اینترنت اشیا چیست؟

اینترنت اشیا چیست؟


اینترنت اشیا به مجموعه ای از اشیای فیزیکی مجهز به حسگر، پردازنده، ارتباط و توانایی اجرای عمل گفته می شود که می توانند وضعیت محیط یا خودشان را اندازه گیری کنند، داده را منتقل یا پردازش کنند و در صورت نیاز بر محیط اثر بگذارند. بنابراین هر وسیله متصل به اینترنت الزاما یک سامانه اینترنت اشیا نیست. ویژگی اصلی اینترنت اشیا، ایجاد یک حلقه میان جهان فیزیکی و جهان محاسباتی است:
اندازه گیری ← انتقال داده ← پردازش ← تصمیم ← عمل ← اندازه گیری مجدد

✓ اجزای اصلی یک سامانه اینترنت اشیا
یک سامانه واقعی معمولا چند لایه دارد:
لایه فیزیکی: حسگرها و عملگرها که مستقیما با پدیده فیزیکی در ارتباط اند.
لایه نهفته: پردازنده و مدارهای الکترونیکی که اندازه گیری، کنترل و پردازش اولیه را انجام می دهند.
لایه ارتباطی: انتقال داده میان دستگاه ها یا دستگاه و زیرساخت ارتباطی.
لایه پردازش: تحلیل داده، ذخیره سازی، تشخیص وضعیت و اجرای الگوریتم ها.
لایه کاربرد: تبدیل داده پردازش شده به تصمیم، کنترل، هشدار یا خدمت قابل استفاده.
نکته مهم این است که اینترنت اشیا یک قطعه یا فناوری منفرد نیست؛ بلکه یک معماری چندلایه است.


✓ نقش الکترونیک در اینترنت اشیا
هسته فیزیکی اینترنت اشیا در بسیاری از موارد یک سامانه الکترونیکی نهفته است. برای نمونه، اندازه گیری دمای یک تجهیز صنعتی فقط به یک حسگر محدود نمی شود. مسیر واقعی می تواند شامل:
حسگر ← مدار آماده سازی ← تبدیل آنالوگ به دیجیتال ← پردازنده ← پردازش ← ارتباط ← تحلیل
باشد.
کیفیت کل سامانه به ضعیف ترین بخش این زنجیره وابسته است. اگر حسگر خطای زیادی داشته باشد، پردازش پیچیده نمی تواند اطلاعات صحیح تولید کند. اگر ارتباط ناپایدار باشد، داده درست به مقصد نمی رسد. اگر الگوریتم مناسب نباشد، داده صحیح نیز ممکن است به تصمیم اشتباه منجر شود.


✓ اینترنت اشیا فقط «ارسال داده به اینترنت» نیست
یک سامانه ساده ممکن است فقط داده حسگر را ارسال کند؛ اما یک سامانه اینترنت اشیای مهندسی شده معمولا باید بتواند:
• وضعیت را اندازه گیری کند؛
• داده نامعتبر را تشخیص دهد؛
• بخشی از پردازش را محلی انجام دهد؛
• ارتباط را مدیریت کند؛
• خطا و قطع ارتباط را تحمل کند؛
• انرژی را مدیریت کند؛
• فرمان دریافت و اجرا کند؛
• وضعیت عملکرد خود را گزارش دهد.
بنابراین ارزش اصلی در چرخه کامل حس کردن، محاسبه، ارتباط و عمل است.


✓ پردازش در لبه
همه داده ها الزاما نباید به یک مرکز پردازشی دور منتقل شوند. در بسیاری از سامانه ها، پردازنده نزدیک حسگر می تواند بخشی از تحلیل را انجام دهد. مثلا به جای ارسال مداوم یک سیگنال ارتعاش، دستگاه می تواند ویژگی های مهم آن را استخراج کرده و فقط هنگام مشاهده الگوی غیرعادی، اطلاعات مربوط را ارسال کند. این روش می تواند حجم ارتباط، مصرف انرژی، تاخیر پاسخ و وابستگی به ارتباط دائمی را کاهش دهد. در مقابل، پردازش محلی به توان محاسباتی و نرم افزار پیچیده تری در خود دستگاه نیاز دارد.

✓ مسئله توان؛ یکی از محدودیت های بنیادی
در بسیاری از گره های اینترنت اشیا، دستگاه باید مدت طولانی با باتری کار کند. در چنین شرایطی مصرف انرژی فقط به پردازنده محدود نیست. حسگر، مبدل، حافظه، فرستنده، گیرنده و مدار تغذیه همگی در بودجه انرژی نقش دارند. ارتباط بی سیم نیز معمولا یکی از بخش های مهم مصرف انرژی است. بنابراین طراحی کم مصرف ممکن است شامل خاموش کردن بخش های غیرضروری، کاهش دفعات نمونه برداری، پردازش محلی و ارسال داده فقط در زمان لازم باشد. در نتیجه، معماری ارتباطی باید از ابتدا همراه با معماری توان طراحی شود.


✓ مسئله ارتباط
انتخاب روش ارتباطی تابع کاربرد است و نمی توان یک فناوری را برای همه سامانه ها مناسب دانست. عوامل مهم عبارت اند از برد، نرخ انتقال داده، مصرف انرژی، تاخیر، تراکم گره ها، محیط انتشار و قابلیت اطمینان. برای یک حسگر باتری محور که روزانه چند داده کوچک ارسال می کند، نیاز ارتباطی با یک دوربین صنعتی که داده حجیم و پیوسته تولید می کند کاملا متفاوت است. پس انتخاب ارتباط باید از نیازمندی سامانه شروع شود، نه از نام فناوری.

✓ اینترنت اشیا در صنعت
در صنعت، اینترنت اشیا می تواند داده تجهیزات را به سامانه تصمیم گیری منتقل کند.
برای مثال:
اندازه گیری ارتعاش موتور ← استخراج ویژگی ← تشخیص تغییر رفتار ← ثبت وضعیت ← هشدار ← برنامه ریزی تعمیر
در این کاربرد، هدف صرفا مشاهده مقدار یک حسگر نیست؛ هدف تبدیل داده فیزیکی به اطلاعات قابل تصمیم گیری است.
به همین دلیل کیفیت حسگر، نرخ نمونه برداری، روش پردازش و الگوریتم تشخیص اهمیت زیادی دارند.

✓ مسئله قابلیت اطمینان
اینترنت اشیا معمولا با تعداد زیادی دستگاه توزیع شده سروکار دارد. بنابراین خرابی یک گره، قطع ارتباط، افت باتری، خطای حسگر یا از دست رفتن داده اتفاقی غیرعادی نیست. سامانه باید بتواند میان خطای حسگر، خطای ارتباط، خطای پردازش و تغییر واقعی پدیده تمایز ایجاد کند. این مسئله اینترنت اشیا را از یک پروژه ساده الکترونیکی به یک مسئله واقعی در قابلیت اطمینان سامانه تبدیل می کند.


✓ امنیت
اتصال یک دستگاه فیزیکی به شبکه، سطح حمله جدیدی ایجاد می کند.
امنیت باید در چند لایه دیده شود:
دستگاه ← ارتباط ← احراز هویت ← نرم افزار ← داده ← زیرساخت
اگر مهاجم بتواند فقط داده را مشاهده کند، مسئله با حالتی که بتواند فرمان یک عملگر صنعتی را تغییر دهد یکسان نیست. بنابراین در سامانه های کنترل کننده، امنیت باید همراه با ایمنی و قابلیت اطمینان طراحی شود، نه اینکه صرفا بعدا به سیستم اضافه شود.


✓ تفاوت اینترنت اشیا با سامانه نهفته
هر سامانه اینترنت اشیا معمولا یک سامانه نهفته دارد، اما هر سامانه نهفته اینترنت اشیا نیست. یک کنترل کننده صنعتی که هیچ ارتباط شبکه ای ندارد می تواند کاملا نهفته باشد. اما وقتی سامانه بتواند از طریق یک شبکه با دستگاه ها یا زیرساخت های دیگر تبادل داده کند و در یک معماری توزیع شده قرار گیرد، وارد قلمرو اینترنت اشیا می شود. پس اتصال و تعامل شبکه ای یکی از تفاوت های کلیدی است.

✓ آخر سر
اینترنت اشیا را نباید «اتصال وسایل به اینترنت» تعریف کرد. تعریف دقیق تر آن، ایجاد یک زنجیره اندازه گیری، محاسبه، ارتباط و عمل میان سامانه های فیزیکی و زیرساخت های محاسباتی است. هسته این فناوری از دید مهندسی برق و الکترونیک، ترکیبی از:
حسگر + مدار + پردازنده + ارتباط + الگوریتم + مدیریت توان + کنترل
است.
چالش اصلی نیز معمولا در یک جزء منفرد قرار ندارد؛ بلکه در هماهنگ کردن تمام این اجزا تحت محدودیت های واقعی انرژی، زمان، دقت، هزینه، ارتباط، امنیت و قابلیت اطمینان قرار دارد. به همین دلیل اینترنت اشیا را باید بیشتر یک معماری سامانه ای دانست تا یک فناوری ارتباطی منفرد.