شرح الموضوع
سأتعمّق في هذا الدرس في موضوع طبقات أنظمة إنترنت الأشياء، وأتعرّف أهمية وجود هذه الطبقات في تنظيم عمل أنظمة إنترنت الأشياء. كذلك سأستكشف أشهر البنى المعمارية المُقترحة لهذه الطبقات في أنظمة إنترنت الأشياء، مثل: بنية الطبقات الثلاث، وبنية الطبقات الخمس، وبنية الطبقات السبع، وأُركّز تحديداً على بنية الطبقات السبع، ثمّ سأتعرّف وظيفة كل طبقة من هذه الطبقات مُفصّلةً، وكيف تتفاعل كلّ منها مع بقيّة الطبقات في نظام مُتكامل.
طبقات إنترنت الأشياء: الهيكلية، والوظيفة
لماذا لإنترنت الأشياء طبقات؟
- (IoT Layers - Architecture and Functions)
نتاجات التعلّم :
- أُعرّف مفهوم الطبقات في نظام إنترنت الأشياء.
- أذكر مزايا الطبقات في نظام إنترنت الأشياء.
- أُعدّد البنى المُقترحة لنظام إنترنت الأشياء.
- أُوضّح وظيفة كل طبقة في بنية الطبقات السبع لنظام إنترنت الأشياء.
- أرسم نموذجاً لبنية الطبقات السبع في نظام إنترنت الأشياء.
- أُقارن بين البنى المختلفة للطبقات في نظام إنترنت الأشياء.
يُعدّ نموذج إنترنت الأشياء (IoT) نظاماً مُتعدّد الطبقات، وهو يهدف إلى دعم الاتصال الذكي بين مليارات الأجهزة المُزوّدة بحسّاسات ومُعالجات ووحدات اتصال.
- يرتبط هذا النموذج بمجموعة واسعة من الأجهزة التي يُعتمد عليها في مختلف تطبيقات الحياة اليومية، مثل: المدن الذكية، والرعاية الصحية، والزراعة، والمُركبات الذكية.
أبحث في المواقع الإلكترونية الموثوقة في شبكة الإنترنت عن نماذج بنى الطبقات في أنظمة إنترنت الأشياء، أو أسأل أحد برامج الذكاء الاصطناعي عن ذلك، ثمّ أُجيب عن السؤالين الآتيين:
ما عدد الطبقات في كل نموذج؟
ما أسماء هذه الطبقات؟
لماذا توجد بنى عديدة مختلفة للطبقات في أنظمة إنترنت الأشياء؟
فيمَ يستفاد من هذا التنوّع؟
هل يُعدّ ذلك مُؤشّراً للقوّة أم الضعف في بنية إنترنت الأشياء؟
بنى الطبقات في أنظمة إنترنت الأشياء:
ثلاث بنى مقترحة، وليست بنية واحدة
لا توجد بنية مُوحّدة أو بنية ثابتة لنظام إنترنت الأشياء؛ إذ تختلف التصاميم والهيكليات في النظام تبعاً لاختلاف المعايير.
- ونظراً إلى هذا التنوّع؛ فقد اقترح العديد من نماذج بنى الطبقات في نظام إنترنت الأشياء، مثل: بنية الطبقات الثلاث، وبنية الطبقات الخمس، وبنية الطبقات السبع،
- علماً بأنّ كل بنية تختلف عن غيرها من حيث عدد الطبقات، والوظيفة التي تؤدّيها.
- فظهرت نماذج أكثر تفصيلاً، مثل: بنية الطبقات الخمس، وبنية الطبقات السبع؛ ما أسهم في معالجة البيانات بدقّة أكبر، وعزّز من مناحي الأمن والأمان، وزاد من مستوى التكامل مع المُستخدمين.
بنية الطبقات الثلاث في إنترنت الأشياء (Three- Layer IoT Architecture):
الطبقات الثلاث: الأساس الأبسط
تتكوّن هيكلية نظام إنترنت الأشياء من ثلاث طبقات أساسية يُبيّنها الشكل (2-1).
- أمّا الهدف من تقسيم هيكلية هذا النظام إلى ثلاث طبقات فهو تبسيط فهم بنية النظام، وإمكانية توسيع النموذج الذي يُمثّله النظام ليشمل طبقات فرعية أُخرى.
- طبقة التطبيقات: (خوادم السحابة).
- طبقة الشبكة: (أجهزة التوجيه/ البوابات).
- طبقة الإدراك: (أجهزة الاستشعار/ المشغلات).
أوّلاً: طبقة الإدراك/ الاستشعار (Perception Layer / Sensor Layer).
طبقة الإدراك: أين تبدأ البيانات؟
- تتمثّل وظائف طبقة الإدراك في ما يأتي:
- جمع البيانات من البيئة المحيطة أو من كائنات متصلة عن طريق استشعار البيئة.
- تعرّف الأشياء، وهويّتها، وموقعها، وحالتها.
- نقل البيانات الأوّلية إلى الطبقة العليا (طبقة الشبكة) لمعالجتها وتحليلها.
ثانياً: طبقة الاتصال :
طبقة الاتصال: الجسر بين الطبقات
- يُمكن إجمال وظائف طبقة الاتصال في ما يأتي:
- استقبال البيانات من طبقة الإدراك.
- نقل هذه البيانات بشكل آمن وفعّال إلى طبقة التطبيقات.
- توفير بروتوكولات الاتصال ومنهجيات الدعم الشبكي اللازم لأجهزة إنترنت الأشياء، مثل: العنونة، والتوجيه، وإدارة الجلسات.
- تشغيل برامج وسيطة تعمل على إدارة البيانات، وتتوسّط بين الأجهزة والتطبيقات.
| التقنية/ البروتوكول | الوظيفة الأساسية |
|---|---|
| Wi-Fi، Zigbee، Bluetooth، NFC | بروتوكولات اتصال لاسلكي قصيرة، أو بروتوكولات اتصال لاسلكي مُتوسّطة المدى. |
| LTE، 4G، 5G، Ethernet | بروتوكولات اتصال بعيدة المدى، أو بروتوكولات اتصال سلكية. |
| MQTT، CoAP، HTTP، TCP/IP | بروتوكولات تنظيم نقل البيانات والتواصل بين الخوادم والأجهزة. |
ثالثاً: طبقة التطبيقات .
طبقة التطبيقات: ما يراه المستخدم
- تُمثّل هذه الطبقة الواجهة الظاهرة للمُستخدم؛ إذ تجعل تقنيات إنترنت الأشياء تجربة ملموسة ومفيدة في الحياة اليومية،
- عن طريق تحويل البيانات إلى قرارات أو إجراءات عملية. التطبيقات على المُكوّنات الآتية:
- تتلخّص وظيفة طبقة التطبيقات في ما يأتي:
- استقبال البيانات المعالجة من طبقة الاتصال.
- تقديم خدمات ذكية مُخصّصة بحسب نوع النظام واحتياجات المُستخدم.
- توفير واجهة تفاعلية بين المُستخدم والنظام.
- دعم اتّخاذ القرار أو تنفيذ الأوامر بناءً على البيانات المُرسلة من الأجهزة الذكية.
بنية الطبقات السبع لنظام إنترنت الأشياء :
الطبقات السبع: ترتيب رحلة البيانات
تتألّف بنية هذا النموذج من سبع طبقات، هي:
- 1. طبقة الأشياء (Things Layer)
- 2. طبقة الاتصال (Connectivity Layer)
- 3. طبقة الحوسبة الطرفية/ الحوسبة الضبابية (Edge /Fog Computing Layer)
- 4. طبقة تجميع البيانات (Data Accumulation Layer)
- 5. طبقة تجريد البيانات (Data Abstraction Layer)
- 6. طبقة التطبيقات (Applications Layer)
- 7. طبقة التعاون والعمليات (Collaboration and Processes Layer)
1- طبقة الأشياء
- ومن ثَمّ، فإنّ هذه الطبقة تدعم تنوّعًا كبيرًا في الأجهزة من حيث الحجم، والنوع، ووظائف الاستشعار.
2- طبقة الاتصال
- إضافةً إلى تنسيق الاتصال الأفقي بين الأشياء الذكية، وضمان التوجيه الآمن والسلس للبيانات داخل شبكة الإنترنت.
3- طبقة الحوسبة الطرفية/ الحوسبة الضبابية (Edge /Fog
- وذلك بإجراء العديد من العمليات التي تشمل تنسيق البيانات، وتعشيبها (تصفيتها)، وتحليلها جزئيًا قرب مصدرها على طرف (حافة) الشبكة.
- يُطلَق على هذا النوع من المعالجة اسم الحوسبة الضبابية،
- وتُعدّ هذه الخطوة ضرورية لتقليل زمن الاستجابة، وتخفيف الضغط على مراكز المعالجة المركزية؛
- ما يزيد من سرعة النظام، ويُحسّن من كفاءته وفعّاليته بصورة كاملة.
4- طبقة تجميع البيانات
- ثمّ تخضع لعمليات ترشيح إضافية، وصولًا إلى الاختيار الدقيق لما ينبغي تخزينه.
- ومن ثَمّ، فإنّ هذه العمليات تهدف إلى تقليل حجم البيانات الكلي، والحفاظ - في الوقت نفسه- على المعلومات الضرورية والمعلومات القيّمة.
- تُخزّن البيانات المختارة بشكل انتقائي بما يتناسب مع مُتطلّبات التطبيقات، وبخاصة تلك التي لا تتطلّب استجابة فورية.
- في هذه المرحلة، يجب التحقّق من توافق البيانات مع أهداف النظام واحتياجاته،
- وتنظيمها بطريقة تضمن سرعة استرجاعها لاحقًا، وتهيئتها للاستخدام في التحليلات والتطبيقات المستقبلية.
- هذه الطبقة تشكّل حلقة الوصل بين المعالجة الأوّلية والتخزين الطويل الأمد؛ ما يجعلها ركيزة أساسية في دعم كفاءة النظام وضمان استمراريته.
5- طبقة تجريد البيانات
- كذلك تعمل هذه الطبقة على إدارة الوصول إلى البيانات، وتحديد مَن يُمكنه الاطلاع عليها؛ لضمان التخزين الفعّال والاسترجاع السريع لهذه البيانات.
6- طبقة التطبيقات
- يتمّ في هذه الطبقة تفسير البيانات وفقًا لطبيعة التطبيق المُستخدم،
- حيث تختلف آليّة التفسير تبعًا لاختلاف المجال المُستهدف، مثل: التطبيقات الصحيّة، والتطبيقات الصناعية، والتطبيقات المنزلية، والتطبيقات التعليمية.
- تبدأ هذه الطبقة باستقبال البيانات المعالجة من الطبقات السابقة، ثمّ تستخدمها بحسب مُتطلّبات كل تطبيق
- تتيح طبقة التطبيقات للمُستخدمين التفاعل مع بيانات إنترنت الأشياء بشكل مباشر، والاستفادة منها في تنفيذ الأوامر ودعم القرارات والحصول على خدمات ذكية مُخصّصة.
7- طبقة التعاون والعمليات
- تتمثّل وظيفة هذه الطبقة في تنسيق الاستجابة بناءً على تحليل البيانات، مثل تشغيل جهاز ميكانيكي تلقائيًا عند استيفاء شرط مُعيّن (تشغيل نظام تبريد عند ارتفاع درجة الحرارة مثلًا).
- كذلك تؤدّي هذه الطبقة دورًا أساسيًا في تحقيق التكامل بين الأنظمة، وضمان سَيْر العمليات التشغيلية بفعالي؛
- ما يجعلها ضرورية ولازمة في التطبيقات التي تتطلّب استجابات فورية ومُنسّقة، مثل: المصانع الذكية، وأنظمة الرعاية الصحية، والمدن الذكية، وسلاسل التوريد الذكية.
طبّق الطبقات على مصنع ومزرعة
أُحلّل - بالتعاون مع أفراد مجموعتي - الحالة الآتية، ثمّ نُجيب معًا عن الأسئلة التي تليها:
"في مصنع ذكي لإنتاج الأغذية، يُستخدم نظام إنترنت الأشياء في مراقبة درجة حرارة التخزين والتحكّم فيها تلقائيًا؛ إذ تعمل الحسّاسات على قياس درجة الحرارة كل (10) ثوان، ثمّ تُرسل البيانات إلى النظام، حيث تُعالج، ثمّ يصدر أمر تلقائي بتشغيل نظام التبريد عند تجاوز درجة الحرارة حدًا مُعيّنًا".
ما اسم الطبقة التي تعمل على تحليل البيانات تحليلًا أوّليًا؟
ما اسم الطبقة التي تتخذ القرار التنفيذي بتشغيل نظام التبريد؟
أرسم مُخطّطًا يُوضّح تسلسل انتقال البيانات من الحسّاس وصولًا إلى إصدار قرار لتشغيل نظام التبريد.
إذا أراد المصنع أن يُرسل إشعارات نصية إلى هواتف المسؤولين في حال فشل النظام، فأيُّ الطبقات يجب تعزيزها؟ أُبرّر إجابتي.
إذا افترضتُ إيقاف طبقة الحوسبة الطرفية/ الحوسبة الضبابية مُؤقّتًا، فما تأثير ذلك في النظام؟ هل سيتأثّر أداء النظام؟ أُوضّح ذلك.
ما أهمية وجود طبقة تجريد البيانات في هذا النوع من الأنظمة؟
أدرس الحالة الآتية، ثمّ أُجيب عن الأسئلة التي تليها:
"في مزرعة ذكية، يُراد تطوير نظام إنترنت أشياء يُمكنه متابعة حالة التربة (مثل: رطوبة التربة، وحرارة التربة)، وتشغيل نظام الريّ تلقائيًا عند الحاجة، وإرسال تنبيهات إلى المُزارع عند حدوث أي خلل".
أُحدّد الطبقات الأساسية التي تلزم هذا النظام من نية الطبقات السبع، ثمّ أُبيّن وظيفة كل طبقة في هذا السياق.
أرسم مُخطّطًا يُوضّح كيف تنتقل البيانات من الحسّاس في التربة وصولًا إلى تنفيذ الأمر بتشغيل نظام الريّ.
أُوضّح أهمية طبقة الحوسبة الطرفية/ الحوسبة الضبابية في هذا النظام؟ ماذا سيحدث إذا لم تكن هذه الطبقة موجودة؟ أُفسّر إجابت.
إذا أراد النظام تنبيه المُزارع برسالة نصية يُرسلها إلى هاتفه عند حدوث خلل ما في نظام الريّ، فما الطبقة التي يجب تفعيلها في هذه الحالة؟ لماذا؟
أُناقش مع الزملاء/ الزميلات في الصف كيف تُسهم البنية الطبقية في تحسين أداء هذا النوع من الأنظمة الذكية، وضمان استدامته.
المواطنة الرقمية
المواطنة الرقمية: بيانات سليمة وشبكات آمنة
- الوعي الرقمي: أتحقّق دائمًا من مصادر البيانات التي تُنقل بين الطبقات الثلاث (الإدراك، الشبكة، التطبيقات)، وأتأكّد أنّها سليمة، وأنّها تخلو من أي روابط أو ملفات مشبوهة.
- السلامة الرقمية: أُدرك أنّ البيانات المنقولة عبر الشبكات قد تتعرّض لمخاطر؛ لذا ألتزم باستخدام الشبكات الآمنة والمصادقة الموثوقة عند الاتصال بالأجهزة الذكية.
أُقيِّم تعلُّمي
أقيّم تعلّمي
المعرفة: أستخدم ما تعلَّمتُه من معارف في هذا الدرس للإجابة عن الأسئلة الآتية:
السؤال الأوَّل: فيمَ يستفاد من وجود طبقات لنظام إنترنت الأشياء؟
السؤال الثاني: أملأ الفراغ باسم الطبقة الصحيح لنظام إنترنت الأشياء في الجمل الآتية:
أعلى الطبقات ف بنية نظام إنترنت الأشياء، وهي تستقبل البيانات المعالجة من الطبقات السابقة، وتستخدمها وفق متطلبات التطبيقات التي تتيح للمستخدمين التفاعل مع البيانات في نظام إنترنت الأشياء.
الطبقة المسؤولة عن جمع البيانات من محيطها ومن الكائنات الأخرى، وهي تعمل على تحديد الكائنات بشكل فريد داخل شبكات إنترنت الأشياء.
الطبقة التي توفِّر مجموعة من بروتوكولات الاتصال ومنهجيات دعم الشبكة لأجهزة إنترنت الأشياء.
السؤال الثالث: أرسم مُخطَّطًا يوضِّح بنية الطبقات السبع لنظام إنترنت الأشياء، ثمَّ أُبيِّن وظيفة كل طبقة من هذه الطبقات في مكانها المناسب.
السؤال الرابع: أُعلِّل ما يأتي:
تُعدُّ طبقة الحوسبة الضبابية واحدة من الطبقات المُهمَّة في الأنظمة الحديثة لإنترنت الأشياء.
تعمل البنية الطبقية في نظام إنترنت الأشياء على تعزيز الأمن والأمان.
تُخزَّن البيانات في طبقة تجميع البيانات بصورة انتقائية.
تُسهم طبقة التعاون والعمليات في تحسن اتخاذ القرار داخل أنظمة إنترنت الأشياء.
توجد نماذج مختلفة من بنى لأنظمة إنترنت الأشياء.
السؤال الخامس: أُحدِّد في الجدول الآتي الرقم والاسم لكل طبقة من الطبقات بحسب الوظيفة التي تؤديها، والتي ورد ذكرها في الجدول:
التخزين
التعامل مع البشر
تنسيق البيانات، وتقليصها، وفكُّ تشفيرها، وتقييمها
جمع البيانات، وتحويلها إلى إشارات رقمية
تفسير البيانات
توحيد التنسيق بين البيانات المختلفة، وإدارة أنواع مختلفة من البيانات، وتفويض الوصول إليها
الاتصال الأفقي بين الأشياء الذكية، ونقل البيانات الآمن بين المستويات المختلفة للشبكة، والعمل على توجيه هذه البيانات
المهارات: أُوظِّف مهارات التفكير الناقد والبحث الرقمي والتواصل في الإجابة عن الأسئلة الآتية:
السؤال الأوَّل: أبحث في شبكة الإنترنت عن بنية الطبقات الخمس لنظام إنترنت الأشياء، ثمَّ أُعدِّد هذه الطبقات، وأُبيِّن وظيفة كلٍّ منها.
السؤال الثاني: في نظام ذكي لإدارة مواقف السيارات في مدينة حديثة، استُخدمت أجهزة استشعار للكشف عن المواقف الشاغرة، وإرسال المعلومات إلى تطبيق في الهاتف يُرشد السائقين إلى أقرب موقف متاح، إضافةً إلى عرض السعر والخدمات القريبة:
أربط كل طبقة من طبقات البنية ذات سبع الطبقات بدور واضح في هذا النظام.
أيُّ الطبقات ستكون أكثر عرضة للأعطال أو الهجمات السيبرانية؟ لماذا؟
أقترح تطويرًا مُمكنًا للنظام، ثمَّ أُحدِّد الطبقة التي يجب تعزيزها لتحقيق ذلك.
السؤال الثالث: أُصمِّم فكرة مُبتكرة يُستخدم فيها إنترنت الأشياء لتحسين نظام الصحة المدرسية، وأُراعي فيها ما يأتي:
تحديد بنية الطبقات التي سأستخدمها، وتبرير إجابتي.
حصر البيانات التي سيجمعها النظام.
توضيح كيفية انتقال البيانات خلال الطبقات.
