در عصر اینترنت اشیا IoT میلیاردها دستگاه هوشمند از ساعت مچی و یخچال خانه تا حسگرهای صنعتی و خودروهای خودران به یکدیگر متصل هستند. آنچه این ارتباط را ممکن، پایدار و امن می کند، پروتکل های ارتباطی هستند. مجموعه ای از قوانین استاندارد برای ارسال، دریافت و تفسیر داده ها. این مقاله به بررسی جامع مهم ترین پروتکل های ارتباطی هوشمند بین دستگاه ها، دسته بندی، مقایسه، امنیت و آینده آن ها می پردازد.
پروتکل های ارتباطی هوشمند بین دستگاه ها
یک پروتکل در زمینه خانه هوشمند و اتوماسیون ساختمان، یک مجموعه قواعد و توافق نامه ها برای ارتباط و تبادل داده بین دستگاه ها و تجهیزات مختلف در یک شبکه هوشمند سازی شده یا سیستم اتوماسیون ساختمان است. این قواعد تعیین می کنند که چگونه دستگاه ها باید با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، چگونه داده ها باید منتقل شوند و چگونه دستورات کنترلی باید ارسال و اجرا شوند. چرا پروتکل مهم است، تصور کنید دو نفر بخواهند با هم صحبت کنند اما یکی فارسی و دیگری ژاپنی حرف بزند. بدون زبان مشترک، ارتباط ناممکن است. دستگاه های هوشمند نیز دقیقاً همین وضعیت را دارند. یک پروتکل ارتباطی مشخص می کند:
• داده با چه فرمتی بسته بندی شود
• چه کسی، چه زمانی و چگونه صحبت کند
• اگر خطا رخ داد چه اتفاقی بیفتد
• امنیت اطلاعات چگونه تضمین شود
• بدون پروتکل استاندارد، اکوسیستم اینترنت اشیا به جزایر جداافتاده تبدیل می شد
دسته بندی کلی پروتکل های هوشمند
پروتکل ها را می توان از سه دیدگاه تقسیم کرد:
۱. بر اساس برد ارتباطی
• برد کوتاه Short Range: بلوتوث کم مصرف BLE، Zigbee ،Z-Wave ،Wi-Fi ،Thread ،Matter
• LPWAN برد بلند کم مصرف : LoRaWAN ،Sigfox ،NB-IoT ،LTE-M
• سلولی و ماهواره ای : 4G/5G ،NB-IoT
۲. بر اساس مدل ارتباطی
• پروتکل های Messaging پیام رسانی: MQTT ،CoAP ،AMQP ،HTTP ،WebSocket
• پروتکل های صنعتی: Modbus ،OPC UA ،PROFINET
• پروتکل های شبکه مش : Zigbee ،Thread ،Z-Wave
3. بر اساس لایه شبکه مدل OSI
• لایه فیزیکی و پیوند: LoRa ،Zigbee (IEEE 802.15.4) ،BLE
• لایه شبکه و انتقال: IPv6 ،6LoWPAN ،UDP ،TCP
• لایه کاربرد: MQTT ،CoAP ،HTTP
درک تفاوت بین پروتکل ها، در هنگام انتخاب ابزار، برای یک اکوسیستم خودکار و هوشمند ضروری است چراکه هر پروتکلی مزایا و معایب خودش را دارد. انواع پروتکل های هوشمندسازی ساختمان توسط سازمان ها یا انجمن ها توسعه داده می شوند که اعضای آنها درباره جزییات زبان بحث و توافق می کنند، آن ها را توصیف می کنند و حتی ممکن است نمونه های سخت افزاری برای نشان دادن آن ها بسازند. این گروه ها می توانند باز باشند و اجازه دهند هر کسی از این پروتکل مانند KNX و Z-Wave استفاده کند. متناوباً، آن ها می توانند به طور خصوصی توسعه یابند، که در آن تنها یک تولیدکننده مجاز به استفاده از پروتکل است، یا پروتکل برای تولید کنندگان متعدد باز است که باید ابتدا مجوز استفاده از آن مانند Zigbee را کسب کنند.
مهم ترین پروتکل های ارتباطی هوش مصنوعی
۱. MQTT یا Message Queuing Telemetry Transport
محبوب ترین پروتکل اینترنت اشیا. سبک، کم مصرف و مبتنی بر مدل انتشار/اشتراک Publish/Subscribe ، مصرف بسیار کم پهنای باند و باتری، مناسب برای شبکه های ناپایدار، امکان پشتیبانی از سه سطح کیفیت خدمات QoS 0,1,2 دارد. نیاز به بروکر مرکزی، امنیت پایه ضعیف بدون TLS را فراهم می سازد، خانه هوشمند، پایش سلامت، خودروهای متصل، پلتفرم های AWS IoT و Google Cloud IoT پشتیبانی مینماید.
۲. CoAP یا Constrained Application Protocol
نسخه سبک HTTP برای دستگاه های بسیار محدود، مبتنی بر UDP را دارد، سربار بسیار کم، مدل درخواست/پاسخ شبیه REST، پشتیبانی از DTLS را فراهم می آورد. کنتورهای هوشمند برق و آب و حسگرهای کشاورزی برخی از کاربردهای آن میباشد.
۳. HTTP/HTTPS و WebSocket
استاندارد وب و ارتباط دوطرفه بلادرنگ، HTTP استاندارد وب، سنگین اما سازگار جهانی، مناسب برای داشبوردها، WebSocket ارتباط دوطرفه روی TCP، ایده آل برای دوربین مداربسته و ربات ها میباشد.
۴. AMQP یا Advanced Message Queuing Protocol
پروتکل صف پیام سازمانی، قابل اعتماد و مسیریابی پیشرفته میباشد، نمونه9 کاربردها در اینترنت اشیای صنعتی IIoT و بانکداری و سیستم های حیاتی میباشد.
۵. Zigbee بر پایه IEEE 802.15.4
پروتکل مش کم مصرف برای خانه هوشمند میباشد که مصرف انرژی بسیار کم، پشتیبانی تا ۶۵۰۰۰ گره، خودترمیم شونده است، از کاربردهای آن میتوان لامپ های Philips Hue، حسگر درب، قفل هوشمند را نام برد.
۶. Z-Wave
رقیب Zigbee با فرکانس پایین تر و تداخل کمتر با Wi-Fi میباشد، برخی از مزایای آن برد بیشتر در ساختمان، اکوسیستم یکپارچه میباشند که درخانه های هوشمند آمریکا و اروپا استفاده میگردد.
۷. BLE نسخه ۵ به بعد
بلوتوث کم مصرف موجود در همه گوشی ها است که موجود در همه گوشی ها، مصرف کم با راه اندازی آسان میباشد.
۸. LoRaWAN
ستاره دنیای LPWAN برد چند کیلومتری با باتری چندساله، مزیت آن برد ۲ تا ۱۵ کیلومتر، باتری تا ۱۰ سال میباشد. البته نرخ داده پایین، تأخیر بالا نیز دارد. در صنعت کشاورزی هوشمند، شهر هوشمند، ردیابی خودرو مورد استفاده قرار میگیرد.
۹. NB-IoT و LTE-M
پروتکل های سلولی توسعه یافته توسط 3GPP روی دکل های موبایل میباشند که مزایای آن پوشش عالی، امنیت سیم کارت است و در کنتور هوشمند، پارکینگ هوشمند، لجستیک مورد استفاده قرار میگیرد.
۱۰. Matter و Thread آینده خانه هوشمند
استاندارد جدید با پشتیبانی Apple، Google، Amazon و Samsung برای حل ناسازگاری. Thread پروتکل مش مبتنی بر IPv6 و زیربنای Matter است. مزایای آن سازگاری با همه اکوسیستم ها، امنیت بالا میباشد و کاربرد آن در نسل جدید خانه هوشمند میباشد.
۱۱. OPC UA و Modbus غول های صنعتی
استانداردهای دنیای صنعت را فراهم می آورد که Modbus قدیمی و مربوط به سال ۱۹۷۹ میباشد اما پرکاربرد، ساده و قابل اعتماد است. حال OPC UA استاندارد مدرن صنعت است که با امنیت و ارتباط ماشین به ماشین میباشد.
بزرگ ترین چالش پروتکل های هوشمند، امنیت است. حمله به یک لامپ هوشمند می تواند راه نفوذ به کل شبکه خانه باشد. راهکارهای کلیدی:
• رمزنگاری سرتاسری: استفاده از TLS 1.3 و DTLS
• احراز هویت: گواهی دیجیتال X.509 و سیم کارت eSIM
• به روزرسانی هوایی OTA : برای وصله آسیب پذیری ها
• Zero Trust: هیچ دستگاهی به صورت پیش فرض مورد اعتماد نیست
• پروتکل Matter: احراز هویت اجباری و رمزنگاری پیش فرض
• چالش های عدم تطابق: ناسازگاری استانداردها، مصرف انرژی، مقیاس پذیری میلیاردها دستگاه و حریم خصوصی.
• همگرایی با Matter: پایان جنگ اکوسیستم ها
• محاسبات لبه Edge AI: پردازش داخل دستگاه
• ارتباط ماهواره ای: پوشش جهانی با استارلینک
• پروتکل های کوانتومی: امنیت نشکن آینده
انتخاب پروتکل درست مثل انتخاب زبان درست برای گفت وگو است. برای خانه، Zigbee و Matter، برای مزرعه، LoRaWAN، برای کارخانه، OPC UA و MQTT که برای ارتباط بلادرنگ استفاده میگردد، 5G و WebSocket بهترین اند. دنیای آینده دنیای ارتباط نامرئی است، جایی که دستگاه ها بدون دخالت ما با هم حرف می زنند و زندگی را هوشمندتر می کنند. شما باید در نظر بگیرید این است که پروتکلی که شما از آن استفاده می کنید فقط می تواند با یک سری دستگاه های خاص کار کند. شاید این دستگاه ها مورد پسند شما نباشند و کار با آن ها برای شما خیلی آسان و راحت نباشد. بنابراین، شما باید به نوع دستگاه و پروتکل آن اهمیت زیادی دهید. چیز دیگری که شما باید در انتخاب پروتکل ها در نظر بگیرید این است که حوزه پروتکل های هوشمندسازی ساختمان ها حوزه ای است که مدام در حال بروزرسانی است بنابراین، شما باید سیستم هوشمندسازی خانه تان را با توجه به این که بتوان آن را در آینده بروزرسانی کرد ارتقا دهید.