اینترنت اشیا (IOT) چیست و چگونه کار می کند؟

اینترنت اشیا چه تفاوتی با اینترنت معمولی دارد؟

در اینترنت سنتی، کاربران انسان هستند که با استفاده از تلفن همراه، کامپیوتر و غیره به اینترنت متصل می شوند. اما در اینترنت اشیا، خودِ اشیا بدون دخالت انسان مستقیماً با یکدیگر یا با سرورها ارتباط برقرار می کنند. مثلاً یک سنسور دما می تواند اطلاعات دمای محیط را به سرور ابری ارسال کند یا سیستم گرمایشی به طور خودکار با توجه به دمای خانه، فعال شود.

چرا به آن «اشیا» گفته می شود؟

دلیل استفاده از واژه «اشیا» در این فناوری این است که هر وسیله فیزیکی، از یک قفل در گرفته تا یک یخچال، می تواند با افزودن سنسور، ماژول ارتباطی و پردازنده به یک «وسیله هوشمند» تبدیل شود. این اشیا به طور مستقل داده تولید و از اینترنت برای تبادل اطلاعات استفاده می کنند و می توانند بر اساس الگوریتم های مشخص، تصمیم گیری کنند.

اینترنت اشیا چگونه کار می کند؟

فناوری اینترنت اشیا (IoT) زمانی معنا پیدا می کند که اشیای فیزیکی بتوانند به کمک تجهیزات الکترونیکی، داده تولید کنند و از طریق اینترنت این داده ها را ارسال یا دریافت کنند. این فرایند به ظاهر ساده، در واقع نیازمند یک معماری دقیق و اجزای هماهنگ شده است. در ادامه با اجزای اصلی اینترنت اشیا و نحوه عملکرد آن آشنا می شویم.

اجزای اصلی اینترنت اشیا

حسگرها و دستگاه ها

قلب تپنده هر سیستم اینترنت اشیا، حسگرها و دستگاه هایی هستند که اطلاعات محیطی را جمع آوری می کنند. این حسگرها می توانند داده های متنوعی مانند دما، رطوبت، فشار، نور، صدا، حرکت یا حتی کیفیت هوا را اندازه گیری کنند. گاهی اوقات یک دستگاه فقط شامل حسگر است اما در موارد پیچیده تر، خود دستگاه ها نیز قابلیت پردازش، ذخیره سازی اولیه یا حتی تصمیم گیری دارند.

برای مثال، یک ترموستات هوشمند دارای حسگر دما، پردازنده و رابط کاربری است و می تواند تصمیم بگیرد دمای خانه را بالا یا پایین ببرد. این تصمیم گیری ممکن است بر اساس الگوریتم هایی باشد که درون خود دستگاه تعریف شده اند یا از طریق اتصال به فضای ابری انجام می شود.

اتصال (Wi-Fi، بلوتوث، LPWAN و…)

برای اینکه یک شی هوشمند بتواند اطلاعات را منتقل کند، نیاز به یک روش ارتباطی دارد. انتخاب فناوری ارتباطی بستگی به نیازهای پروژه دارد.

Wi-Fi برای فضاهای داخلی با مصرف برق بالا مناسب است.

بلوتوث و BLE برای ارتباط نزدیک و مصرف کم انرژی مانند برخی گجت ها مناسب هستند.

Zigbee یا Z-Wave در خانه های هوشمند برای ایجاد شبکه های محلی کارآمد به کار می روند.

LPWAN (Low Power Wide Area Network) مانند LoRa و NB-IoT برای ارسال داده در فواصل زیاد با مصرف انرژی بسیار پایین استفاده می شوند که مناسب برای کاربردهای صنعتی یا کشاورزی هستند.

در برخی سیستم ها حتی از شبکه های سلولی (4G/5G) استفاده می شود، به خصوص وقتی که اتصال گسترده و سرعت بالا مورد نیاز است.

پردازش داده (در لبه یا در فضای ابری)

داده ای که توسط حسگرها جمع آوری می شود، باید تحلیل شود تا مفید واقع شود. این تحلیل می تواند به دو روش انجام شود:

پردازش در لبه (Edge Computing): در این روش داده ها در خود دستگاه یا در نزدیکی آن پردازش می شوند. این کار باعث کاهش تاخیر، صرفه جویی در پهنای باند و افزایش سرعت پاسخگویی می شود. برای مثال، در یک دوربین امنیتی که قابلیت تشخیص چهره دارد، تصویر ممکن است به جای ارسال به سرور مرکزی، در همان محل تجزیه و تحلیل شود.

پردازش در فضای ابری (Cloud Computing): این روش معمولاً برای تجزیه و تحلیل های سنگین تر یا ذخیره سازی طولانی مدت داده ها استفاده می شود. داده ها به سرورهای ابری ارسال شده و با استفاده از الگوریتم های یادگیری ماشین یا تحلیل آماری، پردازش می شوند. خروجی این تحلیل می تواند برای تصمیم گیری یا اطلاع رسانی به کاربران به کار رود.

رابط کاربری (اپلیکیشن یا وبسایت)

در نهایت، کاربر باید بتواند به اطلاعات، دسترسی داشته باشد یا کنترل دستگاه ها را در اختیار بگیرد. این ارتباط معمولاً از طریق اپلیکیشن های موبایل، وب سایت یا حتی پیام رسان ها صورت می گیرد.

برای مثال، کاربر می تواند با استفاده از اپلیکیشن، دوربین امنیتی خانه اش را کنترل کند، دمای خانه را تنظیم کند یا وضعیت رطوبت را بررسی نماید.

رابط کاربری باید ساده، امن و قابل اعتماد باشد و به طور زنده وضعیت دستگاه ها را نمایش دهد یا هشدارهای لازم را ارائه کند.

نقش فضای ابری در اینترنت اشیا

فضای ابری (Cloud) یکی از اجزای کلیدی در پیاده سازی سیستم های اینترنت اشیا است. دلیل اصلی استفاده از Cloud در IoT این است که حجم زیادی از داده ها باید ذخیره، پردازش و مدیریت شود و این کار نیاز به زیرساخت های مقیاس پذیر، در دسترس و امن دارد. مزایای استفاده از فضای ابری در اینترنت اشیا عبارتند از: 

مقیاس پذیری: می توان تعداد زیادی دستگاه را بدون نگرانی از ظرفیت پردازشی، به سیستم اضافه کرد.

در دسترس بودن: کاربران می توانند در هر زمان و مکان به داده ها و دستگاه های خود دسترسی داشته باشند.

امنیت و پشتیبان گیری: ارائه دهندگان خدمات ابری معمولاً امنیت داده و پشتیبانی مستمر را تضمین می کنند.

پردازش پیشرفته: قابلیت تحلیل داده های حجیم، یادگیری ماشین و هوش مصنوعی تنها در زیرساخت های ابری قابل پیاده سازی گسترده هستند.

معماری رایج در سیستم های IoT

یک سیستم اینترنت اشیا معمولاً دارای معماری چندلایه است که به صورت زیر قابل تقسیم است:

لایه دستگاه (Device Layer): این لایه شامل حسگرها، محرک ها و سخت افزارهای متصل شونده است. مسئولیت جمع آوری داده و اجرای دستورات را بر عهده دارد. 

لایه ارتباطی (Network Layer): در این بخش، داده ها از طریق Wi-Fi، بلوتوث، LoRa ،NB-IoT یا سایر فناوری ها به سرور یا پردازشگر منتقل می شوند. 

لایه پردازش (Data Processing Layer): این لایه ممکن است شامل Edge Gateway یا سرورهای ابری باشد که داده ها را تحلیل، فیلتر و ذخیره می کند.

لایه کاربردی (Application Layer): رابط بین انسان و سیستم است. گزارش ها، هشدارها، کنترل دستگاه ها و دیگر تعاملات کاربر از طریق این لایه انجام می شود.

عملکرد سیستم های اینترنت اشیا بر پایه همکاری چندین فناوری و لایه، بنا شده است. از حسگرهای کوچک گرفته تا سرورهای ابری قدرتمند، همه اجزای این سیستم با یکدیگر در تعامل هستند تا فرآیندهای انسانی را ساده تر، هوشمندتر و مؤثرتر کنند.

برای شرکت هایی که خدمات ابری ارائه می دهند، IoT نه تنها فرصتی برای توسعه زیرساخت بلکه زمینه ای برای نوآوری در خدمات تحلیلی، امنیتی و مدیریتی نیز به شمار می رود. ترکیب قدرت پردازش ابری با قابلیت های اینترنت اشیا می تواند صنایع مختلف را متحول کند.

کاربردهای اینترنت اشیا

اینترنت اشیا (IoT) دیگر فقط یک مفهوم علمی-تخیلی یا فناوری آینده نیست؛ بلکه به زودی به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی امروز ما تبدیل خواهد شد. در ادامه با کاربردهای کلیدی اینترنت اشیا در چهار حوزه اصلی آشنا می شویم.

خانه هوشمند

خانه های هوشمند از اولین و رایج ترین نمونه های اینترنت اشیا هستند. در این نوع خانه ها، وسایل و سیستم های مختلف به اینترنت متصل هستند و به کاربر اجازه می دهند آن ها را از راه دور کنترل کرده یا به صورت خودکار تنظیم کنند.

نمونه هایی از کاربرد IoT در خانه هوشمند در این بخش آورده شده است.

ترموستات های هوشمند: این دستگاه ها می توانند بر اساس حضور شما در خانه، دمای محیط را تنظیم کنند و حتی الگوریتم هایی برای صرفه جویی در مصرف انرژی، اجرا کنند.

چراغ ها و سیستم روشنایی: با استفاده از سنسورها، روشنایی خانه می تواند بر اساس نور طبیعی یا حضور افراد در اتاق تنظیم شود.

قفل های هوشمند و سیستم های امنیتی: کاربر می تواند از طریق اپلیکیشن، درب خانه را قفل یا باز کند، هشدارهای نفوذ دریافت کند یا حتی تصاویر دوربین ها را به صورت زنده مشاهده کند.

لوازم خانگی متصل: از یخچال هایی که اقلام داخلشان را بررسی می کنند تا ماشین لباسشویی هایی که زمان شست و شو را بهینه می کنند، همه در حال تبدیل شدن به بخشی از شبکه خانه هوشمند هستند.

این فناوری نه تنها آسایش را افزایش می دهد بلکه با مصرف هوشمند انرژی و منابع، به کاهش هزینه ها نیز کمک می کند.

سلامت و پزشکی

در حوزه سلامت، اینترنت اشیا انقلابی در مراقبت های بهداشتی و پزشکی به وجود آورده است. دستگاه های پوشیدنی و سنسورهای هوشمند به بیماران و پزشکان کمک می کنند اطلاعات سلامتی را به صورت Real-time دریافت و تحلیل کنند.

کاربردهای مهم IoT در سلامت در این قسمت نوشته شده است.

گجت های پوشیدنی مثل ساعت های هوشمند: این دستگاه ها قادر به اندازه گیری ضربان قلب، میزان فعالیت فیزیکی، سطح اکسیژن خون و حتی کیفیت خواب هستند. داده های جمع آوری شده می توانند برای مانیتورینگ وضعیت بیماران قلبی یا دیابتی استفاده شوند.

دستگاه های پایش از راه دور: برای بیماران مزمن یا سالمندان، سنسورهایی نصب می شود که وضعیت سلامت را به صورت لحظه ای به مراکز درمانی یا اعضای خانواده گزارش می دهد.

داروهای هوشمند و جعبه های دارو: برخی دستگاه ها به بیماران یادآوری می کنند دارو مصرف کنند و در صورت فراموشی هشدار می فرستند.

مدیریت منابع بیمارستانی: از ردیابی تخت های خالی تا پایش وضعیت تجهیزات پزشکی، همه از طریق IoT بهینه سازی می شوند.

این پیشرفت ها نه تنها کیفیت خدمات درمانی را افزایش داده اند بلکه امکان درمان از راه دور را نیز فراهم کرده اند.

صنعت و کارخانه های هوشمند

یکی از پرکاربردترین حوزه های IoT، صنعت و تولید است. در کارخانه ها و محیط های صنعتی، اتصال دستگاه ها، ماشین آلات و تجهیزات به یکدیگر باعث افزایش بهره وری، کاهش خطا و بهبود مدیریت منابع می شود.

برخی از کاربردهای صنعتی اینترنت اشیا به شرح زیر است.

پایش وضعیت تجهیزات: سنسورها دائماً دما، لرزش، فشار و سایر پارامترهای ماشین آلات را بررسی و در صورت وجود مشکل، هشدار می دهند. این کار باعث جلوگیری از خرابی های ناگهانی و کاهش هزینه های تعمیر می شود.

نگهداری پیش بینی‌شده (Predictive Maintenance): با تحلیل داده ها، سیستم می تواند پیش بینی کند که یک قطعه چه زمانی ممکن است خراب شود و پیش از آن اقدام به تعمیر شود.

اتوماسیون صنعتی: با اتصال دستگاه ها به سیستم های مرکزی یا ابری، فرآیندهای تولید به صورت هوشمند مدیریت می شوند. این سیستم ها می توانند به تغییر شرایط محیطی یا درخواست مشتری پاسخ دهند.

مدیریت زنجیره تأمین: ردیابی دقیق مواد اولیه، وضعیت موجودی و حمل و نقل کالا با استفاده از تگ های RFID و سنسورهای متصل باعث افزایش شفافیت در زنجیره تامین می شود.

شهرهای هوشمند

مفهوم شهر هوشمند بر پایه فناوری هایی مثل اینترنت اشیا بنا شده تا مدیریت منابع شهری را کارآمدتر، زندگی شهروندان را راحت تر و محیط زیست را پایدارتر کند.

نمونه هایی از IoT در شهرهای هوشمند را با هم نگاهی بیندازیم.

مدیریت هوشمند ترافیک: با استفاده از حسگرها و دوربین ها، وضعیت ترافیک در لحظه پایش می شود و چراغ های راهنمایی به صورت هوشمند تنظیم می شوند.

سیستم های حمل و نقل عمومی متصل: داده های مربوط به موقعیت وسایل نقلیه عمومی در لحظه در اختیار شهروندان قرار می گیرد تا زمان بندی بهتری داشته باشند.

روشنایی خیابانی هوشمند: چراغ ها بر اساس حضور افراد یا خودروها روشن یا خاموش می شوند تا در مصرف برق صرفه جویی شود.

پایش کیفیت هوا و آلودگی صوتی: سنسورهای شهری اطلاعات دقیق و لحظه ای از وضعیت محیط زیست را در اختیار مدیران شهری و شهروندان قرار می دهند.

مدیریت پسماند: سطل های زباله هوشمند، پر یا خالی بودن خود را گزارش می دهند تا زمان بندی جمع آوری زباله ها بهینه شود.

شهرهای هوشمند نه تنها خدمات بهتری به ساکنان ارائه می دهند بلکه با استفاده مؤثر از داده و منابع، به توسعه پایدار و کاهش آلودگی کمک می کنند.

کاربردهای اینترنت اشیا در زندگی روزمره بسیار متنوع و هر روز نیز در حال گسترش هستند. این فناوری نه تنها آسایش و بهره وری را افزایش داده، بلکه سبک زندگی، مراقبت های پزشکی، تولید و مدیریت شهری را متحول کرده است.

مزایا و چالش های اینترنت اشیا

در این بخش، به طور کامل به بررسی مهم ترین مزایا و چالش های اینترنت اشیا می پردازیم.

مزایا

بهره وری بیشتر

یکی از بزرگ ترین مزایای اینترنت اشیا افزایش بهره وری در فعالیت های انسانی و صنعتی است. با کمک حسگرها، پردازش داده و اتوماسیون، می توان بسیاری از فرآیندها را بدون دخالت انسان و با دقت بالاتری انجام داد.

به عنوان مثال، در کشاورزی هوشمند، سنسورها می توانند میزان رطوبت خاک را اندازه گیری کرده و به صورت خودکار سیستم آبیاری را فعال یا غیرفعال کنند. در صنعت، ماشین آلات می توانند بر اساس داده های لحظه ای تصمیم بگیرند که با چه سرعتی کار کنند یا چه زمانی نیاز به نگهداری دارند.

این سطح از اتوماسیون باعث کاهش اتلاف منابع، بهبود سرعت پاسخ گویی و کاهش خطاهای انسانی می شود.

کاهش هزینه ها

استفاده از اینترنت اشیا می تواند هزینه های عملیاتی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. از طریق تحلیل داده ها و پیشبینی عملکرد دستگاه ها، سازمان ها می توانند از تعمیرات پرهزینه جلوگیری کرده و زمان های توقف تولید را به حداقل برسانند.

همچنین، مصرف بهینه انرژی، مدیریت هوشمند منابع و کاهش نیاز به نیروی انسانی برای کارهای تکراری، از دیگر عوامل کاهش هزینه در پروژه های IoT هستند. در خانه های هوشمند نیز با استفاده از ترموستات ها، لامپ های هوشمند و پریزهای متصل، می توان مصرف برق را کنترل و در قبض انرژی صرفه جویی کرد.

بهبود تجربه کاربری

یکی دیگر از مزایای چشمگیر IoT، ارائه تجربه کاربری بهتر و شخصی سازی شده تر است. دستگاه ها با یادگیری از رفتار و نیاز کاربران، می توانند خدماتی دقیق تر و متناسب تر ارائه دهند. برای مثال، یخچال هوشمند می تواند اقلام مصرف شده را شناسایی کرده و به کاربر پیشنهاد خرید بدهد. یا یک دستیار صوتی هوشمند می تواند براساس عادت های روزانه شما، برنامه ریزی کند یا حتی پیشنهادهایی برای بهبود زندگی ارائه دهد. در صنعت خدمات و خرده فروشی، فروشگاه ها با استفاده از داده های IoT می توانند تجربه خرید را بهینه کرده و مشتری را دقیق تر هدف گذاری کنند.

چالش ها

امنیت

امنیت شاید بزرگ ترین چالش پیش روی اینترنت اشیا باشد. اتصال میلیاردها دستگاه به اینترنت، سطح حملات سایبری را به طرز چشمگیری افزایش می دهد. هر دستگاه متصل، یک نقطه ورودی برای هکرهاست.

در مواردی، دستگاه های اینترنت اشیا به خاطر رمز عبورهای پیش فرض یا به روزرسانی نشدن، به راحتی مورد نفوذ قرار گرفته اند. حملاتی مثل Mirai botnet نمونه هایی از استفاده از دستگاه های ناامن برای حملات گسترده به زیرساخت های اینترنت بوده اند.

برای مقابله با این تهدیدها، باید از رمزنگاری داده، احراز هویت چندمرحله ای و به روزرسانی نرم افزارها به طور منظم استفاده شود. همچنین شرکت های ارائه دهنده خدمات ابری می توانند با ارائه زیرساخت امن، نقش مهمی در کاهش ریسک ایفا کنند.

حریم خصوصی

در کنار امنیت، موضوع حریم خصوصی نیز یک دغدغه اساسی است. دستگاه های IoT مقدار زیادی از اطلاعات شخصی یا حساس را جمع آوری می کنند. این داده ها ممکن است شامل الگوهای رفتاری، وضعیت سلامت، مکان جغرافیایی و حتی مکالمات صوتی باشد.

اگر این داده هاا به درستی ذخیره، پردازش و محافظت نشوند، می توانند منجر به سوء‌استفاده، ردیابی غیرمجاز یا نشت اطلاعات شوند. به همین دلیل، پیروی از مقررات بین المللی مانند GDPR و طراحی سیستم ها با رویکرد «حریم خصوصی» (Privacy by Design) اهمیت زیادی دارد.

پیچیدگی زیرساخت

ساخت، راه اندازی و نگهداری از یک سیستم IoT کار ساده ای نیست. از انتخاب سخت افزار مناسب و طراحی شبکه گرفته تا مدیریت داده، یکپارچگی نرم افزارها و تضمین پایداری اتصال، همه نیازمند تخصص و منابع هستند. سازمان ها باید تصمیم بگیرند که آیا پردازش داده را در لبه (Edge) انجام دهند یا به فضای ابری واگذار کنند. همچنین مدیریت هزاران یا حتی میلیون ها دستگاه متصل، نیاز به پلتفرم های مقیاس پذیر، پایدار و قابل مانیتور دارد.

این پیچیدگی می تواند مانعی برای ورود شرکت های کوچک یا تازه وارد به این حوزه باشد. اما استفاده از پلتفرم های ابری IoT و خدمات مدیریت شده، می تواند این پیچیدگی را کاهش دهد.

اینترنت اشیا با مزایای فراوانی که در بهره وری، صرفه جویی و تجربه کاربری ارائه می دهد، بدون شک یکی از کلیدی ترین فناوری های عصر دیجیتال است. با این حال، برای بهره برداری کامل از آن باید چالش های مهمی چون امنیت، حفظ حریم خصوصی و پیچیدگی زیرساخت را جدی گرفت.

آینده اینترنت اشیا

اینترنت اشیا (IoT) با سرعتی چشمگیر در حال تحول است و پیشبینی می شود در سال های آینده نقش آن در زندگی، کسب و کار و فناوری بیشتر از همیشه شود. با گسترش زیرساخت های ارتباطی، ظهور استانداردهای جدید و ادغام با فناوری های نوین، آینده اینترنت اشیا بسیار هیجان انگیز خواهد بود.

فناوری هایی مانند 5G و هوش مصنوعی، ستون های اصلی آینده اینترنت اشیا را شکل می دهند.

شبکه 5G: این نسل از شبکه های موبایل با سرعت بسیار بالا، تأخیر پایین و توانایی اتصال هم زمان میلیون ها دستگاه، به عنوان یک موتور محرک برای گسترش IoT عمل می کند. کاربردهایی مانند اتومبیل های خودران، جراحی از راه دور یا اتوماسیون صنعتی فقط با کمک 5G امکان پذیر می شوند.

هوش مصنوعی (AI): تحلیل هوشمند داده های IoT بدون AI تقریباً غیرممکن است. الگوریتم های یادگیری ماشین می توانند از داده های جمع آوری شده الگو استخراج کرده، پیشبینی انجام دهند و حتی تصمیم گیری خودکار انجام دهند. ترکیب IoT با AI زمینه ساز «سیستم های هوشمند» خواهد بود که بدون دخالت انسان، بهینه و کارآمد عمل می کنند.

آینده اینترنت اشیا، آینده ای متصل، هوشمند و خودکار است. با پیشرفت هایی در زیرساخت ارتباطی، توان پردازشی و یادگیری ماشین، IoT از یک فناوری نوظهور به زیرساخت حیاتی زندگی دیجیتال تبدیل خواهد شد. برای شرکت هایی که به دنبال ورود یا گسترش در این حوزه هستند، اکنون زمان مناسبی برای سرمایه گذاری، طراحی راهکارهای نوآورانه و آماده سازی زیرساخت های ابری است.

نتیجه گیری

اینترنت اشیا (IoT) فراتر از یک فناوری صرف است؛ این مفهوم، یک تغییر بنیادین در نحوه تعامل ما با جهان اطرافمان به شمار می رود. IoT پلی میان انسان ها و دنیای فیزیکی است. این فناوری به ما امکان می دهد تا اشیا را درک کنیم، با آن ها ارتباط برقرار کنیم و از آن ها بازخورد بگیریم. چه در قالب خانه ای هوشمند، چه در قالب شهری کارآمد و پایدار یا کارخانه ای با تولید بهینه، اینترنت اشیا مرزهای سنتی استفاده از فناوری را جا به جا کرده است.

در نهایت، اینترنت اشیا نه تنها آینده فناوری است بلکه آینده زندگی انسان هاست. پلی است میان نیازها و پاسخ ها، میان داده و تصمیم و در نهایت، میان اشیا و انسان هایی که از آن ها استفاده می کنند.