الفكرة الرئيسة:
سأتعرّف في هذا الدرس بعض تقنيات الشّبكات اللاسلكِّية المُستخدَمة في أنظمة إنترنت الأشياء، مثل: (Zigbee )، و( Bluetooth )، و( Wi-Fi ).
كذلك سأتعرّف كيفية عمل كل من هذه التقنيات، وأهمَّ مزاياها، وتطبيقاتها العملية في سياق إنترنت الأشياء. بعد ذلك سأُقارِن بين هذه التقنيات من حيث نطاق التردُد، ومُعدَل نقل البيانات، واستهلاك الطاقة، والتكلفة، والمرونة، ومدى نقل البيانات.
|
الإجابة : نعم، استخدمتُ تقنيات اتصال لاسلكي عديدة في حياتي اليومية، ومن أبرزها:
الهدف: ربط الأجهزة (مثل الهاتف والحاسوب) بشبكة الإنترنت منزلياً أو في المدرسة دون الحاجة لأسلاك.
الهدف: تبادل البيانات بين جهازين قريبين جداً، مثل ربط الهاتف بالسماعات اللاسلكية أو نقل ملفات بسيطة.
الهدف: الحصول على اتصال بالإنترنت وإجراء المكالمات أثناء التنقل في الأماكن التي لا يتوفر فيها Wi-Fi. |
تحتاج الأجهزة الذكية - ضمن بيئة إنترنت الأشياء- إلى تبادل البيانات عبر شبكات مُتعدِّدة؛ لذا يُعَد اختيار تقنية الاتصال المناسبة عاملا أساسيًّا مُهِمًّا لأداء هذه المهمة، وذلك اعتمادًا على مجموعة من المعايير، أبرزها:
نطاق التغطية (الانتشار)، ومُعدَّل نقل البيانات، والكفاءة في استهلاك الطاقة.
توجد مجموعة مُتنوِّعة من تقنيات الاتصال التي تفي باحتياجات تطبيقات إنترنت الأشياء؛ ما يتيح تحقيق التوازن بين مُتطلَّبات الأداء والقيود البيئية والبِنية التحتية المتاحة.
أنظر الجدول( 3- 1 ) الذي يُبيِّن عددًا من تقنيات الاتصال، ونوع الاتصال في كل تقنية، ونوع الشبكة التي تُغطّيها التقنية
الجدول ( 3- 1) أنواع تقنيات الاتصال في نظام إنترنت الأشياء.
|
اسم التقنية |
نوع الاتصال |
نوع الشبكة المُُغطّّاة |
أمثلة على الاستخدامات |
|
USB |
سلكي ( Wired ) |
شبكة المنطقة الشخصية ( Personal Area . Network: PAN) القصيرة المدى ضمن نطاق يتراوح بين ( 10)م و (100 ) م |
|
|
Ethernet |
سلكي ( Wired ) |
شبكة المنطقة المحلية ( Local Area Network ( LAN |
|
|
Wi-Fi |
لاسلكي (Wireless) |
شبكة المنطقة المحلية اللاسلكية ( Wireless Local Area Network :WLAN ) |
|
|
Bluetooth |
لاسلكي (Wireless) |
شبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية |
|
|
Zigbee |
لاسلكي (Wireless) |
شبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية ( WPAN ) |
|
|
RFID |
لاسلكي (Wireless) |
المجال القصير ( Close-Range ) |
|
|
4G/3G/2G |
لاسلكي (Wireless) |
الشبكة الواسعة المدى ( WAN ) شبكات الاتصالات الخلوية. |
|
تُعَدُّ تقنية البلوتوث ( Bluetooth )، وتقنية الواي فاي ( Wi-Fi )، وتقنية زيجبي ( Zigbee ) من أكثر تقنيات الاتصال اللاسلكي شيوعًا في أنظمة إنترنت الأشياء. ولكنْ، أيُّ هذه التقنيات أنسب للاستخدام؟
للإجابة عن هذا السؤال، لا بُدَّ من تعرُّف كل تقنية على حدَا، وفهم خصائصها الفنية، حالات استخدامها. بعد ذلك، يُمكِننا المقارنة بينها وفقًا لمُتطلَّبات النظام، مثل: استهلاك الطاقة، ومدى
التغطية (الانتشار)، وسرعة نقل البيانات، والتكلفة؛ فنتمكَّن من اختيار أفضلها للوفاء باحتياجاتنا
تقنية اتصال لاسلكية قصيرة المدى، تعمل على توصيل الإشارات بين مختلف الأجهزة ضمن نطاق يصل إلى نحو ( 10 ) أمتار أو أقل، اعتمادًا على قوَّة الإشارة والبيئة المحيطة. تعتمد هذه التقنية على موجات الراديو التي يبلغ تردُّدها (2.4 ) جيجاهيرتز ( GHz )، وقد طُوِّرت في الأصل لتمكين الهواتف المحمولة وأجهزة الحاسوب من نقل البيانات في ما بينها.
صُمِّم البلوتوث ليكون وسيلة اتصال لاسلكية ذات كفاءة عالية من حيث استهلاك الطاقة والتكلفة؛ ما يجعله مثاليًّا للاستخدام في التطبيقات التي تتطلَّب استهلاكًا مُنخفِضًا للطاقة، مثل أجهزة إنترنت الأشياء ( IoT ). كذلك يُوفِّر البلوتوث آليّات أمان مُتقدِّمة؛ ما يضمن النقل الآمن للبيانات بين الأجهزة المتصلة.
بوجه عام، تُعدُّ تقنية البلوتوث واحدة من أكثر التقنيات كفاءة و موثوقية في مجال الاتصالات اللاسلكية القصيرة المدى.
|
إجابة مُحتمَلة:
استعارت الشركات المطوِِّرة للتقنية (إريكسون وآخرون في 1996 م) هذا الاسم كتشبيه رمزيٍّ؛ لأنَّ تقنية البلوتوث تهدف إلى توحيد الأجهزة المختلفة وربطها للتواصل فيما بينها بسهولة.
مواقع مقترحة للبحث الدقيق: Bluetooth Technology Overview | Bluetooth® Technology Website
مقال من History Extra (BBC History Magazine ) ) يقدِّم سردًا تاريخيًّا موثوقًا حول الملك Harald Bluetooth وسبب تسميته بالتقنية.
مجلَّة DirectIndustry e-Magazine شرح مبسَّط ومفيد يناسب الطلّاب، يتناول أصل الاسم والشعار بالعربيَّة التقنية.
|
تعتمد تقنية البلوتوث على آليَّة اتصال قصيرة المدى عبر موجات الراديو، وهي تعمل وََفق المبادئ الآتية:
1- البثُّ الدوري:
تبثُّ الأجهزة الطرفية (مثل: السمّاعات، والحسّاسات) إشارات تعريفية بشكل منتظم عبر نطاق التردُّد ( 2.4 ) جيجاهيرتز ( GHz )، وهو النطاق المُخصَّص للاتصالات ذات الطاقة المُنخفِضة.
2- اكتشاف الأجهزة:
يبدأ الجهاز المركزي (مثل: الهاتف الذكي، والجهاز اللوحي) بمسح البيئة المحيطة بحثًا عن الأجهزة القابلة للاتصال، ثم يُحدِّد الأجهزة المناسبة بناءً على إعدادات المُستخدِم وتفضيلاته.
3- تأسيس الاتصال:
ما إنْ يتم اكتشاف الجهاز المطلوب، حتَى يُنشَأ رابط اتصال مُشفَّر بين الجهاز المركزي والجهاز الطرفي؛ ما يسمح بتبادل البيانات بشكل آمن.
4- التفاعل والتحكُّم:
بعد الانتهاء من تأسيس الاتصال، يُمكِن للمُستخدِم إرسال العديد من الأوامر (مثل: تشغيل الأجهزة وإغلاقها، وإرسال البيانات) من جهازه المحمول للتحكمُّ في العناصر المُرتبِطة؛ ما يُعزِّز تكامل أنظمة إنترنت الأشياء( IoT )، وبخاصة في البيئات المنزلية الذكية أنظر الشكل (3- 1)
1- المنازل الذكية ( Smart Homes ):
تُستخدَم تقنية البلوتوث للتحكمّ في الإضاءة، والتدفئة، وأجهزة التكييف، والأقفال الذكية، والأجهزة الصوتية، وأجهزة التلفاز عبر تطبيقات الهواتف المحمولة، مثل استخدام جهاز الهاتف المحمول لتشغيل نظام الصوت، وفتح الباب تلقائيًّا عند الاقتراب منه.
يتطلَّب استخدام تقنية البلوتوث في المنزل الذكي توافر المُكوِّنات الآتية:
أ. الأجهزة الطرفية:
تشمل هذه الأجهزة مجموعة من الأجهزة الذكية التي تدعم الاتصال بتقنية البلوتوث: مثل: الإضاءة، ومُنظِّمات درجة الحرارة، وكاميرات الأمان، وأقفال الأبواب، ومُكبِّرات الصوت.
ب. الاتصال اللاسلكي ( Bluetooth) :
تُستخدَم تقنية البلوتوث في جميع المُكوِّنات للتمكُّن من إنشاء شبكة اتصال شخصية مُنخفِضة الطاقة، تتيح التفاعل بين المحور المركزي والأجهزة المختلفة من دون حاجة إلى وجود أسلاك.
ج. تطبيقات التحكُّم في الأجهزة:
يستطيع المُستخدِم أنْ يُشغِّل الأجهزة ( مثل: الإضاءة، والتدفئة) ، ويُديرها عن بُعْد باستخدام تطبيقات الهواتف الذكية الموصولة عبر تقنية البلوتوث.
د. الأوامر الصوتية:
يُمكِن دمج المساعدات الذكية ( مثل: Alexa ، و Google Assistant) في النظام؛ ما يسمح بتنفيذ الأوامر باستخدام الصوت فقط.
هـ . خيارات(سيناريوهات) الأتمتة:
يُمكِن ضبط الإجراءات التلقائية ( مثل تشغيل الأضواء عند دخول الغرفة ) استنادًا إلى الجداول الزمنية أو استشعار الحركة؛ ما يُعزِّز من راحة المُستخدِم، ويزيد من كفاءة استخدام الطاقة.
2. الرعاية الصحية ( Healthcare ) :
يُمكِن استخدام تقنية البلوتوث في تتبُّع المُؤشِّرات الحيوية باستخدام الأجهزة القابلة للارتداء ( Wearables)، مثل ساعات تتبُّع نبض القلب، وإرسال البيانات مباشرة إلى تطبيقات الهواتف لمراقبة الحالة الصحية (مثل ربط جهاز قياس نسبة السكَّر في الدم بتطبيق صحي لتحليل البيانات)ومشاركتها مع الطبيب المُتخصِّص
3. السيّارات الذكية ( Smart Vehicles ):
تُستخدَم تقنية البلوتوث في الاتصال بين الهاتف المحمول والسيّارة بهدف تشغيل الوسائط أو الرَّدِّ على المكالمات من دون استخدام اليدين. كذلك تُستخدَم تقنية البلوتوث في مفاتيح السيّارات الذكية (Keyless Entry)
4.الصناعة والمخازن ( Industrial IoT ):
يُمكِن مراقبة الآلات لحظيًّا (في الوقت الحقيقي) باستخدام حسّاسات تعمل بتقنية البلوتوث، إضافةً إلى تتبُّع الأصول داخل المخازن الكبيرة عبر إشارات(Bluetooth Low Energy)
5.التعليم الذكي (Smart Education):
تُستخدَم تقنية البلوتوث في مشاركة البيانات أو الملفات بين الأجهزة داخل الصفوف الدراسية، وفي ربط لوحات العرض التفاعلية والأجهزة اللوحية بالتطبيقات التعليمية
|
يوجد العديد من التطبيقات: الموازين الذكية (Smart Scales) الأقفال الذكية (Smart Locks) أجهزة تتبع الممتلكات (Bluetooth Trackers) الألعاب وأجهزة الترفيه الأجهزة القابلة للارتداء(Wearables) الطائرات المسيَّرة (Drones) . نظم الدفع الإلكترونيَّة (Contactless Payment) المتاحف والمعارض الذكيَّة (Smart Museums)
الأقفال الذكية (Smart Locks)الفائدة من استخدامه: يُستخدم لتأمين المنازل أو المكاتب وفتح الأبواب وإغلاقها دون الحاجة لمفاتيح تقليدية، مما يزيد من مستوى الأمان والراحة. أجهزة تتبع الممتلكات (Bluetooth Trackers)الفائدة من استخدامه: يُستفاد منها في العثور على الأشياء المفقودة بسهولة مثل (مفاتيح السيارة، المحفظة، أو الحقائب) عبر تطبيق على الهاتف.الموازين الذكية (Smart Scales) الفائدة من استخدامه: متابعة البيانات الصحية والوزن ونسبة الدهون بشكل دوري وتلقائي دون الحاجة لتدوينها يدوياً. الألعاب وأجهزة الترفيه : الفائدة من استخدامه: يُستخدم البلوتوث لربط وحدات التحكُّم بأجهزة الألعاب أو الهواتف، مثل PlayStation و .Xbox الأجهزة القابلة للارتداء(Wearables) الفائدة من استخدامه: يُستخدم البلوتوث لربط الساعات الذكيَّة، والأساور الرياضيَّة، والنظّارات الذكيَّة. الطائرات المسيَّرة (Drones) الفائدة من استخدامه: التحكُّم في الطائرات الصغيرة للأغراض التعليميَّة أو الترفيهيَّة نظم الدفع الإلكترونيَّة (Contactless Payment) الفائدة من استخدامه: أنظمة دفع في المتاجر أو المطاعم عبر أجهزة طرفيَّة صغيرة. المتاحف والمعارض الذكيَّة (Smart Museums ) الفائدة من استخدامه: استخدام Bluetooth Beacons لتقديم محتوى تفاعلي للزوّار.
الأقفال الذكية (Smart Locks) آلية العمل: يعمل القفل عبر تقنية البلوتوث للتعرف على الهاتف المحمول الخاص بصاحب المنزل عند اقترابه من الباب (ضمن مدى الاتصال اللاسلكي القريب)؛ حيث يرسل الهاتف شفرة رقمية آمنة إلى القفل ليفتح تلقائياً. أجهزة تتبع الممتلكات (Bluetooth Trackers) آلية العمل: تُصدر الرقاقة إشارة بلوتوث مستمرة منخفضة الطاقة (BLE) وعندما يبحث المستخدم عن غرضه عبر التطبيق يقيس الهاتف قوة الإشارة لتحديد المسافة بدقة أو يطلب من الرقاقة إصدار صوت تنبيه لتحديد مكانها. الموازين الذكية (Smart Scales) آلية العمل: بمجرد وقوف الشخص على الميزان، يقوم الجهاز بقياس البيانات وإرسالها فوراً عبر البلوتوث إلى تطبيق الصحة على الهاتف الذكي ليتم تخزينها ورسم مخططات بيانية لمتابعة التطور الصحي. الألعاب وأجهزة الترفيه : آليَّة العمل:
الأجهزة القابلة للارتداء(Wearables) آليَّة العمل:
نظم الدفع الإلكترونيَّة (Contactless Payment) آليَّة العمل:
المتاحف والمعارض الذكيَّة (Smart Museums )
|
تُعَدُّ تقنية الواي فاي(Wi-Fi ) إحدى أشهر تقنيات الاتصال اللاسلكي وأكثرها استداما في حياتنا اليومية. وقد استُخدِمت هذه التقنية أوَّل مَرَّة في هاواي عام 1971 م لربط الجُزُر بعضها ببعض عبر شبكات لاسلكية. تُستخدَم في تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) موجات الراديو ضمن نطاق التردُّد ( 2.4 ) جيجاهيرتز ( GHz ) ونطاق التردُّد ( 5)جيجاهيرتز ( GHz ) لتوفير اتصال عالي السرعة بشبكة الإنترنت من دون حاجة إلى أكبال مادية، ومدى تغطية (انتشار) يصل إلى( 50 ) مترًا.
صحيحٌ أنَّ تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) لم تُصمَّم أساس الأنظمة إنترنت الأشياء، لكنَّها أصبحت عنصرًا رئيسًا في ربط الأجهزة الذكية بشبكة الإنترنت؛ ما يتيح إرسال البيانات واستقبالها بكفاءة وفعّالية.
تمتاز تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) عن غيرها من تقنيات الاتصال اللاسلكي بما يأتي:
1. السرعة العالية في نقل البيانات:
تُناسِب تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) التطبيقات التي تتطلَّب نقل كَمّ هائل من البيانات، مثل بثِّ مقاطع الفيديو المباشرة من كاميرات الأمان.
2. الانتشار الواسع والتوافر الكبير:
تُستخدَم تقنية الواي فاي( Wi-Fi )على نطاق واسع في المنازل والمدارس والمكاتب والمصانع، وهي تَصْلح للاستخدام في المساحات الكبيرة نسبيًّا.
بالرغم من ذلك، فإنّ تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) تُواجِه تحدِّيات عديدة، أبرزها ارتفاع استهلاك الطاقة مقارنةً بغيرها من التقنيات، مثل تقنية زيجبي (Zigbee ) وتقنية البلوتوث( Bluetooth )ما يجعلها أقل مُلاءَمة للأجهزة الصغيرة، أو الأجهزة التي تعمل بالبطّاريات، مثل: الحسّاسات، وأجهزة القياس البعيدة.
غير أنَّ موثوقية تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) وسرعتها العالية تجعلانها خيارًا مُفضَّلًا وناجحًا في التطبيقات التي تتطلَّب اتصالًا مستمرًّا ونقلًا مُكثَّفًا للبيانات؛ ما يُفسِّر سبب استخدامها بكثرة في أنظمة المراقبة والمنازل الذكية وأنظمة إدارة المباني ضمن البيئات الخاصة بإنترنت الأشياء.
تعتمد شبكات الواي فاي ( Wi-Fi ) في عملها على جهاز محوري يكون عادةً جهاز توجيه لاسلكيًّا يُستخدَم في نقل البيانات بين شبكة الإنترنت والأجهزة المتصلة؛ إذ يُرسِل جهاز التوجيه البيانات المطلوبة ويستقبلها عبر الموجات الراديوية التي تنتقل في الهواء وصولًا إلى الأجهزة المُحدَّدة، مثل: الهواتف الذكية، وأجهزة الحاسوب، والأجهزة اللوحية: يتيح هذا النوع من الاتصال للمُستخدِمين التحرُّك بحرية داخل منطقة التغطية(الانتشار) مع الحفاظ المستمر على اتصال مستقر؛ إذ يتصل جهاز التوجيه اللاسلكي بمُزوِّد خدمة الإنترنت(Internet Service Provider ISP) الذي يتيح الوصول إلى شبكة الإنترنت.
كذلك يُنشِئ هذا الجهاز شبكة لاسلكية يُمكِن للأجهزة مشاركتها والاتصال بها عن طريق إدخال كلمات مرور مُعيَّنة. ويضمن هذا التشفير نقل البيانات بأمان عبر الشبكة، ويَحول دون الوصول غير المُصرَّح به. أنظر الشكل ( 3- 2)
الشكل ( 3-2 )
تُستخدََم تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) في أنظمة إنترنت الأشياء ( IoT) ويشمل ذلك غالبًا التطبيقات التي تتطلَّب اتصالًا دائمًا وسرعةً عاليةً في نقل البيانات، مثل:
1.المؤتمرات المرئية (Video Conferencing ):
يُعَدُّ هذا النوع من المؤتمرات أحد أبرز التطبيقات التي تُستخدَم فيها تقنية الواي فاي( Wi-Fi ) ذلك أنَّها تتيح التواصل بالصوت والصورة مع أشخاص في أماكن مختلفة من العالَم دون حاجة إلى توصيلات مادية مثل الأكبال.
ففي أثناء استخدام مِنصّات الفيديو (مثل: Zoom و Skype و Google Meet و Microsoft Teams ) يتم الاعتماد على اتصال واي فاي ( Wi-Fi ) ثابت وقوي لأنَّ هذه التطبيقات تنقل إشارات الصوت والصورة في الزمن الحقيقي (الفعلي)
2. الروبوتات المنزلية( Home Robots ):
يتصل هذا النوع من التطبيقات بشبكة الواي فاي (Wi-Fi) لتلقّي الأوامر أو التحديثات، وهي تعمل تلقائيًّا على جدولة عملية التنظيف وتتبُّع الأداء عن طريق الهاتف الذكي.
3.الطابعات الذكية( Wi-Fi Printers ):
يُربَط هذا النوع من الطابعات بالشبكة المنزلية أو الشبكة المكتبية لاستقبال أوامر الطباعة من أيِّ جهاز متصل بالشبكة؛ ما يُسهِّل عملية الوصول إلى الطابعة من دون حاجة إلى وجود كَبْل.
4. أنظمة المراقبة الأمنية (Smart Surveillance Systems ):
تُستخدَم الكاميرات الذكية المتصلة بشبكة الواي فاي ( Wi-Fi ) لنقل مقاطع الفيديو مباشرة إلى تطبيقات الهاتف أو أنظمة التخزين السحابية؛ ما يتيح مراقبة المنازل والشركات على مدار الساعة من أيِّ مكان باستخدام الإنترنت.
5. الأجهزة الطبية الذكية ( Smart Healthcare Devices ) :
يُمكِن لهذا النوع من الأجهزة (مثل: أجهزة مراقبة الجلوكوز، وأجهزة ضغط الدم) إرسال البيانات مباشرة إلى الأطباء عبر شبكة الواي فاي ( Wi-Fi ) ما يسمح بمتابعة حالة المريض الصحية عن بُعْد.
|
2 - فيمَ يستفاد من استخدام تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) في هذا التطبيق أو الجهاز؟ 3 -كيف تعمل تقنية الواي فاي( Wi-Fi ) في هذا السياق؟ 4- ما نوع الأجهزة التي تتصل بالشبكة؟ 5 -ما نوع البيانات التي يتمُّ نقلها؟ 6- ما سبب اختيار تقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) لهذا التطبيق أو الجهاز؟ بعد ذلك أُدوِّن الإجابات التي أتوصَّل إليها، ثمََّ أُشارِكها مع الزملاء/ الزميلات في الصف،ونتبادل معًا التغذية الراجعة. |
إجابة محتملة:الحل :أولاً: أجهزة التلفاز الذكية (Smart TVs)
ثانياً: أنظمة التحكم في التكييف والتدفئة (Smart HVAC Systems)
ثالثاً : أجهزة إنترنت الأشياء في الزراعة
4 . ما نوع الأجهزة التي تتصل بالشبكة؟ جهاز الاستشعار + وحدة تحكُّم ذكيَّة +( Controller ( الهاتف المحمول/ الحاسوب.
6 .سبب اختيار الواي فاي (Wi-Fi)؟
رابعاً: المساعدات الشخص ةَيَّ الذك ةَيَّ
|
ظهرت تقنية زيجبي(Zigbee ) أوَّل مَرَّة عام 2004 م بعد تحالف ( Zigbee Alliance ) وهو ائتلاف يضمُّ مئات الشركات العالمية التي تعمل على تطوير حلول الاتصال اللاسلكي المُنخفِض الطاقة
ودعمها.
وقد صُمِّمت تقنية زيجبي ( Zigbee ) لتكون معيارًا موثوقًا به في الاتصالات اللاسلكية التي تتطلَّب استهلاكًا مُنخفِضًا للطاقة ومُعدَّلًا بسيطًا لنقل البيانات.
تعمل هذه التقنية ضمن نطاق التردُّد (2.4 ) جيجاهيرتز ( GHz ) عالميًّا، وضمن نطاق التردُّد (868 ) جيجاهيرتز ( GHz ) في أوروبا، وضمن نطاق التردُّد( 915 )جيجاهيرتز ( GHz ) في أمريكا الشمالية.
تعتمد تقنية زيجبي( Zigbee )على الشبكات المُتشابِكة ( Mesh Network )وهي شبكات ذاتية التنظيم تسمح للأجهزة بتمرير البيانات في ما بينها عن طريق عُقَد عديدة؛ ما يُعزِّز مدى الاتصال والاستقرار، حتّى في حال وجود أيِّ عوائق أو مسافات.
تُعَدُّ هذه التقنية خيارًا مثاليًّا لتطبيقات إنترنت الأشياء( IoT ) التي تتطلَّب اتصالًا موثوقًا به واستهلاكًا مُنخفِضًا للطاقة؛ فهي تدعم اتصال نحو(65000 )جهاز في الشبكة الواحدة؛ ما يجعلها مناسبة للبيئات الواسعة، مثل: المنازل الذكية والمصانع، أمّا مدى الاتصال بين الأجهزة في الشبكة الواحدة فيتراوح بين(10 ) م و( 100) م، وهو يختلف تبعًا لاختلاف العوامل البيئية، مثل: الجدران، والعوائق.
تمتاز تقنية زيجبي ( Zigbee )بأنَّها تُو فر اتصالًا مستقرًّا على المدى الطويل؛ ما يجعلها مناسبة للأجهزة التي تعمل بالبطّارية، وتحتاج إلى تشغيل دائم، من دون حاجة إلى الشحن المُتكرِّر.
وبالمثل، فإنَّ اعتمادها على بِنية الشبكة المُتشابِكة يُعزّز من موثوقية الاتصال؛ إذ تُمرَّر البيانات خلال عدد من الأجهزة في حال حدث انقطاع في الإشارة أو ضعف فيها، من دون حاجة إلى وجود سرعات عالية لنقل البيانات، مثل: أجهزة التحكُّم في الإضاءة، والحسّاسات البيئية.
تمتاز شبكة زيجبي ( Zigbee) باستهلاكها كمية صغيرة جدًّا من الطاقة، ومن ثَمَّ يُمكِن للتطبيقات الفردية أنْ تعمل مُدَّة عام واحد أو عامين اثنين باستخدام بطّارية صغيرة مُثبَّتة.
يعتمد هذا الأداء الفعّال على هيكل الشبكة الذي يتألَّف من ثلاثة مُكوِّنات رئيسة، هي :
1. مُنسِّق زيجبي Zigbee Coordinator) (Zigbee ) ):
يُعَدُّ هذا المُكوِّن العقل المُدبِّر لشبكة زيجبي ( Zigbee ) ذلك أنَّه المسؤول الأوَّل عن إدارة هذه الشبكة بصورة كاملة، بما في ذلك إنشاء الشبكة وتنظيمها، وتخزين البيانات ومعالجتها، وضمان أمان الشبكة:عن طريق التحكمُّ في عمليات الانضمام، والاحتفاظ بسجلّات الأجهزة المتصلة، ومراقبة الأجهزة التي فقدت الاتصال، والعمل على إعادة دمجها عند الحاجة، علمًا بأنَّه يُشترَط وجود مُنسقٍّ واحد فقط في كل شبكة زيجبي( Zigbee)
2. أجهزة التوجيه ( Routers ):
تعمل هذه الأجهزة بوصفها مُكوِّنات وسيطة تربط أقسام الشبكة بعضها ببعض، وتُستخدَم لتوسيع التغطية الجغرافية للشبكة. تُمرِّر أجهزة التوجيه حُزَم البيانات بين الأجهزة الطرفية أو بين جهاز طرفي والشبكة.
وقد تضم الشبكة عددًا من أجهزة التوجيه بحسب الحاجة؛ ما يُعزِّز من قوَّة الاتصال والمرونة في توزيع العُقَد.
3. الأجهزة الطرفية (End Devices) :
تعمل هذه الأجهزة عادةً بوصفها أجهزة استشعار ذكية تراقب البيانات، وتجمعها من البيئة المحيطة، مثل: درجة الحرارة، والحركة، والضوء. تعمل الأجهزة الطرفية غالبًا بالطاقة المُنخفِضة أو بالبطّاريات، ويُمكِنها الدخول في وضع السكون للحفاظ على الطاقة في حال عدم وجود نشاط يتطلَّب المراقبة.
يُذكَر أنَّ الأجهزة الطرفية لا تُوجِّه البيانات إلى غيرها، بل تتصل فقط بمُنسقِّ الشبكة أو المُوجِّه القريب منها. أنظر الشكل (3-3)
|
|
حل نشاط: مكونات شبكة زيجبي (Zigbee)تعتمد تقنية زيجبي على هيكلية محددة تضم ثلاثة مكونات رئيسية (المنسّق، أجهزة التوجيه ، الأجهزة الطرفية). فيما يلي تحديد المكون المسؤول عن كل عبارة: 1. مُكوِّن مسؤول عن بَدْء الشبكة، والتحكم في انضمام الأجهزة الأخرى إليها.
2. مُكوِّن يُمرِّر البيانات بين الأجهزة الطرفية والمُنسق لتوسيع مدى الشبكة.
3. مُكوِّن يظل عادةً في وضع السبات مُدداً طويلة للحفاظ على الطاقة، ويعمل فقط عند الحاجة.
4. مُكوِّن يتصل اتصالاً مباشراً بالمُنسّق أو بأجهزة توجيه أخرى، لكنه لا يُنشئ شبكة مستقلة.
5.مُكوِّن لا يستطيع أن يعمل وحده من دون وجود مُنسق في الشبكة.
الخلاصة : تتميز تقنية زيجبي بقدرتها على تكوين شبكة "مشتبكة" (Mesh Network)، حيث تلعب الأجهزة فيها أدواراً تكاملية فالمُنسّق يطلقها، و أجهزة التوجيه يمدد خيوطها والأجهزة الطرفية تجمع البيانات بأقل استهلاك للطاقة. |
يوجد العديد من التطبيقات التي تُستخدَم فيها تقنية زيجبي ( Zigbee ) وهذه أبرزها :
1. الأنظمة الصحية:
تُستخدَم تقنية زيجبي( Zigbee ) على نطاق واسع في القطاع الطبي؛ إذ تُوفِّر هذه التقنية مِنصَّة فعّالة وآمنة لتبادل بيانات المرضى الحيوية، إضافةً إلى ضمان الخصوصية، والحفاظ على سلامة المعلومات. يُمكِن لتقنية زيجبي ( Zigbee ) دعم عدد كبير من الأجهزة الطبية بالوقت نفسه؛ ما يُمكِّن مُقدِّمي الرعاية الصحية من مراقبة العديد من المرضى بكفاءة عالية.
و تمتاز باستهلاكها المُنخفِض للطاقة ما يطيل عمر بطّاريات الأجهزة الطبية، ويُقلِّل الحاجة إلى استبدالها أو إعادة شحنها. وهذا أمر مُهمّ جدًّا عند زراعة الأجهزة أو استخدامها زمنًا طويلًا ، وهو يتيح مراقبتها باستمرار من دون التّسُبب في إزعاج المرضى، أو توقُّف الأجهزة عن العمل.
2. المنازل الذكية (Smart Homes) :
تُُستخدََم تطبيقات عِدَّة في أنظمة المنازل الذكية، وهذه أبرزها:
أ. أنظمة الإضاءة الذكية:
تُستخدَم تقنية زيجبي ( Zigbee ) في توصيل المصابيح الذكية بالمحور المركزي، بحيث يُمكِن تشغيل هذه المصابيح وإطفاؤها وتعديل شِدَّة إضاءتها عن طريق الهاتف الحمول أو باستخدام الأوامر الصوتية.
ب. أقفال الأبواب الذكية:
تتيح تقنية زيجبي ( Zigbee ) فتح الأبواب وإغلاقها عن بُعْد باستخدام تطبيق الهاتف المحمول، إضافةً إلى إرسال إشعارات فورية عند محاولة فتحها لدخول المنزل.
3. أنظمة الأمن والمراقبة ( Security Systems ) من الأجهزة التي تُستخدَم في أنظمة الأمن والمراقبة، وتعتمد على تقنية زيجبي(Zigbee)
أ. أجهزة الاستشعار ( Sensors ) : يمكِن لأجهزة استشعار ملاحظة أيِّ حركة وتتبُّعها، مثل: مُستشعِرات الحركة، ومُستشعِرات فتح النوافذ والأبواب؛ إذ تعمل هذه الأجهزة على إرسال إشعارات إلى الهاتف المحمول عند حدوث أيِّ نشاط غير طبيعي في المكان المُستهدَف.
ب. كاميرات المراقبة اللاسلكية: تتصل هذه الكاميرات بالمركز عبر تقنية زيجبي ( Zigbee ) لنقل التنبيهات، أو لتشغيل الإنذارات.
4. الزراعة الذكية ( Smart Agriculture ) من الأمثلة على التطبيقات التي تُستخدََم في الزراعة الذكية، وتعتمد على تقنية زيجبي(Zigbee)
أ. حسّاسات الرطوبة ودرجة الحرارة في التربة: تعمل هذه الحسّاسات على جمع البيانات من الحقول، ثم إرسالها إلى النظام المركزي لاتِّخاذ قرارات بخصوص عملية الريِّ التلقائية.
ب. أنظمة الريِّ التلقائي: تعتمد هذه الأنظمة على البيانات المُرسَلة من الحسّاسات لضَخِّ المياه اللازمة أو إيقاف عملية ضَخِّها بحسب الحاجة.
|
|
|
حل النشاط : |
|||
| النظام الذكي | 1. نظام النقل الذّكي | 2. نظام توفير الطاقة الذكي | 3. نظام الأمان الذكي في المنزل |
| تقنية Bluetooth (خاصة BLE) |
|
|
|
| تقنية Zigbee |
|
|
تحكُّم مركزيٌّ بالأجهزة المنزليَّة عبر الإنترنت. ⹇ إرسال بيانات الاستهلاك إلى التطبيقات السحابيَّة |
|
تقنية Wi-Fi |
( Smart Locks )
|
|
|
تعرَّفْت سابقًا أنَّ تقنية البلوتوث ( Bluetooth ) وتقنية الواي فاي ( Wi-Fi ) وتقنية زيجبي (Zigbee) هي من أبرز تقنيات الاتصال اللاسلكي المُُستخدَمة في أنظمة إنترنت الأشياء ( IoT ) وأنَّها جميعًا تُوفِّر اتصالًا قصير المدى بين الأجهزة المختلفة لكنَّها تتباين من حيث الكفاءة واستهلاك الطاقة وسرعة البيانات ومدى الاستخدام.
ومن ثَمَّ فإنَّ اختيار أنسب التقنيات يعتمد على طبيعة التطبيق ومُتطلَّباته من حيث الطاقة والسرعة وتكلفة التركيب والصيانة وحجم الشبكة المطلوبة. أنظر الجدول ( 3- 2) الذي يَعْقد مقارنةً بين هذه التقنيات وفقًا لمعايير عِدَّة.
الجدول ( 3- 2): مقارنة بين تقنية( Bluetooth ) وتقنية ( Wi-Fi ) وتقنية (Zigbee)
يُمكِن القول إنَّ تقنية البلوتوث ( Bluetooth ) هي أنسب للأجهزة القريبة التي تحتاج إلى اتصال سريع واستهلاك طاقة محدود (مثل : السّمّاعات، والساعات)
في حين أنَّ تقنية الواي فاي( Wi-Fi ) تُناسِب البيئات التي تتطلَّب سرعةً عاليةً وتبادلًا كبيرًا للبيانات، مثل: بثِّ الفيديو المرئي،وعقد المؤتمرات.
أمّا تقنية زيجبي(Zigbee )فهي تُُمثّلِ الخيار الأفضل للتطبيقات التي تتطلَّب اتصالًا موثوقًا به، مُنخفِض الطاقة، وطويل الأَمَد، مثل أجهزة الاستشعار الذكية.
|
أقرأ وصف المشروع بِرَوِيَّة، ثمَّ أُحدِّد أنسب تقنية لاسلكية له( Bluetooth ، أو Wi-Fi ، أو Zigbe ) وأُبرِّر سبب اختياري استنادًا إلى جدول المقارنة المذكور آنفًا
نظام ذكي للتحكمُّ في إضاءة منزل، يحتوي على ( 20 ) مصباحًا ذكيًّا مُوزَّعةً في مختلف أنحاء المنزل، ويتطلَّب استجابة آليةَّ (أوتوماتيكية) لتشغيل المصابيح 2. المشروع الثاني: كاميرا مراقبة لاسلكية تبثُّ مقاطع الفيديو مباشرة إلى الهاتف المحمول، وتعمل طوال اليوم، وتتطلَّب نقل مقاطع الفيديو بجودة عالية إلى تطبيق في الهاتف المحمول، وتوفير مصدر ثابت للطاقة ( ليس بطّارية ) 3. المشروع الثالث: ساعة صحية قابلة للارتداء، تقيس مُعدَّل ضربات القلب، ويُمكِن وضعها على مِعْصم اليد طوال اليوم. ، وتتطلَّب نقل البيانات كل دقيقة إلى الهاتف المحمول، واستهلاك أقل طاقة مُمكِنة، والعمل أيامًا معدودةً من دون شحن. |
حل النشاط :المشروع الأول: نظام إضاءة المنزل الذكي (20 مصباحاً)
1. الشبكة المشتبكة (Mesh Network): تسمح بربط عدد كبير من المصابيح (20 مصباحاً) ببعضها لتغطية كافة أنحاء المنزل دون إضعاف الإشارة. 2. استهلاك الطاقة: تمتاز بقدرتها على العمل لمدد طويلة جداً باستهلاك ضئيل للبطارية، وهو ما يتناسب مع الحساسات التي تعمل عند دخول المنزل. 3. الاستجابة الآلية: توفر استجابة فورية للأوامر الأوتوماتيكية دون الحاجة لسرعة إنترنت عالية. المشروع الثاني: كاميرا مراقبة لاسلكية (بث مباشر)
المشروع الثالث: ساعة صحية قابلة للارتداء
|
| المشروع | التقنية المختارة | الميزة التنافسية الكبرى |
| الإضاءة | Zigbee | تغطية شاملة للمنزل واستهلاك بطارية شبه منعدم. |
| الكاميرا | Wi-Fi | دقة فيديو عالية وبث لحظي دون تقطيع. |
| الساعة الصحية | Bluetooth | سهولة الاقتران بالهاتف وطول عمر البطارية. |
إجابة محتملة:
المشروع 1: نظام ذكيٌّ للتحكُّم بالإضاءة في المنازل ( 20 مصباحًا ذكيًّا)
التقنية الأنسب: Zigbee ؛ وذلك للأسباب الآتية:
⹇ النظام يتطلَّب عددًا كبيرًا من الأجهزة ( 20 مصباحًا) موزَّعة في المنزل؛ Zigbee مثاليٌّ؛ لأنَّه يعمل بشبكة حاسوب شبكيَّة ( Mesh Network ) تغطِّي مساحة واسعة.
⹇ يستهلك طاقة منخفضة جدًّا، وهذا مهمٌّ للمصابيح الذكيَّة التي يجب أن تعمل أوقاتًا طويلة من دون استنزاف الطاقة.
⹇ الاستجابة التلقائيَّة (أوتوماتيكيَّة) متوافقة مع طبيعة Zigbee في تشغيل الأجهزة عند استشعار الحركة.
المشروع 2: كاميرا مراقبة لاسلكيَّةَ تبث الفيديو بجودة عالية:
التقنية الأنسب: Wi-Fi ، وذلك للأسباب الآتية:
⹇ نقل مقاطع الفيديو المباشر يحتاج سرعة عالية، ونطاقًا تردُّديًّا كبيرًا، وهذا ما يقدِّمه .Wi-Fi
⹇ الكاميرا مرتبطة بمصدر طاقة ثابت (ليست بطاريَّة)، لذلك لا مشكلة مع استهلاك الطاقة المرتفع نسبيًّا لشبكة Wi-Fi
⹇ يمكن من خلال Wi-Fi الوصول إلى الفيديوهات من أيِّ مكان عبر الإنترنت، وهو مطلب أساسيٌّ لأنظمة المراقبة.
المشروع 3: ساعة صحيّةَ قابلة للارتداء (قياس معدَّلَ ضربات القلب )
التقنية الأنسب:( Bluetooth (BLE - Bluetooth Low Energy ، وذلك للأسباب الآتية:
⹇ الساعة تعمل بالبطاريَّة، ويجب أن تستمرَّ أيامًا من دون شحن؛ Bluetooth LE مصمَّم خصوصًا لاستهلاك طاقة
منخفض.
⹇ تنقل بيانات بسيطة (معدَّل ضربات القلب كلَّ دقيقة ) ولا تحتاج إلى نطاق تردُّدي عالٍ مثل Wi Fi
