اینترنت اشیا چیست؟ پیدایش تا کاربرد و ساختار IOT

با بیشتر شدن تعداد دستگاه‌های فیزیکی، وسایل نقلیه و لوازم خانگی در سال‌های اخیر، کنترل و تنظیمات آن‌ها نیاز به هزینه و صرف انرژی زیادی دارد. این در صورتی است که بخش اعظمی از این تجهیزات را می‌توان با متصل کردن به شبکه‌های اینترنتی مدیریت کرد. اینترنت اشیا (Internet of things) که به اختصار به آن IOT گفته می‌شود بستری را فراهم می‌کند تا تجهیزات از طریق پروتکل‌های اینترنت (TC/IP) با همدیگر یا مدیر شبکه بتوانند ارتباط برقرار کند. IOT ما را به جهان بی‌مرز اینترنت اشیا متصل می‌کند و با ادغام دنیای دیجیتال و دنیای فیزیکی سبک زندگی انسان را تحت تاثیر قرار داده و با بالا بردن بهره‌وری باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود.

در این مطلب قرار است به این سوال پاسخ دهیم که اینترنت اشیا چیست و در مورد کاربردهای آن صحبت کنیم. تا انتهای مطلب با ما همراه باشید.

اینترنت اشیا چیست؟

اصطلاح اینترنت اشیا به ارتباط بین دستگاه‌های محاسباتی، ماشین‌های مکانیکی و دیجیتال در بستر اینترنت بدون نیاز به دخالت انسان اشاره دارد. در این دستگاه‌ها قطعات هوشمندی برای ایجاد ارتباط با سیستم مرکزی و جمع‌آوری و ارسال داده‌های دریافتی از محیط اطراف تعبیه شده است.

داده‌هایی که حسگرها جمع‌آوری می‌کنند به نوع دستگاه و وظیفه آن بستگی دارد. دستگاه‌ها داده‌های اساسی را برای اجرای یک عمل مشخص، انتخاب می‌کنند تا از آن‌ها برای تصمیم‌گیری کمک بگیرند. برای مثال حسگرهای صدا، داده‌های مربوط به تغییر سطح صدا را جمع‌آوری و به مرکز پردازش داده ارسال می‌کنند تا میزان سر و صدای محیط اندازه گیری شود.

در واقع هدف اینترنت اشیا این است که از طریق ایجاد ارتباط بین حس‌گرها و دستگاه‌ها با اینترنت، ارتباط و تعامل میان دستگاه‌های متصل به شبکه را راحت‌تر کند. از طرفی کاربران امکان مشاهده و کنترل تجهیزات را داشته باشند.

دلایل اهمیت اینترنت اشیا

اینترنت اشیا یک فناوری است که به مردم کمک می‌کند هوشمندانه‌تر زندگی کنند و ابعاد مختلف زندگی خود را بتوانند راحت‌تر کنترل کنند. البته این هوشمند سازی تنها زمانی مفید است که باعث آسانتر شدن کارها شود نه اینکه پیچیدگی بیشتری به آن اضافه کند.

امروزه داشتن دقت و سرعت عمل در انجام کارها بسیار اهمیت دارد. به همین دلیل است که فناوری‌هایی مانند IOT مورد توجه مردم قرار گرفته است. زیرا اینترنت اشیا با اضافه کردن قابلیت دریافت یا ارسال داده یا دریافت و ارسال داده به صورت همزمان به اشیا، آن‌ها را هوشمند می‌کند. این هوشمندسازی باعث انجام خودکار کارها می‌شود و نیاز به دخالت انسان به حداقل خود می‌رسد.

تاریخچه رشد و تکامل IOT

در سال ۱۹۸۲ دانشمندان دپارتمان علوم کامپیوتر دانشگاه کارنگی ملون (Carnegie Mellon University) در پیتسبورگ پنسیلوانیا روی ایده ساخت ماشین‌های هوشمند تحقیقات خود را آغاز کردند. آنها موفق شدند تا یک دستگاه فروش کوکاکولا را به میکرو‌سوئیچ‌ها مجهز کنند. هاب دستگاه با یک برنامه استعلام وضعیت همراه بود که با اتصال به شبکه آرپانت (APRANET) از راه دور وضعیت موجودی یخچال را بررسی می‌کرد. حسگرها اطلاعات مربوط به مقدار و دمای بطری‌های کوکا کولا را جمع‌آوری می‌کردند.

در کتاب نیل جرشنفلد (Neil Gershenfeld) از دانشگاه MIT، ایده هوشمند سازی اشیا توضیح داده شد. با اینکه در این کتاب به صورت مستقیم صحبتی از اینکه اینترنت اشیا نشده است، اما یک دید کلی از آنچه IoT نام گرفته در آن مطرح شده است. ایده افزودن حسگرها به اشیا و هوشمندسازی آن‌ها در طول دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ بارها مورد بحث قرار گرفت. اما از آنجایی که تراشه‌ها خیلی بزرگ و حجیم بودند و هیچ راهی برای برقراری ارتباط موثر بین اجسام وجود نداشت. نتایج تلاش‌ها چندان موفقیت آمیز نبود. 

در سال ۱۹۹۹ اصطلاح اینترنت اشیا توسط کوین اشتون (Kevin Ashton) برای اولین بار مطرح شد. ایده او استفاده از تگ‌های ار اف ای دی (RFID) در خط تولید لوازم آرایشی این شرکت بود. تگ RFID از یک مدار الکترونیکی برای ذخیره اطلاعات و یک آنتن برای انتقال و دریافت سیگنال تشکیل شده است.

شرکتی که اشتون تأسیس کرد تا سال ۲۰۰۳ بیش از صد حامی مالی و چندین شعبه در سراسر جهان داشت. در همان دوره بیش از ۲۰ نوع دستگاه هوشمند مجهز به اینترنت اشیا تولید شد. مدتی بعد،‌ استارتاپ‌های اینترنت اشیا از گوشه و کنار سر برآوردند. استارتاپ‌ نست لبز (Nest Labs) در سال ۲۰۱۰ شروع به تولید ترموستات و آشکارساز دود هوشمند با قابلیت یادگیری کرد. در سال ۲۰۱۴، گوگل این استارتاپ را به قیمت ۳٫۲ میلیارد دلار خرید.

با افزایش دسترسی به اینترنت و شبکه‌های سلولی و بی‌سیم به مرور این قابلیت به وجود آمد که تقریباً همه چیز به اینترنت متصل شود. به طوری که اکنون تاکید بر کاربری دستگاه‌های هوشمند در خانه‌ها و دفاتر کار است. البته فناوری زیرساخت لازم برای رشد اینترنت اشیا مانند تکنولوژی حسگر، ارتباطات ۵G و تجزیه و تحلیل مبتنی بر یادگیری ماشینی و وب ۳ هنوز در مراحل توسعه هستند.

معماری اینترنت اشیا و معرفی لایه‌های آن

اینترنت اشیا یک معماری لایه‌‏ای متشکل از دستگاه‌ها و اشیای مختلف است که می‌توانند با استفاده از آنچه ارتباط ماشین به ماشین (Machine to machine) نامیده می‌شود با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. معماری این اکوسیستم توانایی انتقال داده‌ها را در زمان واقعی و با کمترین میزان دخالت انسان ایجاد می‌کند. هر یک از لایه‏‌ها در این اکوسیستم مسئولیت‏‌ تعریف شده‏‌ای دارند که در ادامه توضیح می‌دهیم:

لایه حسگرها

مهمترین مؤلفه‌ در فناوری اینترنت اشیا، سنسورهایی هستند که روی دستگاه تعبیه می‌شوند. حسگرها با محیط فیزیکی ارتباط برقرار می‌کنند. یک حسگر تغییرات محیط اطراف را حس می‌کند و این تغییرات را ثبت می‌‌کند. آنها داده‌ها را جمع‌آوری کرده و این اطلاعات را ذخیره می‌کنند. به عنوان مثال، حسگرهای GPS موقعیت مکانی را ردیابی می‌کنند تا بتوانند اطلاعاتی مانند فاصله تا مقصد و بهترین مسیر تا مقصد را مشخص کنند.

لایه شبکه

این لایه اطلاعاتی را که از حسگرها و دستگاه‏‌ها دریافت می‌کند به پلتفرم و مراکز ابری انتقال می‌دهد. دستگاه‌های اینترنت اشیا از روش‌های مختلفی برای اتصال و به اشتراک‌گذاری داده‌ها استفاده می‌کنند. بیشتر آنها از نوعی اتصال بی‌سیم استفاده می‌کنند، مثلا خانه‌ها و دفاتر از وای فای (Wi-Fi)، بلوتوث یا حتی اترنت استفاده می‌کنند، برخی از دستگاه‌ها از ال تی ای (LTE) یا حتی از اتصالات ماهواره‌ای برای برقراری ارتباط می‌توانند استفاده می‌کنند.

لایه پردازش داده

این لایه وظیفه پردازش اکوسیستم اینترنت اشیا را برعهده دارد. سرورها، داده‌های دریافتی از حسگرها را با کمک الگوریتم‌های هوش مصنوعی پردازش می‌کنند. داده‌ها پس از جمع آوری، از طریق گیت وی (Gateway) به زیرساخت ابری منتقل می‌شود. سپس دستورات لازم به سمت عملگرها ارسال می‌شود تا روی این داده‌ها عملیاتی انجام شود. خروجی‌های بدست آمده برای تصمیم‌گیری‌های آینده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لایه اپلیکیشن 

این لایه به طور مستقیم با کاربر در تماس است و رابط گرافیکی کاربر با شبکه اینترنت اشیا به شمار می‌رود. ساعت‌ها، تلویزیون‌ها و گوشی‌های هوشمند از محصولات و برنامه‌هایی هستند که با این لایه تعامل دارند و هرکدام وظیفه متفاوتی را برای رسیدن به اهداف خاصی دنبال می‌کنند.

کاربردهای اینترنت اشیا

کاربرد اینترنت اشیا بسیار گسترده است و محدود به یکی یا دو مورد نیست. ورود IOT به هر حوزه‌ای باعث بهبود عملکرد، انجام کارها به صورت خودکار و تسهیل کنترل فرایندهای مختلف می‌شود. در ادامه به برخی از کاربردهای مهم آی او تی اشاره می‌کنیم:

کاربرد IOT در صنعت

اینترنت صنعتی اشیا (Industrial internet of things) به استفاده از فناوری اینترنت اشیا در یک محیط صنعتی اطلاق می‌شود. اینترنت اشیا در صنعت ترکیبی از حسگرها، شبکه‌های بی‌سیم، داده‌های بزرگ، هوش مصنوعی و تجزیه و تحلیل برای بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی است. افزایش بهره‌وری نیروی کار و صرفه جویی در هزینه دو هدف بالقوه به کارگیری اینترنت اشیا در صنعت است. IOT به شرکت‌ها و صنایع مختلف کمک می‌کند تا خدمات و محصولات خود را از راه دور به صورت آنلاین کنترل کنند و با جمع‌آوری داده‌‌های مورد نیاز، برای کنترل و بهبود فرآیند‌ها تصمیماتی را اتخاذ کنند.

کاربرد IOT در کشاورزی

یکی از اصطلاحات جدیدی که اخیرا در صنعت کشاورزی می‌شنویم، مزارع هوشمند است. مزارع هوشمند دستگاه‌هایی هستند که به اینترنت متصل می‌شوند و انواع داده‌های آنلاین مربوط به محصولات را ارائه می‌دهند. این اطلاعات شامل بافت خاک، تعادل رطوبت، سطح آفت‌کش‌ها، سطح آب و سلامت محصولات است. ورود اینترنت اشیا در صنعت کشاورزی باعث افزایش کیفیت و کمیت محصولات شده است و از طرف دیگر نیروی کار لازم و مصرف انرژی به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند.

از نظر متخصصان این حوزه اینترنت اشیا در کشاورزی، موج دوم انقلاب سبز در جهان است که مزایای بسیار زیادی با خود دارد و مهمترین آن این است که کشاورزان در زمان کمتری کارها را انجام می‌دهند.

کاربرد IOT در حوزه درمان

یکی از مهم‌ترین کاربردهای اینترنت اشیا در حیطه سلامتی است. استفاده از گجت‌های پوشیدنی یا حسگرهایی که به بیمار وصل می‌شود این امکان را به کادر درمان می‌دهد تا وضعیت بیمار را به صورت لحظه‌ای و حتی از راه دور کنترل کنند و در صورت لزوم اقدامات پیشگیرانه را اتخاذ کنند. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که کاربرد IOT در حوزه درمان، حوادث مرگبار بیماران را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. زیرا به دلیل نظارت مداوم، هرگونه علائم خطر سریعا تشخیص داده می‌شود و برای حفظ علائم حیاتی، حتی ممکن است به صورت خودکار از طریق دستگاه‌های هوشمند به بیمار دارو تزریق شود.

کاربرد IOT در محیط زیست

آی او تی در محیط زیست و حفظ زمین نقش بسیار مهمی دارد. امروزه درجوامع پیشرفته شاهد آن هستیم که گام‌های رو به جلویی برای استفاده هرچه بیشتر از این فناوری برداشته می‌شود زیرا نه تنها باعث سهولت زندگی انسان می‌شود بلکه به حفاظت از محیط زیست کمک می‌کند. برخی از کاربردهای اینترنت اشیا در محیط زیست به شرح زیر است:

مدیریت منابع آبی: یکی از چالش‌های اصلی که اغلب کشورها با آن دست و پنجه نرم می‌کنند، مشکل کم آبی است. به همین دلیل مدیریت منابع آب بسیار حائز اهمیت است. این موضوع در حوزه کشاورزی که بخش مهمی از کل آب مصرفی را به خود اختصاص می‌دهد از اهمیت بیشتری برخوردار است. IOT به کشاورزان کمک می‌کند تا به کمک سنسورهای اینترنت اشیا و محرک‌های ایجاد شده در زمین، آب مصرفی را تا حد بسیار زیادی کاهش دهند.

جلوگیری از نابودی جنگل: قطع بی رویه و بدون مجوز درختان باعث نابودی جنگل‌ها می‌شود. یکی از روش‌های کارآمد برای پیشگیری از بروز چنین اتفاق ناخوشایندی حفاظت بیشتر از درختان از طریق اینترنت اشیا است. می‌توان روی تنه درختان سنسورهای حساس به صدای اره یا عبور وسایل نقلیه بزرگ (که برای حمل درختان قطع شده استفاده می‌شوند) نصب کرد. جنگل‌بانان در صورت دریافت علامت هشدار از سنسورها سریعا وارد عمل خواهند شد و از فعالیت بیشتر خرابکاران جلوگیری می‌کنند.

کاربرد IOT در خودروسازی

اتومبیل‌های خودران یکی از بهترین محصولات اینترنت اشیا است که رانندگی را بسیار جذاب و لذت‌بخش کرده است. این خودروها از از سنسورها و حسگرهای خاصی استفاده می‌کنند که وظیفه جمع‌آوری داده و ارسال آن به اپلیکیشن‌های کاربردی را بر عهده دارند. این برنامه‌ها با تحلیل داده‌ها، هشدارها و مشکلات احتمالی مانند معیوب شدن قطعات را به راننده اطلاع می‌دهند. در صورتی که راننده نسبت به رفع این مشکلات سریعا اقدام کند سطح کارایی و ایمنی خودرو را بالا می‌برد.

این خودروها به راننده کمک می کنند تا بتواند زمان خود را هم مدیریت کند. تصور کنید در حال رانندگی با ماشین هوشمند خود به مقصد خاصی هستید. خودروهای هوشمند این قابلیت را دارند که کوتاه‌ترین مسیر به مقصد را پیشنهاد دهند و همچنین با توجه به ترافیک، زمان تخمینی رسیدن به مقصد را نیز محاسبه کنند. با توجه به اینکه اینترنت اشیاء توانسته است در صنعت خودرو تغییرات مثبتی تا به امروز ایجاد کند. انتظار می‌رود که در آینده هم از طراحی تا تولید خودرو نقش بیشتری داشته باشد.

کاربرد IOT در ساختمان سازی

بدون تردید مهم‌ترین کاربرد آی او تی در هوشمندسازی ساختمان بوده است. اینترنت اشیا به شما کمک می کند تا تجهیزات و وسایل منزل یا محل کار خود را به کمک برنامه‌های مبتنی بر وب، کنترل کنید. برای مثال یخچال‌های هوشمند می‌توانند اطلاعات مختلفی مانند محتویات یخچال، مقدار یا تعداد مواد غذایی و حتی تاریخ انقضای آن‌ها را در اختیار کاربران قرار دهد. هدف از بکارگیری IOT در ساختمان سازی، کنترل وسایل و ایجاد راحتی و آسایش و تامین امنیت برای کاربران است.

امروزه خانه‌های هوشمند طرفداران زیادی دارد و حتی در ایران، اگرچه هنور خانه‌های تمام هوشمند به اجرا درنیامده است اما خانه‌های نیمه هوشمند زیادی وجود دارد. بنابراین می‌توان گفت سرعت پذیرش IOT در حوزه ساختمان‌سازی توسط مردم نسبت به سایر حوزه‌ها بیشتر است.

کاربرد IOT در مدیریت مصرف انرژی

کاهش مصرف انرژی و جلوگیری از اتلاف انرژی‌های پایان پذیر یکی از چالش‌های اصلی انسان معاصر است. به همین دلیل راهکارهایی که برای صرفه جویی و بهینه سازی مصرف انرژی معرفی می‌شوند بسیار حائز اهمیت هستند. این در حالی است که خودکارسازی فرآیندها و سازماندهی مناسب برای کنترل و نظارت از راه دور به کمک اینترنت اشیا می‌تواند باعث کاهش مصرف انرژی شود.

به عنوان مثال می‌توان با قرار دادن حسگرها درنقاط مختلف یک ساختمان، داده‌های مربوط به دما را جمع آوری کرد و دمای هر قسمت را متناسب با شرایط تغییر داد. این کار علاوه بر بهینه کردن مصرف انرژی، باعث خواهد شد تا دستگاه‌های تهویه مطبوع دما را بهتر و هوشمندتر کنترل کنند و کاربران احساس راحتی بیشتری داشته باشند.

امنیت و حریم خصوصی در IOT

سیستم عامل‌های دستگاه‌های IOT مانند سیستم عامل‌های کامپیوتر نیستند و فقط برای دستگاه‌های اینترنت اشیا طراحی شده است. به دلیل برخی حفره‌های امنیتی که در این سیستم عامل‌ها وجود دارد، احتمال هک شدن توسط افراد مخرب، افزایش پیدا می‌کند.

هکرها به طور مرتب دستگاه‌های آی او تی مانند روترها و وب‌کم‌ها را مورد هدف قرار می‌دهند. برخی از گجت‌های پوشیدنی هوشمند حاوی حفره‌ها و خلاهای امنیتی هستند که به هکرها اجازه می‌دهد مکان کاربر را ردیابی کنند، مکالمات را استراق سمع کنند یا حتی با کاربر ارتباط برقرار کنند. توانایی دستگاه‌های IOT برای ردیابی موقعیت مکانی کاربر یک نگرانی خاص در خصوص حریم خصوصی است. داده‌های مکان در تئوری ناشناس هستند، اما داده‌هایی که مربوط به ردیابی حرکات افراد هستند می‌تواند باعث شناسایی هویت آن‌ها شود.

این در حالی است که نداشتن امنیت کافی و عدم حفظ حریم خصوصی موجب عدم پذیرش سرویس‌های اینترنت اشیا در بین مردم خواهد شد. اما با تنظیم یک چارچوب مشخص برای حفظ حریم خصوصی و ثبت قوانین آن، آموزش همگانی در ارتباط با نحوه استفاده از این دستگاه‌ها و پرورش نیروی کارآمد در این حوزه می‌توان  بسیاری از حملات و تهدیدات سایبری را دفع کرد.

بلاکچین راه حل برقراری امنیت در اینترنت اشیا

ترکیب فناوری بلاکچین با IOT می‌تواند نگرانی‌های امنیتی زیادی که در رابطه با فناوری اینترنت اشیا مطرح است را رفع کند. در بلاکچین، داده‌ها در زنجیره‌‌ای از بلاک‌ها ذخیره می‌شوند که هر بلاک به بلاک قبلی متصل است. اطلاعات روی بلاک از طریق سیستم رمزنگاری دائمی ذخیره می‌شوند و به‌ هیچ‌عنوان قابل تغییر یا حذف نیستند. این ویژگی بلاکچین می‌تواندIOT را به شدت امن و قابل اعتماد بکند.

ترکیب اینترنت اشیا با فناوری دفتر کل توزیع شده از طریق سایر روش‌ها هم می‌تواند نگرانی‌های مربوط به امنیت IOT را کاهش دهد که به تعدادی از آن‌ها در ادامه اشاره می‌کنیم:

• بلاکچین یک شبکه همتا به همتا توزیع شده است و هیچ سازمان خاصی برای مدیریت و نگهداری داده‌های عظیم فراهم آمده توسط شبکه اینترنت اشیا وجود ندارد.
• رمزنگاری داده‌ها در بلاکچین به عنوان یک لایه امنیتی در IOT به شمار می‌رود و از داده‌ها در برابر هکر‌ها محافظت می‌کند.
• یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های زنجیره بلاک‌، ایجاد شفافیت است. تمام کاربران اجازه مشاهده فعالیت‌های انجام شده را دارند؛ به همین دلیل در صورت بروز هرگونه حمله‌ مخرب، منبع نشت شده فورا مشخص می‌شود و می‌توان سریعا اقدامات لازم را در جهت دفع آن انجام داد.

فضای ابری و نقش آن در اینترنت اشیا

در اینترنت اشیا، سنسورها دائما در حال تولید داده‌های مختلف هستند که باید پردازش شوند. تا زمانی که حجم این داده‌ها کم باشد مشکلی در ذخیره‌سازی و پردازش آن‌ها به وجود نخواهد آمد. اما زمانی که میزان داده‌ تولید شده توسط حسگرها زیاد باشد، برای ذخیره سازی و انجام عملیات روی آن‌ها نیاز به زمان و انرژی زیادی خواهد بود.

فضای ابری (cloud storage) در اینجا می‌تواند به عنوان یک راه حل کارآمد باشد. فضای ابری امکان ذخیره حجم بسیار زیادی از داده‌ها را در اینترنت فراهم می‌کند. کاربران برای دسترسی به این داده‌ها کافی است که به اینترنت متصل شوند.

با ادغام رایانش ابری و اینترنت اشیا، نه تنها چالش‌های موجود در ادغام و ذخیره داده‌های IOT رفع خواهد شد، بلکه داده‌ها را می‌توان از راه دور ذخیره کرد و به آن‌ها دسترسی داشت. همچنین استفاده از رایانش ابری در اینترنت اشیا باعث می‌شود تا وابستگی به زیرساخت‌های پیش فرض به میزان زیادی کاهش پیدا کند.

آینده اینترنت اشیا چگونه خواهد بود؟

اینترنت اشیا در آینده‌ای نه چندان دور، در جهان و زندگی انسان تغییرات بسیار مهمی را ایجاد خواهد کرد. از طرف دیگر ترکیب IOT با هوش مصنوعی باعث تحول بزرگی در کسب و کارها خواهد شد. شغل‌های جدیدی بوجود خواهند آمد و بسیاری از کسب و کارهای امروز از بین خواهند رفت.

هرچند برخی از افراد امنیت آی او تی را نقد می‌کنند و اعتقاد دارند که هوشمندتر شدن جهان پیرامون، بستر مناسبی را برای افراد مخرب و هکرها ایجاد خواهد کرد. زیرا دستگاه‌های IOT مستعد ابتلا به انواع بدافزار هستند و در اغلب آن‌ها باگ‌های امنیتی وجود دارد.

این در حالی است که مخالفان و موافقان IOT هر دو باید منتظر آینده باشند تا ببینند که آیا این فناوری موفق خواهد شد چالش‌های پیش روی خود را حل کند یا خیر؟ نظر شما در مورد آینده iot چیست؟