مثال - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل - MQTT

المفاهيم الأساسية

MQTT (بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل): بروتوكول غير معقد وموثوق وفعال، تم تطويره في نهاية التسعينيات من قبل مهندسي IBM و Arcom لمراقبة وإدارة أعداد كبيرة من المستشعرات من خادم مركزي، خاصة في قطاعي النفط والغاز. وهو الآن موحد من قبل OASIS.

وسيط الرسائل (Message Broker): خادم MQTT المركزي الذي يتلقى الاتصال من الناشرين، ويدير عمليات الاشتراك وإلغاء الاشتراك، ويقدم البيانات للمشتركين.

الناشر (Publisher): عميل MQTT الذي يرسل البيانات إلى وسيط الرسائل.

المشترك (Subscriber): عميل MQTT الذي يشترك لاستقبال البيانات من وسيط الرسائل.

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

- مقدمة عن MQTT

- الهدف: بروتوكول غير معقد وموثوق وفعال لمراقبة وإدارة أعداد كبيرة من المستشعرات من خادم مركزي.

- المطورون: مهندسو IBM و Arcom (نهاية التسعينيات).

- الاستخدام الأصلي: قطاع النفط والغاز.

- الجهة الموحدة: مؤسسة OASIS.

- مقارنة مع HTTP: يستخدم على نطاق أوسع في إنترنت الأشياء لسهولة إنشاء هياكل معقدة.

- أساسيات MQTT

- المكونات الرئيسية:

- الناشر (Publisher): يرسل البيانات.

- وسيط الرسائل (Message Broker): الخادم المركزي الذي يدير الاتصالات والاشتراكات.

- المشترك (Subscriber): يستقبل البيانات.

- مبدأ العمل: الفصل بين الناشر والمشترك عبر الوسيط، مما يسمح بتأخير وتخزين المعلومات عند فشل الشبكة.

- مراحل جلسة MQTT: إنشاء الجلسة، المصادقة، تبادل البيانات، إنهاء الجلسة.

- معرف العميل: فريد لتحديد الجلسة بين العميل والخادم.

- عيوب MQTT:

- أبطأ في الإرسال من HTTP.

- يجب على المستخدم تنفيذ اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي.

- قصور أمني في التشفير.

- صعوبة التوسع مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء.

• 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

• تتطلب المدن الذكية أنظمة لجمع ومعرفة فورية بجودة الهواء، تشمل: أنظمة بيانات مفتوحة، مستشعرات إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة، وإمكانية تمثيل وتخزين البيانات للمسؤولين والمواطنين.
• مثال: مشروع "ذا لاين" في نيوم بالسعودية يهدف لدمج تقنيات المدن الذكية لتصبح مدينة خالية من الانبعاثات، دون سيارات أو ازدحام.
• في MQTT، لا يحتاج الناشرون والمشتركون للاتصال بالإنترنت في نفس الوقت بسبب وجود وسيط الرسائل.
• كل عميل في MQTT له معرف فريد، ويعامله الخادم بشكل منفصل حتى عند إرسال رسالة للعديد من العملاء.

تتطلب المدينة الذكية دائماً معرفة فورية وشاملة بجودة الهواء، ولجمع هذه البيانات تتطلب المدن الذكية ما يلي:

• أنظمة بيانات مفتوحة تتلقى قياسات جودة الهواء من محطات المراقبة الموجودة. • مستشعرات إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة وذات مستوى من الدقة مماثلاً لذلك الذي يمكن الحصول عليه من محطات جودة الهواء. • إمكانية تمثيل البيانات المتوفرة للمسلطات والمواطنين، وتخزين سجلات بيانات جودة الهواء السابقة لتتبع الانبعاثات زمنياً وتحديد اتجاهاتها.

يهدف مشروع ذا لاين (The Line) في مدينة نيوم الكبرى في المملكة العربية السعودية إلى دمج أحدث تقنيات المدن الذكية المتطورة لتصبح البيئة الحضرية الأكثر تقدماً من الناحية التقنية. ستعتمد نيوم بشكل كبير على حلول إنترنت الأشياء للمدن الذكية للوصول إلى هدفها المتمثل في أن تصبح مدينة خالية من الانبعاثات، دون سيارات أو ازدحام مروري.

بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل - MQTT

Message Queuing Telemetry Transport - MQTT

مقدمة إلى بروتوكول (MQTT)

Introduction to MQTT

طرح المهندسون من شركتي IBM و Arcom في نهاية التسعينيات من القرن الماضي فكرة تطوير بروتوكول غير معقد وموثوق وفعال، وذلك لمراقبة الأعداد الكبيرة من المستشعرات، وإدارتها والتعامل مع بياناتها من موقع خادم مركزي، وتحديداً للاستخدام في قطاعي النفط والغاز، نتج عنه تطوير بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل (MQTT)، والذي تم توحيده الآن من قبل مؤسسة المعايير الدولية المنظمة (OASIS). يستخدم بروتوكول (MQTT) على نطاق أوسع من استخدام بروتوكول (HTTP) في تطبيقات إنترنت الأشياء، وذلك بشكل أساسي لسهولة إنشاء هياكل معقدة باستخدام الأجهزة التي ترسل وتستقبل حزم البيانات.

أساسيات بروتوكول MQTT

Basics MQTT Basics

يمكن لعميل (MQTT) أن يكون ناشراً (Publisher) لإرسال البيانات إلى خادم (MQTT) يعمل كخادم رسائل، ويسمى أيضاً بوسيط الرسائل (Message Broker). يتلقى خادم (MQTT) الاتصال من شبكة الناشرين ووسائل التطبيق، ويدير هذا الخادم أيضاً عمليات الاشتراك وإلغاء الاشتراك، ويقدم بيانات التطبيق لعملاء (MQTT) الذين يعملون كمشتركين (Subscribers). يمكن للعملاء الاشتراك لاستلام كافة البيانات أو جزء منها من مجموعة معلومات الناشر (MQTT). ويطلق على عميل (MQTT) في هذه الحالة اسم المشترك (Subscriber). يؤدي تضمين وسيط الرسائل في (MQTT) إلى الفصل بين عملية نقل البيانات بين الناشرين والمشتركين، فالناشرون والمشتركون يجهلون بعضهم بعضاً، ويضمن وسيط الرسائل (MQTT) إمكانية تأخير المعلومات وتخزينها في حالة فشل الشبكة. وهو ما يُعد ميزة لعملية الفصل بين الناشرين والمشتركين. ولهذا السبب، لا يتطلب من الناشرين والمشتركين الاتصال بالإنترنت في آن واحد. وتتكون جلسة (MQTT) لكل عميل وخادم من أربعة مراحل وهي: إنشاء الجلسة، والمصادقة، وتبادل البيانات، وإنهاء الجلسة. وكل عميل يتصل بخادم لديه مُعرف عميل فريد يحدد جلسة (MQTT) بين الطرفين، ويعامل الخادم كل عميل على حدة عند إرسال رسالة تطبيق إلى العديد من العملاء. من عيوب بروتوكول (MQTT) أنه أبطأ في الإرسال من بروتوكول (HTTP)، كما أنه يجب تنفيذ اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي من قبل المستخدم. ويؤخذ على هذا البروتوكول أيضاً قصوره الأمني في عملية التشفير، وكذلك صعوبة توسيع نطاقه مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء.

شكل 7.7: وظيفة MQTT

وزارة التعليم

Ministry of Education

267

2025 - 1447

تتطلب المدينة الذكية دائماً معرفة فورية وشاملة بجودة الهواء، ولجمع هذه البيانات تتطلب المدن الذكية ما يلي: • أنظمة بيانات مفتوحة تتلقى قياسات جودة الهواء من محطات المراقبة الموجودة. • مستشعرات إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة وذات مستوى من الدقة مماثلاً لذلك الذي يمكن الحصول عليه من محطات جودة الهواء. • إمكانية تمثيل البيانات المتوفرة للمسلطات والمواطنين، وتخزين سجلات بيانات جودة الهواء السابقة لتتبع الانبعاثات زمنياً وتحديد اتجاهاتها. --- SECTION: مثال --- يهدف مشروع ذا لاين (The Line) في مدينة نيوم الكبرى في المملكة العربية السعودية إلى دمج أحدث تقنيات المدن الذكية المتطورة لتصبح البيئة الحضرية الأكثر تقدماً من الناحية التقنية. ستعتمد نيوم بشكل كبير على حلول إنترنت الأشياء للمدن الذكية للوصول إلى هدفها المتمثل في أن تصبح مدينة خالية من الانبعاثات، دون سيارات أو ازدحام مروري. بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل - MQTT Message Queuing Telemetry Transport - MQTT مقدمة إلى بروتوكول (MQTT) Introduction to MQTT طرح المهندسون من شركتي IBM و Arcom في نهاية التسعينيات من القرن الماضي فكرة تطوير بروتوكول غير معقد وموثوق وفعال، وذلك لمراقبة الأعداد الكبيرة من المستشعرات، وإدارتها والتعامل مع بياناتها من موقع خادم مركزي، وتحديداً للاستخدام في قطاعي النفط والغاز، نتج عنه تطوير بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل (MQTT)، والذي تم توحيده الآن من قبل مؤسسة المعايير الدولية المنظمة (OASIS). يستخدم بروتوكول (MQTT) على نطاق أوسع من استخدام بروتوكول (HTTP) في تطبيقات إنترنت الأشياء، وذلك بشكل أساسي لسهولة إنشاء هياكل معقدة باستخدام الأجهزة التي ترسل وتستقبل حزم البيانات. أساسيات بروتوكول MQTT Basics MQTT Basics يمكن لعميل (MQTT) أن يكون ناشراً (Publisher) لإرسال البيانات إلى خادم (MQTT) يعمل كخادم رسائل، ويسمى أيضاً بوسيط الرسائل (Message Broker). يتلقى خادم (MQTT) الاتصال من شبكة الناشرين ووسائل التطبيق، ويدير هذا الخادم أيضاً عمليات الاشتراك وإلغاء الاشتراك، ويقدم بيانات التطبيق لعملاء (MQTT) الذين يعملون كمشتركين (Subscribers). يمكن للعملاء الاشتراك لاستلام كافة البيانات أو جزء منها من مجموعة معلومات الناشر (MQTT). ويطلق على عميل (MQTT) في هذه الحالة اسم المشترك (Subscriber). يؤدي تضمين وسيط الرسائل في (MQTT) إلى الفصل بين عملية نقل البيانات بين الناشرين والمشتركين، فالناشرون والمشتركون يجهلون بعضهم بعضاً، ويضمن وسيط الرسائل (MQTT) إمكانية تأخير المعلومات وتخزينها في حالة فشل الشبكة. وهو ما يُعد ميزة لعملية الفصل بين الناشرين والمشتركين. ولهذا السبب، لا يتطلب من الناشرين والمشتركين الاتصال بالإنترنت في آن واحد. وتتكون جلسة (MQTT) لكل عميل وخادم من أربعة مراحل وهي: إنشاء الجلسة، والمصادقة، وتبادل البيانات، وإنهاء الجلسة. وكل عميل يتصل بخادم لديه مُعرف عميل فريد يحدد جلسة (MQTT) بين الطرفين، ويعامل الخادم كل عميل على حدة عند إرسال رسالة تطبيق إلى العديد من العملاء. من عيوب بروتوكول (MQTT) أنه أبطأ في الإرسال من بروتوكول (HTTP)، كما أنه يجب تنفيذ اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي من قبل المستخدم. ويؤخذ على هذا البروتوكول أيضاً قصوره الأمني في عملية التشفير، وكذلك صعوبة توسيع نطاقه مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء. --- SECTION: شكل 7.7 --- شكل 7.7: وظيفة MQTT وزارة التعليم Ministry of Education 267 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: وظيفة MQTT Description: A flowchart-like diagram illustrating the components and data flow in an MQTT system. It shows a central 'وسيط الرسائل (خادم MQTT)' (Message Broker (MQTT Server)) connected to multiple 'عميل MQTT (ناشر)' (MQTT Client (Publisher)) and 'عميل MQTT (مشترك)' (MQTT Client (Subscriber)). A sensor labeled 'مستشعر درجة الحرارة / الرطوبة النسبية' (Temperature / Relative Humidity Sensor) is shown connected to a plant, representing a data source for a publisher. Dashed lines indicate communication paths. X-axis: N/A Y-axis: N/A Data: N/A Context: Illustrates the architecture and roles of components (Publisher, Broker, Subscriber) in an MQTT communication protocol, with an example of a sensor providing data.