المكونات السبعة الرئيسية لنظام إنترنت الأشياء البيئي

يشير مصطلح إنترنت الأشياء (IoT) إلى مجموعة من الأشياء المترابطة القادرة على الاستشعار والتشغيل والاتصال المشترك في شبكة واسعة بتدخل بشري مباشر أو بدونه. كما أنها قادرة على التصرف وفقًا للتغيرات في البيئة بشكل مستقل عن طريق تشغيل العملية ومشاركة هذه المعلومات في الشبكة لمعالجة وتوليد معلومات قيمة فيما يتعلق ببيئتها. وهي الآن تقنية راسخة وسريعة النمو مع تحديد أكثر من 20 مليار جهاز كأجهزة إنترنت الأشياء بحلول عام 2025.

المفاهيم الأساسية وراء إنترنت الأشياء هي "الأشياء الذكية" و"البيئات الذكية". الكائن الذكي هو كائن مادي مجهز بمعالج ونظام تخزين بيانات ونظام استشعار وتكنولوجيا شبكة للاتصال المشترك. يمكن لبعض هذه الأجسام أن تؤثر على بيئتها عن طريق المشغلات. وبالسير على نفس التعريف، تشير البيئة الذكية إلى المدى المادي الذي تنتشر فيه الأجسام الذكية وتتفاعل. بعد أن فهمنا الآن بإيجاز إطار عمل إنترنت الأشياء، دعونا الآن نلقي نظرة على المكونات الرئيسية لإنترنت الأشياء.

الشيء أو الجهاز

يُشار إلى الأشياء والأجهزة في إنترنت الأشياء بالمكونات مثل المستشعرات والمشغلات وأحياناً قد تشمل الأجهزة القابلة للارتداء المدمجة مع المستشعرات والمشغلات. يتم نشرها في الطبقة المادية لبنية إنترنت الأشياء التي تعمل بمثابة العمود الفقري لإطار عمل إنترنت الأشياء. تتمثل الوظائف الرئيسية لهذه الأشياء والأجهزة في استشعار وجمع البيانات من البيئة وتنفيذ أي آلية تحكم مطلوبة للتحكم في المتغيرات المطلوبة في البيئة.

1. المستشعرات

هذه هي المكونات المسؤولة عن اكتشاف واستشعار أي تغيير بيئي وقراءة أي تغيير بيئي. يمكن لأجهزة الاستشعار اليوم اكتشاف أي شيء تقريبًا بدءًا من درجة الحرارة إلى ضغط دم الإنسان وأجهزة الاستشعار المتقدمة القادرة على قياس تعقيدات أخرى. ولا تزال جميع هذه الوظائف ممكنة من خلال شغل مساحة صغيرة جدًا بفضل التكنولوجيا الحديثة مثل التكامل على نطاق واسع جدًا (VLSI). وقد ولدت VLSI مجموعة جديدة من أجهزة الاستشعار المتقدمة المعروفة باسم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) والتي أصبحت الآن متداخلة للغاية في معظم تطبيقات إنترنت الأشياء. فيما يلي بعض فئات المستشعرات المستخدمة على نطاق واسع:

• مستشعرات درجة الحرارة: تقيس هذه المستشعرات تغيرات درجة الحرارة في بيئة الاستشعار. وتوجد أنواع مختلفة من أجهزة استشعار درجة الحرارة تبعاً لتقنية استشعار درجة الحرارة مثل المزدوجات الحرارية والثرمستورات وأجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء وكاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTD)
• مستشعرات القرب: تكتشف هذه المستشعرات وجود أو عدم وجود جسم قريب أو خصائصه. هناك أنواع مختلفة من مستشعرات القرب مثل المستشعرات الاستقرائية والمستشعرات السعوية والمستشعرات فوق الصوتية والمستشعرات الكهروضوئية.
• مستشعرات كشف الحركة: تكتشف هذه المستشعرات أي حركة مادية في منطقة معينة. وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية وأجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء السلبية (PIR) وأجهزة الاستشعار بالموجات الدقيقة هي بعض أجهزة الاستشعار التي تستخدم فقط.
• أجهزة الاستشعار البصرية: هذه المستشعرات قادرة على التقاط الفوتونات الضوئية وتحويلها إلى إشارات لتفسير المعلومات المهمة عن البيئة المحيطة.
• مستشعرات الضغط: تكتشف هذه المستشعرات أي تغير في الضغط في بيئة الاستشعار.
• الجيروسكوبات ومقاييس التسارع: هذه المستشعرات قادرة على قياس أي حركة دورانية وتسارع.
• مستشعرات كيميائية وغازية: تكشف هذه الحساسات عن وجود مواد كيميائية وغازات معينة في البيئة. وتوجد أنواع وعائلات مختلفة من هذه الحساسات حسب المتطلبات.
• مستشعرات الرطوبة: تقيس الرطوبة في البيئة المحيطة.

2. المشغلات

هذه هي عكس أجهزة الاستشعار. فهي تعمل على البيئة اعتمادًا على تعليمات معينة أو بيانات استشعار معينة. لننظر إلى هذا باستخدام مثال. لنفكر في تطبيق إنترنت الأشياء المنتشر في تطبيق زراعي للتحكم في تدفق المياه إلى الغطاء النباتي. لهذا الغرض، يمكننا استخدام مستشعرات مستوى المياه ومستشعرات رطوبة التربة للكشف عن مستوى المياه في التربة. والآن، يمكننا توفير المياه باستخدام المضخات عن طريق التحكم في صمام. هنا، يعمل الصمام كمشغل. عندما تكتشف المستشعرات وجود كمية زائدة من المياه، فإنها ترسل إشارة إلى الصمامات، وهي المشغلات لإغلاق المضخة.

سيعتمد نوع المشغل المستخدم على الحالة الرأسية وحالة الاستخدام. قد تكون مطلوبة لتشغيل أو إيقاف تشغيل مفتاح أو قد تتحكم في صمام كما في المثال السابق أو قد تتطلب إجراءات متقدمة مثل الإمساك والدوران والدوران.

الاتصال والشبكات

تشتمل تطبيقات إنترنت الأشياء على أجهزة وأجهزة استشعار ومشغلات وسحابة مشتركة 1TP14 تتصل ببعضها البعض لاتخاذ القرارات ومعالجة البيانات المجمعة. ولهذا الغرض، من الضروري إنشاء وسائل لربط هذه المكونات في نظام إنترنت الأشياء. لذلك، يعد الاتصال مكونًا أساسيًا آخر في تحقيق تطبيقات إنترنت الأشياء. بشكل عام، هناك نوعان من منهجيات الاتصال البيني لإنشاء الاتصال وهما: الاتصال البيني اللاسلكي والاتصال البيني السلكي. يعتمد الاختيار بين هذين النوعين كلياً على حالة الاستخدام والقطاع الرأسي.

بروتوكولات الاتصال CommP14

والآن بمجرد تجميع البيانات وجلب بيانات التحكم اللازمة، يلزم توصيل هذه البيانات إلى المنصة السحابية أو إلى الحافة حسب الحاجة. ولتحقيق ذلك، تستخدم تطبيقات إنترنت الأشياء هذه أنواعًا مختلفة من بروتوكولات الاتصال المشترك communication.

عندما يتم إنشاء العقد الطرفية (بما في ذلك أجهزة الاستشعار والمشغلات) في نطاق قريب، فإنها تسمى مجتمعةً شبكات المنطقة الشخصية (PANs). وعادةً ما تستخدم شبكات المنطقة الشخصية بروتوكولات غير مرتبطة بالإنترنت للاتصال المشترك. ومع ذلك، هناك بروتوكولات قائمة على بروتوكول الإنترنت أيضاً. يتم تعريف هذه البروتوكولات الخاصة بشبكات المنطقة الشخصية ضمن تعريفات شبكة المنطقة الشخصية اللاسلكية IEEE 802.15. بعض البروتوكولات هي Bluetooth 5, زيجبي وبروتوكولات Z-Wave. كما أن بروتوكولات مثل 6لوبان يتم تسليط الضوء على وجود بروتوكولات قائمة على بروتوكول الإنترنت في الشبكات المحلية أيضًا.

في الحالة التي تكون فيها العقد الطرفية موزعة على مساحة واسعة، تُعرف مجتمعةً باسم شبكات المنطقة الواسعة (WANs) أو شبكات المنطقة المحلية (LANs). ويستخدم هذان المصطلحان أحياناً بالتبادل. تستخدم شبكات المنطقة المحلية هذه بروتوكولات الاتصال المشترك المستندة إلى بروتوكول الإنترنت (IP) للاتصال المشترك بين أجهزة العقدة والسحابة. نظرًا لأنها تتطلب بروتوكولات اتصال مشتركة طويلة المدى تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة للانتقال. بعض البروتوكولات الشهيرة هي LoRaWAN، MQTT، HTTP، خلوي (4G/3G) و Wi-Fi من أكثر بروتوكولات الاتصال المشترك استخدامًا على نطاق واسع.

السحابة

يمكن اعتبار سحابة إنترنت الأشياء المكان الذي يكمن فيه "الذكاء". ستقوم السحابة بجمع كل البيانات التي تم جمعها من خلال بروتوكول الاتصال المشترك ذي الصلة وتنفيذ المعالجة اللازمة. يمكن لسحابة إنترنت الأشياء بخلاف جمع البيانات ومعالجة البيانات تخزين البيانات وإدارتها في الوقت الفعلي. ومن ثم، فإن العامل الرئيسي في تحديد الخدمة السحابية المناسبة هو النظر في وقت الاستجابة الذي تنطوي عليه الخدمات السحابية. يدعم مقدمو الخدمات السحابية مجموعة من منتجات كل شيء كخدمة (XaaS). تشمل الخدمات الشبكات كخدمة (NaaS) والبرمجيات كخدمة (SaaS) والمنصة كخدمة (PaaS) والبنية التحتية كخدمة (IaaS). يمكن للمستخدم تحديد الخدمة التي سيستخدمها اعتمادًا على حالة استخدام إنترنت الأشياء والقطاع الرأسي.

بتبسيط الأمور، ستتألف سحابة إنترنت الأشياء من شبكة من الخدمات المحسّنة للخدمات المذكورة أعلاه وإدارة كمية هائلة من البيانات في الوقت الفعلي. يحتوي هذا أيضًا على نظام قاعدة بيانات إدارية موزعة.

على الرغم من سهولة وتكلفة التشغيل الأقل، فقد ظهر اتجاه جديد لمعالجة البيانات ذات الصلة وإدارتها في الحافة نفسها مما أدى إلى ظهور مفاهيم جديدة مثل حوسبة الحافة وحوسبة الضباب. ويعتمد التفضيل بين الحوسبة السحابية وحوسبة الحافة على التطبيق، حيث تُفضّل حوسبة الحافة عندما تكون هناك حاجة إلى كميات كبيرة من معالجة البيانات في أماكن العمل.

تحليلات إنترنت الأشياء

يتم تحويل البيانات الفيزيائية التي يتم الحصول عليها بواسطة أجهزة الاستشعار إلى إشارات رقمية على الحافة، ويمكن أن يكون لهذه الإشارات الرقمية عواقب قابلة للتنفيذ. على سبيل المثال، قد نحتاج إلى تصنيف المؤشرات الحيوية للمرضى على أنها خطيرة أو سليمة. لهذا الغرض، قد نجمع البيانات من المريض باستخدام أجهزة الاستشعار ونجمع البيانات كبيانات سلسلة زمنية ونعالجها باستخدام محرك قائم على القواعد للتنبؤ. في حالة الطوارئ، تلعب دقة وسرعة هذا المحرك القائم على القواعد دورًا حاسمًا. وعلاوة على ذلك، من المهم تنفيذ إجراء immediate للتنبؤ.

ولتحقيق هذه الوظائف، يمكننا استخدام نماذج التعلّم العميق للتحليل التنبؤي ومختلف تقنيات التعلّم الآلي للتنبؤ بالاتجاهات وحل مشاكل الانحدار والتنبؤ بالأحداث وحتى اتخاذ قرارات مفيدة.

تتطلب التحليلات قدرة تخزين كبيرة وقدرة حاسوبية كبيرة لتنفيذ هذه العمليات لاتخاذ قرارات ذكية. لذلك، يتم استضافتها بشكل مثالي على سحابة إنترنت الأشياء. ومع ذلك، فإن المفاهيم الناشئة مثل TinyML تفتح الأبواب لاتخاذ القرارات في الحافة نفسها.

واجهة المستخدم

هذا هو المكون الذي سيتفاعل فيه المستخدم النهائي بنشاط مع نظام إنترنت الأشياء. يمكن للمستخدم التحكم في النظام بأكمله وتعيين أي تغييرات وتفضيلات للنظام. لذلك، ستكون واجهة المستخدم بمثابة تجريد عالي المستوى للنظام بأكمله.

يمكن تضمين واجهة المستخدم في الجهاز نفسه أو يمكن تثبيتها في الأجهزة القابلة للارتداء أو الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية أو يمكن أن تكون في شكل تطبيق ويب. تعد لوحات معلومات إنترنت الأشياء منصة شائعة أخرى، ولكنها تتطلب أحياناً بعض المهارات التقنية للتفاعل معها. أخيراً، إذا سنحت لك الفرصة لتصميم واجهة مستخدم، تذكر أن التصميم هو أحد الاعتبارات الرئيسية. أضف بعض الخطوط الرائعة ودعم الصوت وواجهات اللمس لجعل المنتج أكثر تنافسية في السوق.

والآن دعونا نلقي نظرة على المزيد من المكونات الإضافية في نظام إنترنت الأشياء.

الأمن

هذا هو العنصر الذي يتم تجاهله في الغالب من قبل المصممين ومهندسي إنترنت الأشياء عند تصميم تطبيقات إنترنت الأشياء، مما أدى إلى تعرض المزيد من الأجهزة للهجمات يوماً بعد يوم. يجب أن يتنازل النظام الآمن عن استراتيجية معارضة واستراتيجية استرداد ويجب أن يكون قادراً على التعرف على أي هجمات خبيثة على النظام.

من الناحية المثالية، يمكن نشر أنظمة الأمان هذه في السحابة ويمكن دمجها في مكونات الشبكات.

بوابة إنترنت الأشياء

بوابات إنترنت الأشياء أصبحت مكونًا شائعًا مع تزايد عدد أجهزة الاستشعار وأجهزة العقدة التي تربط نظام إنترنت الأشياء. وهذا يسهّل إدارة حركة مرور البيانات، كما يمكنها أيضًا توفير تدابير أمان البيانات إلى جانب المعالجة المسبقة للبيانات لإزالة البيانات غير المرغوب فيها أو التالفة. علاوة على ذلك، تم تجهيز بوابات إنترنت الأشياء الأكثر تقدمًا بالقدرة على تحليل البيانات واتخاذ قرارات ذكية، مما يقلل من ناحية أخرى من العبء على الخدمة السحابية.

الخاتمة 

شهدت تقنية إنترنت الأشياء التي تعد تقنية ناضجة بالفعل نموًا سريعًا مع تقدم التقنيات الجديدة والبروتوكولات الجديدة التي انضمت إلى المجال. ومن المرجح أن تأخذ بُعدًا جديدًا مع وصول تقنيات الاتصالات الجديدة مثل الجيل الخامس 5G وسيكون لها مستقبل واعد.