ซิกบี (ZigBee)

ซิกบี (ZigBee) เป็นเทคโนโลยีไร้สายที่ร่วมกันสื่อสารข้อมูลผ่านเซ็นเซอร์ขนาดเล็กมาก จำนวนเป็นพันๆ หมื่นๆ ชิ้นที่ฝังอยู่ตามส่วนต่างๆ ในอาคาร สำนักงาน โรงงาน หรือแม้แต่ในบ้าน การทำงานของซิกบี จะเป็นการรับ-ส่ง คลื่นสัญญาณข้อมูล ผ่ายชิปเล็กๆ นี้จุดต่อจุดไปเรื่อยๆ จนถึงปลายทางที่ต้องการดาวน์โหลดข้อมูลลงในเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูล ข้อมูลที่ได้อาจจะเป็นการวัดอุณหภูมิ การเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิต จับปริมาณมลพิษในอากาศ ปริมาณน้ำ ท่อแก๊สโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์หรือแบเตอรี่ขนาดเล็กที่กินไฟน้อยมาก จึงสามารถฝังทิ้งไว้ในที่ห่างไกลได้เป็น 10 ปี เทคโนโลยีซีกบี จะช่วยทำให้บริษัทที่เกี่ยวข้องกับการส่งพลังงาน เช่น น้ำมัน ประปา น้ำในเขื่อน ท่อแก๊ส สามารถประหยัดการสูญเสียได้อย่างน้อย 10-15 เปอร์เซนต์ และในอนาคตอันใกล้นี้ เมื่อเทคโนโลยีนาโนก้าวหน้ามากขึ้น เซ็นเซอร์ซิกบีจะมีขนาดเล็กเท่าหัวเข็มหมุด สามารถฝังได้แม้กับในร่างกายของสิ่งมีชีวิตได้

ซิกบี ได้รับการจัดการโดยองค์กรพันธมิตรที่มีชื่อว่า “ZigBee Alliance” ซึ่งมีบริษัทที่เข้าร่วมพัฒนาเทคโนโลยีนี้มากกว่า 150 บริษัท ในจำนวนนี้มี 9 บริษัทที่เป็นผู้ร่วมก่อตั้งองค์กรนี้ขึ้นมา และปัจจุบันบริษัททั้ง 9 นี้ ได้เป็นบริษัทที่มีมาตรฐานของซิกบีแล้ว บริษัท 9 บริษัทนี้ ได้แก่ บีเอ็ม กรุ๊ป (BM Group) ชิบคอน (Chipcon) ฟรีสเกล (Freescale) ฮันนี่เวลล์ (Honeywell) มิตซูบิชิ (Mitsubishi) โมโตโรลา (Motorola) ฟิลลิปส์ (Philips) และซัมซุง (Sumsung)
1 ทำไมซิกบีจึงถูกเลือก
ได้มีมาตรฐานต่างๆ เกิดขึ้นมากมายที่มีลักษณะคล้ายกับบลูทูธและไวไฟ ซึ่งมีอัตราการส่งข้อมูลเสียง วิดีโอ และอื่นๆ อีกลายอย่างอยู่ในระดับปานกลางถึงสูง แต่จนถึงทุกวันนี้ก็ยังไม่พบว่าจะมีมาตรฐานไวร์เลสใดๆ ที่สามารถควบคุมสัญญาณและควบคุมอุปกรณ์ได้ด้วยตัวมันเอง ตัวควบคุมสัญญาณไม่จำเป็นต้องมีแบนด์วิธสูง แต่จำเป็นต้องมีเวลาแฝงต่ำและประหยัดพลังงาน
จึงได้มีผู้ประกอบการด้านไวร์เลสหลายรายคิดแก้ปัญหาต่างๆ คือ ให้มีอัตราการรับส่งข้อมูลสูง แต่ต้องราคาถูกและสิ้นเปลืองน้อยที่สุด ซึ่งระบบได้ถูกออกแบบขึ้น เนื่องจากยังไม่มีมาตรฐานใดๆ รองรับความต้องการของแอพพลิเคชั่นเหล่านั้น
ZigBee Alliance ได้คิดหาวิธีแก้ปัญหาที่จะสามารถควบคุมสัญญาณให้ได้ โดย
1. Physical Layer ถูกออกแบบมาให้เหมาะสมกับความราคาที่ประหยัด การเข้าถึงโดยตรงตามลำดับอนุญาติให้ใช้วงจรอนาลอกที่ไม่ซับซ้อนและมีความคงทนมากในการปรับปรุง
2. Media Access Control (MAC) layer ถูกออกแบบมาโดยยอมให้สามารถใช้งานได้กับ โทโปโลยีหลายๆ แบบแต่ต้องไม่ซับซ้อน การจัดการพลังงานต้องไม่ใช้ขั้นตอนมาก MAC ต้องยอมให้ลดหน้าที่การทำงานของอุปกรณ์ (Reduced Functionality Device : RFD) บางตัวที่ไม่จำเป็นต้องใช้แสง (flash) หรือต้องใช้ RAM หรือ ROM ทำงานมากลง MAC ถูกออกแบบมาเพื่อให้รองรับได้กับจำนวนอุปกรณ์มากๆ โดยที่ต้องไม่เกิดการหลุดชะงักด้วย (parked)
3. Network Layer จะได้รับการออกแบบเพื่อยอมให้ช่วงของเครือข่ายแผ่วงกว้างโดยที่ต้องไม่ใช้อุปกรณ์ส่งสัญญาณที่ใช้พลังงานสูง ชั้น Network Layer ต้องสามารถรองรับโหนดจำนวนมากได้โดยใช้เวลาแฝงต่ำด้วย

2 คุณสมบัติของซิกบี
ซิกบีได้กลายเป็นมาตรฐานการควบคุมสัญญาณเครือข่ายระดับโลก ซึ่งได้รับการออกแบบ โดยมีคุณสมบัติ ดังนี้
1. ประหยัดพลังงาน และง่ายต่อการพัฒนาปรับปรุง
2. มาตรฐานซิกบีตาม IEEE 802.15.4 กำหนดให้มีโหมดของการใช้พลังงาน 2 สถานะ คือ สถานะที่มีการรับและส่งของข้อมูล ซึ่งเรียกว่า Active และอีกสถานะ คือ สถานะที่ไม่มีการทำงานชั่วขณะหนึ่ง หรือเรียกว่า Sleep
3. อุปกรณ์หลักต้องใช้พลังงานตลอดเวลา อุปกรณ์ที่ใช้งานกับซิกบีจะมีลักษณะเป็นนิเวศวิทยามากกว่าอุปกรณ์แบบเดิมๆ ที่ต้องใช้กำลังส่งถึงเมกะวัตต์ พิจารณาการใช้งานภายในบ้านในอนาคตโดยมีอุปกรณ์ที่ต้องการใช้งานไวร์เลส 100 ตัว
กรณีที่ 1 : 802.11 ใช้กำลังส่งไฟฟ้า 667 มิลลิวัตต์ (เปิดใช้งานตลอดเวลา) ใช้งานอุปกรณ์ 100 ตัวในแต่ละบ้าน ถ้ามีการใช้งาน 50,000 บ้าน จะต้องใช้กำลังส่งทั้งสิ้น 3.33 เมกะวัตต์
กรณีที่ 2 : 802.15.4 ใช้กำลังส่งไฟฟ้า 30 มิลลิวัตต์ (เปิดใช้งานตลอดเวลา) ใช้งานอุปกรณ์ 100 ตัวในแต่ละบ้าน ถ้ามีการใช้งาน 50,000 บ้าน จะต้องใช้กำลังส่งทั้งสิ้น 150 กิโลวัตต์
กรณีที่ 3 : 802.15.4 ใช้วงจรพลังงาน 0.1% (วงรอบพื้นฐาน) ใช้กำลังส่งทั้งสิ้น 150 วัตต์
4. ราคาประหยัด อุปกรณ์ที่ใช้มีราคาถูก เสียค่าติดตั้งและดูแลน้อย เนื่องจากแบตเตอรี่ที่ใช้เป็นแบบ primary cell ซึ่งมีราคาถูกและอายุการใช้งานนาน ไม่ใช่แบตเตอรี่ที่สามารถนำมาชาร์ตเพื่อใช้งานใหม่ได้
5. ในแต่ละเครือข่ายสามารถมีจำนวนโหนดได้มาก
6. Simple protocol , global implementation

3 คุณลักษณะทั่วไปของซิกบี
อัตราการส่งข้อมูลมี 3 ระดับ คือ 250 kbps (ที่ความถี่ 2.4 GHz) 40 kbps (ที่ความถี่ 915 MHz) และ 20 kbps (ที่ความถี่ 868 MHz)
1. มีประสิทธิภาพในเรื่องของวงรอบของการใช้งานของแต่ละแอพพลิเคชั่นต่ำ (< 0.1%)
2. ใช้งานเข้าถึงช่องสัญญาณด้วยวิธี CSMA-CA
3. ประหยัดพลังงาน
4. ใช้ Multiple Topology คือ สตาร์ (star) เพียร์ทูเพียร์ (peer-to-peer) เมช (mesh)
5. รองรับอุปกรณ์ได้มากถึง 18,450 x 1015 ตัว (address ขนาด 64 บิต) 65,535 networks
6. การทำงานของแอพพลิเคชั่นใช้หลักการแบบแบ่งเวลา โดยใช้เวลาแฝงน้อย
7. โปรโตคอลมีการทำ Fully hand-shaked เพื่อความน่าเชื่อถือในการส่งข้อมูล
8. ตามปกติใช้งานได้ในช่วง 50 เมตร (ระยะทางในการใช้งานอยู่ในช่วง 5-500 เมตร ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม)

4 ประเภทของการใช้งานช่องสัญญาณตามมาตรฐาน IEEE 802.15.4 ของซิกบี [4]
4.1 Periodic data
- ข้อมูลเป็นระยะ แอพพลิเคชั่นเป็นตัวกำหนดอัตราส่ง เช่น เซ็นเซอร์
- ถูกควบคุมโดย beaconing system โดยเซ็นเซอร์จะ wake up ขึ้นมา ตรวจสอบว่ามีข้อมูลใดๆ หรือไม่ จากนั้น ก็กลับเข้าสู่โหมด Sleep เหมือนเดิม
4.2 Intermittent data
- ข้อมูลส่งบ้างหยุดบ้าง แอพพลิเคชั่นหรือสิ่งเร้าภายนอกเป็นตัวกำหนดอัตราการส่ง เช่น สวิตไฟ เป็นต้น
- ถูกควบคุมโดย beconless system หรือยกเลิกการเชื่อมต่อไปเลย การยกเลิกการเชื่อมต่อของอุปกรณ์ที่ต่ออยู่กับเครือข่ายเพื่อเป็นการประหยัดพลังงาน
4.3 Repetitive low latency data
- กำหนดแบ่งช่วงเวลาในการใช้งาน เช่น เมาส์
- เลือกใช้วิธี Guaranteed Time Slot (GTS) ในการควบคุม GTS เป็นวิธีการหนึ่งในการให้บริการคุณภาพ (QoS) ที่กำหนดให้แต่ละอุปกรณ์กำหนดช่วงเวลาเพื่อป้องกันการแย่งกันใช้ช่องสัญญาณในการส่งข้อมูล

ใน IEEE 802.15.4 ชั้น PHY และ MAC ตลอดจนชั้นซิกบีเนตเวิร์คและชั้นแอพพลิเคชั่น ต้องจัดเตรียมความสามารถดังต่อไปนี้ให้ได้
1. ราคาถูกที่สุด
2. การพัฒนาปรับปรุงง่าย
3. มีความน่าเชื่อถือในการรับส่งข้อมูล
4. ทำงานในระยะทางใกล้ๆ ได้
5. ประหยัดพลังงาน
6. มีความปลอดภัยในระดับที่เหมาะสม


5 ประเภทของอุปกรณ์เชิงกายภาพที่มีราคาต่ำ
มาตรฐาน IEEE ได้กำหนดไว้ 2 ประเภท คือ

1. Full Function Device (FFD)
- สามารถกำหนดฟังก์ชันการทำงานในแต่ละโทโปโลยีได้
- สามารถทำงานร่วมกับเครือข่ายอื่นๆ ได้
- สามารถทำงานร่วมกันได้ดี
- สามารถติดต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ ได้

2. Reduced Function Device (RFD)
- จำกัดเฉพาะโทโปโลยีแบบสตาร์เท่านั้น
- ไม่สามารถทำงานร่วมกับเครือข่ายอื่นๆ ได้
- ติดต่อได้กับอุปกรณ์เฉพาะในเครือข่ายเดียวกันเท่านั้น
- พัฒนาปรับปรุงได้ง่าย

ใน IEEE 802.15.4 เครือข่ายของซิกบีจำเป็นต้องมี Full Functional Device อย่างน้อย 1 ตัว เพื่อใช้งานร่วมกับเครือข่ายอื่นๆ ได้ แต่อุปกรณ์ปลายทางที่ใช้งานอาจจะเป็น Reduced Functional Device ก็ได้ เพื่อเป็นการลดค่าใช้จ่าย

อุปกรณ์แต่ละตัว ต้องมีเงื่อนไข ดังนี้
1. อุปกรณ์ทุกตัวต้องใช้แอดเดรสขนาด 64 บิต ตามมาตรฐานของ IEEE
2. แอดเดรสแบบสั้น (16 บิต) สามารถจัดสรรให้ได้กับการลดขนาดของแพกเก็ต
3. Address Mode :
- Network + device identifier (star)
- Source/ Destination identifier (peer-to-peer)

6 โปรโตคอลซิกบี (ZigBee Protocol)

มาตรฐาน 802.15.4 มีจุดมุ่งหมายเบื้องต้นเพื่อตรวจจับและควบคุมแอพพลิเคชั่น ความสามารถในด้านการประหยัดพลังงานถือเป็นคุณสมบัติที่สำคัญในการที่จะทำให้อุปกรณ์ที่ใช้งานแบตเตอรี่สามารถใช้งานได้ยาวนานขึ้น จำนวนปริมาณข้อมูลเอาท์พุธ (แบนด์วิธ) ที่ได้ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับไวร์เลส แลน ซึ่งต้องใช้ถึง 250 กิโลบิตต่อวินาที (kbps) กับแอพพลิเคชั่นหลายตัวจึงจะมากเพียงพอ ระยะห่างระหว่างโหนด 2 โหนด อยู่ที่ 50 เมตรขึ้นไป และแต่ละโหนดที่แลกเปลี่ยนข้อมูลกันจะทำการสร้างเครือข่ายขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้ครอบคลุมเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด

6.1 Hardware (Physical and MAC layers)
ในชั่วเวลาขณะหนึ่ง ทุกโซลูชั่นทำงานที่ความถี่ 2.4 GHz แต่เฉพาะที่อเมริกาเหนือทำงานที่ย่านความถี่ 915 MHz และที่ยุโรปทำงานที่ย่านความถี่ 868 MHz ที่ย่านความถี่ 2.4 GHz เป็นย่านความถี่ที่อนุญาตให้ใช้ได้ฟรี ดังนั้นผลิตภัณฑ์จากซิกบีจึงอาจจะสามารถใช้ได้ทั่วโลก ผลิตภัณฑ์ในปัจจุบันทั้งหมดจะใช้ได้ที่ย่านความถี่ 2.4 GHz

ในทุกย่านความถี่ใช้ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ที่ย่านความถี่ 868 MHz และ 915 MHz ใช้วิธี Binary Phase Shift Keying และที่ย่านความถี่ 2.4 GHz ใช้วิธี O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying)

ที่ย่านความถี่ที่อนุญาติให้ใช้ได้ฟรีเริ่มมีการใช้กันมากและมีสัญญาณรบกวนมากขึ้น มาตรฐาน 802.15.4 มีคุณสมบัติมากมายที่จะทำให้แน่ใจว่ามีขั้นตอนการทำงานที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่เลวร้ายที่สุด โดยมีคีย์เวิร์ด 3 ตัว คือ ทำให้ช่องสัญญาณว่าง (Clear Channel Assesment) ประเมินคุณภาพ (Quality Assesment) และการตรวจจับตัวรับพลังงาน (Receiver Energy Detection) เพื่อป้องกันปัญหาที่จะเกิดขึ้นจากตัวมันเอง เทคนิคที่เรียกว่า Carrier Sense Multiple Access (CSMA) เพื่อใช้ในการส่งข้อมูลซึ่งแน่ใจว่าไม่ก่อให้เกิดปัญหาการชนกัน
ข้อมูลที่ถูกส่งอยู่ในรูปแพคเกจ แพคเกจของซิกบีมีขนาดสูงสุด 128 ไบต์ ซึ่งรวมโอเวอร์เฮดของโปรโตคอลด้วย มีที่ว่างได้สูงสุด 104 ไบต์ เมื่อเปรียบเทียบกับอีเทอร์เนตแล้วค่อนข้างเล็กกว่าแต่แอพพลิเคชั่นมากมายซิกบีสามารถใช้เนื้อที่เท่านี้ได้อย่างเพียงพอ
คุณสมบัติที่เป็นลักษณะเรียลไทม์ ซิกบีสามารถกำหนดให้ข้อความมีลำดับความสำคัญสูงสุดได้ โดยใช้กลไกการแบ่งช่วงเวลา ดังนั้นข้อความที่มีลำดับความสำคัญสูงจะสามารถถูกส่งไปได้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
ซิกบีใช้แอดเดรส 2 ประเภท มี IEEE address ขนาด 64 บิต ซึ่งเปรียบเทียบกับไอพีแอดเดรสบนอินเตอร์เนต และมีอีก 16 บิตเป็น short address ซึ่งใช้เนตเวิร์คละครั้ง ดังนั้นจะสามารถสร้างโหนดได้ทั้งหมด 2^16 = ~64000 โหนด ซึ่งเพียงพอต่อการใช้งาน แต่ถ้าต้องการใช้จำนวนโหนดมากกว่านี้ต้องออกแบบเพื่อสร้างโหนดเกตเวย์
6.2 The ZigBee upper layers
เป็นเลเยอร์ที่อยู่ถัดขึ้นไปจากชั้น 802.15.4 ซึ่งเรียกว่ามาตรฐานซิกบี ซึ่งเลเยอร์นี้ประกอบไปด้วย แอพลิเคชั่น โพรไฟล์ (Application Profile) ซีเคียวริตี้ เซตติ้ง (Security Setting) และ แมสเสจ (messaging)
ถึงแม้ว่าซิกบีมีสถาปัตยกรรมเป็นแบบตาข่าย (mesh) แต่ก็ไม่สนับสนุนการทำงานกับ สถาปัตยกรรมที่เป็นโทโปโลยีแบบสตาร์ ทรี หรือไฮบริดจ์เลย ขึ้นอยู่กับว่าแอพพลิเคชั่นในแต่ละโทโปโลยีจะมีข้อดีหรือข้อเสียอย่างไร โทโปโลยีแบบสตาร์เป็นโทโปโลยีที่ง่ายที่สุด ทุกๆ โหนดจะเชื่อมต่อสื่อสารกับโหนดที่อยู่ตรงกลาง คล้ายดาว โทโปโลยีแบบตาข่ายมีความซับซ้อนมาก แต่ละโหนดอาจมีการเชื่อมต่อกับโหนดอื่นๆ ที่อยู่ภายในช่วงได้ แต่เป็นการง่ายที่จะทราบว่ารูปแบบนี้ทำให้เกิดเส้นทางระหว่างเนตเวิร์คที่เป็นไปได้มากมาย ทำให้โทโปโลยีมีความแข็งแรง ทนทานเนื่องจากเส้นทางที่ใช้งานไม่ได้จะถูกละเว้นไป โทโปโลยีแบบคลัสเตอร์ทรี เป็นโทโปโลยีแบบง่ายที่สุด ที่เกิดจากการนำโทโปโลยีแบบสตาร์และตาข่ายมารวมกัน

7 กลไกการรักษาความปลอดภัยของซิกบี
ซิกบีควบคุมความปลอดภัยในการส่งข้อมูลผ่าน hop โดยใช้ความปลอดภัยของ MAC data frame แต่ถ้าเป็นการส่งแบบ multi-hop ซิกบีจะใช้ความปลอดภัยจากเลเยอร์ชั้นบนๆ (เช่น ชั้น NWK) ชั้น MAC ใช้มาตรฐานการเข้ารหัสขั้นสูง (AES) โดยใช้อัลกอริทึม Cryptographic และจัดทำเป็น security suite โดยใช้อัลกอริทึม AES ใน suite นี้จะป้องกันความลับ มีความถูกต้องและตรวจสอบความเป็นเจ้าของ ไว้กับ MAC frame ชั้น MAC ไม่มีกระบวนการทำ Security โปรโตคอลชั้นบนจะมีหน้าที่ตั้งค่าคีย์และกำหนดระดับความปลอดภัยที่จะใช้เพื่อควบคุม