شبکه هاي اتوماسيون خانگي بي سيم( WHAN)

شبکه هاي اتوماسيون خانگي بي سيم، در بر گيرنده ي تجهيزات بدون سيمي هستند که سنسورها(حسگرها) و فعال کننده هايي در آنها تعبيه شده است و مي توان از آنها براي پايش و کنترل منازل استفاده کرد که سبب تسهيل در مديريت مؤثر منازل مي شوند. در اين مقاله قصد داريم راه حل هاي موجود و در حال ظهور براي شبکه هاي WHAN را بررسي کنيم. راه حل هايي که در اينجا مورد بررسي قرار مي گيرند شامل پنج مورد است که عبارتند از:
ZigBee
Z-Wave
INSTEON
Wavenis
فناوري مبتني بر IP

مقدمه
 

درسال هاي اخير، کاربرد شبکه هاي سنسور و فعال کننده هاي بي سيم، شتاب بيشتري گرفته است و به ميزان زيادي مورد توجه دانشگاهيان و صنايع و سازمان هاي تدوين استاندارد قرار گرفته است. يکي از کاربردهاي مهم و اصلي اين فناوري، اتوماسيون خانگي است. شبکه هاي WHAN(wireless home automation networks)،براي پايش و کنترل منازل استفاده مي شود و سبب تسهيل در مديريت مؤثر منازل مي شوند.
يک شبکه WHAN متعارف، بطور معمول شامل چندين نوع وسيله است که در آنها سنسورها و فعال کننده هايي تعبيه شده است و ممکن است توان لازم براي آنها توسط باتري تأمين شود و اغلب مجهز به فرستنده/ گيرنده هاي با توان کم RF( فرکانس راديويي) هستند. استفاده از ارتباطات RF، باعث انعطاف پذيري در افزايش يا کاهش تجهيزات و نيز کاهش هزينه هاي نصب شبکه مي گردد، زيرا راه حل هايي که از سيم استفاده مي کنند، اغلب نياز به کانال و داکت و سيني هاي مخصوص کابل هستند که خود هزينه جداگانه اي را تحميل مي کند؛ اما بايد اين را هم مد نظر قرار داد که ويژگي هايي مانند طبيعت ديناميکي محيط انتشار راديويي، محدوديت منابع و تحرک پذيري برخي وسايل، چالش هايي را در طراحي شبکه هاي WHAN پيش مي کشد.
تعداد زيادي از سازمان ها و شرکت هاي دست اندرکار، راه حل هاي مختلفي را براي شبکه هاي WHAN ارائه داده اند که در معماري و اصول، تفاوت هايي با هم دارند. اين مقاله به بررسي معماري ها و فناوري هاي موجود و در حال ظهور( در زمينه شبکه هاي WHAN) مي پردازد. در ادامه به موارد استفاده مي پردازيم و ويژگي هاي اصلي و مورد نياز براي اين شبکه ها را بيان مي کنيم.سپس به معرفي پنج راه حل ذکر شده مي پردازيم. در ادامه به بحث در مورد اين راه حل ها و راه کارها در ارتباط با الزامات و شرايط فني و معيارهاي غيرفني خواهيم پرداخت و در بخش نهايي نتيجه گيري مي کنيم.

موارد استفاده و ويژگي هاي اصلي شبکه هاي WHAN***
 

همان طور که در شکل (1) نشان داده شده است، شبکه هاي WHAN، موارد استفاده متعددي دارند. اگر بخواهيم تعداد کاربردها را بشماريم، با ليستي بسيار طولاني مواجه خواهيم شد اما چند نمونه را در زير ذکر مي کنيم:
- کنترل روشنايي: يک چراغ روشنايي را مي توان از هر پريزي کنترل کرد و نياز به سيم پيچي جديد کاهش مي يابد. همچنين لامپها را مي توان با کنترل از راه دور فعال کرد. به علاوه اين لامپ ها مي توانند توسط سنسورهايي که حساس به حضور يا روشنايي هستند، به هنگام کم نور بودن محيط، به صورت خودکار روشن شوند.
- کنترل از راه دور: فناوري مادون قرمز سال ها است که براي ارتباطات بي سيم بين يک کنترل از راه دور و وسايلي مانند تلويزيون ها، تجهيزات LAN بي سيم و سيستم هاي گرمايشي و تهويه مطبوع( HVAC) مورد استفاده بوده است. البته ارتباط از طريق مادون قرمز احتياج به ديد مستقيم( LOS) دارد و برد آن کوتاه است و فناوري RF، بر اين محدوديت ها غلبه کرده است.
- مصرف انرژي هوشمند: پرده هاي پنجره، سيستم هاي تهويه، سيستم گرماي مرکزي و غيره را مي توان براساس اطلاعاتي که از چندين نوع سنسور گردآوري مي شود، کنترل کرد که اين سنسورها پارامترهايي مانند ميزان دما و رطوبت و روشنايي و حضور يا عدم حضور را مي پايند و در نتيجه مي توان با اين روش از اتلاف انرژي جلوگيري به عمل آورد. به علاوه، مي توان از ابزارهاي اندازه گيري هوشمند براي شناسايي مقدار اوج مصرف استفاده کرد و به تجهيزات خانگي که مسبب بالا رفتن ميزان مصرف شده اند، علايم اخطار ارسال کرد. همچنين شرکت هاي تأمين کننده انرژي هم مي توانند براي مديريت بار انرژي، از شبکه هاي WHAN استفاده کنند.

- مراقبت از راه دور: افراد مريض، ناتوان و مسن مي توانند از مزاياي مراقبت در منزل و از راه دور بهره مند شوند. همچنين سنسورهاي بي سيم که افراد مريض به بدن خود وصل مي کنند، توانايي ارسال گزارش دوره اي از پارامترهايي مانند دماي بدن و فشار خون و سطح انسولين را دارد که مي تواند براي تشخيص مشکل فرد به کارگرفته شود.چنانچه مريض از مکاني سقوط کرده باشد، سنسورهاي شتاب دهنده مي توانند علايم هشدار دهنده اي را فعال کنند.
- امنيت و ايمني: سيستم هاي امنيتي پيشرفته مي توانند مبتني بر چندين سنسور مانند تشخيص دود، تشخيص شکستگي شيشه و تشخيص حرکت باشند که وضعيت هاي مخاطره آميز احتمالي را شناسايي مي کنند و واکنش مناسب آن را در دستور کار قرار مي دهند. به عنوان مثال در صورت تشخيص دود ممکن است علايم هشدار دهنده آتش سوزي فعال شوند.

ويژگي هاي مهم و الزامات اصلي شبکه هاي WHAN عبارتند از:
 

- معمولاً تراکم نودها( گره ها) بالا است و ممکن است حدود صدها گره باشد.
- خانه ها عمدتاً محيطي چند مسيره هستند زيرا سطوح منعکس کننده متعددي مانند ديوارها، سقف ها و ميزها وجود دارند.
- محيط هاي مسکوني در معرض تداخل نيز هستند زيرا باندهاي ISM( باند صنعتي، علمي و پزشکي) به دليل وجود شبکه هاي واي فاي، بلوتوث و تلفن هاي خانگي بي سيم و حتي اجاق هاي مايکروويو بسيار شلوغ هستند و در نتيجه احتمال تداخل قابل توجه است.
- براي تسهيل ارتباط انتها- به - انتها، ارتباطات multihop الزامي هستند به گونه اي که گره هاي مياني مي توانند داده را براي گره هايي که در محدوده برد فرستنده نيستند، انتقال دهند.
-اگرچه اغلب وسايل ثابت هستند اما تحرک برخي از آنها و خاصيت ديناميکي انتشار سيگنال RF ايجاب مي کند که شبکه بتواند خود را اصلاح و ترميم کند. زمان قطع شدن ارتباط به دليل تغيير در توپولوژي شبکه بايد تا حد ممکن کم باشد.
- کاربردهاي مختلف ايجاب مي کند که شبکه هاي WHAN، بتوانند انواع ترافيک را پشتيباني کنند. به عنوان مثال ترافيک نقطه به نقطه( يک سوئيچ به يک چراغ روشنايي، دستوري ارسال مي کند) و يا ترافيک نقطه به چند نقطه( يک کنترل از راه دور به چندين وسيله دستوري را ارسال مي کند) و يا ترافيک چند نقطه به يک نقطه( چندين سنسور به يک کنترل کننده مرکزي گزارش مي دهند).

- مسأله تأخير براي برخي کاربردها خيلي حياتي نيست اما در برخي حالت هاي اضطراري شبکه WHAN بايد سريع تشخيص دهد و سريع هم عمل مورد نظر کاربر را انجام دهد.
- شبکه هاي WHAN بايد امکان ارتباط با اينترنت را داشته باشند تا امکان پايش و مديريت از راه دور منزل را فراهم کنند.
- برخي کاربردها( مانند سيستم هشدار دهنده نفوذ به شبکه) نيازمند حفاظت از سرويس هاي امنيتي هستند.
- گره ها ممکن است مقدار کمي حافظه داشته باشند( مثلاً حدود چند کيلو بايت RAM) و يا قابليت پردازش محدودي داشته باشند( مثلاً تا چند ده مگاهرتز). برخي از اين گره ها ممکن است برق خود را از باتري تأمين کنند و يا از ديگر منابع استفاده کنند.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه، شماره 132.