مروری بر پروتکل های ارتباطی سیستم هوشمند سازی

2 – مروری بر پروتکل های ارتباطی سیستم هوشمند سازی

2.1 – چکیده

ایجاد یک محیط هوشمند قادر به برقراری تعامل و کمک به مردم به روشی هموار و مناسب است. یکی از موضوعات عملی که در سیستم هوشمند سازی ساختمان باید مورد توجه قرار گیرد فناوری ارتباطی است که “مغز” (هوش) سیستم را با “دست های” خود متصل می کند. (دستگاه های مختلف / محرک هایی که سیستم به آنها مجهز باشد).

در این مقاله برخی پروتکل ها، استانداردها و فناوری های موجود در دسترس برای چنین هدفی بررسی شده است و به طور جامع چندین موضوع اصلی را برای اهداف مقایسه ای تجزیه و تحلیل می کند. این مطالعه مقایسه ای از توسعه دهندگان بی تجربه هنگام تصمیم گیری استفاده میکند. در مورد اینکه کدام فناوری به بهترین وجه با الزامات سیستم (هوشمند سازی ساختمان)برای استقرار را پشتیبانی می کند.(ارزش تقریبی مجوزها چقدر خواهد بود)

به ترتیب برای دستیابی به یک دستیار محیط خانه هوشمند واقعی، دستگاه های هوشمند مورد نیاز هستند. و علاوه بر این، این نوع دستگاه ها باید به یک زبان و در یک کانال مشترک صحبت کنند. با این حال، پیش ازین در مورد یک عدم صراحت چنین سیستم هایی مشخص شده است.(از نظر ارتباطی)

امروزه، مجموعه ای گیج کننده  از گزینه ها و سلسله مراتب پیچیده استانداردهای وجود دارد.(بواسطه مشخصات سطح پایین قالبهای داده تا استانداردهایی با قابلیت پشتیبانی نرم افزار در سطح سیستم). مطابق با این ایده، برخی دیگر از نویسندگان ادعا کردند که اگر یک استاندارد باز واقعی مشترک توسعه یافته و از سازگاری دستگاه های هوشمند اطمینان حاصل شده باشد، این نوع فناوری در حال حاضر بسیار محبوب تر خواهد بود.

بهترین گزینه برای هوشمند سازی ساختمان کدام است :

امروزه طیف گسترده ای از استانداردها و سیستم هوشمند سازی ساختمان مانند X10 و اتحادیه های تجاری با عنوان KNX  یا Zigbee وجود دارد که ادعا می کنند بهترین انتخاب ممکن برای هماهنگ کردن ارتباط دستگاه های ناهمگون است. بهرحال، برخی از ویژگیهای چنین سیستمهایی ممکن است محدود کننده باشد و از استفاده در شرایط خاص جلوگیری کند. این مطالعه یک مقایسه عینی را  برای بهبود ارتباطات سیستم های Aml و سهولت توسعه ارائه می دهد.

در بخش بعدی راه حل های ارتباطی به روز با در نظر گرفتن موارد کلیدی، شرح و مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند: نوع پروتکل ، اتصال (Twisted Pair، اتصال خط برق، فرکانس رادیویی مانند بلوتوث، Wi-Fi، موارد دیگر)، مسائل اقتصادی ، به روزرسانی اسناد و موضوعات امنیتی. خلاصه ای از مهمترین ویژگیهای مورد تجزیه و تحلیل سیستم خانه هوشمند را میتوان در بخش زیر مشاهده کرد.

2.1.1 – سیر تکامل سیستم هوشمند سازی

نقطه شروع زمانیست که برای بررسی نیازهای ارتباطی و مشکلات یک سیستم هوشمند محیط (AmI)، تجزیه و تحلیل فن آوری های موجود تلاش میکنیم، به روشی که قبلاً برخی از نویسندگان این کار را انجام داده بودند. پروتکل های ارتباطی هوشمند سازی ساختمان قبلاً عمدتا از دیدگاه کیفیت خدمات مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند.

مقالات با موضوع مطالعه مقایسه ای از پروتکلهای مختلف بیسیم (بلوتوث، UWB ، ZigBee و Wi-Fi ) ارائه شود، وجود داشته است. که یک مقایسه علمی عملکرد فن آوری های شبکه های بیسیم و خط قدرت را ارائه میدهد. یا معماری سیستمهای موجود را بر اساس ساختار محیط و روش کشف عملکردهای مکانیزم، تجزیه و تحلیل میکند.

برخی دیگر از مقالات مرتبط با این موضوع میتوان یافت مانند: یک سری راه حل خدمت محور را برای محیط های خانگی طراحی کرده است. (تعدادی از چالش ها را که باید برطرف شود، ارائه می دهد). نویسندگان، قبل از مفهوم خانه های هوشمند (ساختمان هوشمند یا بی ام اس) می توانند رو به واقعیت حرکت کنند.

فناوری های هوشمند سازی خانه

برخلاف مطالعات قبلی که در بالا توضیح داده شده است، این مقاله روی استانداردهای موجود متمرکز است. تا تلاش کند تا یک بستر مشترک برای برقراری ارتباط با هر دستگاهی در یک محیط هوشمند انجام شود. در ابتدا، پنج فناوری انتخاب شد، یعنی X-10، KNX ، Zigbee، Lon Talk و Z-Wave. این سیستم های هوشمند سازی به دلیل اینکه در حال حاضر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند انتخاب شدند.  زیرا در مقایسه با پروتکل های ارتباطی ساختمان هوشمند ساده تر (IP ، Wi-Fi ، بلوتوث و غیره) امکانات مهمی را در خود جای داده اند.

با توجه به کارهای قبلی مورد تجزیه و تحلیل ، نیاز به بررسی پروتکل ها و استانداردهای موجود است.(با در نظر گرفتن موضوعاتی متفاوت از قبیل کیفیت خدمات). در این مقاله اطلاعات مفیدی ارائه شده است که به هر کس کمک می کند تصمیم بگیرد.کدام فناوری هوشمند سازی ساختمان به بهترین وجه نیازهای شخصی خود را در حوزه AmI و خانه های هوشمند برآورده میکند.

2.2 – پروتکل های اولیه هوشمند سازی: X-10 در خانه هوشمند

X-10 یکی از اولین پروتکل هایی هوشمند سازی ساختمان بود که در خانه های بومی مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1975 توسط پیکو الکترونیک برای انتقال داده ساختمان هوشمند از طریق سیمکشی خط برق خانگی طراحی شده است. اکنون این یک استاندارد باز است. بنابراین هر تولید کننده می تواند دستگاه های توانمند X-10 خود را توسعه دهد. اما موظف است از مدارهای شرکتی که در ابتدا استاندارد تولید کرده استفاده کند.

در شکل 1 بسته ارتباطی X-10 در هوشمند سازی ساختمان به تصویر کشیده شده است.

شکل 1 بسته ارتباطی پروتکل X10 در سیستم هوشمند سازی ساختمان

این پروتکل دارای برخی مشکلات و محدودیت هاست. گفتنی است ناسازگاری بین دستگاه ها با توجه به منطقه ای که خریداری شده است. بعنوان نمونه، دستگاهی از آمریکا بدلیل وجود فرکانسهای خط مختلف، هرگز در اروپا و دیگر کشورها بدرستی کار نخواهد کرد. محدودیت مهم دیگر از دیدگاه AmI پاسخ دهی کند آن در هوشمند سازی ساختمان است. این باعث میشود یک تجربه کاری بد ایجاد شود و بنابراین میتوان سیستم هوشمند سازی ساختمان را آزاردهنده دانست.

2.3 – پروتکل Lon Talk در سیستم هوشمند سازی ساختمان

LonTalk پروتکل اساسی است که از طریق آن دستگاهها در یک شبکه هوشمند سازی LonWorks ارتباط برقرار میکنند. این سیستم هوشمند سازی ساختمان در ابتدا توسط اچلون ایجاد شده است. در ژانویه 2009 ، Lon Talk بعنوان یک استاندارد جهانی برای اتوماسیون ساختمان (هوشمند سازی خانه) تصویب شد. اکنون به طور رسمی با عنوان یک سیستم خانه هوشمند ISO / IEC 14908-1 شناخته می شود.

پروتکل ISO / IEC 14908-1 مجموعه ای از خدمات را برای خانه هوشمند فراهم می کند. به نرم افزار برنامه دستگاه اجازه میدهد پیام هایی را از طریق سایر دستگاه های شبکه ارسال و دریافت کند. (بدون آنکه نیازی به دانستن توپولوژی ، اسم ، آدرس یا عملکردهای سایر دستگاه ها باشد). این پروتکل هوشمند سازی میتواند به صورت اختیاری پشت به پشت پیام تصدیق، تأیید ارسال پیام ها، تصدیق پیام و اولویت تاییدیه تحویل برای زمان محدودی از ارتباط فراهم کند

این پروتکل هوشمند سازی سازگاری بهتری با برنامه های مورد نیاز محیط AmI دارد. در مقایسه با سیستم هوشمند سازی X10 ، تمام لایه های مدل OSI را پوشش می دهد. یک طرح ساده از بسته ارتباطی آن را می توانید در شکل 2 مشاهده کنید

شکل 2 بسته پروتکل Lon Talk در سیستم هوشمند سازی

2.4 – پروتکل KNX در هوشمند سازی ساختمان

KNX به معنای جانشین و همگرایی سه استاندارد قبلی است که هم اکنون از بین رفته اند.

پروتکل سیستم های خانگی اروپا (EHS)

BatiBUS

BUS تاسیسات اروپا (EIB ، EIBus یا Instabus).

این پروتکلهای هوشمند سازی بطور جامع در گزارش فنی CLC / TR 50552: 2010 از CENELEC شرح داده شده است. آنها شامل متداولترین اتصالات مانند TWISTED PAIR، RADIO FREQUENCY، INFRARED، POWERLINE و سازگار با پروتکل IP هستند.

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، معماری مدل KNX (استاندارد هوشمند سازی خانه) شامل چندین اتصال و حداکثر سه حالت پیکربندی برای دستگاه های AmI است.

شکل 3 مدل KNX در خانه هوشمند

این استاندارد امکان دسترسی به سیستم از طریق شبکه های LAN، آنالوگ یا تلفنهای همراه امکان پذیر میکند. برای داشتن کنترل مرکزی از طریق رایانه شخصی، صفحه نمایش لمسی و تلفنهای هوشمند استفاده میکند.

KNX به عنوان یک استاندارد بین المللی ساختمان هوشمند تصویب شد.

برای کنترل محیطی مانند روشنایی یا گرمایش طراحی شده بود و در ابتدا هیچ مسئله امنیتی را شامل نمیشد. توسعه سیستم هوشمند سازی KNX به نرم افزارهای جدید مانند کنترل دسترسی یا سیستمهای امنیتی منجر به افزایش تقاضا شد. به همین دلیل، پسوند این پروتکل با نام EIBsec توسعه داده شد.

از اطلاعات رسمی انجمن KNX در حال حاضر حدود 250 عضو از 29 کشور مختلف وجود دارد. آنها همچنین ادعا می کنند که انجمن جهانی KNX بیش از 30،000 شریک در 75 کشور جهان را شامل میشود.

2.5 – استاندارد Zigbee در خانه هوشمند

این استاندارد خانه هوشمند بعنوان یک استاندارد ارتباطی بیسیم بسیار کم هزینه، کم مصرف، دوطرفه و بیسیم تهیه شده است.

مشخصات Zigbee، قابلیتهای شبکه کامل Mesh را برای پشتیبانی از هزاران دستگاه در یک شبکه واحد ارائه میدهد. این برنامه برای محیطهای بدون فرکانس رادیویی که بطور معمول در مسیر اصلی برنامه های تجاری وجود دارد، طراحی شده است. خدمات امنیتی ارائه شده شامل روشهایی برای ساخت و انتقال کلید، محافظت از فرمت و مدیریت دستگاه است. تمام این خدمات در قسمت های بعد و در مشخصات Zigbee شرح داده شده است. بنابراین بعنوان برخی دیگر از خصوصیات این استاندارد در شکل 4 قابل مشاهده است.

شکل 4 مدل Zigbee در ساختمان هوشمند

2.6 – سایر فن آوری های موجود: Z-Wave در خانه هوشمند

اتحادیه Z-Wave یک کنسرسیوم بین المللی از تولیدکنندگان که دستگاه های فعال Z-Wave را ارائه میدهد است. کنترل Z-Wave تقریباً به هر دستگاه الکترونیکی در یک خانه میتواند اضافه شود . حتی دستگاههایی که هیچ کس آن را “هوشمند” نمی داند. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، این فناوری برای پوشش کلیه لایه های OSI ساخته شده است.

شکل 5 مشخصات Z-Wave در ساختمان هوشمند

فناوری Z-Wave دارای محافظت از لینک AES128 میباشد. اکثر برنامه های “امن” فرمت های اطلاعاتی ایمن را در داخل بسته انتقال Z Wave قرار می دهند. Z-Wave در هوشمند سازی ساختمان ایالات متحده و اروپا در طیف گسترده ای از محصولات ظاهر شده است.

2.7 – خلاصه پروتکل های هوشمند سازی

ویژگیهای اصلی راه حلهای ارتباطی تجزیه و تحلیل شده، در جدول 1 خلاصه شده است تا مقایسه آنها ساده شود.

جدول 1  مقایسه ویژگی های اصلی مورد تجزیه و تحلیل پروتکل های هوشمند سازی

2.8 – نتیجه گیری و کار آینده در خصوص هوشمند سازی ساختمان

این مطالعه مقایسه ای سعی در کمک به توسعه دهندگان بی تجربه ایست برای کمک در انتخاب سیستم می باشد.(کدام فناوری به بهترین وجه با الزامات سیستم برای اجرا کمک میکند و تقریباً هزینه آن چه خواهد بود). طبق فن آوری های تحلیل شده، ممکن است زمان تجدید نظر و نگاهی به پتانسیل فناوری هایی مانند IPv6 باشد. بنابراین، بعنوان کار آینده این مقاله پیشنهاد می کند که مناسب بودن چنین استانداردهای رسمی را در رابطه با محیط های AmI مورد بررسی قرار دهد.

همچنین پیشنهاد شده است که احتمالات مربوط به ارتباط بین طیف گسترده استانداردهای حاضر (جدا از موارد موجود در این مقاله) مورد مطالعه قرار گیرد. سایر خطوط کار آینده می توانند عبارتند از: ایجاد یک بستر مدولار برای ادغام راه حل های مختلف، ساده تر کردن برنامه های کاربردی کاربر نهایی، اجرای عوامل مختلف در بین دستگاه ها، و ایجاد دستگاه های AmI که آنها  با هم ارتباط برقرار می کنند و یک محیط هوشمند را میسازند.