پروتکل زیگبی (Zigbee) چیست؟

پروتکل زیگبی (Zigbee) یک استاندارد بی‌سیم کم‌مصرف و مقرون‌به‌صرفه است که به‌طور ویژه برای مدیریت خانه‌های هوشمند طراحی شده است. این پروتکل در باند فرکانسی ۲.۴ گیگاهرتز کار می‌کند و به دستگاه‌هایی مثل لامپ‌ها، سنسورها و پریزهای هوشمند اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به کابل‌کشی و با کمترین میزان مصرف انرژی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. پروتکل zigbee به کمک ساختار شبکه‌ای مش (Mesh Network)، پوشش وسیعی در خانه‌ها ایجاد می‌کند و به دلیل قابلیت گسترش آسان، افزودن دستگاه‌های جدید به شبکه در هر زمانی به‌راحتی امکان‌پذیر است. همچنین امنیت بالای زیگبی با رمزنگاری AES-128، نگرانی کاربران را درباره حفظ حریم خصوصی برطرف کرده است.

ویژگی ها	توضیح و جزئیات	مزایا یا اهمیت در خانه هوشمند
نام پروتکل	Zigbee (زیگبی)	شناخته‌شده و محبوب در صنعت خانه هوشمند
استاندارد ارتباطی	IEEE 802.15.4	سازگاری با بسیاری از تجهیزات استاندارد
باند فرکانسی	2.4 گیگاهرتز و 868/915 مگاهرتز	پوشش مناسب و گسترده‌تر در منازل
نرخ انتقال داده	تا 250 کیلوبیت بر ثانیه	سرعت کافی برای ارسال اطلاعات دستگاه‌های هوشمند
برد مؤثر ارتباطی	معمولاً 10 تا 100 متر	پوشش مناسب برای منازل و ساختمان‌های چند طبقه
توپولوژی شبکه	مش (Mesh)، ستاره (Star)، درخت (Tree)	انعطاف در طراحی شبکه و پایداری بیشتر
مصرف انرژی	بسیار پایین	امکان کارکرد دستگاه‌ها با باتری برای سال‌ها
امنیت ارتباطی	رمزگذاری AES-128	امنیت بالا و محافظت از حریم خصوصی کاربران
تعداد دستگاه‌ها در شبکه	تا 65000 دستگاه	امکان گسترش بدون محدودیت در خانه‌های بزرگ
کاربردهای رایج	خانه و ساختمان هوشمند، صنعت، اینترنت اشیا	قابلیت استفاده در طیف وسیعی از کاربردها
رقبا و جایگزین‌ها	Wi-Fi ،Z-Wave ،Bluetooth LE	انتخاب گسترده کاربران به دلیل قیمت مناسب‌تر

تاریخچه و ریشه‌های پروتکل زیگبی

زیگبی یک استاندارد ارتباطی بی‌سیم است که بر اساس استاندارد IEEE 802.15.4 بنا نهاده شده است. این استاندارد در سال ۱۹۹۸ میلادی معرفی شد و در سال ۲۰۰۳ به طور رسمی توسط زیگبی آلیانس (Zigbee Alliance) منتشر گردید. نام “زیگبی” از رقص زنبورهای عسل (Zigzag dance) الهام گرفته شده است، که نشان‌دهنده نحوه ارتباط و انتقال اطلاعات در شبکه‌های زیگبی است.

هدف اصلی از توسعه زیگبی، ایجاد یک پروتکل ارتباطی بی‌سیم مقرون‌به‌صرفه، کم‌مصرف و قابل اعتماد برای کاربردهایی بود که نیاز به شبکه‌های مش (Mesh Networks) دارند. شبکه‌های مش به دستگاه‌ها اجازه می‌دهند تا به طور مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و اطلاعات را از طریق چندین گره (Node) به مقصد برسانند، حتی اگر دستگاه اصلی قادر به برقراری ارتباط مستقیم با نقطه پایانی نباشد. این قابلیت، برد و قابلیت اطمینان شبکه را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

نحوه عملکرد پروتکل zigbee

زیگبی بر پایه پشته پروتکل (Protocol Stack) استوار است که لایه‌های مختلفی را برای مدیریت ارتباطات بی‌سیم تعریف می‌کند. درک این لایه‌ها به ما کمک می‌کند تا نحوه عملکرد زیگبی را بهتر درک کنیم.

لایه‌های اصلی پشته پروتکل زیگبی

پشته پروتکل زیگبی شامل چندین لایه است که هر کدام وظایف مشخصی را بر عهده دارند:

• لایه فیزیکی (Physical Layer – PHY): این لایه مسئولیت انتقال و دریافت داده‌ها در فرکانس‌های رادیویی را بر عهده دارد. زیگبی از سه باند فرکانسی اصلی استفاده می‌کند:
  • 2.4 GHz: این باند در سراسر جهان در دسترس است و سرعت بالاتری را ارائه می‌دهد، اما ممکن است با سایر دستگاه‌های بی‌سیم مانند وای‌فای و بلوتوث تداخل داشته باشد.
  • 868 MHz: در اروپا استفاده می‌شود و برد بیشتری نسبت به 2.4 GHz دارد، اما سرعت کمتری ارائه می‌دهد.
  • 915 MHz: در آمریکا و استرالیا استفاده می‌شود و مشابه 868 MHz عمل می‌کند.
• لایه کنترل دسترسی به رسانه (Medium Access Control – MAC): این لایه قوانین مربوط به دسترسی به کانال رادیویی و ارسال داده‌ها را مدیریت می‌کند. این لایه تضمین می‌کند که چندین دستگاه به طور همزمان سعی در ارسال داده نداشته باشند و از تداخل جلوگیری می‌کند.
• لایه شبکه (Network Layer – NWK): این لایه وظیفه مسیریابی داده‌ها در شبکه را بر عهده دارد. این لایه مسئولیت تشکیل شبکه، حفظ ساختار شبکه، و هدایت بسته‌های داده از مبدأ به مقصد را بر عهده دارد.
• لایه کاربردی (Application Layer – APS): این لایه مسئولیت مدیریت دستگاه‌ها، پروفایل‌های دستگاه، و انتقال داده‌های کاربردی را بر عهده دارد. این لایه به برنامه‌های کاربردی اجازه می‌دهد تا با دستگاه‌های زیگبی تعامل داشته باشند.

انواع گره‌ها در شبکه‌های پروتکل zigbee

شبکه‌های زیگبی از سه نوع گره (Node) تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش متفاوتی را ایفا می‌کنند:

۱. هماهنگ‌کننده (Coordinator)

هماهنگ‌کننده‌ها مغز متفکر شبکه‌های زیگبی هستند. آن‌ها مسئولیت مدیریت، ایجاد و کنترل کلی شبکه را بر عهده دارند. هر شبکه زیگبی تنها یک هماهنگ‌کننده دارد که به‌عنوان نقطه‌ی اصلی مدیریت اطلاعات عمل می‌کند. هماهنگ‌کننده‌ها وظیفه دارند تا ارتباط دستگاه‌ها را کنترل کرده و اجازه دهند دستگاه‌های جدید به شبکه متصل شوند.

۲. روتر (Router)

روترها یا مسیریاب‌ها در شبکه زیگبی، وظیفه مسیریابی و انتقال داده‌ها را بین دستگاه‌ها بر عهده دارند. روترها باعث افزایش برد و پوشش شبکه می‌شوند و به شبکه این توانایی را می‌دهند که داده‌ها از چند مسیر مختلف منتقل شوند. در صورت اختلال در یک مسیر، بلافاصله مسیر جایگزین انتخاب شده و ارتباط شبکه بدون وقفه حفظ می‌شود.

۳. دستگاه پایانی (End Device)

دستگاه‌های پایانی معمولاً سنسورها و تجهیزات کوچک و کم‌مصرفی هستند که وظیفه جمع‌آوری داده‌ها، کنترل عملکرد یا اجرای دستورات را برعهده دارند. این دستگاه‌ها به دلیل طراحی ساده و مصرف انرژی پایین، با یک باتری کوچک می‌توانند تا چندین سال بدون نیاز به تعویض یا شارژ مجدد، به فعالیت خود ادامه دهند.

شبکه‌ی زیگبی به‌صورت یک شبکه‌ی مش (Mesh Network) طراحی شده است. این ساختار اجازه می‌دهد دستگاه‌ها بدون وابستگی به یک مسیر ثابت، با چندین مسیر مختلف و موازی داده‌ها را منتقل کنند و به همین دلیل، قابلیت اطمینان و مقاومت شبکه در برابر قطعی‌ها و اختلال‌ها به میزان چشمگیری افزایش می‌یابد.

 

ساختار شبکه‌های زیگبی

زیگبی از ساختارهای شبکه‌ای مختلفی پشتیبانی می‌کند که متداول‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• ستاره‌ای (Star Topology): در این ساختار، تمام گره‌ها مستقیماً به یک هماهنگ‌کننده مرکزی متصل می‌شوند. این ساختار ساده است اما اگر هماهنگ‌کننده از کار بیفتد، کل شبکه از کار می‌افتد.
• درختی (Tree Topology): در این ساختار، گره‌ها به صورت سلسله مراتبی سازماندهی می‌شوند. یک هماهنگ‌کننده در رأس قرار دارد و روترها و دستگاه‌های نهایی به آن متصل می‌شوند. این ساختار قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به ستاره‌ای دارد.
• مش (Mesh Topology): این ساختار، قدرت اصلی زیگبی را نشان می‌دهد. در شبکه‌های مش، گره‌ها می‌توانند مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و داده‌ها را از طریق چندین مسیر به مقصد برسانند. این امر باعث افزایش برد، قابلیت اطمینان و تحمل خطا در شبکه می‌شود. اگر یک مسیر ارتباطی قطع شود، داده‌ها می‌توانند از طریق مسیرهای دیگر ارسال شوند.

مزایای پروتکل زیگبی در خانه هوشمند

زیگبی با توجه به ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد خود توانسته جایگاه ویژه‌ای در خانه‌های هوشمند به‌دست آورد. در ادامه به تفصیل بیشتری به مزایای آن می‌پردازیم:

مصرف انرژی بسیار پایین

یکی از مهم‌ترین دلایل محبوبیت زیگبی، مصرف بسیار پایین انرژی در مقایسه با سایر فناوری‌های بی‌سیم است. دستگاه‌های مبتنی بر زیگبی به حدی کم‌مصرف‌اند که تنها با استفاده از یک باتری کوچک، قادر به فعالیت طولانی‌مدت و چندساله هستند. این موضوع به‌خصوص در خانه‌های هوشمند، که ده‌ها سنسور و دستگاه کوچک حضور دارند، اهمیت بسیار زیادی دارد.

شبکه مش و ارتباط پایدار

ساختار شبکه مش در زیگبی، ارتباطی مطمئن و پایدار را تضمین می‌کند. اگر یکی از دستگاه‌ها دچار مشکل شود، شبکه به‌صورت خودکار مسیرهای جدیدی را برای انتقال داده‌ها پیدا کرده و به سرعت خود را بازسازی می‌کند. این قابلیت به‌ویژه در سیستم‌های امنیتی و تجهیزات حیاتی خانه اهمیت ویژه‌ای دارد.

انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری بالا

زیگبی از نظر انعطاف و قابلیت گسترش شبکه، بسیار قوی عمل می‌کند. کاربران به راحتی می‌توانند دستگاه‌های جدید را به شبکه اضافه کنند یا دستگاه‌های قدیمی را از شبکه خارج کنند. به همین دلیل، به‌مرور و با تغییر نیازها، خانه هوشمند به‌سادگی قابلیت گسترش دارد.

امنیت بالای داده‌ها

زیگبی برای محافظت از داده‌ها از استاندارد رمزگذاری AES-128 استفاده می‌کند که یکی از قوی‌ترین و امن‌ترین استانداردهای رمزنگاری داده‌ها محسوب می‌شود. این سطح امنیت به کاربران این اطمینان را می‌دهد که اطلاعات حساس آن‌ها در معرض خطر نفوذ و هک شدن قرار نمی‌گیرد.

مقرون‌به‌صرفه بودن

تجهیزات مبتنی بر زیگبی نسبت به دیگر تکنولوژی‌ها مانند Z-Wave و Wi-Fi هزینه‌ی بسیار مناسب‌تری دارند. این مزیت باعث شده است که راه‌اندازی خانه هوشمند مبتنی بر این فناوری از نظر اقتصادی برای اغلب خانواده‌ها به انتخابی منطقی و مطلوب تبدیل شود.

معایب پروتکل زیگبی

با وجود مزایای فراوان، زیگبی نیز دارای محدودیت‌ها و معایبی است که باید در نظر گرفته شوند:

• سرعت انتقال پایین: سرعت انتقال داده در زیگبی نسبت به پروتکل‌هایی مانند وای‌فای بسیار کمتر است (معمولاً ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه در باند 2.4 GHz). این امر زیگبی را برای انتقال فایل‌های حجیم یا ویدئو مناسب نمی‌سازد، اما برای ارسال داده‌های کنترلی و حسگرها کافی است.
• تداخل با سایر دستگاه‌ها: در باند فرکانسی 2.4 GHz، زیگبی ممکن است با دستگاه‌های دیگری که از این باند استفاده می‌کنند، مانند وای‌فای و بلوتوث، تداخل داشته باشد. این تداخل می‌تواند بر کیفیت و پایداری ارتباطات تأثیر بگذارد.
• نیاز به گیت‌وی (Gateway): برای اینکه دستگاه‌های زیگبی بتوانند با اینترنت و شبکه‌های خارجی (مانند وای‌فای خانگی) ارتباط برقرار کنند، معمولاً به یک گیت‌وی یا هاب زیگبی نیاز دارند. این گیت‌وی وظیفه تبدیل پروتکل زیگبی به پروتکل‌های قابل فهم برای اینترنت را بر عهده دارد.
• پیچیدگی در راه‌اندازی اولیه: در مقایسه با برخی پروتکل‌های ساده‌تر، راه‌اندازی اولیه و پیکربندی یک شبکه زیگبی ممکن است کمی پیچیده‌تر باشد، به خصوص برای کاربران عادی.

کاربردهای پروتکل زیگبی در خانه هوشمند

پروتکل zigbee طیف گسترده‌ای از کاربردهای هوشمند خانگی را پوشش می‌دهد. برخی از کاربردهای مهم‌تر زیگبی عبارتند از:

کنترل روشنایی هوشمند

لامپ‌ها، کلیدها و سیستم‌های کنترل روشنایی زیگبی این امکان را فراهم می‌کنند تا کاربران به‌سادگی از راه دور یا طبق سناریوهای زمان‌بندی‌شده، میزان نور خانه را مدیریت کنند. این سیستم‌ها علاوه بر آسایش بیشتر، مصرف برق خانه را نیز به‌شدت کاهش می‌دهند.

امنیت و سیستم‌های هشدار هوشمند

سنسورهای حرکتی، سنسورهای دود، گاز و دوربین‌های امنیتی هوشمند مجهز به زیگبی، اطلاعات را به‌سرعت به مرکز کنترل انتقال می‌دهند و می‌توانند در زمان وقوع خطر به کاربران هشدار فوری بدهند.

مدیریت سیستم‌های تهویه و گرمایش

ترموستات‌های هوشمند زیگبی با قابلیت کنترل دقیق دما، علاوه بر ایجاد رفاه بیشتر برای کاربران، مصرف انرژی سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی را به‌طور چشمگیری بهینه می‌کنند.

مدیریت مصرف انرژی دستگاه‌ها

پریزهای هوشمند زیگبی این امکان را فراهم می‌کنند که کاربران به‌سادگی بتوانند مصرف برق هر دستگاه خانگی را به‌صورت دقیق بررسی و کنترل کنند. این کار باعث کاهش قابل توجه هزینه‌های مصرف انرژی می‌شود.

کنترل هوشمند پرده‌ها و درب‌ها

موتورهای کنترل پرده و قفل هوشمند مبتنی بر زیگبی امکان باز و بسته کردن خودکار و کنترل از راه دور را برای کاربران فراهم می‌کنند که امنیت و راحتی بالایی را به ارمغان می‌آورد.

راهنمای خرید دستگاه‌های زیگبی برای خانه هوشمند

پیش از خرید دستگاه‌های زیگبی برای خانه هوشمند، بهتر است معیارها و نکات کلیدی مشخصی را در نظر بگیرید تا بهترین انتخاب را داشته باشید. دستگاه‌های مبتنی بر زیگبی تنوع زیادی دارند و آشنایی با این معیارها به شما کمک می‌کند بهترین تجهیزات را متناسب با بودجه و نیاز خود تهیه کنید.

معیارهای مهم در انتخاب تجهیزات زیگبی

۱. سازگاری (Compatibility)
 از سازگاری کامل دستگاه‌ها با هاب مرکزی خود (مانند Samsung SmartThings یا Amazon Echo) اطمینان حاصل کنید و ترجیحاً دستگاه‌هایی را بخرید که تأییدیه Zigbee Alliance دارند.

۲. کیفیت ساخت
 دستگاه‌ها را از برندهای شناخته‌شده و معتبر انتخاب کنید تا از مشکلاتی مثل قطع ارتباط یا خرابی زودهنگام جلوگیری شود.

۳. طول عمر باتری
 دستگاه‌هایی انتخاب کنید که مصرف انرژی بسیار پایینی دارند و باتری آن‌ها حداقل یک یا دو سال دوام می‌آورد.

۴. قیمت مناسب
 قیمت‌ها را مقایسه کنید اما صرفاً به خاطر قیمت پایین، کیفیت را قربانی نکنید.

۵. برد شبکه
 برای خانه‌های بزرگ، دستگاه‌هایی بخرید که قابلیت تقویت شبکه (مثل پریز یا کلید هوشمند) دارند.

 

معرفی بهترین برندهای زیگبی در بازار ایران و جهان

۱. فیلیپس هیو (Philips Hue)
 محصولات روشنایی هوشمند با کیفیت ساخت بالا و سازگاری گسترده.

۲. سامسونگ اسمارت‌تینگز (Samsung SmartThings)
 هاب هوشمند و دستگاه‌های متنوع با سازگاری کامل و عملکرد پایدار.

۳. شیائومی (Xiaomi)
 محصولات هوشمند اقتصادی و متنوع با کیفیت مناسب برای کاربران خانگی.

۴. آیکیا (IKEA)
 سری محصولات Tradfri با طراحی ساده، کاربردی و قیمت مناسب.

۵. آمازون اکو (Amazon Echo)
 هاب مرکزی و دستیار صوتی با قابلیت کنترل دستگاه‌های زیگبی به صورت صوتی.

با توجه به این موارد، شما می‌توانید انتخاب هوشمندانه‌تری داشته باشید و از یک خانه هوشمند راحت، ایمن و مقرون‌به‌صرفه لذت ببرید.

تفاوت بین Zigbee و Z-Wave و سایر پروتکل های ارتباطی

علاوه بر Zigbee، سیستم های ارتباطی دیگری نیز در بازار وجود دارد که کاربران در خانه های خود از آنها استفاده می کنند. در این قسمت می خواهیم تفاوت پروتکل های Zigbee و Z-Wave و سایر روش های ارتباطی را توضیح دهیم. ما تفاوت بین این پروتکل ها را از نظر ویژگی های مشترک بررسی می کنیم.

• پهنای باند Zigbee

پهنای باند Zigbee به اندازه Z-Wave و بلوتوث است. اما در مقایسه با سه نوع پروتکل دیگر، پهنای باند وای فای بسیار خوب است.

• منطقه تحت پوشش پروتکل ZigBee

گسترش پروتکل Zigbee و پروتکل Z-Wave برای برنامه های شبکه خوب است. هنگام استفاده از سیگنال های تکرار کننده یا شبکه های وای فای در خانه، کیفیت بهتری خواهید داشت. اما پوشش بلوتوث خوب نیست.

• کانال رادیویی

فرکانس رادیویی Zigbee و بلوتوث 2.4 گیگاهرتز است. شماره برای وای فای یکسان است. البته پهنای باند فرکانس رادیویی Wi-Fi می تواند تا 5 گیگاهرتز برسد. از بین این چهار نوع پروتکل، پروتکل Z-Wave احتمالا کمترین فرکانس رادیویی را دارد که 908.42 مگاهرتز است.

• مصرف برق پروتکل Zigbee

پروتکل های ZigBee، بلوتوث و Z-Wave مصرف انرژی پایینی دارند. اما برای Wi-Fi، این خیلی زیاد است.

• به یک هاب نیاز دارید

پروتکل های ZigBee و Z-Wave به یک هاب یا قطب مرکزی نیاز دارند که از طریق آن دستگاه های هوشمند آنها می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. اما در مورد وای فای و بلوتوث اینطور نیست و می توانند بدون هاب به فعالیت خود ادامه دهند.

جمع‌بندی و توصیه نهایی

به دلیل ویژگی‌هایی مانند مصرف انرژی پایین، راه‌اندازی آسان، امنیت بالا و قیمت مناسب، پروتکل زیگبی به یکی از بهترین انتخاب‌ها برای هوشمندسازی خانه‌ها تبدیل شده است. برای بهره‌گیری حداکثری از این پروتکل، بهتر است تجهیزات خود را از برندهای معتبری مانند Philips Hue، Xiaomi یا IKEA انتخاب کنید تا از سازگاری و پایداری شبکه اطمینان داشته باشید. همچنین توصیه می‌شود از دستگاه‌هایی که قابلیت تقویت شبکه دارند استفاده کنید تا پوشش و کارایی شبکه به حداکثر برسد. در نهایت، اگر به دنبال راهکاری عملی، اقتصادی و مطمئن برای هوشمندسازی منزل خود هستید، زیگبی دقیقاً همان پروتکلی است که به آن نیاز دارید.

سوالات متداول درباره پروتکل zigbee

مصرف انرژی در زیگبی چقدر است؟

زیگبی به خاطر طراحی کم‌مصرفش معروف است و به‌طور خاص برای دستگاه‌های با باتری کوچک و عمر طولانی ساخته شده. مصرف انرژی زیگبی بسیار پایین است و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد ماه‌ها یا حتی سال‌ها با یک باتری کوچک کار کنند، مخصوصاً در حالت‌های خواب (Sleep Mode) که بخش زیادی از زمان در آن قرار می‌گیرند.

پروتکل zigbee در چه صنایعی بیشتر کاربرد دارد؟

زیگبی در صنایع مختلفی کاربرد دارد از جمله:

• خانه‌های هوشمند (Smart Home) مثل روشنایی، کنترل دما و امنیت
• ساختمان‌های تجاری و اداری برای اتوماسیون
• صنعت پزشکی و سلامت برای مانیتورینگ تجهیزات پزشکی
• کشاورزی هوشمند برای کنترل و مانیتورینگ مزرعه
• صنعت تولید و مدیریت انرژی

برد و محدوده پوشش زیگبی چقدر است؟

برد معمولی زیگبی حدود 10 تا 100 متر در فضای باز است، اما چون زیگبی از شبکه مش (Mesh Network) استفاده می‌کند، دستگاه‌ها می‌توانند سیگنال را به هم منتقل کنند و محدوده کل شبکه را تا چند صد متر یا حتی کیلومتر افزایش دهند.

تفاوت زیگبی با بلوتوث و وای‌فای چیست؟

• مصرف انرژی: زیگبی مصرف انرژی بسیار پایین‌تری نسبت به بلوتوث و وای‌فای دارد.
• برد: برد زیگبی معمولاً از بلوتوث بیشتر و از وای‌فای کمتر است.
• شبکه: زیگبی از شبکه مش پشتیبانی می‌کند که اجازه می‌دهد دستگاه‌ها به‌صورت خودکار پیام‌ها را از دستگاهی به دستگاه دیگر منتقل کنند، ولی بلوتوث و وای‌فای معمولاً چنین قابلیتی ندارند.
• کاربرد: زیگبی بیشتر در دستگاه‌های کم‌مصرف و کاربردهای اتوماسیون خانگی و صنعتی استفاده می‌شود، در حالی که بلوتوث برای انتقال داده‌های کوتاه‌برد و وای‌فای برای انتقال داده‌های پرسرعت استفاده می‌شود.