کیت‌های سخت‌افزاری/‌ نرم‌افزاری ویژه اینترنت اشیا در راهند

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «اینترنت اشیا صنعتی» شماره 194 ماهنامه شبکه است. علاقه‌مندان می‌توانند کل این پرونده ویژه را از روی سایت شبکه دانلود کنند. 

مطلب پیشنهادی

اینترنت اشیا یا اینترنت اشباح ...

برای شرکت‌های فعال در زمینه الکترونیک و تولیدکننده نیمه‌هادی‌ها از همان روزهای آغازین مشخص بود که اینترنت اشیا به چه ملزوماتی نیاز دارد تا به شکلی کاربردی و مفید مورد استفاده قرار گیرد. تعداد گره‌های اینترنت اشیا قطع به یقین به رقم ده‌ها میلیارد خواهد رسید و در خیلی از موارد، هزینه نهایی اپلیکیشن‌ها تأمل‌برانگیز است. پس واضح است هزینه تمام شده قطعات مورد نیاز برای هر گره باید به ‌طور اساسی مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر این، میزان برق و انرژی که هرکدام از این گره‌ها استفاده می‌کنند نیز عامل مهم و چالش‌برانگیزی است، زیرا خیلی از گره‌های اینترنت اشیا در مناطق دوردست که فاقد سیم‌کشی برق هستند مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌ همین دلیل، تنها راهکار و گزینه قابل اتکای موجود به‌کارگیری باتری است. در نتیجه باید تا حد ممکن عمر باتری را افزایش داد تا برای گره‌ها در هنگام کار مشکل خاصی پیش نیاید. کاملاً مشخص است که اعزام نیروی انسانی به مناطق مختلف برای جابه‌جایی سلول‌های باتری هم زمان‌بر است و هم هزینه زیادی را به تیم اجرایی تحمیل می‌کند. بسته به نوع کاربرد عوامل دیگری همچون محدودیت‌های فضایی و مکانی، محیط‌های سخت و دشوار کاری و مواردی از این دست روی طراحی گره‌های اینترنت اشیا تأثیر بسزایی دارند. تا به امروز پروتکل‌های ارتباطی مختلف و گوناگونی برای استفاده در پروژه‌های مرتبط با اینترنت اشیا طراحی شده‌اند. برخی از این پروتکل‌ها که شامل هر دو مدل بی‌‌سیم و باسیم می‌شوند، کاملاً خود را جا انداخته‌اند و به‌عنوان یک راه ‌حل اساسی از آن‌ها یاد می‌شود، در حالی ‌که برخی دیگر از این پروتکل‌ها هنوز در مراحل اولیه طراحی قرار دارند. در میان پروتکل‌های شناخته شده باسیم می‌توان به ارتباطات و انتقال از طریق کابل برق (PLC)، برق روی بستر اترنت (PoL)، KNX و CAN برای هر دو مدل خودکارسازی صنعتی و ساختمانی اشاره کرد. بخش اعظمی از این پروتکل‌های ارتباطی بی‌سیم بر مسافت کم و عملیات فوق کم‌مصرف متمرکز شده‌اند. از جمله این پروتکل‌های معروف می‌توان به Thread، zigbee و بلوتوث کم‌مصرف (BLE) (سرنام Bluetooth Low Energy) اشاره کرد. سایر گزینه‌های بی‌سیم موجود در ارتباط با پروتکل‌های شبکه کم‌مصرف و در تعامل با شبکه‌های گسترده کم‌مصرف موسوم به LPWAN هستند. این شبکه‌ها ضمن آنکه قادرند مسافت‌های طولانی را پوشش ‌دهند، در عین حال انرژی مصرفی آن‌ها بسیار کم است. یک نمونه از این پروتکل‌ها SIGFOX است. علاوه بر پروتکل‌های کم‌مصرف، پروتکل‌های مبتنی بر دکل‌های موبایلی برای کارایی بالا در یک منطقه وسیع (WAN) نیز در دسترس هستند که از جمله این پروتکل‌ها می‌توان به LTE-M و اینترنت اشیا باندباریک (NB-IoT) (سرنام NarrowBand IoT) اشاره کرد. همچنین، تا چند سال آینده شبکه 5G و زیرساخت‌های مرتبط با آن نیز در دسترس خواهد بود.

مطلب پیشنهادی

ویدیو: سونامی اینترنت اشیا - مصاحبه با رئیس کمیسیون اینترنت اشیا و داده‌های عظیم

حسگرها و فعال‌کننده‌ها نقش کلیدی در اکوسیستم اینترنت اشیا بازی می‌کنند
حسگرها و فعال‌کننده‌ها همان نیروی محرکه‌ای هستند که باعث می‌شوند اینترنت اشیا به حرکت خود ادامه دهد. در این اکوسیستم، داده‌ها از طریق حسگرها دریافت می‌شوند و سپس مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. در طرف دیگر این اکوسیستم فعال‌کننده‌ها را داریم که برای به ‌حرکت درآوردن موتورها، روشن کردن تجهیزات نوری و مواردی از این دست مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، به نمونه‌هایی اشاره می‌کنیم که ترکیب حسگرها و فعال‌کننده‌ها در کنار پشتیبانی از ارتباطات ارزش واقعی را نشان می‌دهد. (شکل 1) 

کل 1- طرح شماتیک اجزای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری نیمه‌هادی جدید ON به‌نام IDK

مطلب پیشنهادی

راهکارهای بهینه جمع‎آوری داده‎ها از گجت‎های هوشمند

این 15 ابزار اینترنت اشیای متصل به رزبری پای جادو می‎کنند

در استفاده از سیستم خودکارسازی خانه/ ساختمان، شبکه آشکارکننده‌های مادون قرمز پسیو (PIR) قادر به تشخیص وجود افراد در داخل یک اتاق است. در نتیجه درایورهای LED با دریافت دستور مربوط چراغ‌ها را روشن می‌کنند. حال فرض کنیم قرار است از این مکانیسم در زمینه صنعت استفاده شود. به‌ عنوان مثال، یک سایت باغبانی در مقیاس بسیار بزرگ می‌تواند از چند نوع حسگر برای نظارت بر نور محیطی، دما، رطوبت، نم موجود در خاک و مواردی از این دست را به کار گیرد. در این ساز و کار زمانی‌ که برخی پارامترها با مقدار از پیش تعیین شده مغایرت داشته باشند (کم یا زیاد باشند)، سیستم فعال می‌شود. به ‌طور مثال، اگر دما خیلی بالا باشد و نیاز به تنظیم داشته باشد، موتورها پنجره‌های خانه را باز می‌کنند. همین‌ طور اگر میزان نور موجود در محیط برای رشد گیاهان مناسب نباشد، درایورهای LED متصل به شبکه قادر به تنظیم نور خواهند بود. وقتی محدودیت‌های فضا، هزینه و برق کنار هم قرار می‌گیرند باعث می‌شوند تا گر‌ه‌های اینترنت اشیا از مفاهیم ساده طراحی پیروی کنند و هیچ وظیفه اضافه‌ای فراتر از کارهای ساده‌ای که می‌توانند پشتیبانی کنند به آن‌ها تحمیل نشود. این استراتژی باعث استفاده از ریزپردازنده‌ها و مدارهای مجتمع حافظه می‌شود که فواید زیادی به همراه دارند؛ از نظر هزینه مقرون به‌صرفه هستند، انرژی زیادی مصرف نمی‌کنند و فضای زیادی را اشغال نمی‌کنند. 

تا پایان سال جاری تعداد دستگاه‌های متصل جهشی 15 درصدی را تجربه خواهند کرد. به این ترتیب، کل تعداد دستگاه‌های متصل تا پایان سال 2017 به رقم خیره‌کننده 20 میلیارد دستگاه خواهد رسید

به همین دلیل است که گره‌ها از سرویس‌های مبتنی بر کلاود (که داده‌ها در آن‌ها پردازش و سپس تحلیل می‌شود) استفاده می‌کنند. زیرساخت‌های کلاود این توانایی را دارند تا محدودیت‌هایی که برای هر گره وجود دارد جبران کنند. توانایی به‌کارگیری برنامه‌های کاربردی مربوط از طریق کلاود باعث از بین رفتن محدودیت گره‌ها و آزاد شدن طراحی سیستم اینترنت اشیا می‌شوند. این رویکرد به ما اجازه می‌دهد از داده‌های ارزشمندی که دریافت کرده‌ایم به بهترین شکل ممکن استفاده کنیم. 

مطلب پیشنهادی

پشتیبانی لینوکس از اینترنت اشیا

7 پروژه برتر اینترنت اشیای تحت لینوکس

اینترنت اشیا به فناوری ویژه‌ای در ارتباط با تعامل دقیق‌تر گره‌ها و نرم‌افزارها نیاز دارد
تا به امروز، فروشندگان سخت‌افزارهای الکترونیکی و تأمین‌کنندگان سرویس کلاود چالش‌های اینترنت اشیا را با جداسازی کامل گره‌ها از یکدیگر پشت سر گذاشته‌اند، هرچند هر دو گروه با محدودیت‌های بسیاری روبه‌رو بوده‌اند. اما این رویکرد در عمل نتوانست باعث کم شدن مشکلات شود و میزان به‌کارگیری اینترنت اشیا را آن‌گونه که پیش‌بینی شده بود بهبود بخشد. کمتر کسی بوده است که به تلفیق سخت‌افزار و نرم‌افزار توسعه کلاود فکر کند. مهندسان سخت‌افزار به هیچ عنوان علاقه‌ای به خروج از منطقه امن خود و تمایلی به کدنویسی در مقیاس بزرگ ندارند. به همین شکل، ‌توسعه‌دهندگان نرم‌افزار نمی‌خواهند خود را درگیر زیرساختی کنند که به آن‌ها فضای کافی برای حرکت و مانور نمی‌دهد.
به‌کارگیری اینترنت اشیا نگرانی‌های خاص خود را دارد. نگرانی اصلی در سطح گره مربوط به استفاده از فرآیندهایی است که تا حد ممکن کارآمد و قابل اطمینان باشند. این فرآیند‌ها باید به گونه‌ای طراحی و پیاده‌سازی شوند تا داده‌هایی که از سوی حسگرها دریافت یا تولید می‌شوند را به‌منظور تجزیه و تحلیل دریافت کنند. فعال‌کننده‌ها نیز هر زمان که به وجود آن‌ها نیاز است باید کار خود را آغاز کنند. نوع ارتباطات استفاده شده نیز باید برای نوع کار اجرایی بهینه شود. وقتی به عمق سیستم می‌رویم، توجه اصلی روی اطمینان داشتن از تعامل مؤثر با کلاود است. اینترنت اشیا به فناوری ویژه‌ای نیاز دارد که بتواند سریع و به‌صورت بی‌درنگ عناصر متفاوتی را که در تعامل با یک برنامه کاربردی مورد استفاده قرار می‌گیرند شناسایی کند. مهندسان به نوع خاصی از ارتباطات و عملیات مربوط به حسگرها و فعال‌کننده‌ها نیاز دارند. این زیرساخت‌ها باید گره‌های اینترنت اشیا را به شکلی ایجاد کنند که همسو با نیازهای برنامه‌های کاربردی باشد. توسعه‌‌دهندگان نرم‌افزار هم به ساختاری نیاز دارند تا بتوانند برنامه‌های کاربردی مبتنی بر کلاود را به شکلی طراحی کنند که از سخت‌افزار پشتیبانی کند.

مطلب پیشنهادی

سرمایه‌گذاری‌های مافوق تصور

اگر به دنبال بازار پر سودی هستید از اینترنت اشیا غافل نشوید

علاوه بر پروتکل‌های کم‌مصرف، پروتکل‌های مبتنی بر دکل‌های موبایلی برای کارایی بالا در یک منطقه وسیع (WAN) نیز در دسترس هستند که از جمله این پروتکل‌ها می‌توان به LTE-M و اینترنت اشیا باندباریک (NB-IoT) اشاره کرد. همچنین، تا چند سال آینده شبکه 5G و زیرساخت‌های مرتبط با آن نیز در دسترس خواهد بود

تا به امروز، شرکت‌های فراهم‌کننده سکوی توسعه نرم‌افزاری به‌طور جدی با هیچ‌کدام از مسائل و مشکلاتی که در بالا به آن‌ها اشاره شد، دست‌وپنجه نرم نکرده‌اند. پیشنهادات سخت‌افزاری عموماً راهکارهای تک‌بعدی هستند که از حسگرها و فعال‌کننده‌های ارتباطی مشخص استفاده می‌کنند. وقتی صحبت از برطرف کردن نیازهای اپلیکیشن به میان می‌آید، مهندسان نرم‌افزار حوزه بسیار کوچکی را مد نظر قرار می‌دهند. دید محدود باعث می‌شود تا زیرساختی که در این زمینه طراحی می‌شود، این توانایی را نداشته باشد تا بهترین تعامل را با حسگرها برقرار کند. در نتیجه به توافقی در این زمینه نیاز است. به عبارت دقیق‌تر، ما به زیرساخت نرم‌افزاری ویژه‌ای نیاز داریم که از انعطاف‌پذیری بیشتری برخوردار باشد و از عملکردهای مشخص اینترنت اشیا پشتیبانی ‌کند. (شکل 2)

شکل 2- برد اصلی IDK در کنار داتر کارت‌های مختلف آن

مطلب پیشنهادی

اینترنت اشیا؛ انسان یا ابر انسان

آیا اینترنت اشیا ما را به ابر انسان تبدیل خواهد کرد؟

کیت IDK زیرساخت جدید و نوینی را در اختیار توسعه‌دهندگان قرار می‌دهد 
راهکارهای پویایی که نوع به‌کارگیری اینترنت اشیا را تعریف می‌کنند، باعث شکل‌گیری نوع جدیدی از زیرساخت اینترنت اشیا شده‌اند. زیرساختی که می‌تواند خبر خوب و مسرت‌بخشی برای مهندسان سخت‌افزار و توسعه‌دهندگان نرم‌افزار باشد. نتیجه این کار نیمه‌هادی ON برای کیت اینترنت اشیا یا به‌اختصار IDK است. کیت IDK به‌جای اینکه فقط یک کاربرد داشته باشد، به‌صورت ماژولار ساخته شده تا انتخاب‌ها و گزینه‌های بسیار زیادی برای حسگرها، فعال‌کننده‌ها و ارتباطات به وجود آورد. این کیت به مهندسان یک منبع توسعه چندکاره و تطبیق‌پذیر ارائه می‌کند. این منابع هم از سخت‌افزار مراقبت می‌کنند و هم یک چهارچوب نرم‌افزاری پیچیده را در دل خود جا می‌دهند. به کمک این امکانات می‌توان برنامه‌های کاربردی ساخت که ارتباط دستگاه با کلاود اینترنت اشیا را برقرار ‌کنند. کیت IDK مبتنی بر سیستم پیچیده (NCS36510 (SoC است و دارای یک پردازنده 32 بیتی ARM Cortex-M3 و دو بانک حافظه فلش 320 کیلوبایت است. داتر کارت‌های متنوع می‌توانند به‌صورت مستقیم به برد اصلی متصل شوند. مهندسان می‌توانند برای پروتکل‌های متنوع ارتباطی بی‌سیم و باسیم مانند Thread، zigbee، SIGFOX، CAN، اترنت و مواردی از این قبیل از داتر کارت‌های زیادی که در دسترس آن‌ها قرار دارد استفاده کنند. در زمینه حسگرها نیز داتر کارت‌های زیادی برای دما، حرکت، رطوبت، تپش قلب، نور محیط، فشار و حسگرهای زیستی وجود دارد. علاوه بر این، درایورهای استپر موتور و درایورهای LED نیز می‌تواند به مجموعه اضافه شود. در دسترس بودن حسگرها و فعال‌کننده‌‌‌های ارتباطی و گوناگون از طریق داتر کارت‌ها باعث می‌شود تا دست مهندسان برای بهینه‌سازی سیستم طراحی کاملاً باز باشد. علاوه بر این، مهندسان سخت‌افزار معمولاً از بابت نداشتن نرم‌افزار توسعه مبتنی بر کلاود گله‌مند هستند، ولی با این سیستم دسترسی آسان به سرویس‌های مبتنی بر کلاود برای سیستم‌های اینترنت اشیا آن‌ها فراهم شده است.
کیت IDK توسط محیط‌های توسعه یکپارچه برنامه‌نویسی پشتیبانی می‌شود. این پشتیبانی شامل کامپایلر ++C، دیباگر و ویرایشگر کد به همراه مجموعه‌ای از کتابخانه‌های مرتبط با اپلیکیشن است. دسترسی به یک سکوی تطبیق‌پذیر و قابل تنظیم مانند IDK به مهندسان این امکان را می‌دهد تا بدون اینکه از حوزه تخصصی خود خارج شوند، به اهداف مورد نظرشان در زمینه طراحی دست پیدا کنند. سیستم‌های توسعه از این دست نقش بسیار مهمی در به‌کارگیری سیستم‌های اینترنت اشیا در صنایع مختلف دارند و باعث می‌شوند این فناوری از مرحله مفهوم به مرحله واقعیت برسد و در دنیای واقعی مورد استفاده قرار گیرد.