ZigBee – מי אמר זיגביי ולא נעקץ?

שליטה מבוסס IR כבר קיימת איתנו עשרות שנים ומכילה אינספור חסרונות. שליטה מבוססת RF גם טומנת בתוכה שלל חסרונות ולא ...

7:00
  /  
03.04.2012
  
מאת: דניאל מטלון

הקדמה

שידת סלון  מודרנית ועלייה מסך 55 אינץ. אני מנסה לתמרן את השלט של הוט שיחליף ערוצים. האינפרא אדום מסרב לחדור דרך חרכי הירי בשידה, לבסוף אני מצליח להחליף ערוץ, ושוב התהליך חוזר על עצמו. בבעיות כאלה ודומות לה נתקלו בעשור האחרון יצרני הטלוויזיות וציוד הקולנוע הביתי.

ריבוי השלטים על השולחן בסלון והצורך להחליף שלט בכל פעם שרוצים לבצע פעולה כלשהי, הביאה לפיתוחו של שלט אינפרא אדום אוניברסלי, שמסוגל ללמוד את קודי השליטה של חבריו ולאפשר לנו לשלוט כמעט בכל, עם שלט אחד. אולם גם זה לא סיפק את המהנדסים שחיפשו לחדש והאתגר הבא היה לפתח ציוד שליטה עם פרוטוקול זמין יותר שיאפשר הרבה יותר. השתלטות השלטים על חיינו בבית וניהולם (החלפת סוללות – מה שולט במה) דחף את מהנדסי החברות השונות לפתח פיתרון מוסכם שיביא מזור לטכנולוגיית השלטים המבוססת על איפרא אדום הבעייתי ויחליפה במשהו קליל יותר חזק וחודר קירות. הניסיון להחליף את שלטי ה- IR במשהו מסודר יותר, החל עוד בסוף שנות ה-70 עם פיתרון שנקרא X-10, אותו פיתחה חברה בשם פיקו אלקטרוניקס בסקוטלנד. לימים נוצר שיתוף פעולה בינם לבין החברות סירס ורדיושאק בארצות הברית לצורך פיתוח שלטים המשתמשים ברשת החשמל הביתית לצורך העברת הסיגנל לאביזרים השונים. X-10 הניח באותם ימים את התשתית למערכות האבטחה והאוטומציה לבתים ולמה שנקרא היום "בית חכם", בנוסף לפיתוחים מודרניים כמו ה-HomePlug שמאפשר העברת רשת אתרנט ביתית על גבי רשת החשמל (הפיתרון הזה נמכר בחנויות בארץ וגם בחנויות של בזק).

בשנת 1998 החל מיזם בשם HomeRF, פרוטוקול מבוסס WIFI שנועד לאחד את כל סוגי השלטים השונים וציוד נוסף תחת מטריה אחת פשוטה. חברות כמו אינטל מיקרוסופט ועוד, היו שותפות למיזם שמסיבות שונות ננטש לבסוף כשהוא מפנה מקום ומשאבים למילת הקסם "זיגביי" (באנגלית ZigBee).

ZigBee

וקודם, לשם זיגביי (נקרא גם באנגלית Zigbee Principle). חיפוש באינטרנט העלה שהוא נגזר ממעוף הדבורה שטסה לה במהירות מפרח לפרח כדי למצוץ את הצוף שיהפוך בהמשך לדבש.  מעוף הדבורה מתואר כאן כזיגזג (Zig-Zag) או לפי פירושו המילוני – פנייה חדה וחזרה, תופעה אותה רואים בפוליטיקה המקומית או העולמית. תוך כדי טיסה מהירה מפרח לפרח מתקשרת הדבורה עם חברותייה בכוורת היכן יש פרחים מלאי צוף ומכאן הקשר לפרוטוקול התקשורת. חיפוש נוסף ברשת האינטרנט העלה שהקשר לדבורים הוא לצרכי יחסי ציבור בלבד והשם זיגביי נבחר בצורה רנדומלית בלבד. זיגביי הוא שם מפרט עבור חבילה של פרוטוקולי תקשורת המבוססים על תקן IEEE 802.15.4 המוטמעים באביזרי רדיו אלחוט קטנים, בעלי עוצמה נמוכה ליצירת רשתות תקשורת אישיות (WPAN) ורשתות תקשורת ביתיות (Home Area Network), אותן ניתן גם למצוא באוזניות אלחוטיות בשימוש בטלפונים סלולריים. זיגביי אמור להיות פשוט וזול יותר מרשתות דומות כמו "שן כחולה", כמוכן הוא מאופיין בתדר רדיו בקצב נתונים נמוך (low data rate), חיי סוללה ארוכים  ורשת מאובטחת.

כדי להבין מהו זיגביי, עלינו להביט בטבלאות שמשוות בין הפרוטוקולים השונים ותדרי ה-WiFi והאלחוט שמשמשים את כל מארג התקשורת שמסתובב בבית ומחוצה לו. 

תקני IEEE 802 מחולקים לתקני משנה,  הנה הרשימה:

IEEE 802.1 Bridging (networking) and Network Management
IEEE 802.2 Logical link control (upper part of data link layer)
IEEE 802.3 Ethernet (CSMA/CD)
IEEE 802.4 Token bus (disbanded)
IEEE 802.5 Defines the MAC layer for a Token Ring (inactive)
IEEE 802.6 Metropolitan Area Networks (disbanded)
IEEE 802.7 Broadband LAN using Coaxial Cable (disbanded)
IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (disbanded)
IEEE 802.9 Integrated Services LAN (disbanded)
IEEE 802.10 Interoperable LAN Security (disbanded)
IEEE 802.11 Wireless LAN & Mesh (Wi-Fi certification)
IEEE 802.12 demand priority (disbanded)
IEEE 802.13 Not Used
IEEE 802.14 Cable modems (disbanded)
IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth certification)
IEEE 802.15.4 (ZigBee certification)
IEEE 802.16 Broadband Wireless Access (WiMAX certification)
IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access
IEEE 802.17 Resilient packet ring
IEEE 802.18 Radio Regulatory TAG
IEEE 802.19 Coexistence TAG
IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access
IEEE 802.21 Media Independent Handoff
IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network

 

בדומה לרשתות Wi-Fi רגילות כדוגמת Wi-Fi ביתי, גם רשת הזיגביי מבוססת על רשת אלחוטית עם פרמטרים נוספים שהופכים אותה לאטרקטיבית ביותר בבית המודרני והחכם. במאמר זה נתמקד יותר במה שנקרא באנגלית ZigBee RF4CE (כלומר Radio Frequency For Consumer Electronics).

פרוטוקול זה שמוטמע בתוך שלטים ביתיים חדשים מחליף את האינפרא אדום (IR) הישן והטוב והבעייתי משהו, במוצר שאמור להתגבר על מכשולים שונים כמו ריבוי השלטים על השולחן, הפרעות Wi-Fi ו-Bluetooth והצורך ב-IR "לראות" את המוצר בו הוא שולט. הזיגביי אמור לעבוד שקוף על כל הבית ללא צורך בקו ראייה ולאפשר תקשורת two-way בין השלט ובין האביזרים השונים. למרות שתקן זיגביי דומה לחבריו ב-IEEE 802, הוא שונה בזה שיכול לעבוד במספר תדרים,  צריכת החשמל שלו נמוכה, אינו מאפשר להעביר קול ותמונה, מאובטח ועובד בשיטת MESH המאפשרת הוספת אביזרים בכמות גדולה, ועוד. יתרון גדול נוסף שמוטמע בזיגבי הוא האפשרות להתקין בו עדכוני קושחה, וכן אופציה של "מצא אותי" במקרים רבים בהם השלט שלנו הולך לאיבוד וזאת הודות למבנה הדו כיווני שלו. כמו שאר הפעילות בעולם התקשורת והתקנים השונים,  גם כאן הנושא מפוקח ע"י ה-IEEE והוקם גוף שנקרא זיגביי אליאנס שמפקח מייעץ ומחליט על כל פרמטרים בנושא. 

כאמור הזיגבי ומרכיביו מהווים רשת שלמה בתקן IEEE 802.15.4 ובתדר 2.4 ג'יגה, והם נגזרת של תקן IEEE 802.11. רשת הזיגביי נקראת גם HAN (כלומר Home Area Network) וגם PAN (או Personal area network) והיא בדרך להחליף את ריבוי השלטים המתפעלים ציודים שאנחנו מכניסים הביתה. בארה"ב הנושא מפותח יותר באופן טבעי גם בגלל ריבוי הבתים הפרטיים בהם יש חנייה הסגורה בדלת (Garage Door) שגם אותה צריך לפתוח בשלט. בדומה לרשת האינטרנט שמבוססת על מודל ה-OSI (כלומר Open System Interconnect), גם הזיגביי בנוי במודל דומה ומכאן שילובו המצויין כרכיב ברשת אינטרנט (דרוש GateWay). בנוסף לתדר 2.4 ג'יגה נקבעו שני תדרים נוספים למוצרי זיגביי, 902-928 Mhz באמריקה הדרומית ו-868Mhz באירופה. בתדר הגבוה נוכל לקבל 16 ערוציי זיגביי וטווח השידור עובד עד 75 מטר תלוי בעוצמת השידור ובתנאים הפיזיים במקום. שיטת העברת המידע בין אביזריו השונים של הזיגביי מתבצעת באופן הדומה למיתוג מסגרות (FRAME) כשבכל מסגרת אנחנו מזהים 4 מרכיבים: data, ACK, MAC command, beacon. וכמו ברשת האינטרנט שמבוססת על פרוטוקול מורכב TCP/IP, גם בזיגביי שיטה זו של "חלוקת מנות" בנויה כך שהמידע יתקבל ללא שגיאות ובתנאים קשים גם כן. בנוסף, פונקציית ה-ACK דואגת שהמקלט (האביזר שמקבל את הפקודה מה-receiver) ישלח אישור על המידע שקיבל.

 

מבנה רשת ZigBee RF4CE גם הוא ייחודי וניתן לראות מספר שיטות: TREE ,Star, Mesh כשבכל אחד מהם אנחנו מזהים 2 אביזרים: target ו-controller. שיטת ה-mesh מאפשרת שרשור אביזרים (daisy chain) וכך להגדיל את הרשת לאיזור נרחב. מדהים לראות שזיגביי מאפשר עד 65,000 אביזרים ברשת אחת. בפיתוח פרוטוקל זה הושקעה מחשבה רבה המבוססת על ניסיון העבר עם אביזרי IR והמפתחים קבעו ספציפיקציות קשיחות שהוטמעו בשיטה. במאמרים השונים שמתארים את הזיגביי אנחנו רואים התיחסות רבה ל-Bluetooth ואם ניזכר איזה מאמץ נדרש לחבר בין אוזנייה בתקן זה לטלפון סלולרי כשלפעמים ההקשר בניהם אובד, הרי ב-ZigBee RF4CE שיטת הצימוד (pairing) פשוטה וקלה הרבה יותר. צריכת החשמל מן האביזרים השונים נמוכה ביותר כשבכל מקרה אביזרים אלה "רדומים" רוב הזמן ולא צריך להחליף סוללות לעיתים קרובות. אבטחת מידע גם היא הוכנסה לרשת ה-ZigBee RF4CE ומבוססת על AES-128. תקן זיגביי הוא רחב, אולם ב-ZigBee RF4CE הוגדרו שלושה ערוצי שידור בלבד: 15 20 25, כשהשידור בין האביזרים השונים יכול לקפוץ בין שלושתם בהתאם לתנאים בשטח. תקן זיגבי בתדר 2.4 ג'יגה מאושר לשימוש בארץ מתוקף צו האלחוט שנחתם בסוף שנת 2005 ע"י שרת התקשורת. מוצרי זיגביי בתדרים הנמוכים 868 מה"ץ ו-902-928 אסורים ביבוא. כמובן שבכל מקרה של ייבוא יש צורך באישור סוג לכל מוצר ומוצר. 

זיגביי בשטח

לפני מספר ימים ביקרו אותי שני טכנאי הוט והחלטתי לבחון אותם, שאלתי אותם מהו זיגביי. לא היה להם שום מושג על קיומו של זיגביי ואני משער שגם רוב הציבור לא מודע לקיומו למרות שהוא חוגג עשור ובדרך לכבוש שווקים נרחבים בתעשיות השונות. העתיד של זיגביי נמצא כבר כאן ואנחנו יכולים למצוא אותו  במערכות שליטה ובקרה אלחוטיות, נמצא אותו בבית החכם, במשרד, או במפעלים כשהוא נותן פיתרון בנושאי אבטחה, בטיחות ושליטה. דוגמא טובה לשימוש זיגביי ביתי ניתן למצוא במוצרי חברת aletme שהוקמה בשנת 2006 באנגליה ומפתחת סדרת מוצרים מבוססי זיגביי שמדברים עם בקר (HUB) שפותח במערכת ההפעלה לינוקס בקוד פתוח. מוצרי החברה כוללים כ-10 סנסורים אלחוטיים שונים כמו חיישני דלת, מצלמה, גלאי קול (מאזין לגלאי האש), גלאי נפח ועוד כשכל אלה מדברים עם הבקר המרכזי שמחובר בשירות חודשי למרכז של החברה לצורך אבטחת הבית. היתרון הגדול במערכות כאלה זה החיסכון בהתקנות ללא כבלים המקיפים את כל הבית, וכן באפשרות התקנות כאלה גם בבתים קיימים שאינם נמצאים בקטגורייה של  "בית חכם" הדורש תיכנון מוקדם ומדוקדק. 

מוצר מעניין נוסף הוא ה-Exmobaby, פיג'מה לתינוקות הכוללת סנסור שקולט את נתוני התינוק כמו נשימות, תנועות וקצב לב המועברים למקלט שמשדר את הנתונים בכמה צורות לטלפון סלולרי או מחשב. בתעשייה, לזיגביי יש אינספור אפשרויות כשאחת מהן היא הרחבת תקשורת M2M (כלומר machine 2 machine). לדוגמא באוניות מסע בהן מכולות המחוברות במערכת GPS שמאפשרת ללקוח לעקוב אחר המישלוח שלו בים, באויר או ביבשה. כאן זיגבי יכול להרחיב את המעקב (real time tracking) לצורך ביקורת על הטמפרטורה של המישלוח במקרה של מזון שנשלח באונייה, משקלו ופרמטרים נוספים. 

זיגביי כיום גם מוטמע בחיישנים רבים ובבקרים (controls) עבור מדידות מרוחקות בתעשיות המכוניות, הציוד הרפואי  בבתי חולים לצורך מדידת נתוני החולים, שליטה על תאורה ומיזוג אוויר ואף צעצועים. יצאתי לשטח לראות איפה יש זיגביי ומצאתי אותו באולם תצוגה בחנות של קולנוע ביתי. הבית החכם יכול לשמש כלקוח מעולה לשיטת זיגביי שחוסכת לבעל הבית לקום מן הכורסא מול המסך, לבצע פעולות פשוטות הכל מן השלט.

לאולם התצוגה יש חלון גדול שפונה לרחוב, הווילונות נשלטים ע"י ה-ZigBee RF4CE. התאורה בחדר התצוגה מורכבת ביותר וכל רכיב שלה נשלט בנפרד ע"י השלט. מיזוג האוויר גם הוא משולב בתוך מאש הזיגביי וכל הפיקוד מתבצע בעזרת שלט אחד חכם ותפריט שנמצא על גבי מסך הטלוויזיה. 

מסך השליטה של קונטרול

מפסק תאורה נשלט זיגביי

בקר מיזוג אוויר נשלט זיגבי

אחת החברות המובילות בתחום היא Control 4 שמפתחת את החומרה והתוכנה המשולבים באביזרים השונים. לב המערכת הוא הקונטרולר ששולט בכל, כשאת הפקודות הוא מקבל משלט דמוי טאבלט קטן או שלט רחוק משוכלל כמו של טלווזיה. בנוסף ניתן להוריד אפליקצייה לסמארטפון או הטאבלט ומהם לבצע את הפעולות. תכנון בית חכם בשילוב מארג זיגביי אינו דבר פשוט ודורש הכשרה מוקדמת וייעוץ מלווה. לפני כשנתיים סיימה Control 4 פרוייקט גדול במלון MGM CityCenter  בלאס וגאס בו שילבה טכנולוגיית זיגביי בכל חדרי המלון לצורך בקרה על כל השירותים בחדר. יבואני Control 4 מעבירים קורסים יעודיים בהם עוברים חשמלאים טכנאים ואנשי מיחשוב, הכשרה שבסופה מקבלים תעודה המאפשרת להם לתכנן ולהתקין מערכת זיגביי לבית החכם. 

קונטרולר – HUB  של קונטרול4

סיכום

גם אם "נעקצנו", זיגביי לא עוצר כאן, פיתוחו ממשיך ואנחנו צפויים למצוא יישומים ואביזרים חדשים משולבים בפרוטוקול ייעודי וייחודי זה. בשנתיים האחרונות אנחנו רואים שינויים מרחיקי לכת בעולם הטלוויזיות עם הכרזתם של מסכים ב-3D וכן במה שנקרא Internet TV  שהן טלוויזיות משולבות עם סוג של סטרימר ויכולות מקוונות. גם פה זיגביי עובר עדכון ומקבל שני תקני משנה בשמות ZigBee RF4CE/ZID עבור טלוויות אינטרנט, וכן ZigBee RF4CE/Z3S עבור משקפי 3D לטלוויזיות תלת ממד. התקנים חדשים אלה משפרים באופן משמעותי את חווית המשתמש שהיה רגיל עד עכשיו להאבק עם שלט ה-IR שלו. שלטים מיושנים אלה למרות שעשו את עבודתם, סובלים מכמה בעיות שהמשמעותית ביותר היא צריכת החשמל הגבוהה שלהם, הגורמת להם לירידת ביצועים מהירה. ככל שהסוללה חלשה יותר כך ביצועי השלט יורדים ומכאן שצרכים להחליף סוללות לעיתים תכופות. כמובן שהבעייה השנייה ב-IR הוא הצורך לראות פיזית את ההתקן בו שולטים, ללא קו ראייה השלט לא עובד. בזיגביי כל זה טופל מן היסוד. צריכת הזרם והסוללה נמוכים, המתח בפנים השלט עובר סוג של רגולציה דבר המשפר את הביצועים גם במקרה של החלשות הסוללה. אין צורך בקו ראייה בכלל והשלט יכול לחדור רהיטים וקירות. במקרה של תקן RF4CE/ZID שעוסק בשלט חכם לטלוויזיות אינטרנט, יש חשיבות רבה לביצועי השלט מכיוון שהמשתמש מפעיל את השלט הרבה יותר מאשר שלט IR רגיל מעצם זה שהשלט מחליף לכאורה פונקציות של מיקלדת ועכבר. תקן ה-RF4CE/Z3S עוסק במשקפי 3D בהם אנחנו מזהים שני סוגים עיקריים, פאסיבי ואקטיבי כשזה האחרון מסונכרן עם מסך הטלוויזיה. כאן הזיגביי משפר בהרבה את ביצועי התקשורת בין המשקפיים והמסך כשהצופה יכול לזוז בחופשיות וללא דאגה. יתרון נוסף לזיגביי הוא הפיתרון לתופעה שהתגלתה עם יציאת טלוויזיות HD לשוק שלהן אור אחורי שגורם להפרעות בקליטת IR בגלל מודולצייה בתאורה. 

תקן זיגביי לא נמצא לבד במשחק זה ויש לו מתחרה בשם Z-Wave שגם הוא מבוסס על תקן 802.15.4 שהוצג לפני מספר שנים וכבר כיום קיימים מאות מוצרים משולבים תקן זה. ואם זה לא מספיק, גוגל נושפת בעורפנו עם מיזם חדש בשם [email protected] שגם הוא עוסק במה שנקרה באנגלית Home Automation. צפו להתפתחויות.

תגובות לכתבה: ZigBee – מי אמר זיגביי ולא נעקץ?

 

 

 

תודה לאשר חצור  מ-אס.גי. על אפשרות הביקור בחדר תצוגה מבוסס זיגבי.


7:00
  /  
3.4.2012
  
מאת: דניאל מטלון

1