یکی از رویاهای کودکی من ساختن دستگاهی بود که بتوانم با آن تمام وسایل را از هر نقطه‌ای کنترل کنم. آن زمان این رویا به نظر بیشتر افراد خنده‌دار می‌آمد اما من همیشه مطمئن بودم که این داستان روزی واقعی می‌شود. با این وجود شاید هیچ‌وقت تصور نمی‌کردم که این اتفاق به این زودی بیافتد! اما این رویا چطور ممکن شده است؟ اگر از یک متخصص مخابرات بپرسید شاید روش‌های تخصصی یا پرهزینه‌ای را به شما معرفی کند، اما من یک راه ساده را پیشنهاد می‌کنم: اینترنت اشیا!
اینترنت اشیا خیلی بیشتر از رویای من را شدنی کرد و در حال حاضر به سرعت نیز در حال گسترش است. در اینترنت اشیا، می‌توانید هر دستگاهی را با اتصال به اینترنت، به بخشی از دستگاه‌های هوشمند خود تبدیل کرده و داده‌های آن را بخوانید یا به آن فرمان بدهید. در این روش، اینترنت نقش واسط بین اجزا را دارد و از آنجا که پوشش اینترنت به روش‌های مختلف (ADSL، وای‌فای، TD-LTE و …) بسیار گسترده شده است، معمولا نگرانی خاصی در مورد دسترسی به اینترنت وجود ندارد. راهکارهای اینترنت اشیا معمولا باعث کاهش مصرف انرژی، صرفه‌جویی در زمان و منابع طبیعی و راحتی انجام کارهای روزمره شده و در بسیاری از موارد لزوم وجود انسان برای انجام کارهای تکراری و طاقت‌فرسا را از بین می‌برد.
آنچه در این مجموعه آموزشی خواهید خواند
این مجموعه در ادامه آموزش جامع آردوینو و مکمل آن است. به همین دلیل مباحثی که در آنجا مطرح شده را تکرار نخواهیم کرد. اینترنت اشیا را می‌توان با بردهای مختلف توسعه‌ای مانند آردوینو یا رزبری‌پای و یا حتی با کامپیوتر راه‌اندازی کرد. به دلیل سادگی کار، قیمت مناسب و گستردگی استفاده از آردوینو در این مجموعه از آن به عنوان پردازنده و مدیریت‌کننده سنسورها و ماژول‌ها استفاده کرده‌ایم. در ابتدای این مجموعه آموزشی تعدادی از سنسورهای پرکاربرد در اینترنت اشیا را معرفی خواهیم کرد. در ادامه مهمترین ماژول‌هایی که برای استفاده در اینترنت اشیا نیاز دارید و نحوه راه‌اندازی و کاربرد هر یک را بررسی می‌کنیم. در پایان نیز به نحوه ارسال و دریافت اطلاعات بین سنسورها و ماژول‌ها در اینترنت خواهیم پرداخت. آموزش‌های این مجموعه به صورت زیر است:
١. معرفی و راه‌اندازی انواع سنسورهای پرکاربرد اینترنت اشیا
معمولا در پروژه‌های جذاب اینترنت اشیا، تعداد زیادی سنسور، ماژول و دستگاه هوشمند به هم وصل شده و به شکل واحدی مدیریت می‌شوند. تمام این موارد، ابزارهایی هستند که در پروژه‌های مختلف ممکن است به تعدادی از آنها نیاز داشته باشید. برای مثال اگر پروژه شما خانه هوشمند است احتمالا به سنسور نور، سنسور حرکت و سنسور گاز نیاز پیدا خواهید کرد. در این قسمت تعدادی از مهمترین سنسورهای مورد استفاده در پروژه‌های اینترنت اشیا را معرفی کرده و نحوه راه‌اندازی و استفاده از آنها را بررسی خواهیم کرد. این سنسورها شامل سنسور میزان شدت نور یا فوتوسل، سنسور تشخیص شعله، سنسور اندازه‌گیری ارتعاشات و لرزش یا پیزوالکتریک، سنسور مادون قرمز که می‌تواند برای تشخیص عبور اجسام استفاده شود، سنسور حرکت یا پیروالکتریک، ریموت کنترل که از همان روش مادون قرمز استفاده می‌کند و انواع مختلفی از سنسورهای تشخیص گاز در هوا می‌شوند. تمام این سنسورها و نیز ماژول‌هایی که در قسمت‌های بعد معرفی می‌کنیم با آردوینو سازگارند.
٢. معرفی انواع رله و نحوه کار با آن
وقتی بخواهید پروژه‌ای را با اینترنت اشیا انجام دهید، مثلا هوشمندسازی خانه یا هوشمندسازی فضای شهری یا هر پروژه دیگری به احتمال خیلی زیاد علاوه بر سنسورها به عملگر هم نیاز خواهید داشت. عملگرها ابزارهایی هستند که شما می‌توانید به آنها فرمان داده تا یک عمل فیزیکی را انجام دهند. انواع موتورها: موتور DC، استپر موتور، سروو موتور، موتور AC و موتور براشلس، سوئیچ‌های سولنوئیدی و جک‌های هیدرولیک همگی مثال‌هایی از عملگرها هستند. در اکثر موارد عملگرها نیاز به توان بالاتری نسبت به بخش الکترونیکی پروژه دارند و به همین دلیل نمی‌توانید آنها را مستقیما به برد الکترونیکی‌تان وصل کنید. در بسیاری از این موارد اگر این کار را بکنید احتمالا باید فاتحه بردتان را بخوانید! حلال این مشکل یک قطعه دیگر به نام رله است. رله دو سمت دارد: سمت توان پائین که دستورات ضعیف میکروکنترلر را از آن می‌گیرد و سمت توان بالا که به معمولا به عملگر وصل شده و طبق دستور میکروکنترلر جریان عملگر را قطع و وصل می‌کند. رله هم برای جریان مستقیم و هم برای جریان متناوب وجود دارد. در این آموزش انواع رله را معرفی کرده و از آن در اجرای چند پروژه استفاده می‌کنیم.
٣. معرفی و راه‌اندازی سنسورهای IMU
در کنار ماژولهای موقعیت‌یابی محلی، ماژول GPS موقعیت جهانی یا مطلق را به دست می‌آورد. GPS مختصات جغرافیایی را با استفاده از داده‌های ماهواره‌ها انجام داده و به همین دلیل مثل IMU دچار خطای انباشته نمی‌شود. کافیست در یک فضای باز قرار بگیرید، در این صورت در هر نقطه‌ای از کره زمین که باشید، موقعیت‌تان را با استفاده از GPS می‌توانید با دقت خیلی خوبی به دست آورید. GPS به خصوص اگر بخواهید جابجایی‌های زیاد را اندازه بگیرید خیلی مناسب است. گاهی داده‌های GPS را با داده‌های IMU ترکیب کرده و نتایج بسیار دقیقی به دست می‌آورند. در سیستم‌های موقعیت‌یابی از استاندارد خاصی به نام NMEA استفاده می‌شود. GPS نیز از همین استاندارد استفاده می‌کند. در این آموزش به طور مفصل در مورد ماژول GPS و نحوه کار با آن بحث خواهیم کرد.
۴. آموزش کار با ماژول GPS
در کنار ماژولهای موقعیت‌یابی محلی، ماژول GPS موقعیت جهانی یا مطلق را به دست می‌آورد. GPS مختصات جغرافیایی را با استفاده از داده‌های ماهواره‌ها انجام داده و به همین دلیل مثل IMU دچار خطای انباشته نمی‌شود. کافیست در یک فضای باز قرار بگیرید، در این صورت در هر نقطه‌ای از کره زمین که باشید، موقعیت‌تان را با استفاده از GPS می‌توانید با دقت خیلی خوبی به دست آورید. GPS به خصوص اگر بخواهید جابجایی‌های زیاد را اندازه بگیرید خیلی مناسب است. گاهی داده‌های GPS را با داده‌های IMU ترکیب کرده و نتایج بسیار دقیقی به دست می‌آورند. در سیستم‌های موقعیت‌یابی از استاندارد خاصی به نام NMEA استفاده می‌شود. GPS نیز از همین استاندارد استفاده می‌کند. در این آموزش به طور مفصل در مورد ماژول GPS و نحوه کار با آن بحث خواهیم کرد.
۵. آموزش استفاده از ماژول بلوتوث
در سالهای اخیر بلوتوث به یکی از رایج‌ترین روش‌های انتقال اطلاعات برد کوتاه بین دستگاه‌های هوشمند تبدیل شده است. هرچند که فناوری‌های دیگری مثل وای‌فای در مواردی رقیب بلوتوث محسوب می‌شود اما همچنان بلوتوث یک روش ساده، بی‌دردسر و کم‌مصرف است. در عین حال بسیاری از وسایل جانبی مثل موس، کیبورد یا هدفون نیز به بلوتوث مجهز شده و کارها را ساده‌تر کرده‌اند. بلوتوث یک روش خوب برای اتصال به گوشی‌های هوشمند نیز هست. پس اگر می‌خواهید با تلفن همراه یک پروژه آردوینویی را کنترل کرده یا از وضعیت آن باخبر شوید، بلوتوث انتخاب خوبی است. در این قسمت ماژول بلوتوث را معرفی کرده و نحوه استفاده از آن را با هم بررسی می‌کنیم. در نهایت نیز یک پروژه هوشمند را با ماژول بلوتوث انجام می‌دهیم.
۶. معرفی و راه‌اندازی ماژول RFID
RFID از مهمترین فناوری‌هایی بود که در به وجود آمدن ایده اینترنت اشیا تاثیر داشت. RFID یک فناوری بسیار کم‌هزینه و کم‌مصرف است. اوایل مطرح شدن ایده اینترنت اشیا، دانشمندان آنچنان از عملکرد RFID ذوق‌زده شده بودند که تصور می‌کردند آینده اینترنت اشیا تماما بر اساس RFID خواهد بود. RFID همان فناوری است که کارت‌های مترو و اتوبوس با آن ساخته شده است. جذاب‌ترین نکته در مورد این کارت‌ها عدم نیاز به هر گونه باتری یا منبع تغذیه است. همین موضوع به همگانی شدن آن کمک زیادی کرد. در حال حاضر تعداد دستگاه‌های "هوشمند" متصل به اینترنت در دنیا از مرز 14 میلیارد گذشته است. با این وجود، مزیت منحصر به فرد RFID این است که صدها میلیارد دستگاه "غیرهوشمند" دیگر موجود در دنیا را نیز قادر می‌سازد تا به شبکه اینترنت اشیا بپیوندند.
٧. معرفی و راه‌اندازی ماژول GSM
شاید تصورش را هم نکرده باشید اما با آردوینو می‌توانید تماس تلفنی برقرار کرده و پیامک بفرستید یا دریافت کنید. برای این کار فقط به یک ماژول GSM نیاز خواهید داشت. GSM همان شبکه مخابراتی نسل دوم است که بیشترین پوشش آنتن‌دهی را دارد. به دلیل پوشش تقریبا سراسری فناوری نسل دوم، استفاده از آن در پروژه‌ها منطقی‌ترین انتخاب است چرا که ممکن است بخواهید دستگاهی بسازید که در نقاط دورافتاده و غیرشهری استفاده شود. نسل اول شبکه تلفن همراه به صورت آنالوگ بود در حالی که نسل دوم بر اساس سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کند. از این نظر نسل دوم را می‌توان انقلابی‌ترین نسل شبکه‌های تلفن همراه دانست. همین که بتوانید پروژه‌تان را به قابلیتی مجهز کنید که امکان برقراری تماس و تبادل پیام را به شما بدهد به اندازه کافی جالب است، اما جالب‌تر این است که بر اساس آن فعالیت پروژه‌تان را زیر نظر گرفته یا کنترل کنید. مثلا فرض کنید که هر زمان که دمای یک محل خاص بیشتر از حد عادی شد، به شما یک پیامک ارسال شود.
٨. معرفی و آموزش راه‌اندازی انواع ماژولهای وایرلس
در دو دهه گذشته پیشرفت زیادی در زمینه ارتباطات بی‌سیم صورت گرفته است. انواع روش‌های ارتباطی، پروتکل‌های مختلف، باندهای فرکانسی و استانداردهای زیادی در این زمینه مطرح شده و گسترش آن باعث کاهش تمایل به استفاده از روش‌های سیمی شده است. حتی اینترنت که زمانی کاملا در تسخیر ADSL بود در حال حاضر به سمت روش‌های بدون سیم رفته است. ماژولهای زیادی وجود دارد که امکان برقراری ارتباط وایرلس را برای شما فراهم می‌سازند. این ماژول‌ها کاملا با آردوینو هماهنگ بوده و می‌توانید از آنها بسته به نیازتان در پروژه‌ها استفاده کنید. هر کدام از انواع ماژولهای وایرلس مزیت خاص خود را دارد و برای تعیین مناسب‌ترین آنها باید تا حدی با این ماژول‌ها آشنا باشید. برخی از ماژولهای وایرلس فقط یک فرستنده/گیرنده هستند در حالی که برخی دیگر یک میکروکنترلر کامل هستند که نقش آردوینو را هم ایفا می‌کنند. همین طور بعضی از ماژول‌ها فقط با محصولات مشابه خودشان ارتباط برقرار می‌کنند در حالی که برخی دیگر قابلیت وای‌فای داشته و می‌توانند مستقیما به شبکه اینترنت وصل شوند. در این آموزش به معرفی مجموعه‌ای از مهمترین ماژولهای وایرلس پرداخته و هر یک را راه‌اندازی خواهیم کرد.
۹. آموزش کار با ماژول Ethernet
در کنار تمام روش‌های بی‌سیم برای انتقال اطلاعات که در حال گسترش روزافزون هستند، روش‌های سیمی نیز همچنان به قوت خود باقی هستند. هر چقدر هم که وای‌فای یا TD-LTE همگانی شده باشد، اما همچنان بستر اصلی شبکه اینترنت به صورت کابلی است. علت این موضوع پایداری و قابلیت اطمینان موجود در سیستم‌های کابلی است. علاوه بر آن ممکن است شرایطی پیش بیاید که امکان استفاده از روش‌های وایرلس را نداشته باشید. در این صورت تنها راه این است که از یک ماژول کابلی برای ارتباطات استفاده کنید. تقریبا مهمترین روش کابلی مورد استفاده در شبکه‌های محلی و برد نزدیک، فناوری Ethernet است. در این آموزش به معرفی و نحوه راه‌اندازی یک ماژول Ethernet خواهیم پرداخت. ماژولهای دیگری نیز برای این نوع ارتباط وجود دارد که کم و بیش یکسان عمل می‌کنند.
١٠. ارتباط سنسورها و ماژول‌ها از طریق اینترنت
حالا که با ماژول‌ها، سنسورها، روش‌های ارتباطی و بردهایی که نیاز داشتید آشنا شدید، آخرین حلقه از اینترنت اشیا این است که چطور اطلاعات را از طریق اینترنت مبادله کنید؟ مثلا شاید بخواهید دمای مزرعه‌تان را از درون منزل چک کنید یا اینکه لامپ‌های خانه را از محل کارتان روشن و خاموش کنید. یا حتی فراتر از این، مجموعه‌ای از دستگاه‌ها و سنسورهای متصل به هم بسازید که از راه دور و بدون دخالت شما، بعضی از کارهای مورد نظرتان را انجام دهند. برای تشکیل چنین سیستمی باید بتوانید اطلاعات را از طریق بستر اینترنت بفرستید. سرویس‌های رایگان زیادی در حال حاضر برای اینترنت اشیا وجود دارند که برای شروع کار، استفاده از آنها پیشنهاد خوبی است. یکی از این سرویس‌ها، سایت ThingSpeak است که به عنوان نمونه از آن به عنوان واسط ارتباطی استفاده خواهیم کرد. در این آموزش نحوه ارسال و دریافت اطلاعات با پروتکل HTTP از طریق اینترنت را بررسی خواهیم کرد.
