اینترنت اشیاء، انقلابی در صنایع به واسطه ارتباطات

دسته‌بندی: متفرقه

مدتی می‌شود که عباراتی نظیر اینترنت اشیاء یا Internet of Things در اخبار فناوری به گوش می‌رسد و در زمینه‌های مختلفی اعم از کشاورزی، صنعت برق، لوازم خانگی و ... به کارگرفته می‌شود. این پدیده به واسطه ارتباط‌پذیر نمودن اشیاء علاوه بر منقلب نمودن مفاهیم موجود در حوزه "مدیریت منابع"، "اتوماسیون" و ... اقدام به افق گشایی برای عرضه مفاهیم جدید در جهت ارتقای کیفیت زندگی روزانه مینماید. در این مقاله به بررسی این مفهوم پرداخته خواهد شد.

پیشگفتار

ورود بنده به حوزه سامانه‌های پایشی مبتنی بر اینترنت اشیاء (Internet of Things یا IoT) به واسطه یک پروژه تحقیقاتی بین دانشگاه شهید بهشتی و توانیر بوده و به سال 1398 برمی‌گردد. دانش تولید شده در پروژه به شکلی عمیق شامل ابعاد کاربردی، سخت‌افزاری (طراحی، ساخت و ...)، نرم‌افزاری و ... می‌شد و به جهت نتایج امید بخش و وجود پتانسیل‌های فراوان در این زمینه تا به امروز همچنان درگیر توسعه سامانه‌های IoT محور هستم

در سال‌های اخیر ادبیات تولید شده در زمینه اینترنت اشیاء و اجزای دخیل در آن به میزان خوبی تولید شده و کتب مختلفی چه از نوع تالیف و چه از نوع ترجمه در کشور منتشر گردیده است. هرچند که هنوز جای کار بسیاری به خصوص از نقطه نظر کاربردهای تخصصی این پدیده وجود دارد. از جذابیت‌های این حوزه می‌توان به این امر اشاره کرد که به سبب تازگی خود بحث و پدید آمدن فرصت‌های جدید نظیر هوش مصنوعی، ارزان شدن میکروکنترلرها و میکروپروسسورهای کم مصرف و کارامد، قوی تر شدن روز افزون جامعه متن-باز (open sournce)، گسترش زیرساخت‌های رایانش ابری و ... نه تنها همچنان فرصت‌های کاری و پژوهشی فراوانی برای نقش‌آفرینی در این حوزه وجود دارد، بلکه این کار از همیشه نیز ساده‌تر و ارزان‌تر گردیده است. 

مقدمه

در جهانی که هر روز بیش از پیش در حال مرتبط و متصل شدن است، اینترنت اشیاء به عنوان یک فناوری انقلابی در حال پدید آوردن مفاهیم جدید در حوزه تعامل افراد و سازمان‌ها با محیط پیرامونی خود است. از خانه‌های هوشمند تا اتوماسیون در صنایع سنگین، اینترنت اشیاء پروسه تصمیم‌سازی و رویت‌پذیری را به واسطه در هم آمیختن سامانه‌های فیزیکی و واقعی با سامانه‌های دیجیتالی و مجازی به کلی منقلب نموده است. با گسترش اینترنت اشیاء این پدیده در حال پدید آوردن فرصت‌های جدید برای انجام کارهاییست که پیش از این ناممکن به نظر میرسید. در سالهای اخیر تقاطع مسیر اینترنت اشیاء با پیشرفت چشمگیر در حوزه هوش مصنوعی سبب شده تا افق های جدید برای ایجاد تغییرات بنیادین در مفاهیمی نظیر "مشاهده‌پذیری سیستم‌ها"، "اتوماسیون"، "مدیریت دارایی‌ها" و "ارتقای کیفیت زندگی انسان‌ها" پدید آمده که نوید دهنده فرصت‌های فراوان در آینده نزدیک است.

تاریخچه برقراری ارتباط بین اشیاء

بسته به این که از چه نظری به مفهوم اینترنت اشیاء نگاه شود، رد شروع برقراری ارتباط بین تجهیزات را می‌توان تا سال‌ها پیش و اختراع تلگراف توسط کارل فردریک گاوس در 1833 و برقراری ارتباط در فواصل دور توسط ویلهم وبر دنبال نمود. اگر نگاهی فلسفی داشته باشیم، مصاحبه‌ای جذاب از نیکلا تسلا با مجله Collier Weekly به تاریخ 30 ژانویه 1926 وجود دارد که ایده های او در رابطه با آینده ارتباطات و فناوری مطرح گردیده است. یکی از پیشبینی‌های عجیب او در این مصاحبه مربوط به "جهانی متشکل از تجهیزات مرتبط با یکدیگر به وسیله ارتباطات بیسیم" است! او پیشبینی می‌کند که در آینده مردم می‌توانند با استفاده از یک شبکه جهانی با یکدیگر و ماشین‌ها ارتباط داشته باشند. این پیشبینی شباهت عجیبی به آن چه امروزه ما IoT می‌نامیم دارد. بخشی از یک روزنامه که این مصاحبه را پوشش داده در شکل 1 ارائه گردیده است. 

شکل 1- برگی از یک روزنامه که مصاحبه نیکولا تسلا با مجله Collier را پوشش داده است
(تلفن های هوشمند، چیزی شبیه به واقعیت مجازی و ... نیز این متن به چشم میخورد!)

اما پدیدآمدن IoT مدرن به چه روزگاری بر می‌گردد؟ یکی از اجداد IoT امروزی، در دهه هشتاد میلادی توسعه یافت که ارتباطات ماشین-به-ماشین (M2M) را ایجاد می‌کند. ارتباط M2M این امکان را فراهم می‌نمود که دستگاه‌ها بدون دخالت انسان با یکدیگر ارتباط داشته باشند و استفاده اصلی این ایده در سامانه‌های پایشی و کنترلی استفاده شده در صنعت بوده است. در همین سال‌‌ها در دانشگاه Carnegie Mellon یک دستگاه فروش مکانیزه نوشابه به اینترنت متصل شد و کاربران می‌توانستند از طریق اینترنت از تعداد موجودی آن مطلع گردند. همین مسئله به نوعی از مسیر رو به رشد ریزپردازنده‌ها، حسگرها و راه های ارتباطی در آن روزها پرده برمیدارد که در آن زمان هنوز در دوران نوپایی خود به سر می‌بردند. هرچند که ضرب سکه عبارت "اینترنت اشیاء" به سال 1999 و به وسیله کوین اشتون (متخصص حوزه فناوری بریتانیایی) در سال 1999 و در یک ارائه باز می‌گردد. 

در سال‌های 2000 الی 2010، جهان با تغییرات تکنولوژیک متعددی روبرو بود که بسیاری از آن‌ها در جهت هموار نمودن راه توسعه هر چه بیشتر فناوری‌های مرتبط با IoTها بود. همه‌گیری اینترنت، پیشرفت در مخابرات بیسیم، کوچک شدن هر چه بیشتر تجهیزات پردازشی به این امر منتهی شد که بتوان اشیای مختلفی را به اینترنت متصل نمود. این پیشرفت تا حدی بود که در سال 2008، تعداد تجهیزات متصل به اینترنت از جمعیت جهان بیشتر شد. حال آن که در همین سال ها پدیده‌هایی نظیر توسعه پردازش ابری و کاهش هزینه های مرتبط با زیرساخت ها و تجهیزات مورد نیاز برای IoT، همانند یک شتابدهنده به پیشرفت هر چه سریع تر این فناوری منتهی شدند. 

IoT چیست؟

شرکت ها و سازمان های بزرگ هم کدام تعاریف متعددی را از نقطه نظرات مختلف ارائه کرده اند. اینترنت اشیا در مرکزیت خود عبارت است از شبکه‌ای از تجهیزات فیزیکی (از لوازم خانگی گرفته تاتجهیزات صنعتی) که دارای مجموعه‌ای از "حسگرها و ادوات رصد وضعیت"، "امکانات نرم‌افزاری" و "مخابراتی" هستند. این تجهیزات اقدام به تجمیع و تبادل داده نموده و این امر را ممکن می‌کنند که کاربران بتوانند به صورت زمان حقیقی (real-time) اقدام به بهینه‌سازی، بررسی و پایش عملیات‌ها و پردازش‌های خود نمایند. اجزای کلیدی اینترنت اشیا عبارت است از:

1- حسگرها: تجهیزاتی که اقدام به گردآوری اطلاعات (دما، فشار، حرکت، وضعیت کلیدها، وضعیت شیرها و ...) می‌نمایند. 

2- ارتباطات: فناوری های بیسیم یا سیمی برای انتقال داده ها بین تجهیزات و سیستم ها.

3- پردازش اطلاعات: سکوهایی که از آن ها به منظور تحلیل داده ها و قابل استفاده نمودن آن ها مینمایند.

4- رابط کاربری: داشبوردها، نرم افزارها و هرآنچه که کاربران را قادر نماید تا با سیستم در تعامل باشند.

شکل 2- شمایی ساده از آرایش اجزا در اینترنت اشیاء
(توجه داشته باشید که این دیاگرام یک مثال ساده با هدف نمایش کلیات موضوع است)

کاربرد 

یکی از اساتید این حوزه می‌گفت: "برای برشمردن کاربردهای IoT، این که بگوییم این فناوری در چه حوزه‌هایی کاربرد ندارد، به مراتب ساده‌تر از آن است که موارد کاربرد آن را شمارش کنیم." از زندگی روزانه و مواردی نظیر خانه‌های هوشمند، تجهیزات هوشمند پوشیدنی، حمل و نقل و امثالهم گرفته تا کشاورزی، دامداری اینترنت اشیا به واسطه ارتباط پذیر، رویت پذیر و کنترل پذیر نمودن دارایی ها به افزایش بهره وری و کاهش هزینه ها می انجامد. کاربری اینترنت اشیا در صنعت به حدی وسیع است که منجر به تولد مفهوم جدیدی تحت عنوان IIoT یا Industrial IoT گردیده است. تعمیر نگهداری پیشگیرانه (پایش سلامت تجهیزات، تشخیص اشکالات احتمالی و ...)، بهینه‌سازی چرخه تامین (رهگیری برخط مواد اولیه، مدیریت انبار و کاهش تلفات) و ایمنی کارکنان از جمله صدها استفاده های IoT در صنعت است. 

IoT و صنعت برق

در شبکه های برق نیز این فناوری کاربردهای فراوانی دارد. با توجه به قرابت این حوزه کاربری به تحصیلات بنده میبایست بگویم که نه تنها فرصت های IoT در صنعت برق بیشمار است، بلکه حتی کمپانی های بزرگ بین المللی نیز زنجیره ای از راهکارهای مبتنی بر IoT را به عنوان یک "اکوسیستم فناورانه مبتنی بر IoT" صورت بندی و روانه بازار نکرده اند و از این رو جای کار بسیاری برای شرکت های نوپا و خلاق وجود دارد. کاربری IoT در صنعت برق در فاز سیال خود بوده و بر خلاف برخی راهکارهای اتوماسیون و پایشی پیشین هنوز فرمی سخت و محکم به خود نگرفته و فرصت بازیگری و بازی‌سازی فراهم است. 

کاربردهای اینترنت اشیاء شامل بر (و نه محدود به) مدیریت دارایی‌ها، تعمیر نگهداری پیشگیرانه، ارتقای بهره‌وری و بازدهی، ارتقای پایش پذیری شبکه و دارایی ها، بهبود تصمیم سازیها (تعمیر نگهداری، سرمایه‌گذاری و طرح‌های توسعه‌ای)، کاهش خاموشی ها و استفاده بهینه از دارایی‌های موجود می‌شود. 

برای مثال در نیروگاه‌های بادی استفاده از IoT این امکان را پدید می‌آورد تا پایشی زمان حقیقی از پارامترهایی نظیر توان خروجی، ولتاژ و جریان فازها، سرعت و جهت باد، دمای محیط و میزان رطوبت، میزان لرزش سازه و ... صورت گیرد. برای نمونه شرکت انویژن انرژی (envision energy) چین که یکی از پیشگامان این حوزه است به واسطه نصب بیش از 150 حسگر در هر نیروگاه بادی اقدام به پایش پارامترهای بهره برداری و عملکردی نموده و با استفاده از این داده‌ها و داده‌های تجمعی تاریخی پارامترهای مکانیکی بهره‌برداری را به گونه‌ای تغییر میدهد که بازدهی توربین حداکثر گردد. همچنین با استفاده از تحلیل‌های صورت گرفته بر این داده ها امکان پیشبینی بروز خرابی ها و عیوب احتمالی چه در توربین و چه در سازه آن سبب شده تا از بروز خسارت های کلان اجتناب گردد. کاربری‌های مشابه در نیروگاه های خورشیدی، نیروگاه های حرارتی، پست های توزیع، فوق توزیع و انتقال و شبکه های توزیع و انتقال نیز وجود دارد. 

چالش های عملیاتی

از مزایای IoT و کاربردهای آن گفته شد اما در کنار هر فرصت و مزیتی چالش های متعددی نیز وجود دارد. سامانه های مبتنی بر IoT به جهت ارتباط با اینترنت و اتکا به زیرساخت های کامپیوتری همواره با تهدید بروز حملات سایبری و یا حتی سرقت اطلاعات مواجه هستند. این در حالیست که خبرهای مرتبط با حملات سایبری روز به روز افزایش یافته و تهدید این دست از حملات در سامانه هایی که ارتباطی دو طرفه بین لایه سیستم و تجهیزات برای اعمال تغییراتی در خود شیء وجود دارد، به مراتب بیشتر  است. در این سیستم های دو طرفه بازیگران مخرب و هکرها میتوانند با اجرای عملیات خود در حوزه سایبری و مجازی منجر به بروز خسارات متعدد در حوزه فیزیکی و واقعی شوند. از این جهت است که بهره گیری از الگوریتم‌های قدرتمند اعتبار سنجی و رمزنگاری در چنین سامانه هایی از اهم موارد است. 

مشکل دیگر زمانی رخ می‌دهد که گروهی بزرگ از تجهیزات در سامانه IoT حضور داشته باشند. قاعدتا در چنین شرایطی به واسطه این که هر دستگاه در بسته به کاربرد خود و در طول مدت بهره برداری اقدام به ارسال حجم بزرگی از داده به زیرساخت های پردازش و ثبت اطلاعات مینماید از یک سو بار پردازشی و از سویی دیگر فضای ذخیره سازی بزرگی را طلب میکند. در برخی از موارد ممکن است ماهیت سامانه به گونه ای باشد که در ابتدای کار حجم پردازشی چندان زیاد نباشد اما به مرور زمان بر تعداد اشیاء متصل به سیستم افزوده شده در هر مقطع زمانی بسته به شمار دستگاه های متصل شده بر چالش های نامبرده افزوده شود. از این رو بد نیست که در زمان طراحی سامانه های IoT همواره از رویکردهایی استفاده شود که سامانه با حداقل زحمت لازم گسترش پذیر باشد. این امر در زمانه ما و به واسطه وجود سامانه های مبتنی بر رایانش ابری و گسترش میکروسرویس ها راحت تر و ارزان تر از همیشه است. 

همانطور که در ابتدای این مقاله هم بدان اشاره شد بحث برقراری ارتباط بین تجهیزات به سال ها قبل از مطرح شدن IoT بازمیگردد. این امر سبب میشود که در سامانه های پایشی و کنترلی موجود تجهزاتی وجود داشته باشند که لزوما سازگاری با پروتکل ها و ارتباطات مدرن استفاده شده در سامانه های IoT امروزی را نداشته باشند. هرچند که هیچ مشکلی لاینحل نبوده و در بسیاری از موارد راهکارهایی مبتکرانه برای استفاده از ظرفیت دارایی های پایشی موجود (چه به عنوان یک راهکار موقتی و چه دائمی) طراحی شده، اما در هر صورت این موضوع میتواند چالشی بزرگ و دست اندازی قابل توجه در مسیر گسترش IoT باشد. 

در رابطه با چالشهای ارتباط گرفتن با تجهیزات قدیمی تر صحبت شد، اما چالش به این جا ختم نمیشود. به دلیل تازگی بحث و نبود استانداردهای ریشه دار (همان بحث سیال بودن موضوع که ذکر شد) در بسیاری از موارد ممکن است راهکارهای طراحی شده برای استفاده در سامانه های مبتنی بر IoT توسط دو شرکت مختلف با یکدیگر سازگار نباشند. 

یکی دیگر از چالش های پیش رو که کمتر به آن پرداخته میشود، تغذیه الکتریکی تجهیزات است! برای نمونه ممکن است یک شیء مشخص که قصد اضافه کردن آن را به سامانه داریم لزوما برقی نباشد. لذا نیاز است تا تدابیری اتخاذ شود که این شیء یا مبتنی بر باتری بوده یا توان تولید توان به شکل محدود و ذخیره سازی آن (نظیر استفاده از سلولهای خورشیدی در برخی از حسگرها) را داشته باشد. در صورت استفاده از باتری همواره چالش های مربوط به شارژ دشارژ باتری ها و امثالهم وجود دارد. در حوزه های دیگر تکنولوژی در حال دیدن جرقه هایی از شیوه های جدید برای تامین انرژی مورد نیاز برای حسگرها هستیم. برای نمونه فناوری های فشار برقی یا پیزوالکتریک و یا تکنولوژی های مبتنی بر MEMS. این امید وجود دارد که با پیشرفت در این قبیل فناوری ها این امکان ایجاد شود که تجهیزات پردازشی از بعد تامین انرژی خود کفا شده و کاربرد IoT از آنچه هست نیز فراگیرتر و ارزان تر شود.

برخی منابع الهام بخش این مقاله:

"اینترنت اشیاء و صنعت برق"، زینب موحد، سیدعلی اصغر بهشتی شیرازی، شهرام جدید، سید محمد شهرتاش، محمود لشگری، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، چاپ اول 1399.