LoginTechs
لوجن تيكس منصة متخصصة بمتابعة ونقل آخر الأخبار والمقالات التقنية وكل ما يخص التكنولوجيا الحديثة والأحداث التقنية والخدمات الرقمية.

إنترنت الأشياء (IoT): كيف تختار المكونات المادية

532

- Advertisement -

اختيار المكونات المادية الأفضل لمشروعك المقبل في إنترنت الأشياء(IoT)

 استخدم دليل المكونات المادية هذا لتحديد المكونات المادية المستخدمة (Hardware) عند وضع وتطوير النماذج الأولية لمشاريعك في إنترنت الأشياء IoT

 الأجهزة المادية المتصلة هي قلب إنترنت الأشياء. تقوم أجهزة إنترنت الأشياء IoT بمراقبة وقياس “الأشياء” أو مكونات العالم الحقيقي، بما في ذلك المعدات الصناعية والأجهزة المنزلية والمباني والسيارات ومواد المستودعات والأشخاص (في حالة الأجهزة القابلة للارتداء).

و تشمل عملية تطوير حلول إنترنت الأشياء الجديدة، تصميم المكونات المادية والبرمجية ووضع النماذج الأولية وتنقيحها من خلال عملية تكرارية من التقييم والتغذية الراجعة. يمكن أن تساعد منصات المكونات المادية كـ Arduino و Raspberry Pi في بدء عملية وضع النماذج الأولية وانطلاقها بسرعة لأنها متاحة بسهولة وتتطلب استثمار أقل من تصميم وتصنيع الدارات المطبوعة (PCBs: Printed Circuits Board) المخصصة لتصميم واحد فقط. خلال هذه العملية، ستحتاج إلى مراعاة متطلبات المكونات المادية الخاصة بتطبيقات إنترنت الأشياء IoT الخاصة بك، وتقييم وتحسين نماذج أجهزة إنترنت الأشياء IoT التي تقوم ببنائها وفقًا لهذه المتطلبات، أو اعتماد مكونات مادية جاهزة أو مكونات مخصصة مناسبة.

في سياق إنترنت الأشياء IoT، يكون الجهاز عبارة عن مصطلح ذو مضمون واسع يصف الأجهزة التي تم تصميمها أو تخصيصها لغرض معين، ويتم استخدامه للإشارة إلى المكونات المادية الفردية بما في ذلك الحساسات والمحركات، فضلا عن اللوحات الجاهزة مثل Raspberry Pi، وكذلك التصاميم الأولية ووحدات الإنتاج التي يتم بناؤها من عدد من الأجهزة المكونة.

في هذه المقالة، سأقوم بمراجعة بعض خيارات المكونات المادية المتاحة والجاهزة على نطاق واسع ومناقشة الأسباب التي قد تجعلك تختار أحدها  دون الآخر عند وضع النماذج الأولية وتطوير مشروعك في إنترنت الأشياء IoT.

خصائص جهاز إنترنت الأشياء IoT

يتم إطلاق الأجهزة و منصات الأجهزة الجديدة باستمرار مع تطور إنترنت الأشياء ويتعين عليك فهم الخصائص الأساسية المشتركة بين معظم أجهزة إنترنت الأشياء لمقارنة الأجهزة الجديدة وتقييمها عندما تصبح متوفرة.

يمكننا وصف أجهزة إنترنت الأشياء من حيث الإمكانات عالية المستوى التالية:

  • جمع البيانات والتحكم بها
  • معالجة البيانات والتخزين
  • الاتصال
  • إدارة الطاقة
  • اكتساب البيانات والتحكم بها

لنتعرف على هذه الإمكانات بشكل أوسع:

جمع أو تحصيل البيانات (DAQ: data acquisition)

هو عملية قياس حالات العالم الحقيقي وتحويل هذه القياسات إلى قراءات رقمية في فترات زمنية محددة (معدل عينة البيانات). كما تتضمن عملية تحصيل البيانات أيضاً تعديل للإشارات، التي تُستخدم في معالجة وقياس القراءات الخام للحساسات، والمحولات من تشابهي إلى رقمي، والتي تُستخدم لتحويل قراءات الحساسات التشابهية إلى قيم رقمية بحيث يمكن معالجتها وتحليلها.

الحساسات هي مكونات الإدخال التي تقيس المتغيرات المادية الفيزيائية وتحولها إلى إشارات كهربائية (جهد كهربائي). ويمكنك الاختيار من بين الآلاف من أنواع الحساسات الجاهزة لقياس نطاق كبير من المتغيرات، بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة والضغط والدخان والغاز والضوء والصوت والاهتزاز وتدفق الهواء وتدفق المياه والسرعة والتسارع  والعلاقة بينهما، والموقع GPS، والارتفاع، والقوة، والقائمة تطول و تطول. لكن الحساسات لا تقيس فقط الظروف المحيطة؛ فبعض الحساسات تراقب الحالة الداخلية للجهاز، ويمكن استخدام حساسات مثل الأزرار أو الأشرطة أو شاشة اللمس للتفاعل مباشرة مع الجهاز، مما يوفر واجهة بشرية – آلية.

لكل نوع من الحساسات -مثل حساس درجة الحرارة- سيكون لديك عشرات الخيارات للمكونات المادية من مجموعة من الشركات المُصنعة، لكل منها مواصفات مختلفة قليلاً من حيث الدقة والصحة، وكل منها مُصمم لتطبيقات محددة وظروف تشغيل معينة، كقابلية الاستخدام تحت الماء أو إمكانية تحمل أقصى درجات الحرارة والبرودة.

الدقة سمة مهمة لمكونات الحساس، وتمثل دقة الحساس المقدار الأصغر من التغيير الذي يمكن أن يقرأه الحساس بشكل موثوق ويرتبط بحجم القيمة الرقمية المستخدمة لتمثيل القراءات الخام للحساسات. على سبيل المثال، يستطيع حساس درجة الحرارة التناظري ذو الدقة من رتبة 10 بتات تمثيل قراءة درجة الحرارة باستخدام قيمة عددية بين 0 و1023. البتات ثنائية، لذا فإن 10 بتات توفر 210 احتمال أي 1024 قيمة محتملة إجمالاً. ومع ذلك، من الناحية العملية، تتأثر أجهزة الحساسات بالضجيج الكهربائي مما يقلل من الدقة الفعلية.

في حين أن الحساسات تقوم بتحويل متغير مادي مثل درجة الحرارة إلى إشارة كهربائية، فإن أجهزة الخرج تقوم بالعكس فهي تحول الإشارة الكهربائية إلى نتيجة مادية.

تتضمن أجهزة الإخراج الديودات LED ومكبرات الصوت والشاشات والمحركات مثل المولدات أو الملفات اللولبية التي تحرك أو تتحكم في الأشياء في العالم الفعلي. يتم توظيف المحركات بشكل شائع في تطبيقات إنترنت الأشياء IoT الصناعية؛ على سبيل المثال، يتم اعتماد المحركات الخطية الهوائية على نطاق واسع في التصنيع لنقل وتثبيت المنتجات أثناء عملية التجميع.

معالجة البيانات والتخزين

تتطلب أجهزة إنترنت الأشياء IoT إمكانيات لمعالجة البيانات وتخزينها لتنفيذ المعالجة الأساسية والتحويل والتحليل للبيانات التي تلتقطها. يمكن لأجهزة إنترنت الأشياء IoT معالجة البيانات مباشرة أو يمكنها نقل هذه البيانات إلى أجهزة أخرى كالبوابات أو المخدمات والتطبيقات السحابية لتقوم هي بالتجميع والتحليل.

يتضمن التحليل الطرفي إجراء تحليل للبيانات على حواف الشبكة بدلاً من الموقع المركزي. يكون تحليل البيانات بالزمن الحقيقي تقريبا على الأجهزة نفسها، أو على جهاز بوابة قريب (مثل الراوتر) يتم توصيل أجهزة إنترنت الأشياء IoT به على الفور، بدلاً من نقل الأجهزة كميات كبيرة من البيانات إلى مخدم سحابي أو مركز بيانات للتحليل. توفر معالجة البيانات على الحافة فرصة لتجميع البيانات وتصفيتها أثناء تجميعها، مع تحديد البيانات الأكثر أهمية لإرسالها إلى الأعلى. في نهاية المطاف، يقلل تحليل الحافة من متطلبات المعالجة والتخزين الأولية بالإضافة إلى تخفيف العبء على الشبكة.

تعتمد طاقة المعالجة والتخزين المستخدمة من قبل تطبيق إنترنت الأشياء IoT على مقدار المعالجة التي تتم على الجهاز نفسه مقابل مقدار المعالجة التي تتم بواسطة الخدمات أو التطبيقات التي تستخدم البيانات. يحدد حجم الذاكرة المتوفرة ومواصفات المعالج، بما في ذلك سرعة الساعة وعدد النوى، المعدل الذي يمكن معالجته بواسطة الجهاز. إن قدرة ذاكرة الفلاش غير المستديمة، والتي تستخدم لحفظ البيانات حتى يمكن نقلها إلى أعلى، تحدد كمية البيانات التي يمكن تخزينها على الجهاز. ستتطلب الأجهزة التي تقوم بالتحليل على الحافة إمكانات معالجة أكبر بكثير من الأجهزة التي تقوم بمعالجة البيانات الأساسية فقط مثل التحقق من صحة القراءات أو تطبيعها أو تغيير حجمها أو تحويلها، مثل تحويل قراءات درجة الحرارة الخام إلى درجة مئوية.

الاتصال

يعد الاتصال بالشبكة أحد الخصائص المميزة لأي جهاز إنترنت الأشياء IoT. تتواصل الأجهزة مع الأجهزة الأخرى محلياً، وتنقل البيانات إلى الخدمات والتطبيقات السحابية. وتتصل بعض الأجهزة لاسلكياً باستخدام المعيار 802.11 ( wifi) أو Bluetooth أو RFID أو الشبكات الخلوية أو تقنيات الشبكات ذات المساحة الواسعة والمنخفضة الطاقة (LPWAN) مثل LoRa أو SigFox أو NB-IoT. يناسب الاتصال السلكي الأجهزة الثابتة، التي يتم تركيبها في المباني الذكية، والتشغيل الآلي للمنزل، وتطبيقات التحكم الصناعية، حيث يمكن توصيلها بالإيثرنت. الاتصالات التسلسلية هي أيضاُ شكل من أشكال الاتصال السلكي بين الأجهزة، باستخدام بروتوكولات قياسية مثل:(Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART، أو بروتوكول (CAN)، الذي يرجع أصله إلى صناعة السيارات.

إدارة الطاقة

تعتبر إدارة الطاقة مصدر قلق خاص لأجهزة إنترنت الأشياء IoT المحمولة والقابلة للارتداء التي تعتمد على البطاريات أو مصادر الطاقة الأخرى غير السلكية مثل الطاقة الشمسية.

اعتماداً على أنماط الاستخدام ومتطلبات الطاقة للحساسات المرفقة أو المحركات أو الدوائر المتكاملة (ICs) التي توفر قدرات الحصول على البيانات والتحكم والتخزين والمعالجة وقدرات الاتصال بالشبكات، قد يلزم وضع الجهاز في وضع السكون أو في وضع استهلاك منخفض للطاقة بشكل دوري للحفاظ على الطاقة أو إطالة عمر البطارية. على سبيل المثال، يتطلب الكمبيوتر أحادي اللوحة مثل Raspberry Pi 3 ما يقرب من 700 – 1000 ميلي آمبير للعمل ضمن الاستخدام النموذجي. إذا كنت تقوم بنقل البيانات باستمرار عبر شبكة Wi-Fi أو إذا كنت تستخدم الجهاز لإجراء الكثير من عمليات معالجة البيانات، فسيكون استخدام الطاقة في أعلى درجاته. إذا قمت بتوصيل وحدة كاميرا، فإن التيار المطلوب يزيد بنحو 250 ميلي آمبير كلما تم استخدام الكاميرا.

تحتاج الحساسات عادةً إلى طاقة لتشغيلها، و (GPIO pins) على  Raspberry Pi 3 يزود جهد 3.3 أو 5 فولت، تصل إلى إجمالي 50 ميلي آمبير عبر جميع الدبابيس (Pins)، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة للجهاز ككل يزيد أيضاً كلما قمت بزيادة عدد المكونات التي تقوم بوصلها إلى الدبابيس.

أنواع الأجهزة الجاهزة لتصميم مشروع إنترنت الأشياء الخاص بك

أصبح تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء IoT أكثر سهولة من أي وقت مضى، وذلك بفضل المجموعة المتنامية من لوائح تطوير المكونات المادية الجاهزة والمنخفضة التكلفة، وكذلك المنصات وأدوات تصنيع النماذج الأولية. توفر تصميمات المكونات المادية المعيارية قدرا كبيرا من المرونة. يمكنك استبدال المكونات البديلة وتجربة حساسات ذات خصائص مختلفة قليلاً، أو يمكنك بشكل مستقل ترقية الشبكات أو معالجة البيانات أو وحدات التخزين الخاصة بالجهاز لتلبية المتطلبات المتطورة.

تم تصميم العديد من المكونات المادية التجارية الجاهزة، بما في ذلك المتحكمات الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة، اعتمادا على  دارات النظام على شريحة واحدة (System-on-a-Chip ). تجمع الأنظمة على شريحة واحدة مجموعة من القدرات كمعالجة البيانات والتخزين والشبكات، على شريحة واحدة. هذا التكوين يعني أنك تضحي ببعض المرونة من أجل الراحة، ولكن لحسن الحظ، هناك عدد كبير من الأجهزة السلعية المتاحة مع مجموعة من التكوينات للاختيار من بينها. على سبيل المثال،  يسرد الجدول 1 المواصفات الفنية لمجموعة من المتحكمات الدقيقة التي يمكن استخدامها في تصميم نماذج مشاريع إنترنت الأشياء IoT، في حين يقدم الجدول 2 مقارنة بين ثلاثة حواسيب أحادية اللوحة معروفة Single Board Computers -SCBs.

لوائح تطوير المتحكمات الدقيقة

وحدة التحكم الدقيقة عبارة عن نظام على الشريحة SoC توفر قدرات معالجة البيانات وتخزينها. تحتوي وحدات التحكم الدقيقة على نواة المعالج (أو النوى) والذاكرة (ذاكرة الوصول العشوائي) وذاكرة قابلة للقراءة قابلة للبرمجة يمكن مسحها (EPROM) لتخزين البرامج المخصصة لوحدة التحكم الدقيقة. إن لوحات تطوير المتحكمات الدقيقة هي لوائح دارات مطبوعة مع دارات إضافية لدعم وحدة التحكم الدقيقة وجعلها أكثر ملاءمة للنموذج الأولي وبرمجة الشريحة.

تتصل الحساسات والمحركات بالمتحكمات الدقيقة من خلال دبابيس الإدخال / الإخراج العامة الرقمية أو التناظرية (General Pins for Input and Output :GPIO) أو من خلال الناقل في المكونات المادية. يتم استخدام بروتوكولات الاتصال القياسية مثل I2C Inter-Integrated Circuit و Serial Peripheral Interface-SPI لاتصالات الجهاز الداخلية مع المكونات المتصلة بالناقل. يؤدي اعتماد المعايير إلى تسهيل إضافة أو تبديل المكونات المتصلة بالناقل.

يعتبر (أردينو) Arduino -يمكنك الإطلاع عليه هنا– منصة مفتوحة المصدر للأجهزة، مع مجتمع نشط يعمل على إنشاء لوحات وأدوات تطوير متوافقة. تختلف إمكانيات الجهاز عبر نماذج أردينو الرسمية، وكذلك بين عشرات اللوحات المتوافقة التجارية. جميع الأجهزة في الجدول 1 هي متحكمات دقيقة متوافقة مع أردوينو، بما في ذلك Arduino Uno، إلكترونات الجسيمات، والتي تتضمن مودم خلوي متكامل، وأنظمة  ESP8266-01: متحكم دقيق منخفض التكلفة و منخفض الطاقة مع Wi-Fi مدمجة. يمكنك الإطلاع عليه هنا.

لوح اردوينو لتطويرالمتحكم الدقيق

شكل 1. لوح اردوينو لتطويرالمتحكم الدقيق

بشكل مشابه لأردينو لدى ESP8266  مجتمع نشط  من المطورين  و تشمل لوائح التطوير البارزة التي تستند إلىESP8266   NodeMCU وكذلك WeMos D1 وكذلك يوجد AdaFruit’s Feather Huzzah.

 تم تطوير عدد من خيارات البرامج الثابتة البديلة للوائح القائمة على ESP8266 بواسطة مجتمع المصدر المفتوح والمُصنع، مما يتيح لمطوري إنترنت الأشياء IoT برمجة هذه اللوحات باستخدام Lura وPython وJavaScript، ودعم التحديثات لاسلكيا (OTA).

الجدول 1. المواصفات الفنية لمتحكمات Particle Electron و Arduino Uno  و Espressif الدقيقة

Characteristic

FeatureArduino UnoParticle Electron

Espressif Systems ESP8266-01

Data acquisition and control

GPIO pins

6 Analog in
14 Digital – 6 PWM
12 Analog in
2 Analog out
30 Digital – 15 PWM
2 Digital
1 Analog
Logic level voltage5V3.3V

3.3V

Data processing and storage

Processor

ATMega328PU32-bit STM32F20532-bit Tensilica L106
Processor speed16 KHz120 MHz80 MHz
Memory32 kB flash,
1 kB EEPROM
1 Mb flash,
128 kB RAM

1 Mb

Connectivity

Network Interfaces

None by default. Can be added with shields.Integrated cellular modem (2G / 3G)

Integrated wifi

Power

Recommended Power Supply

9-12V DC 0.5 – 2A barrel, or 5V 500mA USB or 9 – 12 V on VIN pin5V micro USB or 3.9V-12VDC on VIN pin

Regulated 3.3V 300mA supply on VCC pin

Other

Dimensions

2.7 in X 2.1 in2.0 in x 0.8 in1.4 in x 1 in
Typical cost$25$39 – $59

يتطلب المعيار القياسي لتطوير البرنامج الذي يعمل على وحدات التحكم الدقيقة المتوافقة مع أردوينو استخدام C أو ++C و Arduino IDE، وعلى الرغم من وجود الارتباطات اللغوية التي تم تطويرها بواسطة المجتمع وأدوات البرمجة المرئية. يمكن توسيع اللوحات المتوافقة مع Arduino التي تشترك في تخطيطات البين ( Pin ) المشتركة باستخدام القطع الاختيارية من جهة خارجية، على سبيل المثال، لإضافة منفذ Ethernet أو Bluetooth إلى Arduino Uno.  و يعتبر أردوينو أكثر بيئة تطوير متحكم اعتُمدت على نطاق واسع، ولكن البعض الآخر مثل Tessel و Particle.io واللذان يدعمان جافاسكربت بينما يدعم Python كل من لوائح MicroPython’s PyBoard و WeIO.

إن اختيار متحكم دقيق متوافق مع أردينو يجعل من السهل نقل البرامج التي تم تطويرها باستخدام مكتبات أردينو المشتركة و Arduino IDE للتشغيل على أجهزة  أخرى متوافقة. لديك عامل أخر يجب عليك الانتباه إليه، على سبيل المثال، يستخدم Arduino Uno منطق 5V لبينز الإدخال و الإخراج الرقمية (حيث تعتمد قيمة 0 فولت لتمثيل LOW أو OFF و 5 فولت لتمثيل HIGH أو ON)، لكن لوحات ESP8266 و Particle تستخدم منطق 3.3 فولت  وقد يؤثر ذلك على اختيارك لمكونات الحساس أو المشغل، لأن بعض المكونات لا تعمل إلا مع واحد من هذين المنطقين. قد يؤدي تبديل الحساسات التي تم تصميمها لمنطق 5 فولت إلى 3.3 فولت إلى نتائج غير متوقعة وقد تتلف البينز غير المتوافقة مع الفولتية الأعلى، وبالتالي ستحتاج إلى إضافة محول على مستوى المنطق لتتمكن من العمل. عندما تسعى لتنفيذ ميزات المكونات المادية منخفضة المستوى مثل تمكين وضع السكون العميق أو القراءة من أجهزة الحساسات المتصلة عن طريق استخدام بروتوكولات معينة، ستحتاج على الأرجح إلى الاعتماد على المكتبات الخاصة بالجهاز أو المكون والتي ستجعل شيفرتك أقل قابلية للنقل.

حواسيب أحادية اللوحة Single Board Computer

أجهزة الكمبيوتر ذات اللوحة الواحدة (SBCs) هي أجهزة تبعد خطوة واحدة عن كونها متحكمات دقيقة، لأنها تسمح لك بإلحاق أجهزة طرفية مثل لوحات المفاتيح، والماوس، والشاشات، بالإضافة إلى توفير المزيد من الذاكرة و قدرة المعالجة (على سبيل المثال، المعالج الصغري  1.2MHz ARM و 32 بت من الجدول 2 مقارنة بالمتحكم الدقيق 8  بت و16KHz من الجدول 1). يسرد الجدول 2 المواصفات الفنية لثلاث أنظمة على الشرائح و هي:

الشكل 2. Raspberry Pi الحاسوب أحادي اللوحة

Raspberry Pi الحاسوب أحادي اللوحة

يعتبر التمييز بين المتحكمات الدقيقة والحواسيب ذات اللوحة الواحدة أمراً عشوائياً إلى حد ما. بعض الأجهزة مثل Onion Omega 2 تقع في مكان ما بينهما مع قدر كبير من الذاكرة على اللوحة وقدرة المعالجة تتفق مع اللوح الطرفي. وهناك أيضاً عدد من الأجهزة الهجينة، مثل UDOO Quad والذي يدمج نظام تشغيل لينكس المعتمد على ARM مع المتحكم الدقيق المتوافق مع أردوينو.

الجدول 2. المواصفات الفنية لـ Raspberry Pi 3 و BeagleBone Black و DragonBoard SBCs

Characteristic

Feature

Raspberry Pi 3 Model B

BeagleBone Black

Qualcomm DragonBoard 410c

Data acquisition and control

GPIO pins

40 I/O pins, including 29 Digital

65 Digital – 8 PWM
7 Analog in

12 Digital

Logic level voltage

3.3V5V

1.8V

Data processing and storage

Processor

ARM Cortex A53AM335X ARM Cortex A8ARM Cortex A53
Processor speed1.2GHz1 GHz1.2 GHz
Memory1 Gb4 Gb

1Gb, 8Gb Flash

Connectivity

Network Interfaces

Wifi, Ethernet, BluetoothEthernet,
USB ports allow external wifi / Bluetooth adaptors

Wifi, Bluetooth, GPS

Power

Recommended Power Supply

5V 2.5A micro USB port

5V 1.2A – 2A barrel

6.5 to 18V 2A barrel

Other

Dimensions

3.4 x 2.2 in3.4 x 2.1 in

3.3 in x 2.1 in

Typical cost$35$55

$75

كما هو الحال مع وحدات التحكم الدقيقة، يمكن توسيع قدرات جهاز الحاسوب أحادي اللوحة من خلال إضافة لوحات توسيع قابلة للتكديس تعرف باسم القبعات على Raspberry Pi والرؤوس على BeagleBone Black، ومن خلال إضافة وحدات خارجية، مثل وحدات التحكم في المحركات أو المحولات التناظرية إلى الرقمية، لتخفيف القيود مع قدرات الجهاز المضمنة.

تشبه العديد من أجهزة الحاسوب أحادي اللوحة أجهزة الكمبيوتر الصغيرة، وتعمل بنظم تشغيل مدمج، عادةً ما يكون نظام  Linux مبسّط. ونتيجة لذلك، هناك العديد من أدوات التطوير والخيارات اللغوية المتوفرة لتطوير التطبيقات المضمنة التي تعمل مع الحساسات والمحفزات الموجودة على هذه الأجهزة أكثر من لوحات التحكم الدقيقة. ومع ذلك، تعد أجهزة الحاسوب أحادية اللوحة أكثر تعقيدًا، وأكثر تطلبا للطاقة، وأكثر عرضة لمشاكل مثل تلف بطاقة SD أو ذاكرة فلاش حيث يتم تخزين التطبيقات.

الاختيار بين لوحات تطوير المتحكمات الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة

 على الرغم من أن لوحات تطوير المتحكمات الجاهزة وأجهزة الكمبيوتر ذات اللوحة الواحدة قد تساعدك على قطع جزء من الطريق نحو تطبيق إنترنت الأشياء الكامل تماماً، إلا أنها رائعة في تطويرها.

إحدى الطرق للبدء هي النظر في خصائص جهاز إنترنت الأشياء الرئيسية في ضوء متطلبات التطبيق الخاص بك، ثم العمل من خلال قرارات التصميم التالية:

  • تحديد نوع وعدد الحساسات الطرفية ومكونات الخرج التي تحتاجها، وإذا لزم الأمر، أي دوائر تصميم لهذه المكونات
  • حدد جهازاً متحكماً أو جهازاً أحادي اللوحة لتنسيق القراءة والتحكم في المكونات الطرفية
  • حدد بروتوكولات اتصال البيانات التي تحتاج إلى استخدامها للاتصال داخل الجهاز (على سبيل المثال، استخدام I2C للتواصل بين وحدة التحكم الدقيقة وأي حساسات متصلة)
  • حدد المكونات المادية وبروتوكولات الشبكة التي تحتاج إلى استخدامها للتواصل مع الخدمات والتطبيقات السحابية.

على سبيل المثال، لإعداد نظام التشغيل الآلي للمنزل وفقا للميزانية، سأختار Raspberry Pi Zero W، لأنه جهاز كمبيوتري أحادي اللوحة صغير ومنخفض التكلفة للغاية (حوالي 10 دولارات)، مع قدرة معالجة وذاكرة جيدة (1GHz ARM6 و 512 ميغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي) لأداء معالجة البيانات والتحليلات على الجهاز. وهو يدعم بطاقة ذاكرة فلاش  microSD بسعة تصل إلى 64 جيجابايت لتخزين البرامج والبيانات. ومجهز برأس ذو 40 بينز للادخال و الإخراج العام، تماماً مثل Raspberry Pi 3، والذي يتيح توصيل أجهزة حساسات متعددة ويدعم بروتوكولات SPI و I2C. لديها واي فاي على االلوح للتواصل مع شبكة منزلية، ويمكن أن تشحن بالطاقة من قبل منفذ USB من الطاقة المحمولة أو من مزود التيار الكهربائي.

مع تقدمك في تطوير نماذج لبرامج إنترنت الأشياء الخاصة بك والبرامج المُضمنة، بالإضافة إلى خدمات وتطبيقات المسار الأعلى، يمكنك تقييم النماذج الأولية بشكل دوري مقابل متطلباتك الوظيفية وغير الوظيفية بما في ذلك الأداء والموثوقية والأمان وإعادة النظر في هذه الاختيارات عند الضرورة.

متطلبات أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) لتشغيل مشروعك في إنترنت الأشياء

 تتسم أجهزة إنترنت الأشياء بدرجة عالية من التخصص وهي مصممة للعمل ضمن سياقات وبيئات محددة للغاية، وبالتالي فإن متطلبات الأجهزة لمشاريع إنترنت الأشياء تختلف اختلافاً كبيراً. في حين يمكنك البدء بوضع النماذج الأولية باستخدام المكونات المادية العامة الجاهزة، أثناء تقدمك خلال عملية التحقق من التصميم المتكرر والمتطلبات، يمكنك في النهاية الانتقال إلى تصميم وتطويرمكونات لوائح الدارات المطبوعة ومكونات مخصصة تتناسب مع متطلباتك، والتي تنشرها في حلول تقنيات الإنتاج الخاصة بك. كجزء من هذه العملية، يجب مراعاة هذه الأنواع من متطلبات المكونات المادية:

  • متطلبات الأمن
  • سهولة التطوير
  • متطلبات الحصول على البيانات ومعالجتها وتخزينها
  • متطلبات الاتصال
  • متطلبات الطاقة
  • تصميم الجهاز المادي
  • متطلبات التكلفة

متطلبات الأمن

يعد الأمن عنصراً حاسماً في إنترنت الأشياء ويجب النظر إليه في جميع مراحل التصميم والتطوير. يجب أن تظل سلامة وأمن البيانات التي يتم التقاطها بواسطة الجهاز سليمة، حتى أثناء النماذج الأولية. تتعلق متطلبات الأمن بأمن أجهزة إنترنت الأشياء نفسها والشبكة وأمان الخدمات السحابية ذات الصلة والتطبيقات المتنقلة وتطبيقات الويب.

متطلبات الأمان ذات الصلة تتضمن:

  • التأكد من أن كل جهاز يحتوي على قدرة معالجة وذاكرة كافية ليتمكن من تشفير وفك تشفير البيانات والرسائل بمعدل إرسالها وتلقيها
  • التأكد من أن مكتبات تطوير البرامج المضمنة تدعم كل آليات التخويل والتحكم في الوصول المستخدمة للتوثيق مع خدمات وتطبيقات المنبع
  • اختيار اعتماد الأجهزة الجاهزة التي تقوم بتطبيق بروتوكولات إدارة الأجهزة لتسجيل الأجهزة الجديدة بأمان عند إضافتها إلى شبكة لتجنب الانتحال، وتلك التي تتضمن إمكانات البرامج الثابتة لدعم التحديثات الآمنة لاسلكيا لحزم الأمان

سهولة التطوير

عند وضع النماذج الأولية، فإن سهولة التطوير هو مطلب آخر ذي أولوية عالية بحيث يمكنك تشغيل جهاز إنترنت الأشياء بسرعة وسهولة التقاط البيانات والتواصل مع الأجهزة الأخرى والسحابة.

ضع في اعتبارك إمكانية الوصول، وتوافر وجودة وثائق واجهات البرمجة المتقدمة وأدوات التطوير والدعم المقدم من الشركة المصنّعة للأجهزة أو مجتمع التطوير. اختر الأجهزة السريعة وسهلة البرمجة، بالإضافة قابليتها للنشر بالقليل من الجهد، مع وجود تهيئة بسيطة أو معدومة لكل جهاز، لتخفيض الجهد وتوفير الوقت أثناء تطوير حل إنترنت الأشياء.

متطلبات الحصول على البيانات ومعالجتها وتخزينها

إن عدد الحساسات المتصلة، ودقة البيانات التي يتم التقاطها، ومعدل أخذ العينات يحدد حجم البيانات المراد معالجتها، مما يؤثر على متطلبات معالجة البيانات والتخزين.

يعتمد مقدار البيانات التي يجب الاحتفاظ بها على الجهاز على مدى تكرار اتصال الجهاز لنقل البيانات إلى أعلى. فالجهاز سلكي متصل دائماً يتم تثبيته في مبنى ذكي، والذي يرسل كميات قليلة من البيانات الخام مباشرةً إلى خادم متوافر بدرجة كبيرة، سيتطلب طاقة وتخزين بيانات أقل مقارنةً بجهاز يحتاج إلى معالجة كميات كبيرة من البيانات بمعدل حزم كبيرة الحجم كما سيتطلب الجهاز الذي يتصل فقط كل بضع ساعات للحفاظ على الطاقة تخزيناً أكبر لتسجيل البيانات محلياً في هذه الأثناء.

متطلبات الاتصال

تشتمل متطلبات التوصيل الخاصة بالشبكات اللاسلكية على نطاق التشغيل، أو إلى أي مدى ستحتاج لارسال الإشارة، بالإضافة إلى الحجم المتوقع ومعدل البيانات التي سيتم نقلها. ضع في الاعتبار التسامح مع الخطأ والقدرة على الجهاز لإعادة الاتصال وإعادة محاولة إرسال البيانات بعد فصلها.

قد يحتوي جهازك على اتصال شبكي مدمج مثل Bluetooth أو Wi-Fi، أو قد تحتاج إلى إضافة هذه الإمكانية مع لوحة توسعة أو وحدة نمطية. يمكن أن توفر الوحدة الخارجية التي يمكن ترقيتها مزيداً من المرونة، حيث يتوفر لديك خيار تجربة وحدات مختلفة لتقييم نطاقها واستهلاك الطاقة.

متطلبات الطاقة

العديد من المتطلبات الأخرى، بما في ذلك عدد الحساسات التي تحتاجها ومعدل نقل الشبكة، سيكون لها تأثير على متطلبات طاقة الجهاز. ضع في اعتبارك ما إذا كان جهازك سلكياً أم سيحتاج إلى مصدر طاقة محمول مثل بطارية إذا كان يتطلب بطارية، تحتاج إلى معرفة الحجم والوزن، ومتطلبات السعة للبطارية، وكذلك ما إذا كانت البطارية يجب أن تكون قابلة لإعادة الشحن، أو الاستبدال، أو ما إذا كان يجب التخلص من الجهاز بعد موت البطارية. إذا كان الجهاز قابل للشحن، فكم مرة يجب شحنه، وبأي وسيلة؟

متطلبات تصميم الجهاز المادي

تتضمن متطلبات تصميم الجهاز الفعلي مظهر وحجم الجهاز. يجب أيضاً مراعاة الظروف البيئية التي سيتم فيها تثبيت الجهاز، على سبيل المثال، هل ستحتاج إلى حاوية مقاومة للماء أو صلبة؟ على سبيل المثال، يجب حماية الجهاز المثبت على الجانب السفلي من الشاحنة كجزء من تطبيق مراقبة الأسطول لضمان استمرار العمل في ظل ظروف قاسية؛ ستحتاج إلى مقاومة للماء ومقاومة الأوساخ والصدمات والاهتزازات.

متطلبات التكلفة

تشتمل تكلفة الأجهزة على النفقات الأولية للأجهزة والمكونات المرتبطة بها (مثل الحساسات) بالإضافة إلى تكاليف التشغيل المستمرة، مثل تكاليف الطاقة والصيانة على شكل استبدال الأجزاء البالية أو المكونات المعيبة. قد تحتاج أيضًا إلى دفع رسوم ترخيص مستمرة لبعض المكونات أو برامج تشغيل الأجهزة. قد يكون شراء عدد قليل من لوائح التطوير المتاحة تجارياً أو أجهزة الحواسيب أحادية اللوحة أكثر تكلفة من إنتاج مجموعات صغيرة من اللوحات المخصصة في المراحل الأولى من التطوير؛ ومع ذلك، عندما تبدأ في الارتقاء إلى العشرات أو المئات من الأجهزة، قد تصبح الأجهزة المخصصة أفضل قيمة.

الخلاصة

لا يوجد نهج واحد يناسب الجميع لاختيار المكونات المادية لمشاريع إنترنت الأشياء. إن اعتماد أجهزة سلعية قائمة على المعايير مثل المتحكمات الدقيقة أو أجهزة الكمبيوتر ذات اللوحة الواحدة يمكن أن يوفر الوقت والمصروفات في المراحل الأولى من التطوير، دون التضحية بالمرونة. يمكن أن يساعدك ما تتعلمه في مرحلة النماذج الأولية من استخدام قرارات تصميم الأجهزة الهامة عند الانتقال إلى نشر حل إنترنت الأشياء الخاص بك.

Leave A Reply

Your email address will not be published.