ما تحتاج لمعرفته حول إنترنت الأشياء: برنامج تعليمي أساسي

حول إنترنت الأشياء اليوم تقريبًا من كل حديد ("ذكي"). علاوة على ذلك ، في مثل هذه المحادثات ، عادة ما يتم تفويت الأشياء الأساسية: ما هي إنترنت الأشياء ، وما هي مكوناتها ، ومن يمكنه الإجابة على هذه الأسئلة كـ "هيئات معتمدة". وفي الوقت نفسه ، هذه القضايا هي ذات الصلة للغاية. لذا ، دعنا نقول ، لديك (الحديث عن إنترنت الأشياء) الحديد "الذكي" - هل ينتمي إلى إنترنت الأشياء؟ في هذا المنشور ، سنتحدث عن بنية إنترنت للأشياء: المكونات التي تتكون منها ، والتكنولوجيات ذات الأهمية الخاصة ، والحلول التي يمكن أن تبسط النشر الشامل ، والمسؤول عن إنترنت الأشياء في العالم.

ما هو إنترنت الأشياء؟

تعرف شركة Gartner البحثية IoT بأنها شبكة من الكائنات المادية التي تحتوي على أدوات للتفاعل مع البيئة الخارجية وبينها ، وكذلك لنقل المعلومات حول حالتها وأوامر الاستلام.

يقدم McKinsey تعريفًا أقل تجريدًا: IoTs عبارة عن أجهزة استشعار ومحركات أقراص مدمجة في الأجهزة المادية ومتصلة بالإنترنت عبر شبكات سلكية أو لاسلكية.

لا يقتصر الأمر على شركات تصنيع الأجهزة فحسب ، بل تشارك أيضًا المنظمات المتخصصة في تطوير إنترنت الأشياء ، بما في ذلك الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) واتحاد الإنترنت الصناعي و IETF.

في توصيات Y.2060 للاتحاد الدولي للاتصالات ، والمسمى نظرة عامة على إنترنت الأشياء ، يظهر إنترنت الأشياء على أنه "بنية أساسية عالمية توفر خدمات معقدة عن طريق توصيل الأشياء المادية والافتراضية القائمة على وتطوير تكنولوجيات المعلومات والاتصالات القابلة للتشغيل المتبادل." يعني شيء في هذا التعريف كائنًا في العالم المادي أو الظاهري يمكن التعرف عليه وتوصيله بشبكات الاتصال. يمثل الجهاز في سياق إنترنت الأشياء قطعة من المعدات التي لديها إمكانات الاتصال الضرورية ويمكنها القياس والتشغيل في ظل ظروف معينة وإدخال البيانات وتخزينها ومعالجتها.

أنواع أجهزة إنترنت الأشياء وتفاعلها. المصدر: ITU-T Y.4000 / Y2060

كما أوصى به قطاع تقييس الاتصالات في الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-T) ، فإن إنترنت الأشياء عبارة عن شبكة من الأجهزة ذات الصلة الوثيقة بالأشياء. تتفاعل اللمس والمحركات مع الأشياء المادية في البيئة. تقرأ أجهزة جمع البيانات المعلومات من الأشياء المادية أو تكتبها إلى الأشياء المادية ، وتتفاعل مع أجهزة نقل البيانات أو حاملات البيانات المتصلة أو المتصلة بكائن مادي.

بمعنى آخر ، إنترنت الأشياء هي:

الأجسام المادية / الافتراضية
+
تحكم / مجسات / مشغلات
+
الانترنت

وبالتالي ، فإن المثال المادي لعنصر إنترنت الأشياء هو كائن

• ذكي: لديه متحكم وبرمجيات للتحكم ؛
• يمكن إبلاغ أو التصرف: يحتوي على جهاز استشعار لقياس أي معلمات المادية أو مشغل يمكن التحكم في تشغيله ؛
• متاح عبر الشبكة.

تحتوي توصيات Y.2060 أيضًا على النموذج المرجعي لإنترنت الأشياء ، الذي يعمل كأساس للتوحيد القياسي. تتيح بنية المرجع للمطورين فهم الميزات المطلوبة في إنترنت الأشياء وكيف يتفاعلون.


نموذج مرجع إنترنت الأشياء. المصدر: ITU-T Y.4000 / Y2060

يتم تطوير هندسة إنترنت الأشياء أيضًا بواسطة منتدى إنترنت الأشياء العالمي (IWT). هذا هو الحدث السنوي الذي يشارك فيه ممثلو الشركات والولايات والأوساط الأكاديمية. نشرت لجنة هندسة IWF نسختها من النموذج المرجعي لإنترنت الأشياء في عام 2014. إنه يكمل جيدًا الخيار الذي اقترحه قطاع تقييس الاتصالات ، نظرًا لأن IWF لا يهتم فقط بمستويات الأجهزة والبوابة ، ولكن أيضًا بالمستويات العليا ، والتي تعتبر أكثر أهمية لتطوير التطبيقات والوسيطة ودعم الإنترنت الصناعي للأشياء.


نموذج مرجعي لإنترنت الأشياء وفقاً لـ IWF. المصدر: سيسكو

ما هي العناصر الرئيسية لإنترنت الأشياء؟

الأول هو البروتوكولات. بروتوكولات الإنترنت القياسية إما أن تكون زائدة عن الحاجة لإنترنت الأشياء ، أو لا توفر الخصائص اللازمة للحالات التي تتطلب وقت استجابة قصير وموثوقية عالية للشبكة. بالإضافة إلى ذلك ، عادةً ما يكون أداء معالجات أجهزة إنترنت الأشياء منخفضًا للحفاظ على انخفاض استهلاك الطاقة. يتطلب ذلك تطوير بروتوكولات الشبكة المصممة خصيصًا للاستخدام على إنترنت الأشياء.

تشارك العديد من مجموعات العمل داخل IETF و W3C في هذا. على سبيل المثال ، تتم معالجة تكييف IPv6 للشبكات المضيفة ذات الموارد المحدودة بواسطة مجموعة العمل 6lo. لقد ورثت هذه المجموعة تطوير مجموعة 6LoWPAN ، التي طورت أساليب لضغط رؤوس الحزم وتحسين اكتشاف الجوار. تركز مجموعة 6lo على مجموعة واسعة من البروتوكولات: تقنية Bluetooth Low Energy و ITU-T G.9959 و DECT Ultra Low Energy بالإضافة إلى بروتوكول MS / TP لشبكات RS-485.

تبدو قائمة مجموعات عمل IETF IoT الأخرى وما يفعلونه كما يلي:

• DICE - DTLS في البيئات المقيدة - ملف تعريف TLS / DTLS المناسب للأجهزة ذات الموارد المحدودة ؛
• ACE - المصادقة والترخيص للبيئات المقيدة - (RFC
• 7744) - آليات المصادقة للوصول إلى الموارد في البيئات المحظورة ؛
• COSE - CBOR توقيع الكائن والتشفير - النظير CBOR المبسطة
• للتوقيع و طرق التشفير ؛
• 6TiSCH - IPv6 عبر وضع TSCH لـ IEEE 802.15.4e - تنفيذ IPv6 للقفز بين القنوات ذات الوقت المحدد ؛
• LWIG - إرشادات التنفيذ خفيفة الوزن (RFC 7228) - المصطلحات العامة للشبكات ذات العقد المحدودة (CoAP و IKEv2) ؛
• ICNRG - الشبكات التي تركز على المعلومات - قابلية تطبيق تقنيات سيناريوهات إنترنت الأشياء ؛
• CFRG - Crypto Forum - طرق التشفير الأساسية المناسبة لإنترنت الأشياء.

لا تقل أهمية تقنية إنترنت الأشياء عن اتصال الجيل الخامس. يتطلب تنفيذ العديد من سيناريوهات استخدام إنترنت الأشياء ترقية شبكات البيانات إلى 5G. يمكن لشبكات الجيل الخامس أن تقلل من زمن الانتقال ويمكن أن تتكيف مع التطبيقات التي تتضمن اتصالات متعددة ، وتساعد في تقليل استهلاك الطاقة والحصول على معدل نقل بيانات ضخم للهاتف المحمول: أكثر من 10 جيجابت / ثانية. في هذه الحالة ، يتم تقليل تأخير الإشارة في 5G إلى 1 مللي ثانية. للمقارنة ، في 4G هو التأخير 10 مللي ثانية ، وفي 3G - 100 مللي ثانية.

توجد المستشعرات في الجزء السفلي من حزمة التقنية التي تشكل النموذج المرجعي لإنترنت الأشياء. أنها توفر التفاعل بين العالم المادي والظاهري ، وجمع البيانات التناظرية وتحويلها إلى شكل رقمي. لنقل المعلومات التي تم جمعها ، تتصل أجهزة الاستشعار بالشبكة وتتفاعل مع الخوادم والبوابات باستخدام بروتوكولات Bluetooth و NFC و RF و Wi-Fi و LoRaWAN و NB-IoT.


أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار. المصدر: CircuitDigest

تقوم المستشعرات نفسها بتسجيل الكمية الفعلية فقط وتحويل القيمة المقاسة إلى تنسيق رقمي لإرسالها إلى المتحكم الدقيق ، وهو الجزء "الذكي" من المستشعر.


توشيبا 32C100U2 مجلس استشعار الأشعة تحت الحمراء الاستشعار

تطوير التكنولوجيا يجعل أجهزة الاستشعار المدمجة للغاية. على سبيل المثال ، فإن مستشعر التسارع BHA250 14 بت المصنّع بواسطة Bosch Sensortec له أبعاد 2.2 × 2.1 × 0.95 مم ، ولكنه يحتوي أيضًا على متحكم دقيق 32 بت.

أخيرًا ، تلعب منصات إنترنت الأشياء دورًا مهمًا. وفقًا لتقرير McKinsey ، يرتبط حوالي 40٪ من القيمة الاقتصادية لإنترنت الأشياء بقدرة التشغيل البيني ، أي كيفية تفاعل الأجهزة مع بعضها البعض. للكشف عن جميع مزايا إنترنت الأشياء ، ليست هناك حاجة إلى قنوات اتصال سريعة وبروتوكولات فعالة من حيث التكلفة ، ولكن أيضًا توحيد جميع مستويات إنترنت الأشياء وفقًا للنماذج المرجعية.

تعمل منصات إنترنت الأشياء على إزالة شدة هذه المشكلة جزئيًا ، ومع ذلك ، لا توجد وحدة بينها. اعتبارًا من منتصف عام 2017 ، قام IoT Analytics بحساب 450 شركة تقدم منصات IoT الخاصة بهم. هذا الرقم أقل من قائمة أجهزة إنترنت الأشياء المصنعة في العالم ، ولكنه أكثر من اللازم لإنشاء مشكلات التوافق.

ما هي منصات إنترنت الأشياء ولماذا يحتاجون إليها؟

باختصار ، هذه هي الحلول التي توفر اتصالًا موحدًا بين أجهزة نهاية إنترنت الأشياء وخدمات معالجة البيانات. ولشرح سبب أهميتها ، سنبدأ من بعيد.

وجدت دراسة سيسكو أن 75 ٪ من المشاريع المتعلقة بإنترنت الأشياء تفشل. حضر الاستطلاع أكثر من 1800 مدير تنفيذي من الشركات وقادة تكنولوجيا المعلومات ، وكان الغرض من المسح هو تحديد العوائق الرئيسية أمام إدخال إنترنت الأشياء في المؤسسات. وفقًا لنتائج الدراسة ، فإن العقبات الرئيسية أمام المنظمات التي ترغب في تنفيذ إنترنت الأشياء هي تكاليف وتوقيت المشاريع. وكان عامل التوقف الآخر هو معرفة الخبراء المحدودة بالموظفين.

يمكن حل هذه المشكلات عن طريق استخدام الحلول التي توفر تفاعلًا موحدًا بين أجهزة نهاية إنترنت الأشياء وخدمات معالجة البيانات ، وهي نفس منصات إنترنت الأشياء.

دعونا نوضح: إذا كانت الشركة لديها بالفعل أسطول من المعدات ، عند تطبيق إنترنت الأشياء ، سيكون من الضروري توصيله بالبنية التحتية الجديدة. في الوقت نفسه ، يمكن لبعض الأجهزة "القديمة" أن تؤدي وظائف الإنتاج الخاصة بها بنجاح ، ولكن لا يمكنها الاتصال بالإنترنت. استبدال هذه المعدات مع IoT متوافق مع تكاليف باهظة. سيؤدي ذلك إلى زيادة فترة الاسترداد ، حيث سيتعين عليك شطب الأجهزة والتجميعات التي تعمل بكامل طاقتها.

ولكن حتى لو كانت المعدات متوافقة مع إنترنت الأشياء ، يبقى السؤال حول ما هي البيانات التي يجب جمعها واستخدامها ، وكيفية إجراء تحليل متعمق للمعلومات التي تم جمعها وتقديم ملاحظات فورية. توفر منصات إنترنت الأشياء مجرد تكامل سلس للأجهزة باستخدام أنواع مختلفة من الاتصالات ، ونقل البيانات إلى الأجهزة المتصلة أو فيما بينها.

يتم تقديم منصات إنترنت الأشياء بواسطة العديد من شركات التكنولوجيا الفائقة وتكنولوجيا المعلومات. يطلق على تطوير Toshiba لدمج أجهزة وخدمات إنترنت الأشياء اسم SPINEX. في تطوير منصة SPINEX IoT ، تم استخدام خبرة Toshiba الواسعة في مجال الطاقة وإنتاج مكونات أشباه الموصلات وكذلك في مجال إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والتعرف على الصوت والفيديو (أي في كل ما نتحدث عنه بانتظام في Habr).


منصة SPINEX. المصدر: توشيبا

توفر SPINEX مساحة واحدة لجمع البيانات من الأجهزة والأجهزة والمنتجات المتصلة وتخزين وتصور وتحليل البيانات التي تم جمعها. من خلال استخدام بنية مفتوحة ، يمكن لـ SPINEX التعامل مع مختلف مزودي الخدمات السحابية والأجهزة. توفر المنصة للمستخدمين ثلاث تقنيات أساسية:

• الحوسبة الطرفية: لتقليل زمن الوصول إلى الشبكة وإجراء معالجة معقدة للبيانات ، تقسم SPINEX العملية إلى جزأين: يتم تنفيذ العمليات الأساسية في الوقت الفعلي على الأجهزة الحديثة ، والخوادم القوية في البنية التحتية السحابية تقوم بإجراء تحليلات متقدمة ؛
• الزوجي الرقمي: يستخدم SPINEX الذكاء الاصطناعي لبناء نماذج رقمية للكائنات الحقيقية ، مما يسمح لك بمراقبة التغييرات في البيئة بشكل أكثر فعالية ونقل الأوامر اللازمة إلى الأجهزة ؛
• تحليلات الوسائط: تُستخدم تقنية تحليل وسائط Toshiba لتحديد الصوت والصور بدقة.

في عام 2016 ، أطلقت Toshiba الخدمة السحابية المستندة إلى SPINEX IoT Standard Pack. الخدمة حل موحد للعديد من المهام المتعلقة بإنترنت الأشياء. يتيح لك نشر شبكة إنترنت الأشياء بسرعة في المؤسسة باستخدام القوالب لجمع البيانات وتوصيل الأجهزة بسرعة بالبنية التحتية للإنترنت باستخدام تقنية التوصيل والتشغيل.

ما مدى أهمية كل هذا وأين يتجه سوق إنترنت الأشياء؟

في بعض الأحيان ، يبدو أن عالم شجاعة إنترنت الأشياء ليس أكثر من صورة رائعة. هذا ليس كذلك. يشير تقرير Fortune Business Insights إلى أن سوق إنترنت الأشياء العالمي ، الذي بلغت قيمته 190 مليار دولار في عام 2018 ، سيصل إلى 1.11 تريليون دولار بحلول عام 2026 ، مما يدل على معدل نمو مجتمعة قدره 24.7 ٪ في السنة.


حجم إنترنت الأشياء توقعات حجم 2018-2026. المصدر: رؤى الأعمال فورتشن

من المتوقع أن يكون القطاع المصرفي وقطاع الخدمات المالية أكبر قطاع في السوق.

يفيد محللو شركة Gartner أنه في عام 2019 ، بلغ عدد أجهزة إنترنت الأشياء 14.2 مليار ، وتتوقع الشركة أيضًا أنه بحلول عام 2025 ، سيصل عدد الأجهزة المتصلة إلى 25 مليار.


توقعات IDC لنمو اتصال إنترنت الأشياء

تقدم IDCs توقعات أكثر تفاؤلاً : بحلول عام 2025 ، سيتم توصيل 152،200 جهاز بإنترنت الأشياء كل دقيقة. بضرب 152،200 في 525،600 (عدد الدقائق في السنة) ، نحصل على أنه في عام 2025 ، سيحتوي Internet of Things على حوالي 80 مليار جهاز.

وفقًا لدراسة إنترنت الأشياء ، فإن الإنترنت من التحول 2018 ، الذي نشرته شركة جونيبر للأبحاث وأمريكا الشمالية وأوروبا الغربية والشرق الأقصى والصين لا تزال أسواق إنترنت الأشياء الرئيسية. ستوفر هذه المناطق أكثر من 60٪ من إجمالي الدخل المتصل بإنترنت الأشياء.