انواع پروتکل های IoT؛ معرفی 18 پروتکل اینترنت اشیا

تجهیزات پیشرفته و هوشمند امروزی با استفاده از مفهوم اینترنت اشیا به یکدیگر متصل می‌شوند تا در مقایسه با گذشته، آسایش و رفاه بیشتری را برای انسان‌ها به ارمغان بیاورند. رشد سریع فناوری اینترنت اشیا و استفاده از این تکنولوژی در حوزه‌های مختلفی مانند صنعتی، آموزشی، تجاری، کشاورزی و غیره موجب شده تا ده‌ها پروتکل اینترنت اشیا با توجه به نیازهای هر پروژه معرفی شوند. امروزه، انواع مختلفی از استانداردها و پروتکل های اینترنت اشیا در دسترس ما قرار دارند که در این مقاله با کاربرد و همچنین ویژگی‌های هریک از پروتکل های IoT آشنا خواهید شد. با شرکت هوشمند سازی فریتز همراه باشید.

منظور از پروتکل های اینترنت اشیا چیست؟

به طور کلی، پروتکل‌ها مجموعه‌ای از قوانین در رابطه با چگونگی تبادل داده بین دستگاه‌های الکترونیکی هستند که روی آن‌ها اجماع وجود دارد. پروتکل های ارتباطی IoT نیز استانداردهایی هستند که امکان تبادل داده بین تجهیزات مختلف را فراهم می‌کنند.

اهمیت پروتکل های IoT

پروتکل های ارتباطی اینترنت اشیا امکان تبادل داده بین تجهیزات مختلف را فراهم می‌کنند. بدون وجود این پروتکل‌ها، تجهیزات مختلف مانند سنسورها امکان ارسال داده به کنترلرها و دیگر تجهیزات را نخواهند داشت. با استفاده از پروتکل های IoT می‌توانیم اطمینان حاصل کنیم که تبادل داده بین دستگاه‌های مختلف به درستی انجام می‌شود؛ برای مثال داده‌ مربوط به اندازه‌گیری دما با استفاده از پروتکل اینترنت اشیا از سنسور‌ به کنترلر ارسال می‌شود.

پروتکل های لایه های مختلف اینترنت اشیا

برای درک بهتر عملکرد تجهیزات مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا می‌توانیم عملکرد اجزای مختلف را در چند لایه‌ مورد بررسی قرار دهیم. به طور کلی، معماری شبکه اینترنت اشیا از سه لایه مختلف تشکیل می‌شود. این لایه‌ها عبارتند از:

• Perception layer: در این لایه داده‌های مختلفی مثل دما، رطوبت، مصرف انرژی و غیره توسط سنسورها و دستگاه‌های اندازه‌گیری از دنیای واقعی جمع‌آوری می‌شوند.
• Network layer: این لایه، وظیفه انتقال امن داده‌ها از سنسورها و تجهیزات اندازه‌گیری به تجهیزات پردازش داده‌ها را بر عهده دارد. انواع پروتکل های IoT شامل Wi-Fi، بلوتوث، Infrared، شبکه‌های 3G و 4G، اتصالات ماهواره‌ای و غیره در این لایه دسته‌بندی می‌شوند.
• Layer: داده‌های جمع‌آوری شده، در لایه Application پردازش و تجزیه و تحلیل می‌شوند. برنامه‌ها، پلتفرم‌های نرم افزاری و سیستم‌های تحلیلی در این لایه قرار می‌گیرند. نتایج حاصل از این لایه امکان نظارت بلادرنگ، کنترل خودکار تجهیزات و تصمیم‌گیری بر اساس داده‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد.

رایج‌ترین استاندارد ها و پروتکل های اینترنت اشیا کدامند؟

استانداردهای اینترنت اشیا را می‌توانیم به دو دسته تقسیم کنیم که پروتکل های شبکه IoT و پروتکل‌ های داده IoT را شامل می‌گردد. پروتکل‌های داده اساساً روی تبادل اطلاعات تمرکز دارند در حالی که پروتکل‌های شبکه تکنیک‌هایی را برای اتصال تجهیزات به یکدیگر یا شبکه اینترنت ارائه می‌کنند. هر دسته از پروتکل‌های مختلفی تشکیل می‌شود که ویژگی‌های خاص خود را دارند. در ادامه مقاله تعدادی از مهم‌ترین پروتکل‌های IoT را به طور جزئی بررسی خواهیم کرد. انواع پروتکل های اینترنت اشیا عبارتند از:

پروتکل‌های شبکه IoT

انواع پروتکل های شبکه اینترنت اشیا عبارتند از:

پروتکل Wi-Fi

وای فای پروتکل رایجی است که امروزه به طور گسترده‌ای در محیط‌های صنعتی، اداری، خانگی، تجاری و حتی رستوران‌ها و هتل‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری امکان انتقال حجم زیادی از اطلاعات را در یک فاصله مناسب فراهم می‌کند. با این وجود، پروتکل Wi-Fi برق زیادی را مصرف می‌کند و به همین دلیل برای اتصال دستگاه‌های IoT کم مصرف که از باتری برای تامین انرژی استفاده می‌کنند، مناسب نیست.

فناوری Bluetooth

فناوری بلوتوث برای انتقال حجم کمی از داده‌ها در یک فاصله نسبتاً کوتاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در دنیای اینترنت اشیا، فناوری بلوتوث معمولاً برای متصل کردن سنسورهای باتری‌دار به هاب‌ها یا برای متصل کردن دوچرخه‌های الکتریکی، گوشی موبایل و دیگر تجهیزات هوشمند به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پروتکل BLE

پروتکل Bluetooth Low Energy یا به اختصار BLE برای پیاده‌سازی ارتباط بی سیم در فواصل کوتاه طراحی شده است. فناوری BLE معمولاً در حوزه‌های مختلفی مانند دستگاه‌های پوشیدنی، ردیاب‌های سلامتی، لوازم خانگی هوشمند، تجهیزات مراقبت از سلامتی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل اینترنت اشیا، انرژی اندکی را مصرف می‌کند و معمولاً برای برقراری ارتباط در فواصل کمتر از 10 متر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پروتکل LTE CAT 1

پروتکل LTE CAT 1 استانداری است که به طور خاص برای استفاده در حوزه اینترنت اشیا طراحی شده است. این پروتکل، برای کاهش مصرف برق و هزینه پیاده‌سازی سیستم‌های اینترنت اشیا در مقیاس گسترده نیاز به پهنای باند و تبادل داده را به حداقل می‌رساند.

پروتکل LTE CAT M1

پروتکل LTE CAT M1 که از آن با عنوان Cat-M نیز یاد می‌شود، نوعی پروتکل اینترنت اشیا محسوب می‌شود که از آن برای پیاده‌سازی شبکه کم هزینه، کم مصرف و در مقیاس گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل با شبکه LTE مورد استفاده در تلفن‌های همراه سازگار است؛ بنابراین اپراتورهای ارائه دهنده خدمات اینترنت تلفن همراه نیازی به تغییر آنتن شبکه ندارند.

پروتکل اینترنت اشیا NB-IoT

پروتکل Narrow Band-IoT استاندارد نسبتاً جدیدی است که برای اتصال تجهیزات کم مصرف در یک محدوده نسبتاً وسیع مناسب است. مصرف بهینه برق، ظرفیت بالای شبکه و کارایی بیشتر از جمله مزایای NB-IoT در مقایسه با سایر پروتکل‌های شبکه سلولی را تشکیل می‌دهد. با این وجود، پروتکل NB-IoT پهنای باند محدودی دارد که می‌تواند کندی در انتقال داده‌ها را به همراه داشته باشد.

پروتکل ZigBee

پروتکل زیگبی که امروزه به طور گسترده‌ای برای اتصال تجهیزات هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد، ویژگی‌های مختلفی را شامل مصرف کم برق، ایجاد شبکه پایدار و کم هزینه و قابلیت اتصال تعداد زیادی از تجهیزات هوشمند در اختیار ما قرار می‌دهد. مزایای متعدد پروتکل زیگبی موجب شده تا به یک پروتکل IoT مناسب برای اجرای بسیاری از پروژه‌های هوشمند سازی ساختمان تبدیل شود.

پروتکل LoRaWAN یا LoRa

پروتکل LoRaWAN برای پیاده‌سازی مفهوم اینترنت اشیا در یک محیط گسترده مانند ایجاد شهرهای هوشمند، کشاورزی هوشمند و غیره طراحی شده است. پوشش وسیع و مصرف پایین انرژی از جمله ویژگی‌های این پروتکل IoT هستند. پروتکل LoRaWan معمولاً برای متصل کردن تجهیزات باتری‌دار و کم مصرف به شبکه اینترنت یا شبکه‌های خصوصی و عمومی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پروتکل Thread

پروتکل Thread استاندارد نسبتاً جدیدی است که بر پایه پروتکل Zigbee توسعه داده شده است. این پروتکل برای متصل کردن تجهیزات کم مصرف به شبکه اینترنت در یک محدوده نسبتاً کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد و حداکثر از 250 دستگاه پشتیبانی می‌کند.

پروتکل Z-Wave

پروتکل Z-Wave یکی از محبوب‌ترین استاندارد ها و پروتکل های اینترنت اشیا برای استفاده در خانه‌ هوشمند محسوب می‌شود. این پروتکل پروتکل IoT از محدوده فرکانسی 800 تا 900 مگاهرتز برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند و در مقایسه با پروتکل زیگبی تداخل کمتری با فرکانس شبکه Wi-Fi دارد که از طیف فرکانسی 2.4 یا 5 گیگاهرتز استفاده می‌کند.

پروتکل اینترنت اشیا Sigfox

کاهش مصرف انرژی در حوزه اینترنت اشیا اهمیت زیادی دارد و پروتکل Sigfox با استفاده از فناوری Ultra Narrow Band، به تحقق آن کمک می‌کند. این پروتکل اینترنت اشیا، از محدوده فرکانسی مورد استفاده برای کارهای علمی، صنعتی و پزشکی به منظور ارسال بسته‌های کوچک داده در فواصل طولانی استفاده می‌کند. استاندارد Sigfox راه‌کار مقرون به صرفه و کم مصرفی برای تجهیزات مبتنی بر پروتکل IoT محسوب می‌شود و به ویژه برای کاربردهایی مانند نصب ردیاب‌های محیط زیستی، اندازه‌گیری هوشمند و تجهیزات نظارت از راه دور گزینه مناسبی محسوب می‌شود.

پروتکل 6LoWPAN

بسیاری از استانداردهای قدیمی اینترنت اشیا، همچنان از پروتکل شبکه IPv4 استفاده می‌کنند. استاندارد 6LoWPAN یکی از پروتکل های مبتنی بر IP است که امکان انتقال بسته‌های IPv6 را در شبکه‌های بی سیم فراهم می‌کند. این پروتکل برای اتصال تجهیزات کم مصرف با استفاده از فناوری اینترنت اشیا طراحی شده و برای استفاده در حوزه مراقبت سلامتی، پیاده‌سازی اتوماسیون ساختمان، اندازه‌گیری تغییرات محیط، اجرای پروژه اینترنت اشیا صنعتی و غیره مناسب است.

پروتکل‌های داده اینترنت اشیا Iot

انواع پروتکل های داده اینترنت اشیا عبارتند از:

پروتکل AMQP

پروتکل Advanced Message Queuing Protocol یا به اختصار AMQP نوعی استاندارد پیام‌رسانی است. این پروتکل در ابتدا برای استفاده در حوزه بانکداری طراحی شده بود اما هم‌اکنون در حوزه اینترنت اشیا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. استاندارد AMQP نقش مهمی در برقراری ارتباط و پیام‌رسانی بین تجهیزات اینترنت اشیا دارد. قابلیت اطمینان و سازگاری AMQP با تجهیزات مختلف از جمله نقاط قوت آن هستند. پروتکل AMQP از تکنیک صف‌بندی داده‌ها استفاده می‌کند؛ بنابراین می‌تواند شرایط بحرانی مانند جهش ترافیک شبکه یا کاهش کیفیت شبکه را به خوبی مدیریت کند.

پروتکل MQTT

پروتکل Message Queue Telemetry Transport که با نام اختصاری MQTT شناخته می‌شود، یکی از پروتکل‌های پیام‌رسانی پرکاربرد در حوزه اینترنت اشیا محسوب می‌شود؛ به عبارت دیگر، تجهیزات مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا می‌توانند از این پروتکل برای برقراری ارتباط با یکدیگر استفاده ‌کنند. پروتکل MQTT در اینترنت اشیا برای اتصال تجهیزات هوشمند کوچک و کم مصرف مناسب است. پروتکل MQTT اساساً برای استفاده در حوزه اینترنت اشیا طراحی شده است؛ بنابراین حافظه و قدرت پردازشی اندکی را مورد استفاده قرار می‌دهد.

پروتکل HTTP

پروتکل Hypertext Transfer Protocol یا به اختصار HTTP، به طور گسترده برای انتقال داده در شبکه جهانی وب مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، پروتکل HTTP نقاط ضعف متعددی را برای استفاده در حوزه اینترنت اشیا دارد. برای مثال، ارتباطات M2M یا ماشین به ماشین با استفاده از پروتکل HTTP به طور سنکرون انجام می‌شود که چالش‌های مختلفی را نیز به همراه دارد. مضاف بر این، انتقال داده در پروتکل HTTP بر پایه ASCII انجام می‌شود که منابع سخت افزاری قابل توجهی را برای رمزگذاری و رمزگشایی پیام‌ها مورد استفاده قرار می‌دهد.

پروتکل CoAP

این پروتکل جانشین مناسبی برای استفاده از پروتکل HTTP در حوزه اینترنت اشیا محسوب می‌شود. پروتکل Constrained Application Protocol حجم ارسال داده در شبکه را کاهش می‌دهد؛ بنابراین احتمال شلوغی شبکه و رخ دادن پدیده انباشتگی داده‌ها کاهش می‌یابد. کاهش مصرف انرژی، کاهش نیاز به فضای ذخیره‌سازی و کاهش حجم داده‌های قابل پردازش از دیگر مزایای استفاده از این پروتکل هستند.

پروتکل DDS

پروتکل Data Distribution Service  یا به اختصار DDS در سال 2004 میلادی معرفی شد و برای اتصال بلادرنگ تجهیزات هوشمند و ماشین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. پروتکل DDS غالباً زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که انتقال داده به طور بلادرنگ ضرورت دارد. برای مثال، از این پروتکل به طور گسترده در حوزه ساخت وسایل نقلیه خودران، تولید برق و رباتیک استفاده می‌شود.

پروتکل LwM2M

بسیاری از شبکه‌های مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا به عملکرد سنسورها و دیگر تجهیزات کم مصرف متکی هستند و تکنیک اتصال این تجهیزات به سرور مرکزی نیز نباید تفاوتی از نظر سطح مصرف انرژی و سرعت انتقال داده داشته باشد. پروتکل Lightweight Machine-to-Machine برای مدیریت ماشین‌ها و دستگاه‌های متصل به هم از راه دور طراحی شده است. این پروتکل هزینه اتصال تجهیزات کم مصرف به یک شبکه پرسرعت اینترنت اشیا را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. برای مثال، داده‌های هواشناسی از طریق نصب سنسورهای متعددی در یک منطقه نسبتاً وسیع انجام می‌شود. در چنین شرایطی، استفاده از سنسورها و پروتکل IoT کم مصرف مانند LWM2M، اولویت بیشتری در مقایسه با سایر تکنیک‌ها دارد.

نکات کلیدی در انتخاب پروتکل مناسب برای پروژه‌های IoT

هر یک از پروتکل‌های مورد استفاده در حوزه اینترنت اشیا ویژگی‌های متفاوتی از نظر بُرد، تاثیر‌پذیری از موانع، حداکثر تجهیزات قابل پشتیبانی توسط پروتکل، پهنای باند و تاخیر دارند؛ بنابراین بهتر است تا پروتکلی را انتخاب کنیم که بیشترین انطباق را با شرایط پروژه و نیازهای ما داشته باشد.

در زمان انتخاب پروتکل های IoT، به قابلیت سازگاری تجهیزات و پلتفرم‌های مختلف با یکدیگر، امنیت پروتکل برای جلوگیری از دسترسی غیرمجاز و مقابله با حملات سایبری نیز باید توجه داشته باشیم. برای اجرای پروژه‌های حساس صنعتی و امنیتی بهتر است تا از پروتکل‌هایی استفاده کنیم که از روش‌های رمزگذاری پیشرفته و مکانیسم احراز هویت موثری استفاده می‌کنند.

برخی از پروتکل‌ها به طور منبع باز در دسترس عموم قرار دارند؛ بنابراین هر فردی می‌تواند بدون پرداخت هزینه از این پروتکل‌ها استفاده کند. پروتکل‌هایی نیز وجود دارند که دارای حق مالکانه هستند؛ یعنی شرکت‌های سازنده تجهیزات مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا برای استفاده از پروتکل‌های اختصاصی، ملزم هستند تا مبلغی را به توسعه‌دهندگان این پروتکل‌ها پرداخت کنند. هزینه استفاده از پروتکل‌های اختصاصی معمولاً به طور مستقیم قیمت تجهیزات را تحت تاثیر قرار می‌دهد و این هزینه اضافی به خریدار نهایی منتقل می‌شود.

میزان نفوذ و استفاده از پروتکل فاکتور دیگری است که نباید نادیده گرفته شود، پروتکل‌هایی که کاربرد بیشتری دارند، توسط برندهای بیشتری پشتیبانی می‌شوند؛ بنابراین احتمال مواجهه با مشکلات ناشی از عدم سازگاری تجهیزات یا تامین تجهیزات سازگار با پروتکل مورد نظر نیز کاهش می‌یابد. به علاوه، پروتکل‌های پر کاربرد معمولاً معایب کمتر و انطباق‌پذیری بیشتری با شرایط پروژه‌های مختلف دارند. با در نظر گرفتن تمامی این عوامل، می‌توانیم پروژه‌های مختلف مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا را با بیشترین میزان کارایی و کمترین هزینه اجرا کنیم.

پاسخ به سوالات متداول

جمع‌بندی

پروتکل های اینترنت اشیا نقش مهمی در تکمیل اکوسیستم IoT دارند و به همین دلیل برای ایجاد یک سیستم کارآمد بر پایه مفهوم اینترنت اشیا، انتخاب پروتکل مناسب نیز ضرورت دارد. هر یک از پروتکل‌های معرفی شده در این مقاله مزایا، معایب و ویژگی‌های منحصربفردی دارند که باید با توجه به شرایط مورد استفاده قرار بگیرند.

پروتکل‌هایی که محدوده نسبتاً وسیعی را پوشش می‌دهند و انرژی نسبتاً اندکی را مصرف می‌کنند برای استفاده در محیط‌های وسیع مانند مزارع، سنجش شاخص‌های آب و هوا یا نظارت بر محیط زیست مناسب هستند. پروتکل‌هایی مانند BLE که محدوده کوچکی را پوشش می‌دهند برای تجهیزات پوشیدنی یا نظارت بر سلامت مناسب هستند.

تعدادی از پروتکل های IoT امکان اتصال تعداد زیادی از تجهیزات و ایجاد یک شبکه گسترده را فراهم می‌کنند و تعدادی نیز این قابلیت را ندارند. برخی از پروتکل‌ها نیز از محدوده فرکانسی متفاوتی در مقایسه با امواج Wi-Fi استفاده می‌کنند که برای استفاده در مکان‌هایی که تداخل امواج زیادی وجود دارد، مناسب هستند.