الدرس الأول - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 المدن الذكية وبروتوكول MQTT

المفاهيم الأساسية

المدن الذكية: مدن تستخدم تقنيات إنترنت الأشياء لتحسين الموارد ومعالجة النفايات والانبعاثات، وذلك لمواجهة تحديات التوسع العمراني والزيادة السكانية.

هيكلية المدينة الذكية باستخدام إنترنت الأشياء: تصميم مقترح يقسم شبكة إنترنت الأشياء للمدينة إلى أربع طبقات مترابطة.

خريطة المفاهيم

```markmap

7. الرسائل في إنترنت الأشياء

ما سيتعلمه الطالب

تطبيقات المدن الذكية

• التعرف على طبقات هيكلية المدن الذكية

- طبقة الشارع (Street)

- طبقة المدينة (City)

- طبقة مركز البيانات (Data Center)

- طبقة الخدمات (Services)

• تحديد أمثلة على المدن الذكية

أساسيات بروتوكول MQTT

• وصف وظيفة بروتوكول MQTT
• تصنيف جودة الخدمة (QoS) لبروتوكول MQTT

إنشاء تطبيق عملي

• استخدام البرمجة النصية في بايثون لنشر الرسائل إلى عميل MQTT X
• إنشاء ملف بيانات JSON لتخزين التقارير
• استخدام مفكرة Jupyter لتحليل البيانات في ملف JSON

الأدوات المستخدمة

• بيئة التطوير المتكاملة للأردوينو (Arduino IDE)
• أداة JetBrains PyCharm
• بيئة محاكاة دوائر Autodesk Tinkercad Circuits
• عميل MQTT X

```

نقاط مهمة

• التحديات الحضرية: يؤدي التوسع العمراني غير المخطط إلى تجاوز الطاقة الاستيعابية للبنية التحتية (طرق، جسور، صرف صحي) وصعوبة توفير الأساسيات (ماء، كهرباء) وتقليل الانبعاثات.
• التأثير البيئي للمدن: المدن مسؤولة عن 60-80% من انبعاثات الطاقة وغازات الاحتباس الحراري عالمياً، وتستهلك 60% من المياه الصالحة للشرب مع فقدان 20% بسبب التسربات.
• أولوية إنترنت الأشياء: يعد استخدام تقنيات إنترنت الأشياء لتحسين الموارد ومعالجة النفايات والانبعاثات أولوية قصوى للسلطات المسؤولة عن المدن.
• تدفق البيانات في الهيكلية: تنتقل البيانات من أجهزة طبقة الشارع إلى طبقة المدينة حيث يتم دمجها وتوحيدها وتخزينها، ثم تقوم طبقة مركز البيانات بتغذية طبقة الخدمات بالتطبيقات.

الدرس الأول

المدن الذكية وبروتوكول MQTT

بدأت غالبية المدن كمراكز حضرية متواضعة، وذلك دون وجود تخطيط مسبق يدعم متطلبات الزيادة السكانية المتسارعة. يؤثر التوسع العمراني المطرد للمدن على بنيتها التحتية وخدماتها المختلفة، حيث يتم تجاوز الطاقة الاستيعابية القصوى للطرق والجسور وأنظمة الصرف الصحي، مما يصعب من طبيعة الحياة فيها، ويجعل توفير الأساسيات مثل الماء والكهرباء وتقليل الانبعاثات الكربونية يمثل تحدياً مباشراً في هذه المدن.

تزداد الانبعاثات الحرارية واستهلاك الطاقة مع الزيادة الكبيرة في عدد السكان على الكرة الأرضية، كما أن تركز السكان في مناطق معينة يُعد من قدرة النظام البيئي على التغلب على الملوثات، فالأزدياد في الانبعاثات والنفايات يسهم في تسارع التغير المناخي. وتعد المدن في وقتنا الحاضر مسؤولة عما يقرب من 60-80% من انبعاثات الطاقة وغازات الاحتباس الحراري في العالم، حيث تستهلك المدن 60% من مجموع المياه الصالحة للشرب، بينما تصل نسبة الفاقد من تلك المياه إلى 20% بسبب التسربات في شبكات المياه.

يعد تحسين الموارد ومعالجة النفايات والانبعاثات باستخدام تقنيات إنترنت الأشياء الأولوية القصوى لجميع السلطات المسؤولة عن المدن في جميع أنحاء العالم.

هيكلية المدينة الذكية باستخدام إنترنت الأشياء

A Smart City IoT Architecture

يتمثل التحدي الرئيسي لحلول إنترنت الأشياء في ربط أنظمة معقدة في تقنية موحدة، وتوجد العديد من مخططات المدن الذكية المقترحة، ومن أبرزها المخطط المبني على تصميم شبكة إنترنت الأشياء الذكية للمدن إلى أربع طبقات، وتشمل كل من طبقة الشارع (Street)، وطبقة المدينة (City)، وطبقة مركز البيانات (Data Center)، وطبقة الخدمات (Services).

تنتقل البيانات من الأجهزة الموجودة في طبقة الشارع إلى طبقة شبكة المدينة، حيث يتم دمجها وتوحيدها وتخزينها، وتقوم طبقة مركز البيانات بتغذية المعلومات في طبقة الخدمات التي تشتمل على تطبيقات مزود الخدمة للمدينة.

رابط الدرس الرقمي www.ien.edu.sa

شكل 7.1: مخطط إنترنت الأشياء في المدينة الذكية

وزارة التعليم Ministry of Education 263 2025 - 1447

--- SECTION: الدرس الأول --- الدرس الأول --- SECTION: المدن الذكية وبروتوكول MQTT --- المدن الذكية وبروتوكول MQTT بدأت غالبية المدن كمراكز حضرية متواضعة، وذلك دون وجود تخطيط مسبق يدعم متطلبات الزيادة السكانية المتسارعة. يؤثر التوسع العمراني المطرد للمدن على بنيتها التحتية وخدماتها المختلفة، حيث يتم تجاوز الطاقة الاستيعابية القصوى للطرق والجسور وأنظمة الصرف الصحي، مما يصعب من طبيعة الحياة فيها، ويجعل توفير الأساسيات مثل الماء والكهرباء وتقليل الانبعاثات الكربونية يمثل تحدياً مباشراً في هذه المدن. تزداد الانبعاثات الحرارية واستهلاك الطاقة مع الزيادة الكبيرة في عدد السكان على الكرة الأرضية، كما أن تركز السكان في مناطق معينة يُعد من قدرة النظام البيئي على التغلب على الملوثات، فالأزدياد في الانبعاثات والنفايات يسهم في تسارع التغير المناخي. وتعد المدن في وقتنا الحاضر مسؤولة عما يقرب من 60-80% من انبعاثات الطاقة وغازات الاحتباس الحراري في العالم، حيث تستهلك المدن 60% من مجموع المياه الصالحة للشرب، بينما تصل نسبة الفاقد من تلك المياه إلى 20% بسبب التسربات في شبكات المياه. يعد تحسين الموارد ومعالجة النفايات والانبعاثات باستخدام تقنيات إنترنت الأشياء الأولوية القصوى لجميع السلطات المسؤولة عن المدن في جميع أنحاء العالم. --- SECTION: هيكلية المدينة الذكية باستخدام إنترنت الأشياء --- هيكلية المدينة الذكية باستخدام إنترنت الأشياء --- SECTION: A Smart City IoT Architecture --- A Smart City IoT Architecture يتمثل التحدي الرئيسي لحلول إنترنت الأشياء في ربط أنظمة معقدة في تقنية موحدة، وتوجد العديد من مخططات المدن الذكية المقترحة، ومن أبرزها المخطط المبني على تصميم شبكة إنترنت الأشياء الذكية للمدن إلى أربع طبقات، وتشمل كل من طبقة الشارع (Street)، وطبقة المدينة (City)، وطبقة مركز البيانات (Data Center)، وطبقة الخدمات (Services). تنتقل البيانات من الأجهزة الموجودة في طبقة الشارع إلى طبقة شبكة المدينة، حيث يتم دمجها وتوحيدها وتخزينها، وتقوم طبقة مركز البيانات بتغذية المعلومات في طبقة الخدمات التي تشتمل على تطبيقات مزود الخدمة للمدينة. رابط الدرس الرقمي www.ien.edu.sa شكل 7.1: مخطط إنترنت الأشياء في المدينة الذكية وزارة التعليم Ministry of Education 263 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: شكل 7.1: مخطط إنترنت الأشياء في المدينة الذكية Description: A diagram illustrating the architecture of a smart city using IoT. It shows different layers: 'طبقة الخدمات' (Services Layer), 'طبقة مركز البيانات' (Data Center Layer), 'طبقة المدينة' (City Layer), and 'طبقة الشارع' (Street Layer). Arrows indicate data flow from the street layer up through the city layer to the data center and services layers. Visual elements include an ambulance on a street, traffic lights, and abstract representations of data cubes and network connections. Data: Illustrates the flow of data and services in a smart city IoT architecture. Context: Explains the layered architecture of a smart city's IoT implementation, showing how data is collected, processed, and utilized.