اینترنت اشیاء Internet of Things یا به صورت مخفف IoT کلمه ای مرکب متشکل از دو کلمه اینترنت و اشیا است. شبکه اینترنت که معرف حضور همگان در کره زمین و سایر سیارات منظومه شمسی است! اما منظور از اشیاء هر موجود زنده یا غیر زنده ای است که امکان و قابلیت ارتباط با اینترنت و کنترل از طریق آن را دارا باشد. اینترنت اشیاء مجموعه وسایلی و دستگاهایی هستند که به یمن توسعه تکنولوژی چیپ های واسط شبکه اینترنت به صورت WiFi و Ethernet اماکن ارتباط با اینترنت دارند. اینترنت اشیاء این امکان را فراهم می کند که میلیاردها دستگاه در سراسر دنیا(شاید در آینده در سراسر کیهان!) از طریق یک IP و آدرس فیزیکی(MAC) منحصر به فرد با یکدیگر مرتبط شوند. اشیاء هوشمند و سیستم های فیزیکی سایبری(Cyber-Physical Systems) واحد های تشکیل دهنده اینترنت اشیا هستند. اشیاء اطراف ما در زندگی روزمره زمانی که به میکروکنترلرها، فرستنده و گیرنده رادیویی ویا نوری ،‌سنسورها ، عملگرها مجهز شوند و در بستر نرم افزاری قرار گیرند و با جمع آوری اطلاعات محیط پیرامون خود با دنیای بیرون وارد تعامل شده و با دنیای فیزیکی و واقعی ارتباط بر قرار کنند. اشیاء در IoT عموماً منابع حافظه و انرژی و محاسباتی محدود و الزامات اقتصادی سختگیرانه ای دارند. ذخیره سازی و پردازش و سپس تجزیه و تحلیل داده ها از نیازهای پایه سیستم های IoT‌ است تا بتوان از این طریق داده های خام را به اطلاعات قابل استفاده بدل کرد. امروزه IoT به تمامی وجوه زندگی ما در تماس است. IoT گستره وسیعی از کاربردها از جمله اتوماسیون صنعتی و ساختمان،‌ شهرهای هوشمند،‌ شبکه های هوشمند، صنعت ۴‌ و کشاورزی هوشمند را شامل می شود.

اتوماسیون خانه و ساختمان

با گسترش و توسعه تکنولوژی خانه های هوشمند و سرمایه گزاری در این حوزه بازار آن نیز روز به روز رشد کرده و بزرگ شده است. به گونه ای که وسایل هوشمند خانگی امروز بسیار مرسوم شده است. نمونه روز افزون این کاربردها سیستم های امنیت خانگی و ساختمان و سیستم های مدیریت انرژی هستند. به کار بستن IoT‌ در کنترل نور و اتاق موجب توسعه کاربردهای بسیاری در اتوماسیون خانگی شده است. یک نمونه رو به رشد مرتبت با کاربرد IoT در حوزه سلامت برای مراقب و نظارت بر افراد پیر، ناتوان و یا مریض است. IoT‌ ارتباطات راه دور در بستر اینترنت را برای کنترل حفاظت و مدیریت ساختمان ها را به راحتی فراهم می کند. در مرحله بعدی و فراتر از اتوماسیون ساختمان مبحث شهرهوشمند است که درادامه به آن خواهیم پرداخت.

شهر هوشمند[۳]

شهرها اکوسیستم های پیچیده ای هستند که کیفیت زندگی در آنها اهمیت بسیار دارد. با توسعه اینترنت اشیاء حوزه کاربرد آن از خانه و ساختمان و کارخانه فراتر رفته و ایده شهرهای هوشمند مطرح شد. در محیط های شهری مردم ،‌شرکت ها و نهادهای دولتی نیازهای متنوعی در زمینه سلامت،‌رسانه، انرژی، محیط زیست،‌ ایمنی و خدمات عمومی دارند. شهرها هر چه بیشتر به عنوان تک ارگانیزمی شناخته می شوند که نیاز به نظارت بهینه و مداوم دارد تا به بتواند به شهروندان خود اطلاعات دقیق ارایه کند. سیستم های IoT‌ نقشی اساسی در جمع آوری اطلاعات و توزیع این اطلاعات به شهروندان دارد. در این حوزه شهرها نقش مهمی در شکل دادن به تقاضا برای تکنولوژی ها پیشرفته مبنتی بر IoT دارند.

شهر هوشمند و ارتباطات مبنتی براینترنت اشیاء

شبکه های هوشمند – Smart Grids

شبکه هوشمند یک شبکه الکتریکی است که شامل شبکه های عملیاتی مختلف نظیر کنترهای هوشمند،‌لوازم برقی هوشمند،‌ منابع انرژی تجدید پذیر،‌ و منابع انرژی کم مصرف می شود. ارتباطات خط برق (Power Line Communication به صورت کوتاه PLC) مرتبط با انتقال اطلاعات از طریق کابل های شبکه برق موجود است مدت هاست مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. شرکت های برق برای سالهای متمادی از این تکنولوژی برای ارسال و دریافت محدود اطلاعات بهره برده اند. بر اساس و مقررات اتحادیه اروپا شرکت های برق این امکان را دارند تا از این تکنولوژی به منظور تبادل اطلاعات با نرخ پایین( کمتر از 50kbps) در رنج فرکانسی ۳ تا ۱۴۸ کیلوهرتز استفاده کنند. این تکنولوژی فرصت های جدید تعامل میان مردم و حوزه هایی مانند کنترهای هوشمند و گزارش مصرف انرژی ایجاد می کند. تکنولوژی PLC اندازه گیری، کنترل ، و اتوماسیون را در سیستم های در گستره وسیعی در شهرها و شبکه های هوشمند را ممکن می سازد. در سطح بالاتر از PLC امکان توسعه تکنولوژی های هوشمندتری مانند IoT‌ وجود دارد. به عنوان مثال به کار گیری این تکنولوژی در سناریو صنعتی(کنترل از راه دور درکارخانجات و شرکت های صنعتی) راه را برای IoT صنعتی فراهم می کند.

با این وجود خطوط برق با کانال ایده آل برای تبادل اطلاعات فاصله زیادی دارند(به دلیل جا به جایی مکانی و فرکانسی ) و به همین دلیل علاقه و گرایش رو به افزایشی به تطبیق پارادایم های IoT وPLC‌ به منظوراستحکام و مقاوم سازی این ارتباطات به وجود آمده است.

اینترنت اشیاء صنعتی – IIoT

اینترنت اشیا صنعتی اشاره به کاربرد IoT در صنایعی همچون صنایع تولیدی،‌ آماد و پشتیبانی،‌ نفت و گاز،‌ حمل و نقل،‌ انرژی و آب و برق،‌ معادن و فلزات،‌ هوافضا و سایر صنایع دارد. این صنایع بخش عمده ای از تولید ناخالص ملی کشورهای عضو گروه G20 را شامل می شود. IIoT‌ هنوز در مرحله ابتدایی و مشابه وضعیت اینترنت در اواخر دهه ۱۹۹۰ میلادی است. توسعه اینترنت خانگی در دو دهه اخیر درس هایی مهمی در اختیار ما قرار می دهد. اما با توجه به دامنه منحصر به فرد ونیازهای این حوزه، معلوم نیست تا چه اندازه از این آموزه ها به کاربردهای IIoT قابل تعمیم باشد. به عنوان نمونه پاسخ بلاردنگ(Real-Time Response) اغلب در حوزه تولید، انرژی، حمل و نقل و سلامت ضروری است . پاسخ بلادرنگ برای اینترنت امروزی معمولا به معنای چندین ثانیه است در حالی که پاسخ بلادرنگ برای ماشین های صنعتی در مقیاس کمتر از میلی ثانیه قرار می گیرد. اینترنت خانگی از روش بهترین تلاش(Best Effort) بهره می برد که برای کاربردهای تجارت آنلاین و ارتباطات انسانی مانند شبکه های اجتماعی عملکرد قابل قبولی دارد. اما قطعی شبکه برق،‌ سیستم کنترل حمل و نقل، و یا یک کارخانه اتوماتیک برای مدت زمان مشابه می تواند عواقب جدی تری در برداشته باشد.

تلاش های شرکت های بزرگ مانند Sisco ،‌Genral Electric ، Hauwei، و برنامه های دولتی مانند Industrie 4.0‌ در آلمان مورد توجه ویژه ای قرار گرفته است.

به عنوان نمونه جنرال الکتریک در سال ۲۰۱۴ از طریق کمک به مشتریان در فرایند کسب و کار با سرویس های اینترنت اشیا صنعتی بیش از ۱ میلیارد دلار سود محقق کرده است.
دولت آلمان از طرحی چند ساله موسوم به Industry 4.0‌ حمایت و پشتیبانی می کند که پیشگامان بخش خصوصی و دولتی و همینطور آکادمیک را گرد هم آورده تا نقشه راه و افق پیاده سازی تکنولوژی‌های دیجیتال در صنعت آلمان را ترسیم کنند.
سایر کشورهای اروپایی طرحهای توسعه ای صنعت خود را دنبال می کنند که IIoT‌ صنعتی در آن نقش محوری دارد مانند Smart Factory در هلند،‌ Industry 4.0 ‌در ایتالیا،‌ صنعت آینده در فرانسه.
چین نیز استراتژی ” Made in China 2025″ را به منظور توسعه به کارگیری تکنولوژی های دیجیتال و صنعتی شدن دنبال می کند.

پتانسیل بازدهی به کار بردن IIoT‌ بسیار بالاست. بازدهی عملیاتی یکی از محرک های کلیدی دراین زمینه است. با معرفی اتوماسیون و تکنیک های با انعطاف بیشتر تولید کنندگان می توانند تولید خود را تا ۳۰ درصد یا بیشتر افزایش دهند.

نمایی از کاربردهای اینترنت اشیاء در صنعت

کشاورزی هوشمند – Smart Farming

کشاورزی مدرن با چالش های فراوانی دست و پنجه نرم می کنند چرا که تلاش می کنند آینده ای قابل اتکا در تمامی مناطق دنیا ایجاد کند. نمونه این چالش ها افزایش جمعیت،‌توسعه شهرها،‌ از بین رفتن محیط زیست،‌ گرایش رو به افزایش مصرف پروتئین های حیوانی،‌ تغییرات در عادات غذایی به دلیل کهولت جمعیت و مهاجرت و البته تغییرات آب و هوایی است. کشاورزی دقیق یا هوشمند حوزه ای است همراه با بزرگترین فرصت ها برای توسعه دیجیتال ولی تاکنون با حداقل نفوذ تکنولوژی های دیجیتال همراه بوده است. صنعت کشاورزی در دهه های آینده اهمیت بیش از گذشته خواهد یافت. کشاورزی امروزی با به کار گیری سنسورهای محیطی و زمینی، پیش بینی آب و هوا، اتوماسیون کنترل و اعمال دقیق میزان کود و سموم بهره فراوانی خواهد برد.

امروزه به یمن تکنولوژی هایی مانند پهپادها(Drones) و شبکه سنسورهای هوشمند(Wireless Sensor Networks) و زیر ساخت های ابری (Cloud Platforms) کشاورزی هوشمند رایج شده است. کشاورزی هوشمند در طیف کسترده ای از کاربردها کاربرد دارد. نظارت و پرورش دام،‌ پرورش ماهی،‌ مراقبت از جنگل ها و مراتع،‌ کشاورزی درون شهری و غیره نمونه هایی از این کاربردها است. تمامی این تکنولوژی ها حول محور IoT‌ فعالیت می کنند و به کشاورزان در تصمیم گیری و مدیریت یاری می رساند. این امر اطلاعات بلادرنگ در سطح کوچک و خورد و فرهم می کند که قبلا میسر نبود که موجب بهبود تصمیم گیری ، کاهش ضایعات و افزایش بهره وری می شود.

تکنولوژی ها مخابراتی اجزاء کلیدی کشاورزی هوشمند هستند. تکنولوژهای بی سیم در این میان به طور خاصی جذاب هستند چرا که تا اندازه زیادی حجم و پیچیدگی سیم کشی مورد نیاز را کاهش می دهند. استانداردهای متنوعی در این زمینه ابداع شده اند که می توان آنها را بر اساس برد به دو دسته اصلی برد کوتاه و برد بلند تقسیم نمود.

ارتباطات برد کوتاه شامل استانداردهای : IEEE 802.11‌ که به WiFi‌ معروف است و Wireless PAN که به طور گسترده ای در ابزاردقیق و اتوماسیون کاربرد دارد. نمونه این استانداردها IEEE 802.15.4 شامل ZigBee و 6WoPAN‌ و سایر شبکه های با نرخ تبادل اطلاعات پایین است. تمامی این استانداردها در باند ISM‌ و در محدوده ۲۴۰۰ تا ۲۴۸۳.۵ گیگا هرتز کار می کنند.
ارتباطات راه دور شامل تکنولوژی های مخابراتی رو به رشد زیر گیگا هرتز همانند LoRA در باند ۶۸۶-۸۶۸ مگاهرتز. نرخ تبادل اطلاعات در این گروه در حدود چند صد kbps و مناسب ارتباطات راه دور است.