خانه هوشمند حاصل شگفت انگیز ترکیب اینترنت اشیاء و خانه شما - رسانه تخصصی شهر هوشمند و فناوری های نوین

[vc_row][vc_column][vc_column_text]

به گزارش BACpress ، اینترنت اشیاء (IoT) شبکه‌ای است از اشیاء فیزیکی، دستگاه‌ها، وسایل نقلیه، ساختمان‌ها و سایر اقلام که در بستری از ابزارهای الکترونیکی، نرم‌افزارها، حسگرها و اتصال‌های شبکه‌ای جای گرفته‌اند که توانایی گردآوری و مبادله داده‌ها را به این اشیاء می‌دهد. اینترنت اشیاپ، کاربردهای بالقوه بسیاری دارد و می توان آن را در حوزه‌هایی نظیر اتوماسیون خانه پیاده‌سازی کرد. IoT در این حوزه می تواند کارکردهایی نظیر استفاده به‌صرفه از انرژی و امنیت و ایمنی را ایفاء کند. در این مقاله به شرح سیستم‌های امنیتی مبتنی-بر-I0T و دستگاه‌های ارتقاء بازدهی انرژی در خانه هوشمند می‌پردازیم. مقصود آن است که وسایل خانگی را بتوان از طریق گوشی‌های هوشمند و با استفاده از وای-فای به عنوان پروتکل ارتباطاتی، تحت کنترل درآورد. این مقاله اطلاعاتی درخصوص مولفه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری لازم برای پیاده‌سازی این سیستم‌ها ارائه می‌دهد.

مقدمه

اینترنت با فراهم کردن این امکان که همه در هر زمانی و از هر جایی بتوانند با یکدیگر در ارتباط باشند دگرگونی بزرگی در زندگی انسان‌ها بوجود آورده است. پیشرفت‌ها در عرصه سخت افزاری نظیر پردازشگرها، حسگرها، فرستنده ها و گیرنده‌ها نیز به رشد سریع حوزه ارتباطات منجر شده است که به نوبه خود ضرباهنگ زندگی هرروزه ما را تغییر داده است. نتیجتا برای گسترش خدمات اینترنت، اینترنت اشیاء به عرصه آمده است که علیرغم آنکه مفهوم نسبتا جدیدی است توانسته است در طرح‌های فناورانه اخیر شهرتی کسب کند.

اینترنت اشیاء

شبکه‌ای است از سیستم های رایانه‌ای و ابژه‌های واقعی‌ای که با آنها در تعامل هستیم. این اشیاء واقعی مواردی چون دستگاه‌های همراه (نظیر گوشی‌های هوشمند، دستبند‌های هوشمند و ساعت‌های هوشمند)، خودروها، وسایل خانگی نظیر چراغ‌ها، تلویزیون، رادیو، یخچال و از این قبیل را شامل می‌شود. ارتباطات این شبکه از طریق پروتکل‌های استاندارد صورت می‌گیرد.

اشیاء

اشیاء ممکن است واقعی یا مجازی، ثابت یا متحرک (همراه) باشند اما در هر صورت مستمرا اطلاعاتی را به یکدیگر منتقل می‌کنند که این را ارتباطات شئی-به-شئی می‌گویند. زمانی که این میان این اشیاء و انسان‌ها ارتباطاتی برقرار می‌شود به آن ارتباطات شئی-به-انسان‌ می گویند.

اینترنت اشیاء به دستگاه‌ها کمک می کند تا بدون مداخله انسان‌ها خودشان را پیکربندی کنند. همزمان با افزایش جمعیت جهان تعداد دستگاه‌های متصل به اینترنت نیز با شیب زیادی در حال افزایش است. در حال حاضر که جمعیت جهان ۷.۲ میلیارد نفر است تعجب خواهید کرد اگر بدانید که تعداد دستگاه‌های مرتبط به شبکه جهان بیش از ۱۰ میلیارد است. پیش‌بینی می‌شود که جمعیت جهان در سال ۲۰۲۰ به ۷.۸ میلیارد نفر برسد حال آنکه این پیش‌بینی برای تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه بیش از ۵۰ میلیارد است که تقریبا ۶.۵ برابر جمعیت افراد جهان خواهد بود. این از اهمیت اینترنت اشیاء در آینده نزدیک خبر می‌دهد.

اینترنت اشیاء را می‌توان در سناریوهای مختلفی در کارخانه‌ها، آزمایشگاه‌ها، خانه‌ها و … پیاده‌سازی کرد. تغییر ساختار اجتماعی-اقتصادی، ساختار خانوارها، و نیز توسعه فناوری اطلاعات و بهبود امنیت و آسایش انسانها در محیط خانه، و بیشتر شدن انتظارات و الزامات مربوط به بازدهی و کارایی باعث افزایش تقاضا برای اتوماسیون خانه می‌شود. انتظار می‌رود که ارزش این بازار تا سال ۲۰۲۵ به تقریبا ۹۱ میلیارد یورو برسد. خانه‌های هوشمند خانه‌هایی هستند که به تغییرات و کنش‌هایی که در محدوده‌شان صورت می‌گیرد واکنش نشان می‌دهند. لازم است که دستگاه‌های شبکه صرف‌نظر از محل حضور کاربر در دسترس وی باشند و این یعنی آنکه کاربر باید از هر جایی امکان کنترل کردن، نظارت کردن، اعمال تنظیمات و دستکاری در پارامترها را داشته باشد. زمانی این فقط یک خواب و خیال بود اما حال به لطف اینترنت اشیاء امکان‌پذیر شده است.

یک سیستم خانه هوشمند شامل دو بخش است:

۱) تمام سخت‌افزارهایی که کار حسگری و انتقال داده‌ها را انجام می‌دهند (دستگاه‌های خانه و مدول‌های سویچی و فرستنده-گیرنده‌های رادیویی و … .)

۲) اینترفیس کاربری و سخت‌افزار پردازشگر (دستگاه اینترفیس، پردازشگر، گردآورنده داده‌ها، مدول GPRS که در ارتباط با اینترنت هستند.)

در مقاله حاضر، بنا به ملاحظاتی، ما دو نوع سیستم را در نظر می‌گیریم: سیستم بازدهی انرژی و سیستم امنیت. پیش از آنکه سراغ این دو سیستم برویم اجازه دهید تا به معماری IoT مورد استفاده در خانه‌های هوشمند نگاهی بیاندازیم. همه دستگاه‌ها به دستگاهی به نام کنترلر مرکزی هوشمند متصل می‌شوند که برای هریک از دستگاه‌ها به یک مدول سویچی متصل می‌شود و این مدول‌های سویچی به ما امکان می‌دهند که به هر دستگاه دسترسی جداگانه داشته باشیم. کنترلر مرکزی به روتر نیز متصل می‌شود تا به این ترتیب به اینترنت نیز وصل باشد و این به ما کمک می‌کند تا – چنانکه در ادامه مقاله نشان خواهیم داد- در صورتی که نیاز به کسب اجازه باشد با کاربر وارد ارتباط شویم.

سیستم‌های موجود در خانه هوشمند

چنانکه گفتیم خانه هوشمند صرفا شبکه‌ای است از دستگاه‌هایی که روزانه ازشان استفاده می‌کنیم و حسگرهایی که زندگی‌مان را آسانتر می‌کنند. هرچند که ما از ارتباط میان دستگاه‌ها صحبت می‌کنیم ولی آنچه در واقعیت اتفاق می افتد این است که همه دستگاه‌های با کنترلر مرکزی هوشمند ارتباط برقرار می‌کنند که آن نیز متعاقبا در نتیجه راه‌اندازها (triggers) و سایر برنامه‌ها، تنظیمات سایر دستگاه‌ها را تغییر می‌دهد.

معماری اینترنت اشیاء خانه هوشمند

بازدهی انرژی در خانه هوشمند

امروزه مجموعه متنوعی از دستگاه‌های پربازده به لحاظ انرژی موجودند اما پیاده‌سازی آنها در سطحی ابتدایی انجام می‌گیرد. حال تصور کنید که بتوانیم این دستگاه‌ها را چنان کنترل کنیم که بازدهی‌شان افزایش یابد. گزارش شده است که محصولات پربازده به لحاظ انرژی در طی دوره عمر خود ۳۰ تا ۵۰ درصد کمتر انرژی مصرف می‌کنند که این معادل با یک صرفه‌جویی سالانه ۴۰۰ دلاری است (در صورتی که دستگاه‌ها در تمام شبانه‌روز و هفت روز هفته مشغول کار باشند). در سیستم کنونی، میزان روشنایی با توجه به شرایط آب و هوایی و سایر عوامل پیش‌بینی می‌شود.

سیستم‌های موجود به جای فراهم آوردن یک راه‌حل بهینه صرفا یک راه‌حل شدنی را در اختیارمان می‌گذارند. در نتیجه با آنکه در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود، این صرفه‌جویی به آن اندازه که می‌توانست باشد نیست.

دستگاه‌های متصل به شبکه در خانه هوشمند

سیستم‌های کنونی ارتقاء بازدهی انرژی، کار صرفه‌جویی را با ملاحظه دو پارامتر انجام می‌دهند:

۱) حضور افراد در خانه.

۲) شرایط (آب و هوایی) بیرونی محلی

اگر تعداد افراد درون خانه کم باشد و در جاهای مختلف خانه نیز پراکنده باشند، در این صورت لازم است که، به جای روشن کردن تمام فضای خانه، محل حضور هریک از آنها جداگانه روشن شود. اینکه برای این کار به چه تعداد چراغ می‌بایست روشن شود کاملا به شرایط آب‌و‌هوایی بیرونی بستگی دارد .

سیستم امنیتی خانه هوشمند

سیستم امنیتی شامل تمام دستگاه‌هایی است که امنیت را برای محل زندگی‌مان فراهم می‌آورند. این سیستم، امنیت همه افراد حاضر در خانه را تضمین می‌کند.

دستگاه‌های امنیتی مورداستفاده عبارتند از:

۱) دوربین‌ها

۲) حسگرهای مادون قرمز

۳) حسگرهای مغناطیسی درها

۴) حسگرهای دود

۵) حسگرهای گاز

۶) درها و پنجره‌های خودکار

از میان دستگاه‌های فهرست بالا، درها و پنجره‌های خودکار دستگاه‌های منفعل هستند چون اطلاعات را منتقل نمی‌کنند بلکه فقط به اطلاعاتی که کنترلر به آنها می‌دهد واکنش نشان می‌دهند. سایر دستگاه‌های این فهرست همگی حسگرهایی هستند که یک چیز/شئی را تشخیص داده و سپس تغییرات مناسب در دستگاه‌ها و اینترفیس‌های مرتبط با موضوع را به راه می‌اندازند. حسگرها مستمرا همه اطلاعات را به کنترلر مرکزی هوشمند انتقال می‌دهند.دوربین‌ها بر محیط اطراف نظارت داشته و مراقب هر تهدیدی هستند و حسگرهای گاز و دود نیز در صورت نشتی گاز یا حریق این موارد را حس می‌کنند. این‌ها همه ایمنی اشخاص درون منزل را در تمامی اوقات تضمین می‌کنند. حسگرهای مغناطیسی درها و درها و پنحره‌های خودکار، امنیت خانه را در مقابل ورودهای غیرمجاز حفظ می‌کنند.

یک ماژول امنیتی اصلی وجود دارد که مستمرا بر همه پایانه‌های امنیتی نظارت می‌کند. حتی می‌توانیم آلارم را از راه دور نیز فعال کنیم. «واحد نمایش و عملیات» تمام خانه و کارکردهای آن نظیر اینکه کدام دستگاه در حال انجام چه کاری می‌باشد را نشانمان می‌دهد. برای هر پنجره و در یک پایانه امنیتی جداگانه داریم که بر پنجره یا در مربوطه را نظارت می‌کند و در صورت ورود غیرمجاز به خانه حتی می‌توانیم بفهمیم که دزد از کجا وارد شده است. حتی برخی سیستم‌های امنیت هستند که می توانند مستقیما با پلیس تماس گرفته و یک صدای از پیش ضبط شده را برای پلیس پخش کنند تا آنها بتوانند بلافاصله دزد را دستگیر کنند.

اینترفیس

امنیت و ارتقاء بازدهی انرژی مهم هستند، اما یک اینترفیس خوب نیز به همان اندازه مهم است. از آنجا که کاربر با تمام خانه در تعامل می‌باشد لازم است اطمینان حاصل شود که وی می‌تواند در هر زمان به هر آنچه که می‌خواهد دسترسی داشته باشد. این کار با اینترفیس کاربری انجام می‌گیرد که یکی از مهمترین بخشهای سیستم و تنها بخش قابل رویت برای کاربر است.

اینترفیس بخش بسیاری مهمی است چون ارتباط گرفتن کاربر با سیستم از طریق آن انجام می‌گیرد. یکی از کارهای اینترفیس این است که اعلان‌هایی به کاربر بدهد. از آن برای تغییر تنظیمات یک دستگاه خاص نیز استفاده می‌شود. اینترفیس به ما در پیش بردن سبک زندگی روزانه‌مان کمک می‌کند.

راه‌حلی که سیستم‌های موجود برایمان فراهم می‌کنند بهینه نیست. در ادامه مقاله ایده‌هایی برای یک راه‌حل بهینه ارائه خواهد شد.

ایده‌هایی برای یک راه‌حل بهینه

ارتقاء بازدهی انرژی

چنانکه پیش از این گفتیم، همین حالا هم امکان تقریبا ۵۰٪ صرفه‌جویی در مصرف انرژی فراهم شده است. هر تک چراغ لامپی می‌تواند یک اینترفیس داشته باشد که کنترل عملکردش از طریق آن انجام گیرد. دربرخی چراغ‌ها امکان تغییر در شدت روشنایی وجود دارد. این را می‌توان با یک حسگر فوتوالکتریک همراه کرد، حسگری که پیش‌بینی می‌کند که برای یک لحظه خاص به چه شدتی از نور نیاز هست و این کمک می‌کند تا هزینه عملکرد چراغ‌ها از قبل هم کمتر شود.

روش پیشنهادی:

می‌توان شدت نور مورد نیاز برای رویت‌پذیر بودن یک اتاق و چیزهای درون آن را معین کرد. همچنین می‌توان وارسی کرد که نور اتاق برای شرایط مطالعه کافی است یا نه. کافی است که مستمرا شدت نور اتاق را تحت نظارت داشته باشیم و در صورتی که شدت آن کمتر از میزان لازم باشد می‌توان با استفاده از جمع برداری شدت نورهای اتاق مجموع شدت نور اتاق را تغییر داد و به این ترتیب به سیستمی برای روشنایی اتاق دست یافت که به لحاظ انرژی پربازده باشد.

تحلیل ریاضیاتی

فرض کنید برای آنکه اتاقی مناسب مطالعه باشد به یک شدت نور برابر با X در آن نیاز باشد و فرض کنید که به دلایلی منبع طبیعی نور (آفتاب) شدت نور مناسبی فراهم نمی‌کند (شدت نور کنونی خورشید را Y بگیرید.)

میزان شدت نور لازمی که باید اضافه شود = X – Y = Z

پس باید به این Z، به این میزان از شدت نور دست پیدا کنیم.

فرض کنید که در اتاق ۴ ساطع‌کننده نور وجود داشته باشد، حال باید میان شدت نوری که با این ساطع‌کننده‌ها تامین می‌شود و هزینه تامین این نور،‌ بهترین موازنه را پیدا کنیم. این ساطع‌کننده‌های نور را L₁_،L₂، L₃، و L₄ می‌نامیم و شدت نوری که از هریک از آنها ساطع می‌شود را هم Z₁، Z₂، Z₃، و Z₄ می‌نامیم. به این ترتیب،‌ داریم:

Z = Z₁+Z₂+Z₃+Z₄

Z_n= 1/ فاصله ساطع‌‌کننده از شخص

شدت نوری که از این ساطع‌کننده‌ها ساطع می‌شود به این بستگی دارد که شخصی که در اتاق است در نسبت با این ساطع‌کننده‌ها در چه موقعیت مکانی‌ای قرار دارد. فرض کنید که این شخص بیش از همه به L₂ نزدیک باشد،‌ در این صورت اگر از تاثیرات جزیی دیگر صرف‌نظر کنیم، Z₂ بیشترین مقدار را در بین مقادیر Zها خواهد داشت.

مکانیزمی که در بالا از آن صحبت شد مفید است اما هزینه سربار هنگفتی دارد و از این رو می‌توان آن را با حالت‌های نورپردازی متفاوت نظیر نور نرم، نور رومانتیک، نور مطالعه، تمام-روشن، و تاریک (زمانی که همه ساطع‌کننده‌ها خاموش باشند) و … جایگزین کرد. به این ترتیب هزینه‌های محاسباتی کمتر می‌شود.

سیستم امنیت خانه هوشمند

در حال حاضر تمام سیستم‌های امنیت، ایمنی و سلامت ساکنین خانه‌ها را تامین می‌کنند. درهای خودکار به کاربر امکان می‌دهند که به جای آنکه به شخصی اجازه دهد تا به همه مکانهای خانه دسترسی داشته باشد، فقط اجازه دسترسی به جاهای خاصی از خانه را به او بدهد. این روزها مردم دستبندهای هوشمند می‌پوشند؛ از همین‌ها می‌توان برای باز کردن قفل درها و افزایش سهولت دسترسی کاربر استفاده کرد.

امروزه به خاطر افزایش نرخ جرم و هوش و ذکاوت آدمهایی که مرتکب جرم می‌شوند، ایمنی یکی از بارز‌ترین دغدغه‌های عموم مردم شده است. مقصود از سیستم‌های امنیت در خانه‌های هوشمند این است که از ورود غیرمجاز اشخاص جلوگیری شود. یک خانه هوشمند می‌تواند تشخیص دهد که در فلان زمان شخصی در خانه حضور دارد یا نه. بسته به اینکه شخصی در خانه حضور داشته باشد یا نداشته باشد دو حالت متصور است.

اگر شخصی (مجاز) حضور داشته باشد، خود این شخص می‌تواند به کسی که قصد ورود به خانه را دارد اجازه ورود بدهد، چه با اپلیکیشن خانه هوشمند و چه این که خودش در را باز کند. در چنین حالتی کار زیادی لازم نیست ولی می‌توان چند ویژگی را هم به سیستم اضافه کرد، مثلا اینکه تصویر هر شخص (غیرمجازی) که وارد خانه می‌شود ثبت شده و در جایی ذخیره شود. اگر هم یک شخص مجاز قصد ورود به خانه را داشته باشد، با استفاده از همان دوربین امکان ورودش فراهم می‌شود.

اگر کسی در خانه حور نداشته باشد، می‌توان وارسی کرد که شخصی که خواهان ورود است مجاز است یا نه. اگر که مجاز است به خانه راه داده می‌شود، در غیر این صورت تصویری از این شخص به کاربر مجاز ارسال می‌شود تا در صورتی که صلاح بداند به او اجازه ورود بدهد.