اینترنت اشیا و کاربرد آن

اینترنت اشیا برای اولین بار توسط کوین اشتون در سال ۱۹۹۹ مطرح شد. این فناوری این امکان را به اشیاء می دهد که به طور مجازی با یکدیگر به تبادل اطلاعات بپردازند. اینترنت اشیا شبکه ای از اشیاء هستند که به حسگرها، نرم افزارها، قطعات الکترونیکی و اتصالات شبکه مجهز می باشند و امکان جمع آوری و تبادل اطلاعات را دارند.

اینترنت اشیا (Internet of Things) عبارت است از شبکه ای از اشیای فیزیکی که توسط اینترنت به هم متصل شده اند. این گونه شبکه ها از اتصال میلیاردها وسیله به همدیگر تشکیل می شوند و جزء شبکه های LLN محسوب می شوند.

شبکه های LLN یا Low-Power and Lossy Networks از اتصال تعداد زیادی گره با توان پردازشی، حافظه و انرژی محدود تشکیل می شوند. در این سیستم به هر شیء یک شناسه‌ی یکتا و یک پروتکل اینترنتی (IP) تعلق می‌گیرد و می تواند با محیط و اشیاء اطراف خورد ارتباط برقرار کند و همچنین داده‌های دریافتی را برای پایگاه داده‌‌ مربوطه ارسال نماید. داده‌هایی که توسط ابزارهای مختلف از قبیل گوشی‌های تلفن همراه و انواع رایانه‌ها و تبلت‌ها قابل مشاهده خواهند بود .

فرآیند ارسال داده‌ها در فناوری اینترنت اشیا نیازی به تعامل «انسان با انسان» یا «انسان با رایانه» نخواهد داشت و داده‌ها به صورت اتوماتیک و بر اساس تنظیمات انجام شده و در لحظه ارسال می‌گردند.

اینترنت اشیا

در حقیقت IOT سیستمی است که خودش به تنهایی شبکه نیست و از طریق اینترنت وظیفه ی شبکه کردن اشیاء، برنامه های کاربردی، داده ها وحتی انسان ها را بر عهده می گیرد.

شبکه اینترنت اشیا قادر به گرفتن اطلاعات به طور مداوم از حسگرها و اشیاء مختلف است و این حجم از اطلاعات می تواند با استفاده از کلان داده ها پردازش شده و در یک حلقه بازخوردی سریع، از آنها در جهت تصمیم گیری صحیح و خودکار و همچنین واکنش مناسب استفاده نمود.

ظهور پدیده‌ی اینترنت اشیا یکی از هزاران نتیجه‌ی گسترش اینترنت و البته توسعه‌ی فناوری‌های بیسیم (Wireless Technologies) و سامانه‌های میکروالکترومکانیکی است. به‌دلیل قابلیت‌های فراوانی که در تعاملات «ماشین با ماشین» در فناوری اینترنت اشیا موجود است، این پدیده تا به امروز در بخش‌های‌ مختلف صنعت، شهرهای هوشمند، حمل نقل هوشمند، پوشاک هوشمند و کشاورزی هوشمند، خانه های هوشمند، آموزش هوشمند  و غیره  مورد استفاده قرار گرفته است و با توجه به کاربرد این تکنولوژی و پیشرفت های که تا امروز صورت گرفته انتظار می رود در آینده نه چندان دور شاهد تحول عظیم در هر کدام از این صنایع باشیم.

در گذشته منظور از کامپیوتر، کامپیوترهای عظیم در لابراتورهای دیجیتال بود و پس از آن کامپیوترهای رومیزی نیز به این جمع پیوستند. اما در حال حاضر لپ تاپ ها، دستبندهای هوشمند و گوشی های هوشمند نیز در اجتماع کامپیوتری شرکت کننده در مبحث اینترنت اشیا گردهم آمدند. شاید با شنیدن نام کامپیوتر تصویر مانیتور، کیس و کیبورد در ذهن شما تداعی شود. امروزه تنها این مجموعه را به عنوان کامپیوتر نمی شناسیم. کامپیوترها می توانند در قالب های کوچک تر و به شکل میکروکنترلر، تراشه های الکترونیکی و مودم ها ساخته شوند. هر چقدر اندازه ی این کامپیوترها کوچک تر باشد، جاسازی آن ها درون اشیاء مختلف آسان تر خواهد بود و اشیاء بسیاری را می توان به شبکه ی اینترنت اشیا متصل نمود. هر شیء می تواند به عنوان یک واحد مستقل به اینترنت متصل شود.

کاربرد اینترنت اشیا (IO T)

بیش ترین تأثیر و کاربرد اینترنت اشیا بی شک در زندگی روزمره مشهود است. از اینترنت اشیا هم در کسب و کارها و هم در زندگی روزمره می توان بهره گیری کرد.

ارتقای سلامت فردی، راحتی در سبک زندگی، صرفه جویی در مصرف انرژی، بازی و سرگرمی و آموزش های پیشرفته از جمله ی کاربردهایی است که اینترنت اشیا می تواند در زندگی شخصی داشته باشد.

در صنایع و کسب و کارهای خرد و کلان نیز می توان از اینترنت اشیا در مواردی همچون تسهیل اتوماسیون و تولید صنعتی، تدارکات و مدیریت کسب و کار استفاده کرد.

اینترنت اشیا همچنین می تواند در فرایندهای پزشکی و حوزه سلامت، امنیت و حمل و نقل هوشمند بار و مسافر مفید، سودمند و کاربردی باشد.

با استفاده از این تکنولوژی می توان محصولات هوشمند و نیز کسب و کار هوشمند را راه اندازی کرد.

در این راستا شرکت های تولید کننده ی محصولات می توانند از تکنولوژی اینترنت اشیا در جهت تولید وسایل مدرن و کاربردی استفاده کنند. همچنین شرکت ها و صاحبان صنایع نیز از این تکنولوژی در جهت پیشرفت شغلی و بهبود روند کاری خود استفاده می کنند.

کاربرد اینترنت اشیا در طراحی خانه هوشمند

میکروکنترلرهای کاربردی در اینترنت اشیا (IO T)

آردوینو Arduino

آردوینو یک پلتفرم سخت افزار و نرم افزاری open source است و طراح آن دسترسی به طراحی و پیاده سازی محصول نهایی را در اختیار عموم افراد قرار می دهد. بنابراین هر کاربر به عنوان کاربر نهایی می تواند اطلاعات سخت افزاری و یا نرم افزاری برد را تغییر داده و یا آن ها را اصلاح کند.  بنابراین بر روی این پلتفرم ها باید از سیستم عامل های متن باز (open source) استفاده کرد. سیستم عامل هایی مثل لینوکس، open BSD و free PCB. زبان برنامه نویسی آردوینو جاوا بوده و میکروکنترلر آن Atmel نام دارد. از بردهای آردوینو در انواع پروژه های الکترونیکی استفاده می شود. کنترل LEDها، موتورها، صفحه های نمایش و بسیاری دیگر از پروژه ها تاکنون با استفاده از بردهای آردوینو به ثبت رسیده اند. هدف از طراحی و ساخت آردوینو آشنایی با دنیای الکترونیک و استفاده از میکروکنترلرها به صورت عمومی است. در ادامه به معرفی یکی از پرکاربردترین بردهای آردوینو خواهیم پرداخت.

آردوینو uno

آردوینو uno را می توان پرکاربردترین برد آردوینو برشمرد. این میکروکنترلر بر پایه ATmega328  است. قسمت سخت افزاری این بردها شامل یک برد توسعه است که در کشور ایتالیا ساخته می شود. تیم سازنده ی این بردها فایل های شماتیک و PCB را که با استفاده از Eagle ساخته شده بر روی سایت قرار می دهند تا عموم افراد با مراجعه به این سایت بتوانند برد خود را بسازند. تنها کافی است تا بردهای آردوینو uno را به کامپیوتر شخصی خود متصل کرده و برنامه را بر روی آن آپلود کنید.

نوبت به بخش نرم افزاری بردهای آردوینو uno می رسد. بخش نرم افزاری این بردها شامل دو بخش Boot loader و IDE می باشد.

وجود بوت لودر سبب می شود تا  کنترلر قدرت تشخیص IDE را داشته باشد. بدون وجود بوت لودر نمی توان IDE را برنامه ریزی کرد. IDE روی کامپیوتر نصب می شود و برنامه روی آن نوشته می شود و سپس بر روی برد آپلود می شود. برای استفاده از این نرم افزار نیازی به کرک یا پرداخت هزینه نخواهید داشت و می توانید از آن به صورت رایگان استفاده کنید.

شیلد، نام قطعاتی است که بر روی برد آردوینو وصل می شود. شیلدها وظیفه ی واسطه سازی ماژول های دیگر از جمله LCDها، اترنت و غیره را بر عهده دارند. با استفاده از شیلدها استفاده از سیم ها به حداقل می رسد.

برد آردوینو uno دارای ۱۴ پین ورودی و خروجی دیجیتال است که ۶ عدد از این پین ها می توانند به عنوان پین خروجی pwm مورد استفاده قرار گیرند.

یک نمونه برد آردوینو (arduino)

دیگر اجزای بردهای آردوینو uno عبارت اند از:

• ۶ ورودی آنالوگ
• تشدیدگر سرامیکی ۱۶ مگاهرتز (ceramic resonator)
• پورت USB
• ورودی منبع تغذیه (پاورجک)
• ICSP header
• دکمه ریست

این برد با یک آداپتور AC-TO-DC و یا باتری راه اندازی می شود.

در برد uno از ATmega16u2، به عنوان مبدل برنامه ریزی شده ی USB-to-serial استفاده شده است و این نقطه ی عطف تفاوت بردهای uno با دیگر بردهای آردوینو است.

بردهای آردوینو uno را می توان در نسخه ی R2 و R3 تهیه کرد.

در بردهای uno R2 تغییر حالت به DFU آسان تر است و دلیل آن وجود یک مقاومت جهت پولینگ اتصال HWB میکروکنترلر به زمین می باشد.

بردهای uno R3 نیز دارای قابلیت های جدیدتری هستند. در این بردها پین های SDA و SCA نزدیک پین AREF و دو پین جدید دیگر در نزدیکی پین Reset اضافه شده اند. IOREF یکی از این پین های جدید است که اجازه تطبیق شیلدها با ولتاژ خروجی را صادر می کند. دومین پین به منظور استفاده در در آینده بر روی این بردها ایجاد شده و در حال حاضر کاربردی ندارد.

می توان گفت مدار ریست uno R3 نسبت به قبل از قدرت بیشتری برخوردار است. همچنین میکروکنترلر ATmega16U2 در این بردها جایگزین U8 شده است.

تیم آردوینو با پیشرفت مبحث اینترنت اشیا بردهای آردوینو را برای استفاده در این صنعت طراحی کرد که آردوینو uno پرکاربردترین و ارزان ترین میکروکنترلر در بین دیگر بردها می باشد. با استفاده از این بردها امکانات ویژه ای را در زمینه اینترنت اشیا به دست می آورید.

به دلیل اینکه این بردها پلتفرم های اوپن سورس هستند عده ی زیادی از افراد در سراسر جهان به آن علاقمند شده اند و این سبب شده تا برای استفاده از بردها و نرم افزارهای آن در تلاش باشند و ایده های خلاقانه ای را ارائه دهند. در همین راستا شیلدهای متنوعی طراحی و کتابخانه هایی برای استفاده از این شیلدها نوشته شده است. امروزه شیلدهای آردوینو و کتابخانه های مربوط به این شیلدها تعدد بسیار گسترده ای پیدا کرده و عموم طراحان، این شیلدها و کتابخانه هایشان را در اختیار عموم قرار می دهند.

رزبری پای Raspberry Pi

رزبری پای را می توان یک مینی کامپیوتر در ابعاد کوچک دانست که با استفاده از آن می توان بسیاری از پروژه ها را انجام داد و به ایده های خلاقانه زیادی جامه عمل پوشانید. این برد در کشور انگلستان ساخته و تولید شد و هدف از تولید آن آموزش ساده مباحث کامپیوتر و الکترونیک به دانش آموزان و علاقمندان به این مباحث بود، اما پس از آن دانشجویان، اساتید دانشگاه ها و شرکت های دانش بنیان نیز تبدیل به متقاضیان این مینی کامپیوترها شدند و رفته رفته بر میزان تولید و فروش این بردها افزوده شد.

رزبری پای علاوه بر دارا بودن خصوصیات یک کامپیوتر رومیزی دارای خصوصیتی منحصر و شگفت انگیز است. شما می توانید با استفاده از این برد برنامه هایی بنویسید که از طریق پین های GPIO با دنیای بیرون ارتباط فیزیکی برقرار کنند. این مسأله یکی از دلایل استفاده از رزبری پای ها در مبحث اینترنت اشیا می باشد. با کدنویسی های مختصر می توان صدها سنسور و ماژول را به رزبری پای متصل نمود.

در ادامه قصد داریم تا خصوصیات و ویژگی های برد رزبری پای ۴ را شرح دهیم.

رزبری پای ۴ (Raspberry Pi 4)

رزبری پای ۴ در ژوئن ۲۰۱۹ عرضه شد. ارتقای قابل توجه مشخصات سخت افزاری توجه همگان را به خود جلب کرد. تغییر در لوازم جانبی نیز رایج ترین اتفاقی بود که می توانست در عرضه ی رزبری پای ۴ اتفاق بیفتد. اما یکی از نکات قابل توجه در عرضه نسل چهارم مینی کامپیوترهای رزبری پای، عرضه ی این محصول در سه نسخه و با ظرفیت رم های متفاوت است. ویژگی های سخت افزاری مهم و کاربردی رزبری پای ۴ عبارت اند از:

• حضور پورت USB-C که نسبت به micro USB جدیدتر است. گنجایش این پورت ۱٫۲ میلی آمپر می باشد. این پورت از قابلیت OTG پشتیبانی می کند که به کاربر این امکان را می دهد که برد را به صورت مستقیم به کامپیوتر خود متصل کند. این قابلیت موجب شده تا توان رزبری پای ۴ در اتصال به دستگاه های پرسرعت شگفت انگیز باشد.
• پورت شرکت گیگابایت در رزبری پای ۴ وجود دارد. حضور این پورت سبب شده تا این برد از سرعت بسیار بالایی برخوردار باشد.
• پردازنده ی رزبری پای ۴، cortex-A72 است. این پردازنده دارای ۴ هسته ی ۶۴ بیتی ۵GHz است.
• وجود دو پورت micro HDMI در رزبری پای ۴ نسبت به نسل های پیشین که مجهز به یک پورت HDMI بودند، قابل ملاحظه است. وجود این دو پورت سبب می شود تا پشتیبانی از ویدئوهای ۴K به سهولت امکان پذیر باشد. همچنین این قابلیت می تواند در پروژه های استریم کردن ویدئو با کیفیت بالا کاربردی باشد.

در رزبری پای ۴ از اتصالات جدیدی استفاده شده که برای انجام پروژه ها و کارهای مختلف بر روی آن نیاز به خریداری یک آداپتور مناسب و بهینه دارید.  

یک نمونه برد رزبری پای (Raspberry Pi)

انتشار سیستم عامل Raspbian Buster براساس توزیع Debian 10 Buster توسعه یافته است. Buster دارای یک رابط کاربری پیشرفته، مرورگر کرومیوم ۷۴ و یک ویدئو درایور Mesa V3D است. این درایور یک درایور اوپن سورس است که کدهای منبع بسته را در Raspbian به میزان ۵۰ درصد کاهش می دهد.

مزایای استفاده از برد رزبری پای ۴

پیشبرد پروژه های مرتبط با رزبری پای به دلیل سرعت بالای این برد بسیار آسان است. با استفاده از سیستم عامل رزبری پای ۴ می توان بازی های بهینه و یکپارچه سازی شده ای را اجرا کرد. این قابلیت از توانایی بردهای رزبری پای نسل های پیشین فراتر بود.

رزبری پای ۴ از سرعت کافی برای جایگزینی دسکتاپ برخوردار است. همچنین با استفاده از پیشرفت مثبتی که در بردهای نسل چهارم رزبری به وجود آمده می توان پروژه های ماینینگ و استخراج ارزهای دیجیتال را انجام داد.

با استفاده از برد رزبری  می توان پروژه های مبتنی بر سرور را نیز انجام داد. بازی های آنلاین، وب سرورها و صندوق های NAS می توانند با استفاده از رزبری پای ارتقاء پیدا کنند.

گفتیم که بردهای رزبری پای ۴ در سه نسخه و با ظرفیت رم های ۱GB، ۲GB و ۴GB عرضه شده اند. اینکه برای اجرای هر پروژه از کدام یک از بردهای رزبری پای ۴ باید استفاده کرد بستگی به نوع پروژه دارد. برای اجرای پروژه های بازی و سرگرمی می توان از برد رزبری پای با رم ۱GB استفاده کرد. در صورتی که از برد رزبری به عنوان سیستم عامل کامپیوتر استفاده شود، رزبری پای با رم ۲GB مناسب خواهد بود. در رابطه با پروژه های صنعتی و سنگین و همچنین پروژه های پردازش تصویر از رزبری پای ۴ با رم ۴GB استفاده خواهد شد.

تمامی موس و کیبوردهای استاندارد را می توان به رزبری پای ۴ متصل نمود و با آن ها کار کرد. برای نمایش دسکتاپ رزبین نیز می توانید از تلویزیون و مانیتورها استفاده کنید. با استفاده از کابل HDMI موجود بر روی برد رزبری پای ۴ می توانید به انواع تلویزیون ها و نمایشگرهای هوشمند متصل شوید اما توجه داشته باشید در صورتی که نمایشگر شما دارای پورت DVI باشد، باید از کابل HDMI به DVI استفاده کنید. برخی نمایشگرها نیز ممکن است دارای پورت VGA هستند که در این صورت باید از کابل HDMI به VGA استفاده کنید.

میکروکنترلر معروف دیگری که می تواند در مبحث اینترنت اشیا استفاده شود، ESP8266  است که در ادامه به تشریح خصوصیات و کاربرد آن خواهیم پرداخت.

ESP8266

ESP8266 یک میکروکنترلر و دارای WiFi و یک میکروکنترلر ۲۳ بیتی با سرعت کلاک ۱۶۰MHz می باشد. اگر به دنبال راه حل برای ارتباطات WiFi هستید، ESP826 یکی از بهترین گزینه ها است. علاوه بر این ها تمام قابلیت های یک میکروکنترلر نیز بر روی این برد وجود دارد. این میکروکنترلر توانایی پردازش و اجرای برنامه های مختلف و متنوعی را دارد.

باید بدانید که تنها یک برد ESP8266 وجود دارد و سیم کشی و حافظه خارجی اضافه شده برای آی سی و همچنین نوع آنتن است که به صورت متغیر در نظر گرفته می شود.

برای استفاده از این میکروکنترلر نیازی به استفاده از میکروکنترلر دیگری نیست و از قدرت پردازشی آن می توان برای اجرای برنامه ها استفاده کرد.

برای پروگرام کردن ESP8266 می توانید از IDE آردوینو استفاده کنید. روش دیگر هم استفاده از NodMCU می باشد. در این روش از پروژه NodMCU و زبان Lua برای اسکریپت کردن ESP8266 استفاده می کنیم.

طبق گفته ی شرکت سازنده ی این ماژول ۸۰ درصد قدرت پردازشی آن آزاد است. با آزاد بودن قدرت پردازشی این میکروکنترلر به میزان ۸۰ درصد می توان در انرژی و هزینه، صرفه جویی کرد. همچنین مدارات الکترونیکی نیز کوچک تر خواهد شد.

ماژول Esp8266

برد ESP8266 به برنامه های کاربردی اجازه می دهد تا به عنوان میزبان عمل کنند. این برد می تواند به صورت مستقیم و تنها با استفاده از یک فلش خارجی راه اندازی شود. برای بهبود عملکرد سیستم ها و کم کردن حافظه مورد نیاز می توان از این برد استفاده کرد.

برد ESP8266 دارای کالیبراسیون RF می باشد که در همه شرایط کاربرد دارد و به RF خارجی نیاز ندارد.

سریع بودن زمان سوییچینگ در این میکروکنترلر یکی از ویژگی های بارز آن است و برای بازدهی سیستم های VOIP، بایاسینگ رادیویی تطبیق پذیر برای عملکرد با توان کمتر، پردازش سیگنال های پیشرفته و مشخصه های رادیویی برای ارتباطات بلوتوثی، LCD، LVDS و DDR می باشد.

حافظه فلش این بردها ۱Mb است و مصرف توان آن ها در حالت استندبای، کمتر از ۱ میلی وات می باشد.

کاربرد ماژول ESP8266

از این ماژول ها برای شبکه های سنسوری بیسم، هوشمند سازی خانه ها، اینترنت اشیا (IO T)، تجهیزات رباتیک، شبکه های توری، ارسال بیسیم اطلاعات، دوربین های IP، برچسب های امنیتی و غیره استفاده می کنند.