مقدمة في إنترنت الأشياء (IoT)

• الفكرة الرئيسة: التعرّف إلى إنترنت الأشياء (⁦Internet of Things⁩: ⁦IoT⁩)، ومفهومه، ومُكوِّناته، وكيف يُستخدَم في بعض التطبيقات اليومية.
• وكذلك: رقاقات ⁦(RFID)⁩، وآليَّة عملها، ومناحي استخدامها في بعض التطبيقات الحياتية.

• أُعرّف مفهوم إنترنت الأشياء (⁦Internet of Things⁩: ⁦IoT⁩).
• أُبيّن مراحل تطوّر إنترنت الأشياء.
• أُوضّح الخصائص الأساسية لإنترنت الأشياء.
• أُعدّد مُكوّنات نظام إنترنت الأشياء، وأُوضّح وظيفة كل مُكوّن من هذه المُكوّنات.
• أُعرّف الحسّاسات في إنترنت الأشياء.
• أُعرّف رقاقات ⁦(RFID)⁩.
• أرسم نموذجاً أُبيّن فيه كيف تُستخدم رقاقات ⁦(RFID)⁩ في تعرّف الأشياء.
• أصف بعض التطبيقات التي تُستخدم فيها رقاقات ⁦(RFID)⁩.

إنترنت الأشياء: أجهزة من حولنا تتواصل وحدها

فقد برز مفهوم إنترنت الأشياء ⁦(IoT)⁩ بوصفه مرحلة مُتقدّمة من التحوّل الرقمي؛ إذ أصبحت الأجهزة من حولنا قادرة على التواصل وتبادل البيانات دون تدخل بشري مباشر.

• نتيجة ذلك: منازل ذكية، وإنشاء مدن ذكية، وبناء أنظمة صحية وتعليمية واقتصادية أكثر كفاءة وذكاءً.

ما إنترنت الأشياء؟ شبكة أشياء ذكية

• الغاية: تعمل هذه الأجهزة بصورة ذكية، وتُحسّن الكفاءة والفعالية في العديد من المجالات.
• الاسم كلمتان: مفهوم إنترنت الأشياء يتألّف من كلمتين، هما: الإنترنت، والأشياء.

• الكائن الذكي يكون:
• متصلاً بشبكة الإنترنت.
• مُعرّفاً رقمياً عبر عنوان ⁦(IP Address)⁩ في الشبكة.
• مُزوّداً بمُعالج، ووحدة تخزين للبيانات، ونظام استشعار، وتقنيات اتصال شبكي.

• واجهة المستخدم: قد تكون بعض الكائنات مُزوّدة بواجهة مُستخدم، مثل مفاتيح التحكّم في درجة الحرارة.
• بلا واجهة: كائنات أُخرى لا تحتوي على واجهة مُستخدم أبداً، وتعتمد على المُستشعرات والمُشغّلات للتفاعل مع بيئتها بصورة مستقلة من دون تدخل بشري.

من آلة بيع ذكية إلى الأنظمة الذاتية

بدأ استخدام إنترنت الأشياء منذ ثمانينيات القرن العشرين الميلادي، وقد مرّ بمراحل عديدة حتى وصل إلى شكله الحالي الذي يُستخدم اليوم في مجالات عِدّة.

• قبل عام 1990م: تطوير أنظمة تحكّم مُضمّنة (مُدمجة) في الأجهزة الصناعية والأجهزة الطبية.
• عام 1982م: وُصلت أوّل آلة بيع بشبكة الإنترنت في جامعة "⁦Carnegie Mellon⁩" للإبلاغ عن مخزونها، ويُعدّ ذلك أوّل تطبيق واقعي لفكرة إنترنت الأشياء.
• 1990-1999م: توصيل أوّل جهاز منزلي (مُحمّصة خبز) بشبكة الإنترنت.
• ظهور مفهوم الحوسبة الشاملة؛ إذ صاغ كيفن أشتون مفهوم ⁦(Internet of Things)⁩.
• بدء الاستخدام التجاري لتقنية ⁦(RFID)⁩.
• 2000-2009م: إطلاق شركة ⁦(LG)⁩ أوّل ثلاجة ذكية عام 2000م.
• إعلان الاتحاد الدولي للاتصالات أنّ إنترنت الأشياء يُمثّل بُعداً جديداً في عالم الاتصالات.
• في عام 2008م، تجاوز عدد الأجهزة المتصلة عدد البشر، وظهرت العديد من البروتوكولات، مثل: ⁦(Wi-Fi)⁩.

• 2010-2015م: التوسّع في استخدام إنترنت الأشياء في المنازل والمكاتب والمصانع.
• ظهور تطبيقات جديدة، مثل: الإضاءة الذكية، والتحكّم في التدفئة.
• بدء التركيز على مسألة الأمن السيبراني وخصوصية البيانات.
• 2016-2020م: دمج الذكاء الاصطناعي وتحليل البيانات في أجهزة إنترنت الأشياء.
• استخدام الذكاء الاصطناعي في مجال الرعاية الصحية، والزراعة الذكية، والمَركبات الذاتية القيادة.
• 2021-2025م: التوسّع في استخدام إنترنت الأشياء ليشمل ⁦(IoT Satellite)⁩ في المناطق النائية.
• ظهور تقنيات جديدة، مثل: التوأمة الرقمية ⁦(Digital Twins)⁩، والحوسبة الطرفية ⁦(Edge Computing)⁩، وتقنية ⁦(5G)⁩.
• التركيز المتزايد على الأمن والاستدامة، والربط مع الاقتصاد الرقمي.

خمس خصائص تميّز أنظمة إنترنت الأشياء

• التعامل مع البيئة المحيطة: تُستخدم الحسّاسات لجمع بيانات من البيئة المحيطة، ثمّ إرسالها إلى السحابة مباشرة.
• هناك تُخزّن، وتُصفّى، وتُحلّل، وتُستخدم في اتخاذ قرارات ذكية.
• الاتصال ⁦(Connectivity)⁩: تعمل شبكات الإنترنت والاتصالات السلكية واللاسلكية على الربط بين الأجهزة المادية والأنظمة الرقمية.
• ما يتيح تبادل البيانات بين الأشياء في الوقت الحقيقي (الفعلي).
• تباين الأجهزة ⁦(Device Heterogeneity)⁩: تتنوّع الأجهزة المتصلة من حيث أنظمة التشغيل، ونوع الحسّاسات، وبنيتها التقنية.
• ما يُمكن نظام إنترنت الأشياء من التفاعل مع منصّات مُتنوّعة ومُتكاملة.
• القابلية للتوسّع ⁦(Scalability)⁩: القدرة على إضافة أجهزة جديدة أو مُستخدمين جُدُد.
• يتعامل النظام مع كمّ مُتزايد من البيانات دون أي تأثير في الأداء.
• الأمان ⁦(Security)⁩: تُستخدم تقنيات وبروتوكولات لضمان حماية البيانات، ومنع الاختراقات الإلكترونية، وسدّ الثغرات الأمنية باستمرار.
• منها: التشفير، والمصادقة، وتحديث الأنظمة المستمر.

الحسّاسات: حواس النظام

• أمثلة المُحفّزات: درجة الحرارة، والضغط، والحركة، والضوء، والرطوبة، والموقع، والصوت، والقوّة.
• الواجهة الحسّية: تُمثّل الحسّاسات الواجهة الحسّية لنظام إنترنت الأشياء، وتجمع البيانات من البيئة المحيطة ضمن طبقة الإدراك ⁦(Perception Layer)⁩.
• بعد الجمع: تُرسلها إلى وحدة تحكّم أو بوّابة ذكية ⁦(Gateway)⁩ متصلة بشبكة إنترنت الأشياء.
• العنوان: تفتقر الحسّاسات في معظم الحالات إلى عنوان ⁦(IP Address)⁩ مباشر؛ لذا يتمّ ربطها بوحدات وسيطة مُزوّدة بعناوين ⁦(IP Address)⁩، ما يتيح تتبّع البيانات وربطها بمصدرها.
• طريقة العمل: تعمل بشكل تلقائي (تشغيل ذاتي)، أو بحسب أوامر المُستخدم المُبرمجة مُسبقاً.

• أنواع الحسّاسات حسب الطاقة: تحتاج الحسّاسات إلى طاقة، وتُصنّف تبعاً لذلك إلى نوعين:
• الحسّاسات السلبية ⁦(Passive Sensors)⁩: لا تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي.
• تستجيب فقط للإشارات البيئية الموجودة من دون إرسال أيّ موجات.
• مثل: حسّاس درجة الحرارة، وحسّاس الضوء.
• الحسّاسات النشطة ⁦(Active Sensors)⁩: تتطلّب وجود مصدر طاقة داخلي، مثل البطارية.
• تُرسل إشارة إلى البيئة المحيطة، ثمّ تُقاس درجة الاستجابة.
• مثل: الحسّاس فوق الصوتي ⁦(Ultrasonic Sensor)⁩، وحسّاس ⁦(LiDAR)⁩.

الرقاقات: تعرّف الأشياء عن بُعد

• الميزة: من دون حاجة إلى وجود تلامس مباشر أو خطّ رؤية واضح، ما يمنحها أهمية كبيرة مقارنة بالرموز الشريطية التقليدية.
• المُكوّنات الثلاثة: يتكوّن نظام رقاقات ⁦(RFID)⁩ من ثلاثة مُكوّنات رئيسة تعمل معاً على تعرّف الأشياء وتتبّعها عن بُعد، وهي: العلامات، والقارئ، ونظام التطبيق أو المعالجة.

• ما في الشكل (1-1): علامات رقاقات (⁦RFID tags) ⇄ (⁩إرسال، استقبال) ⇄ قارئ رقاقات (⁦RFID reader) ⇄ (⁩معالجة) ⇄ نظام التطبيق أو المعالجة.

• الوظيفة: يُمكن ربط العلامة بجسم ما بوصفها مُعرّفاً له، وتعمل على تخزين البيانات الخاصة بالجسم المُرتبِط بها.

• العمل: تُستخدم موجات الراديو لاستقبال البيانات من العلامات، ثمّ نقلها إلى نظام المعالجة (نظام التطبيق).
• أنواعه: يكون قارئ الرقاقات إمّا ثابتاً (مُثبّت على بوّابة)، وإمّا مُتحرّكاً مثل الأجهزة اليدوية المحمولة.

• قد يكون: تطبيقاً حاسوبياً، أو قاعدة بيانات مركزية تُستخدم في تحليل البيانات الواردة من القارئ، ثمّ اتّخاذ القرارات المناسبة.

• ما في الشكل (1-4):
• هوائي ⁦RFID (RFID Antenna)⁩، كابل متحد المحور ⁦(Coaxial cable)⁩، القارئ ⁦(RFID Transceiver)⁩.
• إيثرنت / واي فاي / ⁦RS232 (Ethernet / WLAN / RS232)⁩، تطبيق الحاسوب ⁦(PC Application)⁩، العلامات ⁦(Tags)⁩.

• آليّة عمل نظام ⁦(RFID)⁩ في خطوتين:
• عملية الكتابة ⁦(Writing Process)⁩: إرسال المعلومات من جهاز الحاسوب إلى العلامة عبر الهوائي.
• عملية القراءة ⁦(Reading Process)⁩: التقاط المعلومات من العلامة عبر الهوائي، ثمّ إرسالها إلى جهاز الحاسوب عبر القارئ.

تحديد المواقع: كيف يعرف الجهاز أين أنت؟

يؤدّي إنترنت الأشياء ⁦(IoT)⁩ دوراً محورياً في تطوير التنقّل الذكي ⁦(Smart Mobility)⁩ وتطبيقات تحديد المواقع ⁦(Location Tracking)⁩

• التقنيات: الحسّاسات، والذكاء الاصطناعي، والاتصال السحابي.
• أبرزها: نظام تحديد المواقع العالمي (⁦Global Positioning System⁩: ⁦GPS⁩).

• عدد الأقمار: كلّما زاد عدد الأقمار الصناعية المُستخدمة (يُفضّل أربعة أقمار أو أكثر)، تحسّنت دقّة تحديد الموقع المُستهدف بشكل ملحوظ.
• لا سيّما في البيئات المُعقّدة، مثل: المناطق الحضرية، والوديان.
• ما يُعتمد عليه: موقع الأقمار الصناعية في المدار وقت الإرسال، والمسافة بين كل قمر صناعي والجهاز المُستقبل ⁦(GPS)⁩.
• ما يحسبه النظام: خطوط الطول ⁦(Longitude)⁩، وخطوط العرض ⁦(Latitude)⁩، والارتفاع ⁦(Altitude)⁩، والزمن ⁦(Time)⁩.

• شرطا تطبيق التثليث:
• تحديد الموقع التقريبي للجسم أو الشخص المطلوب، بحيث يُستهدف من ثلاثة أقمار صناعية على الأقل.
• حساب المسافات الدقيقة بين الجسم وجميع الأقمار الصناعية المشاركة في عملية التثليث.

المواطنة الرقمية: الأجهزة الذكية والخصوصية

أقيّم تعلّمي: أسئلة الدرس

المعرفة: أستخدم ما تعلّمته من معارف في هذا الدرس للإجابة عن الأسئلة الآتية:

السؤال الأوّل: أُوضّح المقصود بكلّ ممّا يأتي:

إنترنت الأشياء ⁦(IoT)⁩.

الحسّاسات ⁦(Sensors)⁩.

تقنية رقاقات ⁦(RFID)⁩.

نظام التثليث ⁦(Trilateration)⁩.

السؤال الثاني: أُعدّد الخصائص الأساسية لنظام إنترنت الأشياء.

السؤال الثالث:

أُوضّح مُكوّنات نظام إنترنت الأشياء.

أرسم مُخطّطاً يُوضّح مُكوّنات نظام ⁦(RFID)⁩.

السؤال الرابع: أُعلّل ما يأتي:

يُمكن حماية أيّ سلعة في أيّ متجر باستخدام بطاقة (⁦RFID⁩ المانعة للسرقة).

تُستخدم تقنية ⁦(RFID)⁩ في مجال الرعاية الصحية.

يُفضّل استخدام أربعة أقمار أو أكثر في نظام تحديد المواقع العالمي ⁦(GPS)⁩.

المهارات: أُوظّف مهارات التفكير الناقد والبحث الرقمي والتواصل في الإجابة عن الأسئلة الآتية:

السؤال الأوّل: أُقارن بين وظيفة الحسّاسات ⁦(Sensors)⁩ ووظيفة رقاقات ⁦(RFID)⁩ في نظام إنترنت الأشياء، ثمّ أُبيّن كيف يختلف كلّ منهما من حيث آليّة العمل ونوع البيانات المُرسلة.

السؤال الثاني: إذا أردتُ تصميم نظام إنترنت أشياء لمراقبة المخزون في مستودع كبير، فهل أُفضّل استخدام الحسّاسات أم رقاقات ⁦(RFID)⁩؟ أُبرّر إجابتي، وأُضمّنها تقييماً لمزايا كل خيار ومُحدّداته.

السؤال الثالث: أرغب في تصميم نظام ذكي لتتبّع الحضور في مدرسة باستخدام تقنية ⁦(RFID)⁩. ما العناصر التي أحتاج إليها لتطبيق هذا النظام؟ أُوضّح بإيجاز طريقة عمل النظام.