📚 إنترنت الأشياء في المدينة الذكية
المفاهيم الأساسية
هذه الصفحة تحتوي على أنشطة تطبيقية فقط، ولا تقدم مفاهيم أو تعريفات جديدة.
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/شركات خاصة
- 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 الكضافة 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
- 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
-
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
-
مستوى QoS 0 (مرة واحدة على الأكثر):
- الوصف: خدمة بيانات غير مؤكدة (أفضل جهد).
- آلية العمل: يرسل الناشر مرة واحدة، لا إجابة، لا إعادة إرسال.
- الخصائص:
- لا يمكنه التعامل مع الفشل.
- لا يتكرر أبداً.
- مستوى QoS 1 (مرة واحدة على الأقل):
- الوصف: يضمن إرسال الرسائل مرة واحدة على الأقل.
- الخصائص:
- يستطيع التغلب على فقدان الاتصال.
- يمكن أن يتكرر.
- مستوى QoS 2 (مرة واحدة بالضبط):
- الوصف: أعلى مستوى، يمنع فقدان أو تكرار الرسالة (خدمة مضمونة).
- آلية العمل: يستخدم متغيراً اختيارياً لتعريف الحزمة.
- الخصائص:
- يستطيع التغلب على فقدان الاتصال.
- لا يمكن أن يتكرر.
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
تمارين الفهم والمراجعة
تحديد الجمل الصحيحة والخاطئة
- نطاق تطوير المدن الذكية (ليس فقط الحركة المرورية).
- متطلبات موجهات شبكة طبقة المدينة (المرونة ضد فقدان البيانات).
- مسار نقل البيانات (من طبقة الشارع إلى طبقة المدينة أولاً).
- مواقع تخزين بيانات مركز البيانات (السحابة أو الخوادم الخاصة).
- محتوى طبقة الخدمات (التطبيقات المستخدمة من قبل السكان).
- تقنيات الإنارة الذكية (لا تنحصر على LEDs فقط).
- استخدام البيانات التاريخية (يمكن استخدامها للتنبؤ بالمستقبل).
- دور حلول إنترنت الأشياء البيئية (الحد من الانبعاثات الضارة).
- هدف بروتوكول MQTT (ربط العديد من المستشعرات عبر نقطة خدمة واحدة).
- طبيعة الاتصال الأساسي في MQTT (الناشر والمشترك لا يدركان وجود بعضهما).
سؤال مفتوح للتفكير
- الدوافع الأساسية لتطوير المدن الذكية.
الأدوات المستخدمة
- بيئة التطوير المتكاملة للأردوينو (Arduino IDE)
- أداة JetBrains PyCharm
- بيئة محاكاة دوائر Autodesk Tinkercad Circuits
- عميل MQTT X
الأنشطة التطبيقية
3. إنشاء مخطط تدفق البيانات
- المطلوب: إنشاء مخطط يوضح كيفية تدفق البيانات في هيكلية إنترنت الأشياء في المدينة الذكية.
- الأداة المساعدة: شبكة بيانية فارغة (مقياس لوغاريتمي على المحور الرأسي، خطي على المحور الأفقي) لرسم المخطط.
4. عرض أمثلة على استخدام المستشعرات
- المطلوب: عرض أمثلة حول استخدام المستشعرات في طبقة الشارع في المدينة الذكية.
```
نقاط مهمة
- تركز هذه الصفحة على أنشطة تقييمية تطبيقية لما تم تعلمه سابقاً عن هيكلية المدينة الذكية.
- النشاط الأول (3) يطلب منك تمثيل تدفق البيانات بين طبقات المدينة الذكية (الشارع، المدينة، مركز البيانات، الخدمات) بشكل مرئي.
- النشاط الثاني (4) يختبر فهمك لأمثلة المستشعرات المستخدمة في طبقة الشارع والتي سبق دراستها (مثل المستشعر المغناطيسي، كاميرات المراقبة، مستشعر جودة الهواء).