معماری اینترنت اشیا

احتمالا نام اینترنت اشیا به گوشتان خورده است و یا در حین وبگردی با آن مواجه شده اید و از خودتان پرسیده اید که ترکیب اشیا و اینترنت چه جور ترکیبی است و اشیا چه ارتباطی با اینترنت دارند و اینکه قرار است در دنیای تکنولوژی چه تغییرعجیبی رخ بدهد .
در این مطلب سعی داریم با توضیحاتی مختصر در مورد تعریف و معماری و استانداردهای اینترنت اشیا ، اندکی به سوالات شما پاسخ دهیم .

اینترنت اشیا چیست؟

اینترنت اشیا در سال 1999 تحت یک نظریه به جهان معرفی شد اما امروزه با وجود انواع سنسورها و حسگرهای پیشرفته و  هوش مصنوعی و شبکه های ارتباطی و سیستم های پردازش داده تا حدی به واقعیت تبدیل شده است و دیگر در حد یک نظریه نیست .
اگر بخواهیم تعریفی برای اینترنت اشیا ارائه دهیم طبق مقاله ای درج شده در ژورنال IEEE با عنوان " درراستای تعریفی از اینترنت اشیا " اینترنت اشیا در حقیقت شبکه ای از عناصر گوناگون است که سنسوری درون خود دارند و همگی این عناصر به اینترنت متصل هستند و آنطور که در ویکی پدیا آمده اینترنت اشیا سیستمی متشکل از انواع ماشین ها و دستگاههای محاسباتی و پردازشگر مکانیکی و دیجیتالی است که با یکدیگر در ارتباطند و هرکدام دارای یک شناسه منحصر به فرد بوده و بدون دخالت انسان با یکدیگر در تعامل می باشند . ناگفته نماند که تعریف اینترنت اشیا با گذر زمان دستخوش تغییرات بوده و احتمالا خواهد بود .
اگر بخواهیم تعریف ملموس تری از اینترنت اشیا برای مصرف کنندگان آن ارائه کنیم میتوانیم خانه های هوشمند یعنی آن دسته از خانه هایی که لوازم و وسایلشان مانند ترموستات و لوازم روشنایی و دوربین های مداربسته به شبکه اینترنت متصلند و با اپلیکیشن های نصب شده بر گوشی هوشمند و یا اسپیکر هوشمند از راه دور قابل کنترل می باشند را به عنوان یک مثال ملموس ارائه نماییم .
باید اشاره کرد که با وجود مزایای بی حد اینترنت اشیا نگرانی های فزاینده ای به خصوص در مورد رعایت حریم خصوصی افراد و امنیت اطلاعات وجود دارد که عمدتا از طرف صنایع و دولتها هرروزه مطرح می گردند .

طبق گزارشی که شرکت سیسکو در سال 2018 منتشر کرده است انتظار می رود که تا سال 2030 پانصد میلیارد دستگاه و ماشین هوشمند به شبکه اینترنت متصل گردد و احتمالا امنیت اینترنت اشیا یک مانع بزرگ بر سر راه توسعه آن خواهد بود . با وجود این  گمانه زنی می گردد که اکثر مشتریان با توجه به کاربردهای وسیع و شگفت انگیز آن حاضر باشند هزینه تضمین امنیت آن را نیز پرداخت نمایند که قطعا موجب پیشرفت پروتکل ها و برنامه ها و ابزارهای امنیتی آن خواهد بود .

معماری اینترنت اشیا

در اینجا سعی داریم با یک مثال به درک بهتر معماری شبکه اینترنت اشیا کمک کنیم . چه چیزی لامپ اتوماتیک مجهز به سنسور حرکتی معمولی را از همین نوع لامپ اما متصل به شبکه اینترنت اشیا متمایز می سازد؟ جواب آن در یک کلمه خلاصه شده است :اطلاعات . در لامپ اول حسگر حرکتی حرکت را آشکار کرده و توسط عملگر ، لامپ روشن می گردد اما در لامپ دوم اطلاعات دریافت شده از حسگر به سمت یک سرور یا فضای ابری رفته و در آنجا ذخیره و تحلیل می گردد .هر جا که جریان اطلاعاتی وجود دارد یک معماری مورد نیاز است تا به اطلاعات بگوید به کجا برود و چگونه به آنجا برسد و چه اعمالی لازم است که بر روی اطلاعات انجام شود .
معماری شبکه اینترنت اشیا اغلب به صورت یک ساختار 4 لایه ای توصیف می گردد که در ان یک فرایند جریان اطلاعات از سنسورها در یک شبکه به سمت دیتا سنتر و یا فضای ابری  به قصد ذخیره و آنالیز اطلاعات انفاق می افتد .همچنین جریانی از اطلاعات در جهت عکس نیز برقرار است تا به عملگرها  یا سایر دستگاههای فیزیکی متصل به اشیا فرمان بدهد تا عملی را انجام دهند به طور مثال  یک خط مونتاژ در کارحانه ای را به دلیل یک هشدار از مدار خارج کنند .

لایه اول : حسگرها و عملگرها

حسگرها ابزارهایی هستند که محیط پیرامون را رصد کرده و اطلاعات مختلف شامل وضعیت یک فرایند یا شرایط محیط مانند دما ، سطح مایعات در مخازن و یا سرعت یک خط تولید را به دست می آورند .
عملگرها نیز طبق فرمانی که دریافت کرده اند عملی را انجام می دهند اعمالی مانند توقف یک خط تولید یا بالا بردن دما .

 لایه دوم : ارتباطات 

در این لایه ، اطلاعات از حسگرها جمع آوری شده و از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل شده و سپس فرمت گردیده و به قصد انجام فرایندهای بعدی تز طریق ابزارهای با مصرف پایین انرژی وارد اینترنت شده و از طریق شبکه ارتباطی به سمت شبکه ابری یا دیتا سنترها ارسال می گردند . 

لایه سوم : لایه میان افزار یا پلتفرم 

در این لایه تمامی اطلاعات ذخیره ، جمع آوری و پردازش می شوند و سپس طبق الگوریتم های هوش مصنوعی تحلیل لازم در فضای ابری  و یا دیتا سنتر انجام شده و فرامین لازم به سمت عملگرها ارسال می شود .
 

لایه چهارم :لایه اپلیکیشن 

در این لایه اپلیکیشن هایی وجود دارند که برای گستره بزرگی از کاربردها طراحی و پیاده سازی می گردند و در حقیقت رابط گرافیکی کاربر با شبکه اینترنت اشیا می باشند .

پروتکل ها ی اینترنت اشیا

در شبکه اینترنت اشیا پروتکل های متعددی مورد استفاده قرار می گیرد که در اینجا به طور مختصر به چند مورد از آن اشاره می کنیم .

بلوتوث 

 بلوتوث با استاندارد IEEE 802.15 یکی ازپروتکل های برد کوتاه است که در اینترنت اشیا مورد استفاده قرار می گیرد .پروتکل بلوتوث Bluetooth Low-energy یا به اختصار BLE نیزنسخه جدیدی از بلوتوث است و با توجه به مصرف کم انرژی می تواند نقش خوبی را در انتقال اطلاعات در شبکه اینترنت اشیا ایفا نماید .

WiFi

این پروتکل با استاندارد 802.11  از پرکاربردترین استانداردها می باشد به این دلیل که بسیار در دسترس بوده و قابلیت ارسال همزمان صدها مگابایت داده را در یک ثانیه دارا می باشد .

زیگبی (ZigBee) 

 پروتکل زیگ بی با استاندارد 802.15.4 برای ارتباطات بی سیم با پهنای باند کم به کار میرود و نسبت به وای فای و بلوتوث انرژی کمتری را مصرف می کند .زیگ بی  در برخی از وسایل مانند الکسا نیز مورد استفاده قرار گرفته است .

شبکه های سلولی موبایل

از شبکه های سلولی موبایل مانند 4G ، LTE، 5G نیز در شبکه اینترنت اشیا استفاده میشود اما ناگفته نماند که شبکه های سلولی انرژی زیادی مصرف می کنند و استفاده از آنها هزینه بالایی دارد .

زی ویو (Zwave)

زد ویو یا زی ویو یک پروتکل ارتباطی بی سیم در بازه فرکانسی 800 الی 900 مگاهرتز است لذا کم مصرف نیز هست. زی ویو برای ارتباط بین دستگاه ها در خانه های هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد و می توان  با خیال راحت از باطری در آنها استفاده کرد .

RFID یا تشخیص هویت با فرکانس رادیویی 

RFID ها برچسب های هوشمندی هستند که می توانند گستره ای از اطلاعات را در خود ذخیره کنند و برای شناسایی و ردیابی و ارتباط با اشیا و اشخاص به کار می روند .

LoRaWan یا لوراون

پروتکل LoRaWAN یا Long Ranged Wide Area Network پروتکلی است که برای ارتباطات بی سیم با مصرف انرژی پایین طراحی شده که در آن اشیا با استفاده از باتری می توانند به اینترنت متصل گردند وبه طور مثال برای سیستم های امنیتی و کنترل دستیابی و مونیتورینگ مخازن سوخت به کار می رود .این تکنولوژی در ساخت شهرهای هوشمند به کار می رود .

پروتکل Sigfox

 این پروتکل رقیب پروتکل LoRaWAN درفضای Low Power Wide Area Network یا به اختصار LPWAN یا شبکه دوربرد با مصرف کم انرژی است . سیگ فاکس به طور مثال در ارتباط بی سیم میان وسایل مختلف در اینترنت اشیا مانند ساعت های هوشمند که همواره روشن هستند اما حجم کمی از اطلاعات را ارسال نمایند می تواند مورد استفاده قرار بگیرد .

شبکه NB-IOT (Narrowband IOT)

این شبکه نیز در فضای LPWAN رقیبی برای دو شبکه ذکر شده قبلی است .این پروتکل برای مصرف کم انرژی و جلوگیری از تعویض مرتب باتری ها طراحی شده است و قابلیت ارسال حجم بالایی از داده را دارا می باشد .این استاندارد توسط GSMA ، سازمان طراح شبکه های سلولی طراحی شده است و از باند فرکانسی شبکه LTE استفاده می نماید .

جمع بندی 

در مطلب بالا تلاش کردیم با توضیحاتی در مورد اینترنت اشیا و معماری 4 لایه ای آن شامل لایه عملگرها/حسگرها و لایه ارتباطات و پلتفرم و اپلیکیشن و همچنین پروتکل های متعدد ارتباطی مانند زیگ بی ، زد ویو ، NB-IOT ، LoRaWAN ، شبکه های سلولی ، RFID و ..اندکی شما را با ابعاد مختلف آن آشنا کنیم  . شبکه اینترنت اشیا هرروز گسترده تر می گردد و  پروتکل های ارتباطی کم مصرف شبکه اینترنت اشیا هرروز در حال توسعه می باشند که در بالا نیز به چند مورد آن اشاره کردیم . با وجود وسایل متعدد خانه های هوشمند ، که در بازار ایران نیز موجود می باشد می توانیم تا حدی اینترنت اشیا را تجربه نماییم .ناگفته نماند که امنیت اینترنت اشیا و حفظ حریم خصوصی و آزادی فردی هنوز از معایب و معضلات اساسی آن به شمار می رود که امید است پژوهشگران و متخصصان در آینده بتوانند راه حل هایی برای آن بیابند و بشر بتواند کفه مزایای آن را از کفه معایبش سنگین تر بیابد .