الشبكات اللاسلكية وتقنيات الاتصال المختلفة

أي تقنية اتصال تناسب جهازك الذكي؟

سأتعرَّف في هذا الدرس بعض تقنيات الشبكات اللاسلكية المُستخدَمة في أنظمة إنترنت الأشياء

• أذكر بعض تقنيات الاتصال السلكي واللاسلكي، وأُحدِّد نوع الشبكة التي تُغطِّيها (تشملها) كل تقنية.
• أُوضِّح المقصود بتقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩، وأُبيِّن مكوِّناتها وآليَّة عملها، وأذكر أمثلة حياتية على استخدامها.
• أصف تطبيقًا تُستخدَم فيه تقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩، وأُبيِّن دوره في حياتي اليومية.
• أُوضِّح مكوِّنات تقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩، وآليَّة عملها.
• أُوضِّح المقصود بتقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩، وأُبيِّن مكوِّناتها وآليَّة عملها.
• أذكر أمثلة حياتية على استخدامات بعض تقنيات الاتصال اللاسلكي، مثل تقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩، وتقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩.
• أُقارن بين تقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩ وتقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩ وتقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩ من حيث نطاق التردُّد، ومُعدَّل البيانات، واستهلاك الطاقة، والتكلفة، ومدى نقل البيانات، والقابلية للتوسُّع.

• التبادل: تحتاج الأجهزة الذكية في إنترنت الأشياء إلى تبادل البيانات عبر شبكات مُتعدِّدة.
• المعايير: يعتمد اختيار تقنية الاتصال المناسبة على نطاق التغطية، ومُعدَّل نقل البيانات، والكفاءة في استهلاك الطاقة.
• الهدف: تحقيق التوازن بين مُتطلَّبات الأداء والقيود البيئية والبِنية التحتية المتاحة.

• الأشهر شيوعًا: تقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩، وتقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩، وتقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩ أكثر تقنيات الاتصال اللاسلكي شيوعًا في أنظمة إنترنت الأشياء.
• أيُّها أنسب؟ نتعرَّف كل تقنية وخصائصها ومجالات استخدامها، ثمّ نقارن بينها في استهلاك الطاقة، ومدى التغطية، وسرعة نقل البيانات، والتكلفة.

البلوتوث: اتصال قصير المدى بطاقة قليلة

• التردّد: تعتمد على موجات الراديو التي يبلغ تردّدها (2.4) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩.
• الأصل: طُوّرت في الأصل لتمكين الهواتف المحمولة وأجهزة الحاسوب من نقل البيانات في ما بينها.

• الكفاءة: صُمّم ليكون وسيلة اتصال لاسلكية ذات كفاءة عالية من حيث استهلاك الطاقة والتكلفة.
• الاستخدام: يناسب التطبيقات التي تتطلّب استهلاكًا منخفضًا للطاقة، مثل أجهزة إنترنت الأشياء ⁦(IoT)⁩.
• الأمان: يُوفّر آليات أمان متقدّمة؛ ما يضمن النقل الآمن للبيانات بين الأجهزة المتصلة.
• الخلاصة: تُعدّ البلوتوث واحدة من أكثر التقنيات كفاءة وموثوقية في الاتصالات اللاسلكية القصيرة المدى.

كيف يجد الهاتف سمّاعتك ويتصل بها؟

تعتمد تقنية البلوتوث على آلية اتصال قصيرة المدى عبر موجات الراديو، وهي تعمل وفق المبادئ الآتية:

• البث الدوري: تبثّ الأجهزة الطرفية (مثل: السمّاعات، والحسّاسات) إشارات تعريفية بشكل منتظم عبر نطاق التردّد (2.4) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩.
• اكتشاف الأجهزة: يبدأ الجهاز المركزي (مثل: الهاتف الذكي، والجهاز اللوحي) بمسح البيئة المحيطة بحثًا عن الأجهزة القابلة للاتصال.
• تأسيس الاتصال: ما إن يتمّ اكتشاف الجهاز المطلوب، حتى يُنشأ رابط اتصال مُشفّر بين الجهاز المركزي والجهاز الطرفي.
• التفاعل والتحكم: يُمكن للمُستخدم إرسال العديد من الأوامر (مثل: تشغيل الأجهزة وإغلاقها، وإرسال البيانات) من جهازه المحمول.

المنزل الذكي: ماذا يعمل بالبلوتوث؟

• المنازل الذكية ⁦(Smart Homes)⁩: تُستخدم للتحكّم في الإضاءة، والتدفئة، وأجهزة التكييف، والأقفال الذكية، والأجهزة الصوتية، وأجهزة التلفاز عبر تطبيقات الهواتف المحمولة.
• مثال: استخدام جهاز الهاتف المحمول لتشغيل نظام الصوت، وفتح الباب تلقائيًا عند الاقتراب منه.

ما الذي يلزم لبناء منزل ذكي بالبلوتوث؟

• يتطلّب البلوتوث في المنزل الذكي المُكوّنات الآتية:
• الأجهزة الطرفية: أجهزة ذكية تدعم الاتصال بالبلوتوث: مثل الإضاءة، ومُنظّمات درجة الحرارة، وكاميرات الأمان، وأقفال الأبواب، ومُكبّرات الصوت.
• الاتصال اللاسلكي ⁦(Bluetooth)⁩: يُنشئ شبكة اتصال شخصية مُنخفضة الطاقة من دون حاجة إلى أسلاك.
• تطبيقات التحكم في الأجهزة: يُشغّل المُستخدم الأجهزة ويُديرها عن بُعد باستخدام تطبيقات الهواتف الذكية.
• الأوامر الصوتية: يُمكن دمج المساعدات الذكية (مثل: ⁦Alexa⁩، و⁦Google Assistant⁩) لتنفيذ الأوامر باستخدام الصوت فقط.
• خيارات (سيناريوهات) الأتمتة: ضبط الإجراءات التلقائية (مثل تشغيل الأضواء عند دخول الغرفة) استنادًا إلى الجداول الزمنية أو استشعار الحركة.

بلوتوث في الصحة والسيارة والمصنع والصف

• الرعاية الصحية ⁦(Healthcare)⁩: تتبّع المُؤشّرات الحيوية بالأجهزة القابلة للارتداء ⁦(Wearables)⁩، مثل ساعات تتبّع نبض القلب، وإرسال البيانات إلى تطبيقات الهواتف.
• السيارات الذكية ⁦(Smart Vehicles)⁩: الاتصال بين الهاتف والسيارة لتشغيل الوسائط أو الرّدّ على المكالمات من دون استخدام اليدين، وفي مفاتيح السيارات الذكية ⁦(Keyless Entry)⁩.
• الصناعة والمخازن ⁦(Industrial IoT)⁩: مراقبة الآلات لحظيًا باستخدام حسّاسات البلوتوث، وتتبّع الأصول داخل المخازن الكبيرة عبر إشارات ⁦(Bluetooth Low Energy)⁩.
• التعليم الذكي ⁦(Smart Education)⁩: مشاركة البيانات أو الملفات بين الأجهزة داخل الصفوف، وربط لوحات العرض التفاعلية والأجهزة اللوحية بالتطبيقات التعليمية.

الواي فاي: سرعة عالية وانتشار واسع

• النشأة: استُخدمت أوّل مرّة في هاواي عام 1971م لربط الجُزر بعضها ببعض عبر شبكات لاسلكية.
• التردّد والمدى: تستخدم موجات الراديو ضمن نطاق (2.4) جيجاهيرتز و(5) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩، ومدى تغطية (انتشار) يصل إلى (50) مترًا.
• الدور في إنترنت الأشياء: لم تُصمَّم أساسًا لإنترنت الأشياء، لكنّها أصبحت عنصرًا رئيسًا في ربط الأجهزة الذكية بشبكة الإنترنت.

الواي فاي: ما مزاياها وما تحدّياتها؟

• تمتاز الواي فاي عن غيرها بما يأتي:
• السرعة العالية في نقل البيانات: تناسب التطبيقات التي تتطلّب نقل كمّ هائل من البيانات، مثل بثّ مقاطع الفيديو المباشرة من كاميرات الأمان.
• الانتشار الواسع والتوافر الكبير: تُستخدم في المنازل والمدارس والمكاتب والمصانع، وتصلح للمساحات الكبيرة نسبيًا.
• التحدّي: ارتفاع استهلاك الطاقة مقارنةً بزيجبي ⁦(Zigbee)⁩ والبلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩؛ فهي أقل مُلاءمة للحسّاسات وأجهزة القياس البعيدة التي تعمل بالبطاريات.
• لماذا تُفضَّل؟ موثوقيتها وسرعتها العالية تجعلانها خيارًا مُفضّلًا في أنظمة المراقبة والمنازل الذكية وأنظمة إدارة المباني.

من الراوتر إلى هاتفك: رحلة الموجات الراديوية

• الجهاز المحوري: تعتمد شبكات الواي فاي على جهاز توجيه لاسلكي ينقل البيانات بين شبكة الإنترنت والأجهزة المتصلة.
• النقل: يُرسل جهاز التوجيه البيانات ويستقبلها عبر الموجات الراديوية التي تنتقل في الهواء وصولًا إلى الأجهزة المُحدَّدة، مثل الهواتف الذكية والحاسوب.
• حرّية الحركة: يتيح هذا النوع من الاتصال للمُستخدمين التحرّك بحرية داخل منطقة التغطية (الانتشار)، مع الحفاظ المستمر على اتصال مستقر.

• الاتصال بالإنترنت: يتصل جهاز التوجيه بمُزوّد خدمة الإنترنت ⁦(Internet Service Provider ISP)⁩ الذي يتيح الوصول إلى الإنترنت.
• الأمان: يُنشئ الجهاز شبكة لاسلكية تتصل بها الأجهزة بإدخال كلمات مرور مُعيّنة؛ ويضمن التشفير نقل البيانات بأمان ويحول دون الوصول غير المُصرّح به.

• تُستخدم الواي فاي في إنترنت الأشياء في التطبيقات التي تتطلّب اتصالًا دائمًا وسرعةً عاليةً في نقل البيانات، مثل:
• المؤتمرات المرئية ⁦(Video Conferencing)⁩: تتيح التواصل بالصوت والصورة مع أشخاص في أماكن مختلفة من العالم، وتنقل إشارات الصوت والصورة في الزمن الحقيقي.
• الروبوتات المنزلية ⁦(Home Robots)⁩: تتصل بالشبكة لتلقّي الأوامر أو التحديثات، وتُجدول عملية التنظيف وتتتبّع الأداء عن طريق الهاتف الذكي.
• الطابعات الذكية ⁦(Wi-Fi Printers)⁩: تستقبل أوامر الطباعة من أيّ جهاز متصل بالشبكة من دون حاجة إلى كَبْل.

الواي فاي في المراقبة والصحة عن بُعد

• أنظمة المراقبة الأمنية ⁦(Smart Surveillance Systems)⁩: تنقل الكاميرات الذكية مقاطع الفيديو مباشرة إلى تطبيقات الهاتف أو أنظمة التخزين السحابية.
• المراقبة: ما يتيح مراقبة المنازل والشركات على مدار الساعة من أيّ مكان باستخدام الإنترنت.
• الأجهزة الطبية الذكية ⁦(Smart Healthcare Devices)⁩: مثل أجهزة مراقبة الجلوكوز وضغط الدم، ترسل البيانات مباشرة إلى الأطباء لمتابعة المريض عن بُعد.

زيجبي: شبكة متشابكة تعيش على بطارية صغيرة

• النشأة: ظهرت أوّل مرّة عام 2004م بعد تحالف ⁦(Zigbee Alliance)⁩، وهو ائتلاف يضمّ مئات الشركات العالمية.
• التصميم: صُمّمت لتكون معيارًا موثوقًا به في الاتصالات اللاسلكية التي تتطلّب استهلاكًا منخفضًا للطاقة ومُعدّلًا بسيطًا لنقل البيانات.

• التردّد: تعمل ضمن (2.4) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩ عالميًا، وضمن (868) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩ في أوروبا، وضمن (915) جيجاهيرتز ⁦(GHz)⁩ في أمريكا الشمالية.

• الحجم: تدعم اتصال نحو (65000) جهاز في الشبكة الواحدة؛ فهي مناسبة للبيئات الواسعة، مثل المنازل الذكية والمصانع.
• المدى: يتراوح مدى الاتصال بين الأجهزة في الشبكة الواحدة بين (10) م و(100) م، ويختلف بحسب الجدران والعوائق.

زيجبي: لماذا تناسب الأجهزة التي تعمل بالبطارية؟

• الاستقرار: تُوفّر اتصالًا مستقرًا على المدى الطويل، فتناسب الأجهزة التي تعمل بالبطارية وتحتاج إلى تشغيل دائم من دون شحن مُتكرّر.
• الموثوقية: تُمرَّر البيانات خلال عدد من الأجهزة عند انقطاع الإشارة أو ضعفها، من دون حاجة إلى سرعات عالية، مثل أجهزة التحكّم في الإضاءة والحسّاسات البيئية.

المُنسّق والموجّه والجهاز الطرفي: من يفعل ماذا؟

تمتاز شبكة زيجبي ⁦(Zigbee)⁩ باستهلاكها كمية صغيرة جدًا من الطاقة، ومن ثمّ يُمكن للتطبيقات الفردية أن تعمل مُدّة عام واحد أو عامين اثنين باستخدام بطّارية صغيرة مُثبّتة. يعتمد هذا الأداء الفعّال على هيكل الشبكة الذي يتألّف من ثلاثة مُكوّنات رئيسة، هي:

• المهامّ: تخزين البيانات ومعالجتها، والاحتفاظ بسجلّات الأجهزة المتصلة، ومراقبة الأجهزة التي فقدت الاتصال، والعمل على إعادة دمجها عند الحاجة.
• الأمان: يضمن أمان الشبكة عن طريق التحكّم في عمليات الانضمام.
• العدد: يُشترط وجود مُنسّق واحد فقط في كل شبكة زيجبي ⁦(Zigbee)⁩.

• الوظيفة: تُمرّر حُزم البيانات بين الأجهزة الطرفية أو بين جهاز طرفي والشبكة.
• العدد: قد تضمّ الشبكة عددًا منها بحسب الحاجة؛ ما يُعزّز قوّة الاتصال والمرونة في توزيع العُقَد.

• الطاقة: تعمل غالبًا بالطاقة المُنخفضة أو بالبطاريات، ويُمكنها الدخول في وضع السكون للحفاظ على الطاقة عند عدم وجود نشاط يتطلّب المراقبة.
• الاتصال: لا تُوجّه البيانات إلى غيرها، بل تتصل فقط بمُنسّق الشبكة أو المُوجّه القريب منها.

أقرأ الجمل الآتية بعناية، ثمّ أُحدّد في كلّ منها اسم المُكوّن المسؤول في تقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩:

1. مُكوّن مسؤول عن بدء الشبكة، والتحكّم في انضمام الأجهزة الأخرى إليها.

2. مُكوّن يُمرّر البيانات بين الأجهزة الطرفية والمُنسّق لتوسيع مدى الشبكة.

3. مُكوّن يظلّ عادةً في وضع السُّبات مُددًا طويلة للحفاظ على الطاقة، ويعمل فقط عند وجود حاجة إلى الإرسال أو الاستقبال.

4. مُكوّن يتصل اتصالًا مباشرًا بالمُنسّق أو بأجهزة توجيه أخرى، لكنّه لا يُنشئ شبكة مستقلة.

5. مُكوّن لا يستطيع أن يعمل وحده من دون وجود مُنسّق في الشبكة.

زيجبي في المستشفى: مراقبة المرضى بأمان

• الأنظمة الصحية: منصّة فعّالة وآمنة لتبادل بيانات المرضى الحيوية، مع ضمان الخصوصية والحفاظ على سلامة المعلومات.
• دعم عدد كبير من الأجهزة الطبية بالوقت نفسه؛ ما يُمكّن مُقدّمي الرعاية الصحية من مراقبة العديد من المرضى بكفاءة عالية.
• الطاقة: استهلاكها المُنخفض يطيل عمر بطاريات الأجهزة الطبية، ويُقلّل الحاجة إلى استبدالها أو إعادة شحنها.
• المراقبة المستمرة: أمر مُهمّ جدًا عند زراعة الأجهزة أو استخدامها زمنًا طويلًا؛ فهو يتيح مراقبتها باستمرار من دون التسبّب في إزعاج المرضى، أو توقّف الأجهزة عن العمل.

زيجبي في البيت: إضاءة وأقفال ذكية

• المنازل الذكية:
• أنظمة الإضاءة الذكية: توصيل المصابيح الذكية بالمحور المركزي لتشغيلها وإطفائها وتعديل شدّة إضاءتها بالهاتف أو بالأوامر الصوتية.
• أقفال الأبواب الذكية: فتح الأبواب وإغلاقها عن بُعد بتطبيق الهاتف، مع إشعارات فورية عند محاولة فتحها.

زيجبي في الأمن: حسّاسات وكاميرات

• أنظمة الأمن والمراقبة:
• أجهزة الاستشعار ⁦(Sensors)⁩: تلاحظ أيّ حركة وتتبّعها، مثل مُستشعرات الحركة ومُستشعرات فتح النوافذ والأبواب، وترسل إشعارات إلى الهاتف عند نشاط غير طبيعي.
• كاميرات المراقبة اللاسلكية: تتصل بالمركز عبر زيجبي لنقل التنبيهات أو لتشغيل الإنذارات.

زيجبي في الحقل: ريّ تلقائي

• الزراعة الذكية:
• حسّاسات الرطوبة ودرجة الحرارة في التربة: تجمع البيانات من الحقول وترسلها إلى النظام المركزي لاتخاذ قرارات الري التلقائي.
• أنظمة الري التلقائي: تعتمد على بيانات الحسّاسات لضخّ المياه اللازمة أو إيقاف ضخّها بحسب الحاجة.

بلوتوث أم واي فاي أم زيجبي؟ اختر بحسب المعيار

اختيار أنسب التقنيات يعتمد على طبيعة التطبيق ومُتطلّباته من حيث الطاقة، والسرعة، والتكلفة والتركيب والصيانة، وحجم الشبكة المطلوبة.

• البلوتوث: الأنسب للأجهزة القريبة التي تحتاج إلى اتصال سريع واستهلاك طاقة محدود (مثل: السمّاعات، والساعات).
• الواي فاي: تناسب البيئات التي تتطلّب سرعةً عاليةً وتبادلًا كبيرًا للبيانات، مثل بثّ الفيديو المرئي وعقد المؤتمرات.
• زيجبي: الخيار الأفضل للتطبيقات التي تتطلّب اتصالًا موثوقًا به، مُنخفض الطاقة، وطويل الأمد، مثل أجهزة الاستشعار الذكية.

افترض - بالتعاون مع أفراد مجموعتي - أنني أعمل مستشارًا تقنيًا في شركة ناشئة تريد تنفيذ واحد من مشروعات إنترنت الأشياء ⁦(IoT)⁩ الآتية. أقرأ وصف المشروع برويّة، ثمّ أُحدّد أنسب تقنية لاسلكية له (⁦Bluetooth⁩، أو ⁦Wi-Fi⁩، أو ⁦Zigbe⁩)، وأُبرّر سبب اختياري استنادًا إلى الجدول المقارنة المذكور آنفًا:

المشروع الأوّل: نظام ذكي للتحكّم في إضاءة منزل، يحتوي على (20) مصباحًا ذكيًا مُوزّعةً في مختلف أنحاء المنزل، ويتطلّب استجابة آلية (أوتوماتيكية) لتشغيل المصابيح عند دخول المنزل، والعمل مُدّةً طويلةً من دون استهلاك كبير للبطارية.

المشروع الثاني: كاميرا مراقبة لاسلكية تبثّ مقاطع الفيديو مباشرة إلى الهاتف المحمول، وتعمل طوال اليوم، وتتطلّب نقل مقاطع الفيديو بجودة عالية إلى تطبيق في الهاتف المحمول، وتوفير مصدر ثابت للطاقة (ليس بطارية).

المشروع الثالث: ساعة صحية قابلة للارتداء، تقيس مُعدّل ضربات القلب، ويُمكن وضعها على مِعصم اليد طوال اليوم، وتتطلّب نقل البيانات كل دقيقة إلى الهاتف المحمول، واستهلاك أقل طاقة مُمكنة، والعمل أيامًا معدودةً من دون شحن.

استخدم الشبكات اللاسلكية بأمان

• التصرّف الرقمي المسؤول: أستخدم الشبكات اللاسلكية بطريقة آمنة، فلا أتصل بالشبكات العامة عند استخدام أجهزة إنترنت الأشياء، وأحرص على حماية الاتصال بكلمة مرور قويّة.
• الخصوصية الرقمية: أتجنّب ربط الأجهزة الذكية بشبكات غير مأمونة، وأحرص على إيقاف البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩ و⁦(NFC)⁩ عند عدم الحاجة إلى منع الوصول غير المُصرّح به.

أقيّم تعلّمي: جرّب نفسك قبل أن تنتقل

السؤال الأوّل: أوضّح المقصود بكلّ ممّا يأتي: تقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩.

تقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩.

تقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩.

السؤال الثاني: أوضّح آليّة عمل تقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩.

السؤال الثالث: أبيّن المكوّنات (المُنسّق، المُوجّه، الجهاز الطرفي) في شبكة زيجبي ⁦(Zigbee)⁩، ثمّ أوضّح بإيجاز وظيفة كلّ مكوّن من المكوّنات.

السؤال الرابع: أحدّد المزايا الرئيسة لتقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩ في المؤتمرات المرئيّة.

السؤال الخامس: أوضّح آليّة عمل تقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩، ثمّ أذكر مثالين من واقع الحياة يُستخدم فيهما هذا النوع من الاتصال.

السؤال السادس: أملأ الفراغ بما هو مناسب في الجدول الآتي الذي يمثّل مقارنةً بين تقنية البلوتوث ⁦(Bluetooth)⁩، وتقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩، وتقنية الواي فاي ⁦(Wi-Fi)⁩.

أفكّر وأحلّل: لماذا تُستخدم تقنية زيجبي ⁦(Zigbee)⁩ على نطاق واسع في المباني الذكية؟ أجد صلة بين إجابتي وخصائص هذه التقنية.

السؤال الثاني: أفترض أنني مسؤول عن تصميم نظام إنترنت أشياء ⁦(IoT)⁩ يختصّ بمتابعة درجات الحرارة والرطوبة في مزرعة شاسعة بعيدة عن المدينة.

ما أنسب تقنية اتصال لاسلكي للاستخدام من بين التقنيات الآتية: ⁦(Bluetooth)⁩، ⁦(Zigbee)⁩، ⁦(Wi-Fi)⁩؟ أبرّر إجابتي بذكر ميزتين أساسيتين - على الأقل - للتقنية المختارة تُعلّلان السبب الذي يجعلها أفضل من غيرها في هذا النظام.