صفحة 266 - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 تطبيقات المدن الذكية

المفاهيم الأساسية

الإنارة الذكية للشوارع: نظام إنارة متصل يمكنه توفير الطاقة وتقديم خدمات جديدة، باستخدام تقنيات مثل الدايودات المشعة للضوء (LEDs) التي تتميز باستهلاك منخفض للطاقة وإمكانية تعديل اللون والشدة.

التحكم الذكي في الحركة المرورية: حل يستخدم بيانات من مستشعرات إنترنت الأشياء لتخفيف الازدحام والتحكم في تدفق المرور، مثل تنظيم مدة إشارات المرور بناءً على الكثافة المرورية الفورية.

البيئة المتصلة: شبكة مراقبة لجودة الهواء باستخدام أجهزة استشعار ذكية لتوفير بيانات أكثر شمولاً وموثوقية مقارنة بالمحطات التقليدية المكلفة ومحدودة المدى.

تنبيهات الأمان الذكية: نظام يستخدم وحدات اتصال على جانب الطريق (RSU) للتواصل مع المركبات (من خلال OBU) لتقديم تحذيرات السلامة والمعلومات المرورية.

خريطة المفاهيم

```markmap

7. الرسائل في إنترنت الأشياء

ما سيتعلمه الطالب

تطبيقات المدن الذكية

• التعرف على طبقات هيكلية المدن الذكية

- طبقة الشارع (Street)

- أجهزة ومستشعرات طبقة الشارع

- مستشعر مغناطيسي (Magnetic Sensor)

- مستشعرات الإضاءة (Lighting Controller)

- كاميرات المراقبة (Video Cameras)

- مستشعر جودة الهواء (Air Quality Sensor)

- العدادات (Counters)

- طبقة المدينة (City)

- وظيفتها: النقل المباشر بين الأجهزة الطرفية ومراكز البيانات/الإنترنت

- متطلباتها:

- نشر موجهات ومحولات شبكية بمستوى أعلى من طبقة الشارع

- تقليل البيانات عبر بروتوكولات متعددة

- المرونة لضمان وصول الحزم (خاصة للتطبيقات الحساسة للتأخر أو فقدان الحزم)

- طبقة مركز البيانات (Data Center)

- وظيفتها: معالجة وتخزين البيانات واستخراج الأنماط لدعم القرارات

- أمثلة تطبيقية:

- إعطاء تصور لحركة المرور على مستوى المدينة

- إدارة مدة ومزامنة إشارات المرور تلقائياً

- موقع التخزين: الخدمات السحابية أو مراكز بيانات البلدية/الشركات الخاصة

- طبقة الخدمات (Services)

- وظيفتها: تقديم الخدمات الفعلية للسلطات والمواطنين بناءً على البيانات المعالجة

- أمثلة تطبيقية:

- إعادة توجيه الحافلات لتجنب الازدحام

- تسيير المزيد من قطارات الأنفاق تلقائياً

- توقع قرارات الركاب

• تحديد أمثلة على المدن الذكية

- مثال: مشاريع المدن الذكية في المملكة العربية السعودية بحلول 2030

- تشمل: الإدارة الذكية للمرور ومواقف السيارات، أنظمة الحفاظ على البيئة، إدارة النفايات، الإسكان الذكي، أنظمة إدارة الأراضي

- الهدف: تحسين نوعية حياة المواطنين والاستدامة المالية وجودة الخدمة

#### أمثلة تطبيقية للمدن الذكية

##### الإنارة الذكية للشوارع

• الهدف: خفض تكاليف الطاقة (تمثل حتى 40% من التكلفة) وتحسين الكفاءة.
• التقنية الأساسية: الدايودات المشعة للضوء (LEDs).
• الميزات: استهلاك منخفض للطاقة، إمكانية تعديل اللون والشدة حسب الحاجة.

##### التحكم الذكي في الحركة المرورية

• المشكلة المستهدفة: الازدحام المروري (يسبب تلوثاً وفقدان إنتاجية).
• آلية العمل: جمع بيانات (عدد السكان، حركة التنقل، أعداد المركبات) عبر مستشعرات إنترنت الأشياء وإرسالها للمسؤولين.
• أحد الحلول: التحكم في مدة إشارات المرور بناءً على الكثافة المرورية الفورية.

##### البيئة المتصلة

• المشكلة المستهدفة: محدودية بيانات جودة الهواء من المحطات التقليدية (مكلفة، محدودة المدى).
• الحل: نشر محطات مراقبة ذكية (أصغر حجماً وأقل تكلفة) لتوفير بيانات موثوقة على المستوى المحلي وتتبع انتقال التلوث.

##### تنبيهات الأمان الذكية

• المكونات:

- وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى (DSRC) على جانب الطريق.

- وحدة الاتصال على جانب الطريق (RSU): تعمل كبوابة بين المركبة والبنية التحتية، وتوفر تحذيرات أمان ومعلومات مرورية.

- وحدة التواصل داخل المركبة (OBU).

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

• تمثل إنارة الشوارع التقليدية ما يصل إلى 40% من إجمالي تكلفة الطاقة في المدن.
• تحليل البيانات المجمعة عبر الزمن يساعد مخططي المدن في وضع استراتيجيات فعالة لتقليل الازدحام المروري.
• محدودية نطاق وارتفاع تكلفة محطات مراقبة جودة الهواء التقليدية تعيق الحصول على صورة دقيقة لأنماط التلوث في المدينة.
• وحدة الاتصال على جانب الطريق (RSU) هي جهاز اتصال لاسلكي يوفر دعماً معلوماتياً وتحذيرات للمركبات المارة.

تطبيقات المدن الذكية Smart City Applications

الإنارة الذكية للشوارع Connected Street Lighting

تعد إنارة الشوارع إحدى أكثر المرافق الحضرية تكلفة، لكونها تمثل ما يصل إلى 40% من إجمالي تكلفة الطاقة. وتبحث المدن عن طرائق لخفض تكاليف الإنارة مع تحسين كفاءة التشغيل وخفض النفقات الأولية. يمكن أن يؤدي تثبيت نظام الإنارة الذكية للشوارع إلى توفير كبير في الطاقة مما يتيح المجال لتقديم خدمات جديدة. ويُعد الانتقال إلى استخدام تقنيات الدايودات المشعة للضوء (LEDs) في طليعة الوسائل المستخدمة للتحول من الإنارة التقليدية إلى الإنارة الذكية للشوارع، وتتميز الدايودات المشعة للضوء بالاستهلاك المنخفض للطاقة، مما يجعلها مناسبة بشكل مثالي لتطبيقات الحلول الذكية. ويمكن أيضًا تعديل ألوان الدايودات المشعة وشدتها وفقًا للحاجة والظروف المحيطة.

شكل 7.3: الإنارة الذكية للشوارع

التحكم الذكي في الحركة المرورية Smart Traffic Control

يعد الازدحام المروري من أكثر المشاكل شيوعًا في المدن الحديثة، حيث يسهم بشكل كبير في التلوث البيئي وفقدان الإنتاجية. ويشمل الحل الذكي لضبط وتنظيم الحركة المرورية في المدن توفير المعلومات حول عدد السكان، وحركة التنقل، وأعداد المركبات على الطريق، حيث يتم إرسال تلك البيانات إلى المسؤولين عن تخطيط وتنظيم حركة المرور لاتخاذ الإجراءات اللازمة. ومن الممكن تفعيل التطبيقات المرورية من خلال البيانات الواردة من مستشعرات إنترنت الأشياء وذلك لتخفيف الازدحام والتحكم في الحركة المرورية، ويستطيع مخططو المدن من خلال تحليل البيانات التي تم جمعها خلال فترات زمنية معينة إنشاء استراتيجيات أكثر فاعلية لتقليل الازدحام المروري. يتسبب الازدحام المروري في ارتفاع حوادث المرور، والتي بدورها تزيد من الازدحام المروري حتى تلك البسيطة منها. ويتمثل أحد الحلول الشائعة في التحكم في تدفق حركة السيارات بناءً على كثافة الحركة المرورية. يمكن للتطبيق الذي يكتشف كثافة الحركة المرورية الفورية تنظيم مدة دورة إشارة المرور لتقييد أو إزالة تأثير الازدحام المروري بالتحكم في عدد المركبات المنضمة إلى حركة المرور على الطرق الرئيسة.

شكل 7.4: التحكم الذكي في الحركة المرورية

البيئة المتصلة Connected Environment

تراقب غالبية المدن الكبيرة جودة الهواء، ولكن الكثير من محطات مراقبة جودة الهواء تستخدم معدات قديمة ومكلفة لجمع هذه البيانات، وعادة ما تجمع هذه المحطات قراءات دقيقة جدًا، ولكنها تتسم بمحدودية المدى الذي تجمع منه البيانات، وبالتالي يحتمل ألا يتم تغطية كامل المدينة بالنقاط الكافية. وتؤدي محدودية البيانات التي تُجمع إلى عدم القدرة على تحديد أنماط جودة الهواء بشكل صحيح. إن تكلفة محطات مراقبة جودة الهواء وحجمها يجعلان من الصعب توفير العدد الكافي من هذه المحطات لتوفير معلومات موثوقة على مستوى محلي وتتبع انتقال التلوث في أرجاء المدن على مدى فترة زمنية معينة.

شكل 7.5: محطة جودة هواء ذكية

تنبيهات الأمان الذكية Smart Safety Alerts

توجد على جانب الطريق وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى (DSRC - Dedicated Short-Range Communications) تعمل كبوابة بين وحدة التواصل داخل المركبة (OBU - On-Board Unit) والبنية التحتية للاتصالات، كما تعمل وحدة الاتصال على جانب الطريق (RSU - Roadside Unit) بمثابة جهاز اتصال لاسلكي على جانب الطريق وتوفر الاتصال ودعم المعلومات للمركبات المارة بما فيها تحذيرات السلامة والمعلومات المرورية.

شكل 7.6: وحدة اتصال على جانب الطريق (RSU)

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

266

تطبيقات المدن الذكية Smart City Applications الإنارة الذكية للشوارع Connected Street Lighting تعد إنارة الشوارع إحدى أكثر المرافق الحضرية تكلفة، لكونها تمثل ما يصل إلى 40% من إجمالي تكلفة الطاقة. وتبحث المدن عن طرائق لخفض تكاليف الإنارة مع تحسين كفاءة التشغيل وخفض النفقات الأولية. يمكن أن يؤدي تثبيت نظام الإنارة الذكية للشوارع إلى توفير كبير في الطاقة مما يتيح المجال لتقديم خدمات جديدة. ويُعد الانتقال إلى استخدام تقنيات الدايودات المشعة للضوء (LEDs) في طليعة الوسائل المستخدمة للتحول من الإنارة التقليدية إلى الإنارة الذكية للشوارع، وتتميز الدايودات المشعة للضوء بالاستهلاك المنخفض للطاقة، مما يجعلها مناسبة بشكل مثالي لتطبيقات الحلول الذكية. ويمكن أيضًا تعديل ألوان الدايودات المشعة وشدتها وفقًا للحاجة والظروف المحيطة. شكل 7.3: الإنارة الذكية للشوارع التحكم الذكي في الحركة المرورية Smart Traffic Control يعد الازدحام المروري من أكثر المشاكل شيوعًا في المدن الحديثة، حيث يسهم بشكل كبير في التلوث البيئي وفقدان الإنتاجية. ويشمل الحل الذكي لضبط وتنظيم الحركة المرورية في المدن توفير المعلومات حول عدد السكان، وحركة التنقل، وأعداد المركبات على الطريق، حيث يتم إرسال تلك البيانات إلى المسؤولين عن تخطيط وتنظيم حركة المرور لاتخاذ الإجراءات اللازمة. ومن الممكن تفعيل التطبيقات المرورية من خلال البيانات الواردة من مستشعرات إنترنت الأشياء وذلك لتخفيف الازدحام والتحكم في الحركة المرورية، ويستطيع مخططو المدن من خلال تحليل البيانات التي تم جمعها خلال فترات زمنية معينة إنشاء استراتيجيات أكثر فاعلية لتقليل الازدحام المروري. يتسبب الازدحام المروري في ارتفاع حوادث المرور، والتي بدورها تزيد من الازدحام المروري حتى تلك البسيطة منها. ويتمثل أحد الحلول الشائعة في التحكم في تدفق حركة السيارات بناءً على كثافة الحركة المرورية. يمكن للتطبيق الذي يكتشف كثافة الحركة المرورية الفورية تنظيم مدة دورة إشارة المرور لتقييد أو إزالة تأثير الازدحام المروري بالتحكم في عدد المركبات المنضمة إلى حركة المرور على الطرق الرئيسة. شكل 7.4: التحكم الذكي في الحركة المرورية البيئة المتصلة Connected Environment تراقب غالبية المدن الكبيرة جودة الهواء، ولكن الكثير من محطات مراقبة جودة الهواء تستخدم معدات قديمة ومكلفة لجمع هذه البيانات، وعادة ما تجمع هذه المحطات قراءات دقيقة جدًا، ولكنها تتسم بمحدودية المدى الذي تجمع منه البيانات، وبالتالي يحتمل ألا يتم تغطية كامل المدينة بالنقاط الكافية. وتؤدي محدودية البيانات التي تُجمع إلى عدم القدرة على تحديد أنماط جودة الهواء بشكل صحيح. إن تكلفة محطات مراقبة جودة الهواء وحجمها يجعلان من الصعب توفير العدد الكافي من هذه المحطات لتوفير معلومات موثوقة على مستوى محلي وتتبع انتقال التلوث في أرجاء المدن على مدى فترة زمنية معينة. شكل 7.5: محطة جودة هواء ذكية تنبيهات الأمان الذكية Smart Safety Alerts توجد على جانب الطريق وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى (DSRC - Dedicated Short-Range Communications) تعمل كبوابة بين وحدة التواصل داخل المركبة (OBU - On-Board Unit) والبنية التحتية للاتصالات، كما تعمل وحدة الاتصال على جانب الطريق (RSU - Roadside Unit) بمثابة جهاز اتصال لاسلكي على جانب الطريق وتوفر الاتصال ودعم المعلومات للمركبات المارة بما فيها تحذيرات السلامة والمعلومات المرورية. شكل 7.6: وحدة اتصال على جانب الطريق (RSU) وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 266 --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: الإنارة الذكية للشوارع Description: An aerial photograph of a city at night, showing a network of roads illuminated by streetlights, highlighting the concept of smart street lighting. Context: Illustrates the application of smart lighting in urban environments. **FIGURE**: التحكم الذكي في الحركة المرورية Description: A stylized diagram depicting a city's road network with overlaid digital elements, possibly indicating traffic sensors, data flow, or controlled zones for smart traffic management. Context: Visualizes the concept of smart traffic control using technology. **FIGURE**: محطة جودة هواء ذكية Description: A photograph of an outdoor air quality monitoring station, consisting of a white cylindrical device mounted on a pole, with various sensors visible. Context: Shows a physical component of a connected environment for air quality monitoring. **FIGURE**: وحدة اتصال على جانب الطريق (RSU) Description: A photograph of a Roadside Unit (RSU), which is a communication device resembling an antenna, mounted horizontally on a pole beside a road. Context: Illustrates a key component (RSU) for smart safety alerts and vehicle-to-infrastructure communication.