مرکز تحقیقات اینترنت اشیا » درباره اینترنت اشیا » معماری اینترنت اشیا » سخت افزار

سخت افزار

اولین لایه اینترنت اشیا به سخت‌افزار آن اختصاص دارد که شامل حسگرها، عملگرها (محرک‌ها)، پردازنده‌ها و ماژول‌ها می‌شود و هر کدام وظیفه مشخصی دارند. رشد سخت‌افزارهای کم هزینه و در دسترس که کار توسعه بردها، پلتفرم‌ها، و نمونه‌سازی کیت را بر عهده دارد موجب توسعه کاربرد اینترنت اشیا بیشتر از پیش شده است. طراحی سخت‌افزارهای ماژولار، انعطاف‌پذیری قابل توجهی را ارائه می‌دهند و کاربران می‌توانند اجزاء مختلف را جایگزین کرده و یا دستگاه‌های موجود در شبکه را به‌طور جداگانه به‌روزرسانی کنند.

حسگرها و عملگرها

در یک تعریف جامع، حسگر یک دستگاه، ماژول و یا زیر سیستم است که وظیفه تشخیص وقایع یا تغییرات، جمع‌آوری اطلاعات و ارسال اطلاعات به یک میکروکنترلر یا پردازنده کامپیوتری را بر عهده دارد. حسگرها در اشیا مصرفی متعددی وجود دارند و همچنین با گسترش فناوری در ابعاد بسیار گسترده‌تری نسبت به گذشته مورد استفاده قرار می‌گیرند. حسگرها برای اندازه‌گیری کوچک‌ترین تغییرات طراحی شده‌اند و هنگامی که مقدار اندازه‌گیری شده توسط حسگر تغییر کند، حساسیت حسگر مقدار تغییر را در خروجی نشان می‌دهد. پیشرفت فناوری این امکان را ایجاد کرده است که حسگرها در مقیاس‌های کوچک طراحی شوند.

هدف اصلی حسگرها جمع ‏آوری داده از محیط پیرامون است که می‏توانند با اتصال مستقیم از طریق شبکه‏ های رادیویی و مخابراتی، داده‏ های حس شده از محیط را ارسال‏ کنند. هر یک از کاربردهای اینترنت اشیا دارای حسگرهای مختلف و منحصر به فرد خود هستند که به دو صورت آنالوگ و دیجیتال عملیات دریافت داده را انجام می‌‏دهند. حسگرهای دیجیتال به راحتی می‏توانند با میکروکنترلرهای موجود در بازار ارتباط برقرار کنند و حسگرهای آنالوگ نیز باید با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال به میکروکنترلر متصل شوند.

حسگرها در انواع مختلف تشخیص دما، رطوبت، حرکت، گاز، آتش، فشار، شتاب، ضربان قلب و بسیاری موارد دیگر موجود هستند و باید دربرگیرنده ویژگی‏ های زیر باشند:

  • فیلترینگ داده‏ ها و تشخیص سیگنال‏های صحیح از سیگنال‏های غیر صحیح
  • حداقل مصرف انرژی و توان
  • تشخیص هوشمندانه
  • حساسیت بالا
  • بالا بودن دقت و محدود بودن گستره خطا
  • پهنای باند گسترده
  • ایجاد حداقل نویز و صدا
  • سهولت استفاده
  • عدم تاثیرپذیری از محیط
  • کیفیت ساخت و طول عمر بالا

نوع دیگری از دستگاه که در بسیاری از سیستم های اینترنت اشیا با آن روبرو می شوید، عملگر یا محرک است. به زبان ساده، عملگر در جهت معکوس حسگر عمل می کند. یک ورودی الکتریکی می گیرد و آن را به یک عمل فیزیکی تبدیل می کند. به عنوان مثال، موتور الکتریکی ، سیستم هیدرولیک و سیستم پنوماتیک همه انواع مختلفی از محرک ها هستند. محرک ها یک سیگنال الکتریکی را به مقدار فیزیکی مربوطه مانند حرکت، نیرو، صدا و غیره تبدیل می کنند. یک محرک نیز به عنوان مبدل طبقه بندی می شود زیرا یک نوع کمیت فیزیکی را به نوع دیگر تغییر می دهد و معمولاً توسط یک سیگنال فرمان ولتاژ پایین فعال یا کار می کند.

 

 بردها و میکروکنترلرها

 بسیاری از سخت‌افزارهای پیش‌ساخته شامل میکروکنترلر‌ها و کامپیوتر‌های تک بردی هستند که با استفاده از آی­ سی­ ها و به‌صورت سیستم یکپارچه تراشه‌محور یا (SoC) طراحی شده‌اند. سیستم‌های تراشه‌محور تعداد زیادی قابلیت شامل پردازش اطلاعات، ذخیره‌سازی و شبکه را روی یک تراشه ارائه می‌دهند. در پیکربندی سیستم‌های تراشه‌محور سادگی پیاده‌سازی نسبت به انعطاف‌پذیری قطعات و دستگاه‌ها ترجیح داده شده است؛ اما با توجه به در دسترس بودن انواع مختلف میکروکنترلرها با تنظیمات متفاوت، کاربران جهت پیاده‌سازی پروژه‌های خود مشکلی نخواهند داشت.

 میکروکنترلرها

 میکروکنترلر یک سیستم تراشه‌محور است که قابلیت پردازش داده‌ها و ذخیره‌سازی را فراهم می‌آورد. میکروکنترلرها شامل یک هسته پردازنده (یا هسته‌ها)، حافظه (RAM) و یک حافظه قابل برنامه‌ریزی، خواندن و پاک کردن (EPROM) برای ذخیره‌سازی برنامه‌های سفارشی روی آن هستند. برد توسعه‌دهنده میکروکنترلرها PBC هایی هستند که با استفاده از مدار اضافی از میکروکنترلرها پشتیبانی کرده و برنامه‌ریزی و نمونه‌سازی روی تراشه‌ها را آسان‌تر می‌کند. حسگرها و فعال‌سازها از طریق پین‌های ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ (GPIO) یا یک گذرگاه سخت‌افزاری به میکروکنترلر‌ها متصل می‌شوند. پروتکل‌های ارتباطی استاندارد مانند I2C و SPI ارتباط درون دستگاهی و اجزای موجود در گذرگاه را فراهم می‌کند و به همین دلیل با به‌کارگیری استانداردهای مناسب می‌توان روند اضافه کردن یا تغییر اجزا را تسهیل کرد

 کامپیوترهای تک بردی

کامپیوتر‌های تک بردی (SBC) یک قدم بالاتر از میکروکنترلرها قرار دارند و به کاربران اجازه‌ اضافه کردن دستگاه‌های جانبی مانند صفحه‌کلید، میکروفون و صفحه نمایش را در کنار ارائه‌ حافظه و قدرت پردازش بیشتر، می‌دهند.

تمایزهای میان میکروکنترلرها و کامپیوترهای تک بردی تا حدودی توافقی هستند. برخی از دستگاه‌ها مانند اومگا اونیون 2 تقریباً می‌توانند با توجه به ویژگی‌هایشان در هر دو دسته کامپیوترهای تک بردی و میکروکنترلرها قرار گیرند. با استفاده از میکروکنترلرها می‌توان توانایی کامپیوترهای تک بردی را از طریق افزونه‌های انعطاف‌پذیر روی Raspberry Pi و BeagleBone Black گسترش داد. 

کامپیوترهای تک بردی

انتخاب بین برد توسعه دهنده میکروکنترلرها و کامپیوترهای تک بردی

از آنجا که برد میکروکنترلرها و کامپیوترهای تک بردی با هم متفاوت هستند، برای پیاده‌سازی پروژه‌ها باید تمام ویژگی‌های اینترنت اشیا و پروژه در نظر گرفته شود. جهت بررسی ویژگی‌ها باید تحت موارد زیر عمل کرد:

  • تعیین نوع و تعداد حسگرهای محیطی و اجزای خروجی مورد نیاز یا در صورت لزوم طراحی یک مدار برای این اجزا.
  • انتخاب یک میکروکنترلر یا یک کامپیوتر تک بردی برای هماهنگ‌سازی خواندن و کنترل اجزای محیطی.
  • انتخاب پروتکل‌های ارتباطی داده‌ای مناسب. برای مثال استفاده از I2C برای ایجاد ارتباط بین میکروکنترلر‌ها و حسگرهای متصل به آن.
  • انتخاب سخت‌افزارهای شبکه‌ای و پروتکل‌های مناسب برای ایجاد ارتباط بین سرویس‌های مجازی و برنامه‌هاx

مطالب پیشنهادی