تم اقرار معيار IEEE 802.15.4 في اوائل 2003 في وادي السيليكون

يستهدف المعيار شبكات التحكم والمستشعرات البسيطة التي يكون حجم بياناتها منخفض

كيف يعمل المعيار على تأمين الشبكة المحلية بين الأجهزة :

1 – مرحلة الاعداد

يتم تزويد الاجهزة بالمفتاح الرئيسي (Master Key) مسبقاً

يسخدم هذا المفتاح لاحقاً لتوليد المفتاح الافتراضي (Default Key) لرسائل البث ومفتاح الارتباط بين جهازين

2- مرحلة التمهيد

لجهاز المنسق (FFD) : يقوم المعيار بمسح القنوات واختيار معرف الشبكة وتوليد المفتاح الافتراضي

للأجهزة العادية (RFD) : يسمح المعيار للاجهزة بالانضمام الى الشبكة عبر استخراج معايير من رسائل البث لتوليد المفتاح الافتراضي، اما بالنسبة للشبكات التي لاتدعم رسائل البث التلقائي يسمح لها بالانضمام باستخدام مفتاح مؤقت من العنوان الفيزيائي للجهاز

3- مرحلة التفاوض على المفاتيح

يعتمد المعيار على خوارزميات مثل RSA او Diffie-Hellman لتوليد مادة مفتاح الارتباط (Link Key) المميز لكل جهزين من الاجهزة

تنتهي العملية بتبادل رسائل مشفرة بمفتاح الارتباط الجديد للتأكد نجاح عملية التوثيق بين الجهازين.

لماذا هذه الخطوات مهمة : لانها تضمن انتقال الشبكة من حالة غير امنة الى حالة محمية بالكامل والقدرة على تبادل البيانات بين الاجهزة بشكل مشفر وموثوق

التقنيات التي تستخدم معيار IEEE 802.15.4 :

• تقنية زيجبي Zigbee: تعتبر من أشهر التقنيات التي تستخدم هذا المعيار في المنازل الذكية وأنظمة التحكم
• تقنية Thread: هو بروتوكول يعمل كـ(لغة مشتركة) للتحدث بين الأجهزة داخل الشبكة المحلية وايضاً مع الإنترنت، تم تطويره من شركة Google و Nest
  ويعمل على انشاء شبكة (Mesh Network) مستقرة وآمنة داخل المنازل الذكية، ويعتبر العمود الفقري لـ”معيار Matter” الجديد
• تقنية 6LoWPAN: هي المعيار الذي يسمح للأجهزة الصغيرة ان يكون لها عنوان انترنت خاص بها (IP) بأستخدام بروتوكول IPv6 مثل أجهزة مستشعرات الحرارة.

أشهر المعايير العالمية :

• معيار IEEE 802.15: وهو المعيار الذي يشتهر بـ الواي فاي WiFi
• معيار IEEE 802.15.4: وهو المعيار الذي نتحدث عنه في هذا المقال
• معيار USB: يستخدم لنقل الطاقة والبيانات وايضاً لتوصيل الأجهزة
• معيار HTTP/HTTPS: يعمل على تحديد كيفية تبادل البيانات بين المواقع والمتصفحات

من الذي وضع هذه المعايير :

1. معهد مندسي الكهرباء والالكترونيات (IEEE)
   “وهو المسؤول عن معيار IEEE 802.15.4 و معيار IEEE 802.15 “
2. المنظمة الدولية للمعايير (ISO)
3. الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)

الترددات ومعدل نقل البيانات التي يستخدمها هذا المعيار :

• تردد 868 ميجاهرتز MHz
• تردد 915 ميجاهرتز MHz
• تردد 2400 ميجاهرتز MHz (2.4 GHz ) يعتبر هذا التردد هو الأشهر عالمياً

ماهي مميزات استخدام هذه الترددات؟

متوفرة للجميع: تعتبر هذه الترددات “غير مرخصة” Radio Frequency Bands مما يجعلها متاحة لأي شخص او شركة تطوير ان تعمل عليها دون دفع ترخيص

تجنب التداخل: تتميز هذه الترددات بـ تقنية CCA “تحسس القناة” بحيث تتجنب التصادم مع اشارات اخرى مثل واي فاي وبلوتوث عن طريق التوقف عن الإرسال في حال وجود جهاز اخرى يقوم بالارسال داخل القناة.

اهم مميزات معيار IEEE 802.15.4:

• السرعة : يعمل على سرعة 20 الى 250 كيلو بت “ليست مثل سرعة الواي فاي لكنها تعتبر مثالية جداً للأجهزة البسيطة مثل الأقفال الذكية”
• الأمان: يدعم المعيار تشفير AES-128 وهو نظام تشفير عالمي قوي جداً لحماية وتشفير البيانات
• طريقة التوصيل (Topology): يعمل على توصيل الأجهزة بنظام نجمة “Star” (من جهاز مركزي الى جهاز اخر فقط) او بنظام شبكة مشعبة(Mesh) “مجموعة أجهزة تتصل بين بعضها البعض”

الخلاصة: يعتبر هذا المعيار IEEE 802.15.4 العمود الفقري الذي تعتمد عليه الأقفال الذكية بسبب تكلفة المنخفضة مقارنة بالمعايير الأخرى مثل WiFi, واستهلاكه القليل جداً للطاقة عبر السماح للقفل بالدخول في وضع النوم العميق، تشفيره العالي AES-128 مما يجعله معيار مثالي لمثل هذه الأجهزة.

هي عبارة عن شريحة ترانسفير (Transceiver) تعمل على ارسال واستقبال الإشارة اللاسلكية بتردد GHz 2.4 (الاكثر شيوعاً في الشرائح التجارية) ، تكون متوافقة مع معيار تقني قصير المدى ومنخفض الطاقة IEEE 802.15.4، مما يجعل البطارية تدوم طويلة (احيانا تصل الى سنوات)

تكون الشريحة مدمجة (احياناً) مع مايكروكنترولر (MCU), يشغل المايكروكنترولر بروتوكول زيجبي Zigbee. مما يجلعه متوافق مع الجهاز المركزي للشبكة المحلية Hub، التي تكون متوافقة مع تقنية زيجبي مثل SmartThings و Tuya و Alexa (ليس كل الموديلات )

باختصار زيجبي Zigbee: هي تقنية اتصال لاسلكي لربط القفل مع النظام الذكي في المنزل

كيف يعمل Zigbee في الاقفال الذكية؟

يتم ربط القفل الذي يعمل بتقنية Zigbee مع جهاز مركزي Gateway او Hub متوافق مع زيجبي Zigbee للتحكم في الشبكة المحلية Mesh، ويتم ربط القفل بالإنترنت عبر الجهاز المركزي للشبكة المحلية. مما يوفر آمان عالي للقفل وبيانات المستخدم الشخصية.

يحتاج المستخدم الى ربط جهاز الشبكة المحلية Hub مع تطبيق سحابي للتحكم في القفل الذكي عبر الجوال وربطه بالإنترنت.

لماذا يحتاج القفل الى جهاز مركزي ؟

بسبب استهلاك الواي فاي لبطارية القفل بسرعة عبر ارسال واستقبال كمية كبيرة من البيانات، بينما صممت تقنية زيجبي Zigbee لتكون موفرة للطاقة بشكل كبير وتحافظ على البطارية لفترات طويلة جداً عبر الدخول في وضع النوم العميق (Sleep mode) لذلك يحتاج القفل الى جهاز Gateway او Hub الذي يسمح له بتوفير الطاقة.

مميزات Zigbee في القفل الذكي

• يدخل القفل في وضعية النوم العميق (Sleep mode) بنسبة 99% من الوقت، بينما يعمل فقط عند الحاجة الى فتح/قفل/ارسال واستقبال بيانات اي في 1% الباقية، مما يجلعه يوفر استهلاك الطاقة بشكل كبير جداً.
• يعمل القفل على شبكة محلية مستقلة Mesh، الميزة التي تجعله لا يتأثر بانقطاع الإنترنت او ضعفه، ويبقى قيد التشغيل حتى بدون انترنت.
• بفضل استخدامه معيار IEEE 802.15.4 العالمي، يضمن استجابة لحضية وسريعة
• يستخدم معيار تشفير AES-128، وهو نفس المعيار المستخدم في أنظمة البنوك والأنظمة العسكرية، مما يحمي البيانات من التلاعب او التجسس
• يعمل مع أنظمة المنازل الذكية مثل Home Assistant و Alexa والأنظمة الأخرى

أنواع الأجهزة داخل شبكة زيجبي :

1. أجهزة محدودة الوظائف (RFD)
2. أجهزة كاملة الوظائف (FFD)

وتنقسم الى :

• منسق زيجبي ( Zigbee Coordinator) : يعتبر العقل المدبر في الشبكة، تحتوي كل شبكة على منسق واحد، يمكنه التواصل مع العالم الخارجي وايضا مع الأجهزة المرتبطة به، ويعمل على تنظيمها وادارتها ويعتبر جهاز (FFD)
• موجه زيجبي (Zigbee Router ) : يعمل على توسيع الشبكة وينقل الرسائل بين الأجهزة حوله ويعتبر جهاز (FFD) مثل المصباح الذكي
• جهاز زيجبي طرفي (ZigBee End Devices) : تكون مهمة هذا الجهاز الرئيسية هي جمع البيانات وتلقي الأوامر، لا تعمل على توسيع الشبكة ولا يمكن لجهاز اخر الإتصال بشبكة من خلالها وتكون غالباً في أطراف الشبكة وتعتبر أجهزة (RFD) مثل القفل الذكي

عيوب زيجبي Zigbee في الاقفال الذكية؟

• يحتاج القفل الى جهاز وسيط (Hub) للإتصال بالإنترنت، مما يعني تكلفة إضافية وحاجة الى جهاز ثاني يعمل دائماً
• لا يعمل القفل بدون جهاز Hub حتى لو كان الإنترنت شغال
• لا يتوافق القفل مع جميع الأجهزة، توافق محدود مع الأجهزة التي تعمل بنظام Zigbee فقط

مقارنة بين Zigbee و Bluetoothh و WiFi :

الخلاصة:

تم تطوير تقنية زيجبي Zigbee كمعيار عالمي لتلبي احتياجات شبكات انترنت الأشياء (IoT) ذات الاستهلاك والتكلفة المنخفضة، تعتبر تقنية زيجبي من اكثر التقنيات اللاسلكية انتشاراً متفوقة على تقنيات مشابهه مثل Z-wave، تعتبر العمود الفقري للحساسات اللاسلكية وتتميز تقنية زيجبي بـ:

التنظيم الذاتي: تتواصل جميع الأجهزة الذكية داخل الشبكة المحلية في بينها لتقوية الشبكة وإرسال البيانات والأوامر

التكلفة المنخفضة: تعتبر تقنية زيجبي من ارخص التقنيات المستخدمة الأجهزة الذكية

السعة الكبيرة: تدعم التقنية الى 65,000 عقدة (جهاز) في الشبكة الواحدة

لذلك تعد خياراً مثالياً لمن يبحث عن تقنية عالمية لـ اتمتة المنازل Smart Home.

تقنية Z-wave هي تقنية اتصال لاسلكي تتم عن طريق جهاز التحكم بالمنزل Hub بدون اتصال مباشر بالإنترنت وهي تختلف عن الواي فاي WiFi، والبلوتوث Bluetooth.

مميزاتها: 

• ما تتصل مباشرة بالإنترنت او تتحكم فيه عن طريق الجوال.
• تستخدم ترددات الراديو منخفضة التردد MHz
• تعمل بنظام Mesh Network كل جهاز يرسل إشارة لاقرب جهاز له، كلما زادت الأجهزة زادت قوة الشبكة.

بالتالي تكون أصعب اختراق من WiFi، وتشفير AES-128 لحماية البيانات، مما يجعل آمانها عالي وصعب كسره او التجسس عليه.

وش الفرق بين Z-wave و WiFi 

التردد ونطاق الشبكة (Frequency) :

الواي فاي WiFi يستخدم ترددات عالية GHz واسرع 1000 من ترددات MHz، ويرسل إشارات مباشرة الى الجوال وبعيدة المدى ،مما يجلعه اسهل بالاختراق عن طريق اعتراض البيانات Man-in-the-Middle. بينما Z-wave تستخدم ترددات MHz تعتبر أبطأ ويصعب التقاطها من مدى بعيد مما يجعل آمانها عالي.

التشفير وحماية الخصوصية (Encryption):

كلا التقنيتين تستخدم نظام تشفير AES-128، لكن بسبب انتشار إشارة الواي فاي  WiFi في الهواء تكون اكثرعرضة للاختراق خاصة إذا كانت كلمة المرور Password ضعيفة.

سهولة الاستخدام والإعداد (Ease of Use):

يتميز الواي فاي WiFi عن Z-wave  بسهولة الربط  والتحكم عن بعد عن طريق الجوال دون الحاجة لوجود جهاز Hub، مما يوفر يجلعه خيار مثالي للمستخدم العادي.

قبل ان نبدأ بالمقارنة يجب ان نعرف ماهو Hub : هو جهاز مركزي ذكي يدير شبكة اتصال للبروتوكولات بين الاجهزة التي تستخدم ترددات منخفضة MHz بتشفير AES، وبين جهاز الجوال للتحكم بها بكل آمان.

استهلاك البطارية  (Battery Consumption):

يستهلك الواي فاي WiFi طاقة اكبر بسبب اتصاله طوال الوقت بالإنترنت وإرساله اشارات مستمرة مما يقلل عمر البطارية الافتراضي وقد تضطر لتبدليها، بينما يحافظ Z-wave على استهلاك منخفضة للبطارية بسبب الجهاز بقاء في وضع “Sleep” أغلب الوقت، اتصال محلي فقط عن طريق Hub، البروتوكولات مصممة ليشتغل الجهاز شهور/سنين على بطارية AA أو مدمجة.

استقرار الإتصال والشبكة (Stability): 

يتأثر الواي فاي WiFi بحالة الانترنت اذا كانت ضعيفة بسبب اتصاله عليها، بينما يستخدم Z-wave شبكة محلية Mesh Network ويبقى مستقراً ولا يحتاج الى اتصال بالإنترنت.

الأتمتة  (Automation): 

يمكن اتمتة Z-wave بسهولة وربطه مع جميع الأجهزة الذكية الموجودة

يصعب أتمتة WiFi بسبب عدم ربطه مع نظام Hub داخل المنزل.

الخلاصة: 

صمم نظام Z-wave ليكون خيار مثالي للاقفال الذكية والاجهزة البسيطة، يحافظ على فترة أطول للبطارية وآمن عالي عبر استخدام ترددات MHz منخفضة، يناسب الواي فاي WiFi  الأجهزة الحديثة والجولات بسبب سرعة نقل البيانات واستخدام ترددات GHz عالية السرعة التي قد لا تحتاجها في القفل المنزلي الذكي.