4.0 شناسه ای به نام UUID را برای هر کاربر ارسال می کند و باعث می شود که هر کدام بین کاربران آیفون ارتباط برقرار کنند.
بلوتوث کاربردهای زیادی دارد، مانند تلفن، تبلت، پخش کننده رسانه، سیستم های روباتیک و غیره. برد فناوری بلوتوث بین 50 تا 150 متر است و داده ها با حداکثر سرعت داده 1 مگابیت در ثانیه به اشتراک گذاشته می شوند.
پس از راه اندازی پروتکل BLE، بسیاری از برنامه های کاربردی جدید با استفاده از بلوتوث در زمینه IOT توسعه یافته اند. آنها در دسته محصولات مصرفی کم هزینه و برنامه های کاربردی ساختمان هوشمند قرار می گیرند. مانند Wi-Fi، بلوتوث همچنین دارای یک ماژول بلوتوث HC-05 است که می تواند با بردهای توسعه مانند Arduino یا Raspberry Pi برای ساخت پروژه های DIY ارتباط برقرار کند. وقتی صحبت از برنامه‌های بلادرنگ می‌شود، Marvell's Avastar 88W8977 دارای بلوتوث نسخه 4.2 است و دارای ویژگی‌هایی مانند سرعت بالا و شبکه مشبک برای IOT است. محصول دیگر M5600 یک مبدل فشار بی سیم است که بلوتوث نسخه 4.0 در آن تعبیه شده است.
پروتکل ZigBee یکی دیگر از پروتکل‌های بی‌سیم iot است که ویژگی‌هایی شبیه به فناوری بلوتوث دارد. اما از استاندارد IEEE 802.15.4 پیروی می کند و یک پروتکل ارتباطی سطح بالا است. مزایایی مشابه بلوتوث دارد، یعنی مصرف کم مصرف، استحکام، امنیت بالا و مقیاس پذیری بالا.
پروتکل Zigbee بردی در حدود 10 تا 100 متر حداکثر ارائه می دهد و سرعت داده برای انتقال داده بین دستگاه های ارتباطی حدود 250 کیلوبیت بر ثانیه است. تعداد زیادی کاربرد در فناوری هایی مانند M2M و IOT دارد.
پروتکل Zigbee با داشتن محدودیت هایی در مورد سرعت داده، برد و مصرف انرژی، فقط برای برنامه های بی سیم در مقیاس کوچک مناسب است. اگرچه محدودیت‌هایی دارد، اما رمزگذاری AES 128 بیتی را ارائه می‌کند و کمک بزرگی در ایجاد ارتباطات ایمن برای اتوماسیون خانگی و برنامه‌های صنعتی کوچک می‌کند. Zigbee نیز دارای ماژول DIY خود به نام XBee & XBee Pro است که می تواند با بردهای Arduino یا Raspberry Pi برای ساخت پروژه های ساده یا نمونه های اولیه برنامه ها رابط کاربری داشته باشد.
شرکت Develco محصولاتی را با استفاده از فناوری‌های Zigbee مانند سنسورها، دروازه‌ها، رابط‌های متر، دوشاخه‌های هوشمند، رله‌های هوشمند و غیره تولید کرده است که همگی روی شبکه مش بی‌سیم Zigbee کار می‌کنند، مصرف برق کم و بدون تداخل خارجی دارند. یک شرکت دیگر، Datanet محصولات مبتنی بر Zigbee دارد که در برنامه های بلادرنگ از قبل استفاده می شوند، مانند DNL910 و DNL920.
پروتکل Z-Wave یک پروتکل ارتباطی است که به طور ویژه برای محصولات اتوماسیون خانگی طراحی شده است و همچنین به عنوان یک فناوری ارتباطات RF کم مصرف نیز شناخته می شود. بسته های داده با نرخ داده حداکثر 100 کیلوبیت بر ثانیه مبادله می شوند و پروتکل در فرکانس 900 مگاهرتز در باند ISM کار می کند. حداکثر برد آن تا 30 متر است. از کنترل تا 232 دستگاه پشتیبانی می کند. تنها سازنده تراشه های این فناوری Sigma Designs است.
پروتکل Z-Wave دارای ماژول ZIY (Z-Wave It Yourself) است که یک برد سازگار با آردوینو و رزبری پای است و می تواند برای برنامه های اتوماسیون خانگی استفاده شود. آزمایشگاه سیلیکون دارای محصول Z-Wave 700 است که به طور ویژه برای برنامه های کاربردی خانه هوشمند با ویژگی هایی مانند عمر باتری طولانی (10 سال) و برد بهبود یافته تا حدود 100 متر توسعه یافته است. همچنین، این شرکت کیت توسعه Z-Wave 700 را راه اندازی کرده است که شامل نرم افزار Z-Wave، کد نمونه و ماژول با یک آداپتور است که به دیگران امکان می دهد محصولات کاربردی مبتنی بر Z-Wave را توسعه دهند.
پروتکل 6LowPAN (شبکه ناحیه شخصی بی‌سیم کم مصرف IPv6) یک پروتکل شبکه است که از مکانیسم‌های کپسوله‌سازی داده و فشرده‌سازی هدر با برنامه‌های کاربردی دیگر مانند بلوتوث و ZigBee پشتیبانی می‌کند. این استاندارد می تواند در چندین پلتفرم ارتباطی از جمله اترنت، وای فای، IEEE 802.15.4 و زیر 1 گیگاهرتز ISM استفاده شود.
می توان آن را به عنوان بلوتوث 4.0 یا ZigBee تطبیق داد و به ترتیب با فرکانس 2.4 گیگاهرتز یا 900 مگاهرتز کار کرد. انرژی کم مصرف می کند و می تواند در تعداد زیادی از برنامه های IOT و M2M استفاده شود.
پروتکل 6LoWPAN دارای 6LoWPAN L-Tek Arduino Shield است که می تواند با برد آردوینو متصل شود تا اتصال 6LoWPAN در باند فرکانسی 900 مگاهرتز را دریافت کند. کاربران می توانند نمونه های اولیه برنامه را با استفاده از ماژول توسعه دهند. در مورد ماژول ها، سیستم های Melange دارای ماژول های Tarang UT20 و TarangMini SM هستند که به پروتکل 6LoWPAN متصل هستند. میکروچیپ SmartConnect 6LoWPAN را برای اتصال شبکه IP بر روی لینک های 802.15.4 در باند فرکانس 2.4 گیگاهرتز توسعه داده است. IDT دارای ماژول های سری ZWIR45xx است که برای برنامه های پروتکل 6LoWPAN استفاده می شود.
شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) یک فناوری است که از میدان های الکترومغناطیسی برای شناسایی اشیاء یا برچسب هایی که حاوی اطلاعات ذخیره شده هستند استفاده می کند. برد RFID از حدود 10 سانتی متر تا حداکثر 200 متر متغیر است و چنین اختلاف طولانی باعث می شود که این دو برد نام هایی مانند فاصله کوتاه و فاصله دور برد داشته باشند. از آنجایی که محدوده دارای تفاوت زیادی است، فرکانسی که در آن RFID کار می کند نیز تفاوت زیادی دارد، یعنی از کیلوهرتز شروع می شود و تا گیگاهرتز در محدوده است یا می توان گفت به عنوان محدوده فرکانس از فرکانس پایین (LF) تا مایکروویو بسته به کاربرد و فاصله. از ارتباطات
پروتکل RFID دارای ماژول سازگار با آردوینو و رزبری پای RC522 است که می تواند برای ساخت یک برنامه RFID مبتنی بر IOT یا نمونه های اولیه برنامه مانند سیستم حضور و غیاب استفاده شود.
شبکه سلولی از 2 دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته است و از پروتکل های ارتباطی GSM/GPRS/EDGE(2G)/UMTS یا HSPA(3G)/LTE(4G) تشکیل شده است. این پروتکل معمولا برای ارتباطات از راه دور استفاده می شود. داده ها را می توان در اندازه های بزرگ و با سرعت بالا در مقایسه با سایر فناوری ها ارسال کرد.
فرکانس های کاری بین 900 تا 2100 مگاهرتز با پوشش مسافت 35 کیلومتر تا 200 کیلومتر و سرعت انتقال داده ها یعنی سرعت انتقال داده از 35 کیلوبیت بر ثانیه تا 10 مگابیت در ثانیه است. یک شرکت Quectel دارای محصولات IOT سلولی مانند EC21، EC23، EG91 و بسیاری دیگر از محصولات استاندارد LTE است که روی 4G کار می کنند. UMTS/HSPDA UC15، UC20، UC15 Mini و UC20 Mini ماژول های IOT مبتنی بر 3G هستند که توسط همین شرکت راه اندازی شده اند.
پروتکل NB-IOT مخفف Narrow Band Internet of Things است، یک فناوری LPWAN یعنی شبکه کم توان Wide Area Network. این فناوری را می توان برای برنامه هایی که نیاز به مصرف انرژی کم، ارتباط از راه دور و برای مدت طولانی (عمر باتری زیاد) دارند، استفاده کرد. مزیت NB-IOT این است که ظرفیت پوشش خوبی دارد، یعنی سیگنال می تواند از طریق دیوارها یا در مناطق زیرزمینی که سیگنال های سلولی معمولی به آنها نمی رسد، منتقل شود. حداکثر مسافتی حدود 10 کیلومتر را پوشش می دهد.
پروتکل Quectel ماژول های NB-IOT مانند LTE BC95، LTE BC68 و بسیاری از ماژول های دیگر را راه اندازی کرده است که می توانند برای ساخت محصولات بلادرنگ در زمینه IOT استفاده شوند.
پروتکل 5G نسل پنجم پروتکل شبکه سلولی است. این برای ارتباط با سرعت بالا بین تلفن های هوشمند و همچنین دستگاه های دیگر (برخلاف سایر شبکه های سلولی) طراحی شده است. انتظار می رود سرعت دانلود به طور متوسط حدود 1 گیگابیت در ثانیه باشد. پروتکل فناوری در کنار فناوری‌های 3G و 4G کار خواهد کرد و رشد چشمگیری در فناوری اینترنت اشیا (IOT) خواهد داشت. این فناوری در سال 2019 برای اهداف آزمایشی راه اندازی شده است و تنها در چند شهر جهان در دسترس است، اما برنامه ریزی شده است که در سال 2020 در سراسر جهان راه اندازی شود.
مانند داشتن ماژول‌هایی برای 2G، 3G و 4G، شرکت Quectel همچنین دارای ماژول‌هایی برای 5G است که RG500Q و RM500Q هستند که روی باند فرکانسی زیر 6 گیگاهرتز کار می‌کنند و می‌توانند برای ساخت محصولات برای IOT استفاده شوند.
پروتکل NFC (ارتباطات میدان نزدیک) پروتکلی است که برای فعال کردن تعامل دو طرفه ساده و ایمن بین دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. این برنامه عمدتاً دارای برنامه های کاربردی مبتنی بر گوشی های هوشمند مانند امکان تراکنش های پرداخت بدون تماس، دسترسی به محتوای دیجیتال و اتصال دستگاه های الکترونیکی مختلف است.
این در فرکانس 13.56 مگاهرتز در باند ISM کار می کند و حداکثر برد فاصله حدود 10 سانتی متر با سرعت داده 100 تا 420 کیلوبیت بر ثانیه است. این جایگزین تراکنش پرداخت با کشیدن کارت می شود و می تواند مانند جادو برای پرداخت بی سیم استفاده شود.
به عنوان یک پروتکل خوب برای فناوری IOT، ماژول ها و محصولات بلادرنگ مختلفی وجود دارند که از پروتکل NFC پیروی می کنند. مانند Seed Studio NFC Shield، ماژول DFRobot NFC، Grove NFC، و هر 3 آنها با آردوینو و رزبری پای سازگار هستند. برای محصولات بلادرنگ، NFC دارای محصولات CLRC663 plus، MFRC630، NTAG I2C plus است.
پروتکل LoRa امروزه محبوب شده است و در پروتکل شبکه IOT استفاده می شود. LoRaWAN (شبکه وسیع برد بلند) کاربردهایی برای مسافت های طولانی دارد و برای ارائه کم مصرف برای ارتباطات در برنامه های IoT، M2M طراحی شده است. ظرفیت اتصال میلیون ها دستگاه با سرعت داده از 0.3 تا 50 کیلوبیت بر ثانیه را دارد. فاصله برای برنامه LoRaWAN از 2 تا 5 کیلومتر برای محیط شهری و حداکثر 15 کیلومتر برای محیط حومه شهر متغیر است.
پروتکل TE محصولاتی مانند MS8607، HTU21D و MS5637 را روانه بازار کرده است که برای دریافت مقادیر رطوبت، دما و فشار فشار هوا با استفاده از پروتکل LoRaWAN استفاده می شود و نقش مهمی در زمینه IOT دارد.
پروتکل LTE-M همچنین به عنوان پروتکل LTE (تکامل طولانی مدت) Cat-M1 شناخته می شود. این یک فناوری است که برای اتصال مستقیم دستگاه های IOT به شبکه 4G بدون نیاز به دسترسی از طریق هیچ دروازه ای در میان استفاده می شود. سرعت داده حدود 100 کیلوبیت بر ثانیه را ارائه می دهد و تراشه ها هزینه کمتری دارند. از آنجایی که داده های کمتری را انتقال می دهد، عمر باتری طولانی را برای دستگاه ها فراهم می کند.
ماژولی به نام ماژول LTE BG96 Cat M1 برای ساخت محصولات مبتنی بر IOT که بر روی پروتکل LTE-M کار می کنند استفاده می شود. همین ماژول همچنین از پروتکل LTE Cat NB1 با نرخ داده بهبودیافته 375 کیلوبیت بر ثانیه سرعت پایین و لینک بالا پشتیبانی می کند.
