الکترونیکا پروژه های الکترونیک و مکانیک

هر روزه وسایل جدیدی، به اینترنت متصل می‌شوند. ساعت‌های هوشمند نمونه‌ای از این وسایل محسوب می‌شوند. خودروها، سیستم روشنایی خانه‌ها، یخچال‌ها، چراغ‌های راهنمایی و رانندگی، همگی وسایلی هستند که به عنوان یک واحد مستقل به اینترنت افزوده می‌شوند. امروزه کامپیوترها، دیگر الزاماً به آن شکل سنتی که ما می‌شناسیم (صفحه کلید و کیس و مانیتور)‌ نیستند. بلکه در قالب قطعات کوچک، میکروکنترلرها، تراشه‌های الکترونیکی و مودم‌ها، در خانه و ابزارهای زندگی و محیط ما جاسازی شده‌اند، بنابراین زمان آن رسیده است که اینترنت را بیش از آنکه بتوان اینترنتِ کامپیوترها دانست، باید اینترنت اشیا نامید.

مقدمه

در سطح پایه ای اینترنت اشیا یا Internet of thing و یا در اختصار IOT ، به معنی شبکه ای از اشیا فیزیکی پیرامون ما شامل دستگاه ها، اتومبیل ها، ساختمان ها و موارد دیگری است که بوسیله ی مجموعه ای از نرم افزار ها و سخت افزار های الکترونیکی، سنسور ها و ارتباط با شبکه اینترنت می توانند اطلاعات را توسط تلفن های هوشمند جمع آوری، کنترل و مدیریت نمایند.   IoT کمک می کند تا اشیاء بتوانند برخی رخداد ها را حس کنند و با استفاده از ساختار های شبکه موجود از راه دور کنترل شوند.

با اینکه در ساختار IoT هر شئ به صورت یکتا شناخته می شود اما بواسطه شبکه اینترنت می تواند با اشیاء دیگر ارتباط برقرار کند. متخصصان پیش بینی می کنند در سال 2020 تعداد اشیائی که به IoT تجهیز شده اند به 50 میلیارد وسیله در سطح جهان خواهد رسید. IoT این فرصت را در اختیار توسعه دهندگان قرار می دهد تا برنامه های کامپیوتری نمود بیشتری در دنیای فیزیکی پیدا کنند و مزایایی مانند افزایش بهره وری، دقت بیشتر و صرفه اقتصادی را به همراه دارد. در این زمینه کمپانی های زیادی در حال فعالیت بوده و پکیج‌های کاملی را به عنوان یک راه حل کامل برای منزل ارائه می دهند. اما اگر شما در زمینه الکترونیک و یا کامپیوتر فعال باشید می توانید به سادگی وسایل خود را از راه دور کنترل کنید. زمانی که IoT به تکامل برسد و شامل مجموعه ای گسترده از سنسور ها و بازوهای اجرایی شود، تکنولوژی های دیگر مانند شبکه توزیع نیروی هوشمند، خانه هوشمند، حمل و نقل هوشمند و شهر هوشمند را نیز در بر خواهد گرفت.

تاریخچه ی اینترنت اشیا

کوین اشتون، کارافرین انگلیسی، کسی که در سال ۱۹۹۹ عبارت Internet of Things را برای اولین بار بکار برد، می گوید: «تا کنون، اینترنت برای تامین اطلاعات خود؛ به صورت کلیدی به انسان ها وابسته بوده است، اما در آینده، دستگاه ها خودشان می توانند داده ها و اطلاعات مربوط به خود را در اینترنت منتشر کنند. به این شکل که تمامی دستگاه های فیزیکی توسط شبکه ای مجازی به همدیگر متصل هستند و هزاران هزار داده مختلف از دستگاه های هوشمند و حسگرهای فراگیر، مدام در حال انتقال و پردازش می باشد» این امر فرصتی را مهیا می کند تا همه چیز، از مصرف انرژی گرفته تا حمل و نقل و غیره، قابل بهینه سازی، به صورت همزمان و در آنِ واحد باشند.

هرچند پیش از آقای اشتون نیز در این زمینه کارهایی صورت گرفته بود اما همگی به صورت موردی  و مقطعی بود و هیچ یک سیستم یا شبکه ای جهانی برای اتصال اشیاء را پیشنهاد نمی داد. اولین دستگاه متصل به اینترنت در سال 1982 در دانشگاه کارنگی ملون ساخته شد. این دستگاه که یک ماشین فروش نوشابه ویرایش شده بود می توانست موجودی نوشابه ها و دمای نوشابه های را از طریق اینترنت گزارش دهد.

در سال ۲۰۱۳ موسسه مکنزی، در گزارشی اعلام کرد که اینترنت اشیاء یکی از فناوری های برهم زننده و متحول کننده بازارها، در مقیاس کلان اقتصادی خواهد بود. در حال حاضر نزدیک به ۹ میلیارد دستگاه در سراسر جهان به اینترنت متصل می باشند که اغلب رایانه و گوشی همراه هوشمند هستند. بر اساس پژوهش انجام شده توسط موسسه مکنزی، این عدد در ده سال آینده از ۵۰ میلیارد به ۱ ترلیارد خواهد رسید چرا که تمامی ابزارها و دستگاه های معمولی هم هوشمند و متصل به شبکه خواهند شد. در آن گزارش، موسسه مکنزی، پیش بینی می کند که اثر جهانی اینترنت اشیاء می تواند تا سال ۲۰۲۵ سالانه به عدد ۲.۷ الی ۶.۲ ترلیارد دلار برسد.

اینترنت در حال حاضر همه مردم را به هم متصل می کند ولی با اینترنت اشیاء تمام اشیاء به هم متصل می شوند. اینترنتِ اشیاء (Internet of Things ‪(IoT)) مفهومی جدید در دنیای فناوری و ارتباطات بوده و به طور خلاصه فناوری مدرنی است که در آن برای هر موجودی (انسان، حیوان و یا اشیاء) قابلیت ارسال داده از طریق شبکه‌های ارتباطی، اعم از اینترنت یا اینترانت، فراهم می‌شود.

تکنولوژی و اینترنت اشیا

اینترنت اشیا، مفهوم جدیدی در فناوری شامل سیستمی از کامپیوترها، ماشین‌های محاسبه، دستگاه‌های دیجیتال و مکانیکی، انسان‌ها و حیوانات است که هر کدام با یک کد مستقل و به عنوان یک وسیله‌ی متمایز، در شبکه حضور دارند و سهم قابل توجهی از تبادل اطلاعات و رفتار و رابطه میان آنها، بدون دخالت و نظارت مستقیم انسان انجام می‌شود، به این معنی که از حالت معمولی به «هوشمند» تغییر شکل داده اند. این هوشمندسازی از طریق سنسورها، محرک ها، و فناوری های تبادل داده که در درون شیء نصب شده است صورت می گیرد.

اینترنت اشیاء این دستگاه ها را تبدیل می کند به ابزارهای قابل پیگیری، قابل مونیتور و کنترل از طریق شبکه های رایانه ای (یا اینترنت). در واقع می توان گفت که دستگاه ها و کاربردهایی که در حوزه اینترنت اشیاء قرار می گیرند باید دارای ۳ بخش زیر هستند:

• گرفتن داده ها از دستگاه
• ارسال داده ها بر روی شبکه (معمولا به ابر پردازشی)
• انجام عملیات بر اساس هوشمندی گردآوری شده

مهمترین عامل اینترنت اشیا، یکپارچگی چندین تکنولوژی و راهکار ارتباطی است. تکنولوژیهای شناسایی و ردیابی، حسگرهای سیمی و بی سیم و شبکه های فعال، پروتکلهای افزایش ارتباط (قسمتی از نسل بعدی ارتباطات است) و هوشمندی اشیا مهمترین قسمتهای اینترنت اشیا هستند.

اینترنت اشیای کاربردی

نمونه هایی از بکارگیری اینترنت اشیا در زندگی روزمره:

• رسیدگی به افراد مسن از راه دور بسیار ساده تر می شود.
• ردیابی و پیگیری کالا در فرایند انبارداری بسیار کارآمد و اثربخش انجام می شود.
• یخچال متصل به شبکه به ما یادآوری می کند که مواد غذایی به اتمام رسیده است.

چشم انداز آینده اینترنت مبتنی بر پروتکل های ارتباطاتی استاندارد است که شبکه های کامپیوتری، اینترنت اشیا (IoT)، اینترنت افراد (IoP)، اینترنت انرژی (IoE)، اینترنت رسانه (IoM) و اینترنت خدمات (IoS) را به شبکه های یکپارچه ای ادغام می کند.

اینترنت افراد (IoP) تعداد زیادی  از کاربران را به هم متصل می­ کند که سطح ارتباطاتشان بسیار زیاد می گردد. دیگر محدودیتی روی فعالیت های آنلاین نخواهند داشت و تبادل اطلاعات آزاد امکان پذیر می گردد. همچنین IoP امکاناتی را فراهم می سازد تا زندگی روزانه افراد، جوامع و سازمان ها بتواند در یک زمان نمونه های متفاوتی از کسب و کار را خلق کنند و موانع بین تولیدکننده اطلاعات و مصرف کننده اطلاعات را از بین می برد. اینترنت افراد تغییرات نوآورانه و هوشمندانه بسیاری را در فعالیت های اجتماعی و اقتصادی به همراه خواهد داشت.

اینترنت انرژی (IoE) به صورت زیرساخت شبکه ای پویا تعریف شده است که شبکه انرژی را از طریق اینترنت به هم متصل می کند و بدین ترتیب واحدهای انرژی (که به صورت محلی ایجاد، ذخیره و ارسال شده­ اند) قادر خواهند بود تا هر زمان و هر مکان که نیاز است مخابره شوند. داده/اطلاعات مرتبط جریان­ های انرژی را دنبال می­ کنند بنابراین اطلاعات ضروری با انتقال انرژی مبادله می ­شود. در شهرهای هوشمند اینترنت انرژی کاربردهای بسیاری دارد که نمونه هایی از آنها هوشمندی ساختمان ها و تأسیسات است.

اینترنت خدمات (IoS) بر مولفه­ ای نرم افزاری دلالت دارد که از طریق شبکه­ ها و اینترنت تحویل داده می شود. SOA، web/enterprise 3.0/X.0، enterprise interoperability، service web، grid services، SaaS و semantic web مهمترین بخش­های IoS هستند و از این طریق تعامل بین سرویس دهندگان و مصرف کنندگان بهبود می یابد. به صورت عمومی خدمت تراکنشی تجاری است که یکی از طرفین در مدت مشخصی به منابع طرف دیگر دسترسی خواهد داشت تا برای هر دو طرف مزیتی مرتبط به همراه داشته باشد. منابع می توانند مهارت، سیستم های فنی، اطلاعات، زمین، موارد مصرفی و ... باشند. در اینترنت خدمات مفهوم خدمت اشاره به وب سرویس ها و شبکه های خدمات دارد. اینترنت خدمات زمانی شکل می گیرد که ابعاد کسب و کار و فناوری با هم بکارگرفته شوند. در واقع سازمان ها باید خدماتی که ارائه می دهند را تعریف کنند و این خدمات باید از طریق کامپیوترها به صورت اتوماتیک قابل پیاده سازی باشند و به یکدیگر لینک شوند. 

اینترنت رسانه (IoM) چالش های موجود در video coding و پردازش 3D video را جهت دهی می کند، که به صورت پویا در اپلیکیشن های نوآورانه مانند بازی های موبایل مالتی پلی، دوربین دیجیتال وجود دارد. 

IoT به همراه دیگر فناوری های نوظهور اینترنت مانند IoE، IoM، IoP، IoS ستون فقرات اقتصاد دیجیتالی و جامعه دیجیتالی بوده و اساس دانش آتی مبتنی بر اقتصاد و جامعه نوآورانه می ­باشد. توسعه های IoT نشان می ­دهد که در سال 2020 ، 16 بیلیون تجهیزات به یکدیگر مرتبط شده اند که به طور میانگین 6 وسیله به ازای هر نفر روی زمین به جامعه دیجیتالی متصل می شود.

نقش IPv6 در IoT

از آنجا که آی پی های فعلی که ساختاری مشابه 255.255.255.255 دارند تنها برای آدرس دهی حدود 4 میلیارد وسیله قابل استفاده است ، ضروری است با فراگیر شدن IoT از IPv6 که دارای فرمتی 128 بیتی به صورت 2001:0db8:0000:0042:0000:8a2e:0370:7334 است برای آدرس دهی وسایل استفاده شود که می توان با این پروتکل تقریبا 3.4×10³⁸ وسیله را آدرس دهی نمود که 7.9×10²⁸ برابر تعداد وسیله هایی است که می توان با ipv4 آدرس دهی نمود.

IoT چه کاربرد هایی دارد؟

کلمه شئ در عبارت اینترنت اشیاء، به نمایندگی از طیف گسترده ای از وسایل ایفای نقش می کند، چیپ هایی که به منظور کنترل سلامت در بدن کارگذاشته می شوند، سنسور های خودرو، اجزای یک خانه مانند لامپ ها، در ها، وسایل آشپزخانه و هر شئی که در زندگی کاربرد دارد را می توان در IoT جای داد. مؤسسه تحقیقات و مشاوره تکنولوژی گارتنر پیش بینی می کند در سال 2020 در حدود 20 میلیارد شئ متصل به اینترنت در جهان وجود داشته باشد. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در مورد فواید و امکانات "خانه هوشمند" شده است، به‌عنوان فناوری‌های کامل و ارزان، ارتباطات بی‌سیم افزایش یافته و طیف وسیعی از برنامه‏ های کاربردی در حال گسترده‌تر شدن هستند. مانند:

• کنترل دستگاه های هوشمند
• کنترل و امنیت خانه
• سیستم های تعمیر و نگهداری هوشمند
• سیستم های گرمایشی و سرمایشی و تهویه هوشمند
• کنترل و نظارت بر مصرف انرژی (آب، برق، گاز)

بررسی های شرکت سیسکو نیز حاکیست که تا غلبه یافتن پدیده اینترنت اشیاء تنها سه سال زمان باقیست. بنابراین در سال 2018 ماشین ها و سیستم های الکترونیکی می توانند از طر یق اینترنت بدون نیاز به انسان ها و حتی بیشتر از آنها با یکدیگر در ارتباط باشند.

مشکلات اینترنت اشیاء

اصولاً یکی از نقاط ضعف اینترنت اشیاء این است که IoT برای تعمیق اثربخشی خود، به واحدهای پردازشی بزرگتری نیاز دارد و از سوی دیگر داده‌های مشترک نیز برای پردازش شدن به ابر نیاز دارند، که البته یک روش فاقد رمزنگاری و ناکارامد محسوب می‌شود؛ حداقل در حال حاضر. یکی دیگر از مشکلات ابر این است که این فناوری بالقوه می‌تواند اطلاعات بسیار شخصی افراد را که ممکن است آنها هیچ تمایلی به افشای آنها نداشته باشند، برملا سازد.اصولاً یکی از نقاط ضعف اینترنت اشیاء این است که IoT برای تعمیق اثربخشی خود، به واحدهای پردازشی بزرگتری نیاز دارد و از سوی دیگر داده‌های مشترک نیز برای پردازش شدن به ابر نیاز دارند، که البته یک روش فاقد رمزنگاری و ناکارامد محسوب می‌شود؛ حداقل در حال حاضر. یکی دیگر از مشکلات ابر این است که این فناوری بالقوه می‌تواند اطلاعات بسیار شخصی افراد را که ممکن است آنها هیچ تمایلی به افشای آنها نداشته باشند، برملا سازد.حملات پیچیده هکرها و نفوذگرها را نیز نباید از قلم انداخت. ورود افراد غیرمجاز و حتی تبهکار به سامانه‌های محرمانه ذخیره‌ی داده، اگر چه مستلزم عبور از پارامترهای مختلف امنیتی است و قدری دور از انتظار می‌نماید ولی به هر حال محال و غیر ممکن نیست. 
نتیجه آن که شرکت‌های سیلیکون ولی و نهادهای متولی وضع و اجرای قانون، باید با بهره‌گیری از راهنمایی‌ها و حتی پیش‌بینی‌های متخصصان امر، شیوه‌ای مناسب و بینابین را برای تامین امنیت اطلاعات در فضای ابری تدوین کنند و با تعریف و ارائه استانداردهای لازم، از یک سو امنیت داده‌ها را تامین کنند و از سوی دیگر نگذارند مقررات سختگیرانه رشد اینترنت اشیاء و آینده روشن آن را مخدوش سازد.

اینترنت اشیاء یک توهم یا واقعیت؟

بدون شک با توجه به پیشرفتهای فناوری در دهه ی اخیر سطح انتظار از فناوری به شدت افزایش یافته و گاهاَ به نوعی  توهمی از خواسته های نا معقول از سیستم های مبتنی بر وب ایجاد مینماید که با توجه به مشکلات پایه ای موجود در فناوری امکان تحقق ایده ی مورد نظر وجود ندارد. اما نکته‌ای که باید به آن توجه کنیم، این است که ماهیت فناوری‌ها روبه‌بهبود است. پوشیدنی‌ها و اینترنت اشیا تنها زمانی به سهولت در دسترس ما قرار خواهند گرفت که رشته‌هایی همچون مهندسی مواد و مکانیک کوانتومی به‌سرعت سیر پیشرفت را پشت سر نهند. ما هنوز با زمانی‌که بتوانیم درخواست کاشتنی‌های سایبرنتیک (Cybernetic) را ارائه کنیم یا هنگامی‌که دانشمندان بخشی‌هایی از بدن را بسازند، فاصله زیادی داریم. اما تعدادی از شرکت‌ها در حال طراحی و توسعه اسکلت‌های خارجی هستند. این اسکلت‌ها به‌منظور تقویت نیروی جسمانی انسان‌ها طراحی شده‌اند و به انسان اجازه می‌دهند با خیال راحت اجسام سنگین را از روی زمین بلند کند. مشابه چنین دستاوردی از مدت‌ها قبل در دنیای فناوری و پزشکی به‌منظور افزایش مهارت‌ها و تجربه‌های انسانی استفاده شده است. با وجود این، هر دو گروه عام و خاص از این فناوری‌ها بهره خواهند برد. برای مثال، در حالی که تنها پژوهشگران و پزشکان می‌توانند مزایای پوشیدنی‌های جدید را به‌درستی درک کنند، مصرف‌کنندگان به لباس‌های لمسی، چرخ‌ها و کفش‌های هوشمند جدید و در نهایت مچ‌بند‌های سلامت دسترسی خواهند داشت. این محصولات اجازه می‌دهند تا حدی به درجه‌ای از خودشناختی جسمانی دست پیدا کنیم و فراتر از آن زمانی‌که در حال ورزش هستیم، آگاه شویم چه حسی پیدا کرده‌ایم. این ابزارها به کاربر اجازه می‌دهند پیشرفت‌های ورزشی خود را اندازه‌گیری کرده و مسائل بالقوه‌ای را که بر سلامت او تأثیر نامطلوب می‌گذارند، برجسته کند. تعدادی از این پوشیدنی‌ها بر قدرت منحصربه‌فرد و در همه جا حاضر تلفن‌های هوشمند سرمایه‌‌گذاری کرده‌اند؛ قدرتی که همچنان در مسیر تکامل گام برمی‌دارد. آمارها نشان می‌دهند 64 درصد بزرگسالان ایالات متحده حداقل یک گوشی‌ هوشمند دارند، در حالی که در کشوری همچون امارات متحده عربی، هر فرد دو گوشی هوشمند دارد. سامسونگ و اپل اختراعاتی در خصوص فناوری‌های هولوگرافی به ثبت رسانده‌اند که از لیزر، لنز‌های مایکرو و حسگرها به‌منظور تولید تصاویر هولوگرافی سه‌بعدی و تعاملی که در گوشی‌های هوشمند به نمایش درمی‌آیند، استفاده می‌کنند. در آینده نزدیک گوشی‌های سامسونگ یا اپل این قابلیت را خواهند داشت تا تصاویر را به صورت سه‌بعدی یا هولوگرافیک نشان دهند. اولین نکته‌ای که باید به آن توجه کنیم، این است که ماهیت فناوری‌ها روبه‌بهبود است. پوشیدنی‌ها و اینترنت اشیا تنها زمانی به سهولت در دسترس ما قرار خواهند گرفت که رشته‌هایی همچون مهندسی مواد و مکانیک کوانتومی به‌سرعت سیر پیشرفت را پشت سر نهند. ما هنوز با زمانی‌که بتوانیم درخواست کاشتنی‌های سایبرنتیک (Cybernetic) را ارائه کنیم یا هنگامی‌که دانشمندان بخشی‌هایی از بدن را بسازند، فاصله زیادی داریم. اما تعدادی از شرکت‌ها در حال طراحی و توسعه اسکلت‌های خارجی هستند. این اسکلت‌ها به‌منظور تقویت نیروی جسمانی انسان‌ها طراحی شده‌اند و به انسان اجازه می‌دهند با خیال راحت اجسام سنگین را از روی زمین بلند کند. مشابه چنین دستاوردی از مدت‌ها قبل در دنیای فناوری و پزشکی به‌منظور افزایش مهارت‌ها و تجربه‌های انسانی استفاده شده است. با وجود این، هر دو گروه عام و خاص از این فناوری‌ها بهره خواهند برد. برای مثال، در حالی که تنها پژوهشگران و پزشکان می‌توانند مزایای پوشیدنی‌های جدید را به‌درستی درک کنند، مصرف‌کنندگان به لباس‌های لمسی، چرخ‌ها و کفش‌های هوشمند جدید و در نهایت مچ‌بند‌های سلامت دسترسی خواهند داشت. این محصولات اجازه می‌دهند تا حدی به درجه‌ای از خودشناختی جسمانی دست پیدا کنیم و فراتر از آن زمانی‌که در حال ورزش هستیم، آگاه شویم چه حسی پیدا کرده‌ایم. این ابزارها به کاربر اجازه می‌دهند پیشرفت‌های ورزشی خود را اندازه‌گیری کرده و مسائل بالقوه‌ای را که بر سلامت او تأثیر نامطلوب می‌گذارند، برجسته کند. تعدادی از این پوشیدنی‌ها بر قدرت منحصربه‌فرد و در همه جا حاضر تلفن‌های هوشمند سرمایه‌‌گذاری کرده‌اند؛ قدرتی که همچنان در مسیر تکامل گام برمی‌دارد. آمارها نشان می‌دهند 64 درصد بزرگسالان ایالات متحده حداقل یک گوشی‌ هوشمند دارند، در حالی که در کشوری همچون امارات متحده عربی، هر فرد دو گوشی هوشمند دارد. سامسونگ و اپل اختراعاتی در خصوص فناوری‌های هولوگرافی به ثبت رسانده‌اند که از لیزر، لنز‌های مایکرو و حسگرها به‌منظور تولید تصاویر هولوگرافی سه‌بعدی و تعاملی که در گوشی‌های هوشمند به نمایش درمی‌آیند، استفاده می‌کنند. در آینده نزدیک گوشی‌های سامسونگ یا اپل این قابلیت را خواهند داشت تا تصاویر را به صورت سه‌بعدی یا هولوگرافیک نشان دهند.

مشکلات فناوری در IOT

یکی از مشکلات و چالش های محیطی که در آن همه چیز به هم متصل است و در واقع اینترنت همه چیز(Internet of Everything) ارتباط بین اشیاء است، اگرچه پروتکل‌هایی مانند وای‌فای، بلوتوث و به طور تخصصی‌تر ZigBee و 6LoWPAN وجود دارند، هرکدام از آن‌ها دارای معایبی هستند. در این میان، خلأیی وجود داشت که هیچ‌کدام از این پروتکل‌ها نتوانستند به‌درستی آن را از بین ببرند.

 مشکلات پیش روی فناوری در اینترنت اشیاء شامل موارد زیر است:

• تبادل اطلاعات ناامن
• ارتباط شکننده اشیاء
• مصرف انرژی بالا
• عدم نصب ساده
• تداخل و درجه اطمینان پاین
• ایجاد وابستگی به فناوری و مشکلات در مواقع بحران و یا خرابی
• طول عمر پاین
• تعمیر و نگه داری 
• مشکلات فناوری باتری و انرژی

لذا با توجه به وجود مشکلات پایه ای در فناوری که منجر به تولید دستگاهای با کارای پاین و طول عمر کم میگردد امید این که سیستمهای مبتنی بر وب در چند سال اخیر پیشرفتهای عمده ای داشته باشند یک توهم و خیال باطل است و بدون شک فناوری  اینترنت اشیا نیازمند زمانی به طول نیم قرن برای پیشرفت و تبدیل شدن به یک فناوری قابل اجرا خواد بود.