در این مقاله از مجموعه مقالات IoT و اتوماسیون خانگی، معماری‌ها، سامانه‌ها، سنسور ها و تکنیک‌های نمونه‌سازی رو بررسی می‌کنیم.
چی باعث می‌شه که افراد تصمیم بگیرن یک سیستم اتوماسیون خانگی بر مبنای IoT رو توسعه بدن؟ آیا دلیلش افزایش امنیت خانه هست یا میل به داشتن یک زندگی راحت و تمام اتوماتیک؟!
پاسخ دادن به این سؤال دشواره. اغلب، تعیین فن‌آوری مورد نیاز برای ساخت سامانه اتوماسیون خانگی از این هم دشوارتره.
به دلیل پیچیدگی نرم‌افزار، سخت‌افزار و زیست‌بوم شبکه‌سازی، خیلی مهمه که از فن‌آوری اتوماسیون خانگی مناسب برای ساخت محصول هوشمند خانگی استفاده کنیم، در موردش یاد بگیریم و درکش کنیم.
در این مقاله راجع به موضوعات زیر صحبت می‌کنیم:
-
صفر تا صد اتوماسیون خانگی
-
سنسور ها و پروتکل‌های اتوماسیون خانگی
-
سامانه‌ها، gatewayها و معماری‌های اتوماسیون خانگی
اتوماسیون خانگی از سه بخش اصلی تشکیل می‌شه:
-
سخت‌افزار
-
نرم‌افزار/ اپلیکیشن
-
پروتکل‌های ارتباطی
تمام این بخش‌ها در ایجاد تجربه خوب از خانه هوشمند برای مشتریان به یک اندازه اهمیت دارن. با استفاده از سخت‌افزارهای مناسب می‌تونیم به صورت مکرر نمونه اولیه IoT رو توسعه بدیم و به آسانی با تغییر و تحولات فناوری همراه بشیم.
اگر پروتکل رو بعد از انجام تست‌های مناسب و با دقت زیاد انتخاب کنین، با مشکل Performance bottleneck (گلوگاه‌های عملکرد) مواجه نمی‌شین. در غیر این صورت، این گلوگاه‌ها، فن‌آوری و قابلیت ادغام دستگاه با سنسورها و gateway های اینترنت اشیاء رو با مشکل مواجه می‌کنن.
یکی دیگه از نکاتی که باید بهش توجه کنین سفت‌افزاری (firmware) هست که در سخت‌افزار وجود داره که پردازش داده‌هاو انتقال داده اون ها رو انجام میده همچنین آپدیت‌های OTA رو مدیریت و کنترل می‌کنه و عملیات مهم دیگه‌ای رو انجام میده.
موارد کاربرد اتوماسیون خانگی
بازآفرینی تجربه مصرف‌کننده – پیش‌بینی می‌شه که اتوماسیون خانگی کاربردهای زیادی برای مصرف‌کنندگان دیجیتال داشته باشه. برخی از حوزه‌هایی که احتمالاً مصرف‌کنندگان در اونا شاهد حضور اتوماسیون خانگی (که به واسطه اتصالات IoT میسر می‌شه) خواهند بود، عبارتند از:
-
کنترل روشنایی
-
سیستم گرمایش، تهویه و کنترل دما (HVAC)
-
مدیریت باغبانی/ چمن
-
لوازم خانگی هوشمند
-
افزایش ایمنی و امنیت خانه
-
کنترل کیفیت تهویه خانه
-
دستیارهای صوتی مبتنی بر زبان طبیعی
-
سیستم‌های بهتر اطلاعات و سرگرمی ( Infotainment delivery) در خودرو
-
تجربه‌های دیجیتالی مبتنی بر هوش مصنوعی
-
کلیدهای برق هوشمند
-
قفل‌های هوشمند
-
کنتور برق هوشمند
این فهرست کامل نیست و به مرور زمان کامل می‌شه و کاربردهای جدیدی به اون اضافه می‌شه.
حالا که با کاربردهای اتوماسیون خانگی آشنا شدین، نگاهی می‌اندازیم به قطعاتی که برای ساخت یک نمونه اولیه اتوماسیون خانگی معمولی لازم هست.
قطعات مورد نیاز برای ساخت اتوماسیون خانگی
قبلاً هم در مورد این قطعات صحبت کردیم، اما در این قسمت به صورت دقیق تری به این موضوع میپردازم؛ با استفاده از این قطعات می‌تونیم یک مدل واقع‌گرایانه از قطعات اصلی بسازیم که در ساخت خانه‌های هوشمند به کار می‌رن.
-
سنسورهای IoT
-
Gatewayهای IoT
-
پروتکل‌های IoT
-
سفت‌افزار IoT
-
دیتابیس‌ها و فضای ابری IoT
-
میان‌افزار IoT (در صورت نیاز)
صدها نوع gateway و هزاران نوع حسگر یا سنسور IoT وجود داره که در اتوماسیون خانگی به‌کار می‌رن. بیشتر سفت‌افزارها به زبان C، پایتون، node.js یا زبان‌های برنامه‌نویسی دیگه نوشته شدن. به نظر شما چگونه می توان از این شرایط به نحو احسنت استفاده کرد .
اصلی‌ترین اجزای فضای ابری اینترنت اشیا platform-as-a-service (PaaS) و infrastructure-as-a-service (IaaS) هستند.
اصلی‌ترین ارائه‌دهندگان PaaS اینترنت اشیاء عبارتند از:
-
aws iot
-
azure iot
-
thingworx
-
ubidots
-
thingspeak
-
carriots
-
konekt
-
tempoiq
-
xively
-
ibm bluemix
مشخصات سامانه‌های IoT
بازم تأکید می‌کنم که این پلتفرم‌ها در نوع کاربرد IoT و ویژگی‌های امنیتی که ارائه می‌دن خیلی با هم تفاوت دارن. چند تا از این پلتفرم‌ها متن‌باز (open source) هستن.
ویژگی‌های یک پلتفرم IoT معمولی عبارتند از:
-
تأئید و امنیت دستگاه (Device security and authentication)
-
بروکرهای پیام و صف‌بندی پیام (Message quening)
-
مدیریت دستگاه
-
پشتیبانی از پروتکل‌هایی مثل coap، mqtt و http
-
جمع‌آوری و مصورسازی داده و قابلیت‌های ساده تحلیل
-
قابلیت ادغام با وب سرویس‌های دیگه
-
مقیاس‌پذیری افقی و عمودی
-
رابط‌های کاربری برنامه‌نویسی (API) websocket برای جریان اطلاعات لحظه‌ای
علاوه بر مواردی که در بالا بهشون اشاره کردیم، ارائه‌دهندگان دیگه‌ای هم هستند که کتابخانه‌هاشون رو به صورت متن‌باز در اختیار توسعه‌دهندگان قرار می‌دن. برای مثال، کتابخانه Dallas (که حاوی اطلاعات مربوط به دما هست) برای ds18b20 آردینو به خاطر توسعه متن باز نسخه جدید، به سرعت پورت شد. این نسخه به توسعه‌دهندگان کمک کرد تا ds18b20 رو با Linkit ONE ادغام کنن. داوستن این موارد خیلی مهمه چون IoT به صورت پیوسته در حال تکامل هست و در اختیار داشتن یک پلتفرم خوب باعث می‌شه کسب‌وکار شما بدون هیچ مشکلی به مسیر خودش ادامه بده.
حسگرهای اتوماسیون خانگی
شاید هزار نوع از این سنسورها وجود داشته باشن که می‌تونیم اسم‌شون رو توی این فهرست بیاریم، اما از اونجایی که این مقاله حول فن‌آوری خانه هوشمند هست، باید تا حد امکان مختصر و مفید صحبت کنیم. در این قسمت، سنسور های IoT اتوماسیون خانگی رو بر اساس قابلیت‌های حسی‌شون تقسیم‌بندی می‌کنیم:
-
سنسور دما
-
سنسور نور
-
سنسور کنترل سطح آب
-
سنسور کیفیت هوا
-
دوربین‌های مدار بسته (نظارت گسترده)
-
سنسورهای صدا/صوت
-
سنسور فشار
-
سنسور رطوبت
-
شتاب‌سنج
-
سنسور مادون قرمز
-
سنسور ویبره
-
سنسور آلتراسونیک
بسته به اینکه به چه چیزی نیاز دارین، ممکنه از یکی یا از چند تا از این سنسور ها برای ساخت محصول IoT هوشمند استفاده کنین. در ادامه به معرفی چند تا از این سنسور ها می‌پردازریم که معمولاً در اتوماسیون خانگی استفاده می‌شن.
سنسور سنجش دما
این نوع از سنسورها به وفور در بازار یافت می‌شن، اما مشهورترین سنسورهای دما dh11/22، ds18b20 و سری msp430 از ti هستن. دقت سری msp430 بیشتر از مدل‌های دیگه است، اما یکی از گرون‌ترین سنسورها برای نمونه‌سازی و تِست محصولات اولیه هست. msp430 در رأس تمامی سنسورهای دما قرار داره، چون دقت و مصرف باتری اونا خیلی پائینه.
محدوده اندازه‌گیری دمای dht11 خیلی محدوده و دقتش خیلی پایینه. دقت Dht22 یک کم بیشتره اما گزینه‌های بهتر از اون هم وجود داره.
دقت ds18b20 برخلاف سنسورهای دیجیتال دما ( مثل، dht22 و 11) بیشتره. سنسورهای دمای dallas آنالوگ هستن و دقت اونا خیلی بالاست و به 0.5 درجه هم می‌رسه.
توجه داشته باشین که اغلب، دمایی که مستقیماً این سنسورها اندازه‌گیری می‌کنین خیلی دقیق نیست و فارغ از کاری که انجام می‌دین دمای 1000 فارنهایت یا بیشتر رو مشاهده می‌کنین.
سنسور نور
سنسورهای نور میزان روشنایی رو اندازه‌گیری می‌کنن و از اونا می‌شه برای انجام کارهای مختلفی ( برای مثال روشن کردن چراغ‌ها وقتی که محیط خیلی تاریک شد) استفاده کرد. برخی از مشهورترین سنسورهای نور عبارتند از tsl2591 و bh1750.
آزمایشاتی که اخیراً حول استفاده از سنسورهای tsl2591 و bh1750 در دستگاه‌های کم‌مصرف انجام شده نشون میده که این سنسورها در بیشتر موارد عملکرد خوبی دارن.
برای اینکه بدونین آیا این دو تا سنسور مناسب کاری که شما می‌خواین انجام بدین هستن یا نه، بهتون توصیه می‌کنیم تِست میزان روشنایی (Illuminance tests) رو انجام بدین؛ در این آزمایشات داده‌ها نرمال‌سازی می‌شن تا انحراف معیار رو در شرایط مختلف بررسی کنن.
سنسورهای کنترل سطح آب
در هنگام ساخت نمونه اولیه، ممکنه از یک سنسور کنترل سطح مایعات eTape استفاده کنین یا مثل دیگران از یک سنسور آلتراسونیک hc-sr04 برای اندازه‌گیری سطح آب استفاده کنین.
در مواردی که این دو مدل سنسور کارساز نیستن، باید از سنسوری استفاده کنین که عملکرد بهتری داشته باشه.
سنسورهای شناور کنترل سطح مایعات(Float level sensors) و سنسورهای مدار مجتمع (IC) دیگه مثل lm1830 سطح دقتشون بالاتره و به همین دلیل هم قیمت‌شون بالاتره.
سنسور کیفیت هوا
چند مدل سنسور خاص وجود دارن که توسعه‌دهندگان از اونا برای اندازه‌گیری گازهایی که در هوا وجود دارن استفاده می‌کنن.
-
کنترل کربن مونوکسید توسط MiCS-5525
-
MQ-8 برای اندازه‌گیری سطح هیدروژن
-
MiCS-2714 برای اندازه‌گیری نیتروژن اکساید (Nitrogen oxide)
-
MQ135 برای اندازه‌گیری گازهای پر خطر ( آمونیاک، اکسید نیتروژن، الکل، بنزن، دود و دی‌اکسید کربن)
بیشتر این سنسورها زمان گرمایش (heating time) دارن، به عبارت دیگه، قبل از اینکه شروع به کار کنن و مقدار گازها رو با دقت اندازه‌گیری کنن به مدت زمان مشخصی نیاز دارن.
این سنسورها گازهای تشکیل‌دهنده هوا رو بیشتر با سطح‌شون تشخیص می‌دن. وقتی که برای اولین بار شروع به اندازه‌گیری می‌کنن، یه چیزی شبیه به رسوب روی سطح شون وجود داره و برای از بین بردنش، دما باید گرم شه.
بنابراین، زمانی‌که سنسور به اندازه کافی گرم شد، مقادیر صحیح نشون داده می‌شن.
دوربین‌های مداربسته برای نظارت گسترده و انجام تحلیل‌ها
در چنین مواردی، از چند مدل وب‌کم و دوربین استفاده می‌شه که مخصوص کیت‌های توسعه سخت‌افزار هستن. ماژول‌های دوربین رو می‌شه با سخت‌افزارهایی که پورت USB دارن، ادغام کرد.
اما استفاده از پورت‌های USB کافی نیست، به ویژه در مواردی که به انتقال آنی ویدئو یا پردازش ویدئو نیاز باشه.
برای مثال، RPi یک ماژول دوربین (pi cam) داره که از طریق رابط مستقیماً به بورد ( بدون استفاده از پورت USB) وصل می‌شه. به همین دلیل، دوربین Pi کارایی بالایی داره.
تشخیص صدا
تشخیص صوت در تمامی بخش‌ها از کنترل کودک گرفته تا روشن و خاموش کردن خودکار چراغ‌ها و تشخیص خودکار صدای سگ خانگی که پشت در هست و باز کردن در برای اون نقش اساسی بازی می‌کنه.
برخی از سنسورهایی که از اونا برای تشخیص صدا استفاده می‌شه عبارتند از sen-12462 و EasyVR shield برای نمونه‌سازی سریع.
سنسور رطوبت
این سنسورها می‌تونن میزان رطوبت/ سطح rh رو در هوای خانه‌های هوشمند اندازه‌گیری کنن. دقت و صحت اندازه‌گیری به عوامل زیادی از جمله طراحی کلی سنسور و قرارگیری اون بستگی داره.
اما برخی از سنسورها مثل dht22 و 11 که برای نمونه‌سازی سریع ساخته شدن، در مقایسه با سنسورهای با کیفیتی مثل hih6100 و dig rh عملکرد ضعیف‌تری دارن.
زمانی که می‌خواین یک محصول برای اندازه‌گیری سطح رطوبت هوا بسازین، مطمئن بشین که یک لایه متمرکز از رطوبت در هوا وجود نداره که مانع اندازه‌گیری دقیق مقادیر باشه. علاوه بر این، به خاطر داشته باشین که در برخی فضاهای کوچک، میزان رطوبت در یک طرف بیشتر از طرف دیگه باشه.
در محیط‌های باز و خالی که عناصر هوا به آزادی در حرکت هستن، انتظار می‌ره که توزیع رطوبت در اطراف سنسور به یک اندازه باشه، و به دنبال اون، برای کالیبراسیون صحیح به اصلاحات کمتری نیازه.
جمع بندی
در این مقاله ابتدا هدف از اتوماسیون خانگی و همچنین کاربرد های این سیستم رو با هم بررسی کردیم. در قدم دوم قطعات مورد نیاز برای ساخت اتوماسیون خانگی را به شما معرفی کردیم. همچنین با انواع حسگرهای رایج در اتوماسیون خانگی آشنا شدیم. در بخش دوم مقاله به پروتکل ها و همچنین زبان های برنامه نویسی مورد نیاز برای اتوماسیون خانگی می پردازیم.
