صفحة ٢١
انظر إلى بداية الدرس الثاني عن أجهزة إنترنت الأشياء. الكائنات الذكية ليست أجهزة حاسوب منفصلة بذاتها، بل هي اللبنات الأساسية لإنترنت الأشياء؛ أجهزة صغيرة منخفضة التكلفة تتفاعل مع بيئتها المحيطة عبر جمع البيانات من المستشعرات والتفاعل الفوري عبر المشغلات. تحول هذه الكائنات الأشياء اليومية إلى كائنات ذكية قادرة على الحصول على المعلومات والتفاعل معها بدلا من العمل بشكل مستقل. تشغل الكائنات الذكية بواسطة مصدر للطاقة مثل الشبكة الكهربائية أو البطارية، وبعضها يعمل بالطاقة الذاتية كالشمسية أو الرياح. استهلاك الطاقة منخفض جدا لدرجة أن بعضها يعمل لأشهر أو سنوات باستخدام البطاريات، مع وجود جيل جديد من المستشعرات الذكية التي يمكن تشغيلها بالتيار الكهربائي المنبعث من جسم الإنسان. يحتوي كل كائن ذكي على جهاز اتصال يجمع البيانات من المستشعرات ويتلقى التعليمات للمشغلات ويقوم بتوصيل الكائن بالتخزين السحابي. لاحظ الشكل 1.8 الذي يوضح حاسوبا صغيرا منخفض التكلفة يدمج في الكائنات لجعلها ذكية ويمكن تنظيمها في شبكات، مثل أجهزة التحكم الدقيق الأردوينو أو رازبيري باي، وحجم شبكة الغبار الذكي الذي قد يصل أحيانا إلى ملم، وهي شبكة لاسلكية لمنصات حوسبة لا يتجاوز حجمها حبة الرمل الواحدة وتستشعر الإضاءة ودرجة الحرارة والصوت والسموم أو الاهتزازات وتسجل المعلومات وترسلها لاسلكيا إلى أنظمة الحاسب المركزية.
صفحة ٢٢
انظر إلى تصنيفات الكائنات الذكية بناء على عدة معايير. أولا، من حيث مصدر للطاقة: قد يحتوي الكائن على مصدر طاقة ذاتي كالطاقة الشمسية أو يعمل باستمرار بواسطة مصدر خارجي، أو يكون متحركا ببطاريات فتكون مقيدة من حيث فترة استخدامها وقدرتها على جمع البيانات وإرسالها. ثانيا، متحرك أو ثابت: يمكن للكائن أن يكون متحركا ويبقى ثابتا في مكانه أو يوصل بجسم متحرك أكبر. ثالثا، معدل إرسال بيانات منخفض أو مرتفع: قد تكون عمليات إرسال البيانات منخفضة أو مرتفعة، مثل مستشعر الصدأ على أحد الجسور المسجلة شهريا، بينما مستشعر الحركة في السيارة يرسل قيم التسارع مئات المرات في الثانية مما يؤدي لاستهلاك الطاقة. رابعا، بيانات بسيطة أو معقدة: يعتمد على كمية البيانات، كمستشعر الرطوبة في حقل زراعي يسجل قيمة يومية غير معقدة، بينما مستشعر المحرك يسجل مئات القيم مثل الحرارة والضغط وسرعة الغاز والسرعة. خامسا، نطاق التقرير: تحدد المسافة بين الكائن الذكي وجامع البيانات نطاق التقرير، فالسوار الرياضي يرسل البيانات إلى هاتفك على مسافة تصل لبضعة أمتار، بينما مستشعر الرطوبة في سطح الأسفلت في الطريق يقع على بعد مئات الأمترات أو حتى كيلومترات. ساخسا، كثافة الكائنات في كل خلية: يعتمد على كمية الكائنات الذكية ذات الاحتياجات المتماثلة والمتصلة بنفس البوابة، مثل خط أنابيب النفط الذي يستخدم مستشعرا واحدا كل بضعة أميال، وتلسكوبات علم الفلك التي تستخدم الآلاف من المرايا على مساحة صغيرة.
صفحة ٢٣
تأمل مكونات الكائن الذكي في الشكل 1.9. يمتلك الكائن الذكي أربعة مكونات رئيسية كحد أدنى، وقد يحتوي على مستشعر واحد أو مجموعة من المستشعرات، ومشقِل واحد أو مجموعة من المشغلات، والمستشعرات والمشغلات معا حسب الغرض. المكون الأول هو وحدة المعالجة، وهي عبارة عن حواسيب صغيرة مسؤولة عن معالجة البيانات وتنسيق المعلومات بين المستشعرات والمشغلات ووحدة الاتصال، واستهلاكها للطاقة يتناسب مع متطلبات المعالجة. المكون الثاني هو المستشعرات والمشغلات، وهي التي تستطيع التفاعل مع العالم المادي عبر جمع وتحليل المعلومات. المكون الثالث هو مصدر الطاقة، وتختلف احتياجات الطاقة بشكل كبير حسب التطبيقات، فعادة تعمل الكائنات الذكية بطاقة محدودة يمكنها الاستمرار لمدة زمنية طويلة، ومن المثير للاهتمام أن وحدة الاتصال الخاصة بالعصر الذكي تستهلك عادة أكبر قدر من الطاقة، ويتطلب هذا مزيجا كفء لإدارة الطاقة. المكون الرابع هو وحدة الاتصال، وهي المسؤولة عن ربط العنصر الذكي بشبكة ذكية أخرى وبالعالم الخارجي عبر اتصالات سلكية أو لاسلكية، وتوجد بروتوكولات اتصال عديدة للعناصر الذكية.
صفحة ٢٤
انظر إلى المستشعرات في الشكلين 1.10 و1.11. ينفذ المستشعر ما يشير إليه اسمه فهو يستشعر، وبيقس كمية فيزيائية ويحولها إلى بيانات تمررها الأجهزة الذكية أو الإنسان. لا تقتصر وظيفة المستشعرات على جمع البيانات الحسية المشابهة لحواس الإنسان، بل توفر مجموعة واسعة من بيانات القياس وبدقة أكبر من الحواس البشرية، ويمكن تضمين المستشعرات في أي كائن مادي وتوصيلها بالإنترنت عن طريق الشبكات السلكية أو اللاسلكية. تحتوي السيارة الحديثة على مجموعة متنوعة من المستشعرات التي توفر كما هائلا من البيانات يمكن استخدامها في أنظمة ذكية أو مشاركتها مع المركبات الأخرى. تصنف المستشعرات بناء على مصادر الطاقة إلى نشطة تتطلب مصدر طاقة خارجي وتنتقل الطاقة وتكتشفها في نفس الوقت، وسلبية لا تتطلب مصدر طاقة خارجي ولا تنقل الطاقة ولكن تكتشفها فقط. ومن حيث التوغل، يمكن أن تكون المستشعرات جزءا من البيئة التي تقيسها أو مكونا خارجيا. ومن حيث التلامس، قد تتطلب تلامسا ماديا للجسم المراد قياسه أو لا تتطلب ذلك. ومن حيث المطلق والنسبية، يمكن جمع البيانات وفق مقياس مطلق أو نسبة إلى قيمة مرجعية. وأخيرا حسب مجال التطبيق.
صفحة ٢٥
تأمل الجدول 1.3 الذي يوضح أنواع المستشعرات وأمثلتها. النوع الأول هو الموضع، ويقيس موضع الجسم بشكل مطلق أو نسبسي، ومن أثلته مقياس الجهد ومقياس الميل ومقياس القرب. النوع الثاني هو الإشغال والحركة، ويكشف مستشعرات الإشغال وجود الأشخاص والحيوانات في المنطقة التي تراقب، بينما تكشف مستشعرات الحركة حركة الأشخاص والأشياء وتبعث إشعار الإشغال عندما يكون الشخص خاملا على عكس مستشعرات الحركة، ومن أمثلتها عين كهربائية ورادار. النوع الثالث هو السرعة والتسارع، ويكون لمستشعرات السرعة خطية أو زاوية مما يشير إلى مدى سرعة تحرك الجسم في خط مستقيم أو مدى سرعة دورانه، ومن أمثلتها مقياس التسارع والجاييروسكوب. النوع الرابع هو القوة، وتحدد مستشعرات القوة الحالة التي تطبق بها قوة فيزيائية معينة، مثل مقياس القوة ومقياس اللزوجة ومستشعر اللمس. النوع الخامس هو الضغط، وتقيس مستشعرات الضغط القوة الناجمة عن ضغط السوائل أو الغازات، مثل بارومتر وبيزومتر. النوع السادس هو التدفق، وتكتشف مستشعرات التدفق معدل تدفق السوائل، ومن أمثلتها مقياس شدة الريح ومستشعر تدفق الكتلة الحرارية وعداده المياه.
صفحة ٢٦
تابع أنواع المستشعرات في الجدول. النوع السابع هو الصوتي، وتقيس المستشعرات الصوتية مستويات الصوت الموجودة في البيئة، ومن أمثلتها ميكروفون ومسجيل أصوات تحت الأرض ومسجل أصوات تحت الماء. النوع الثامن هو الرطوبة، وتقيس مستشعرات الرطوبة كمية الرطوبة في الهواء أو في أي حيز، ومن أمثلتها مقياس الرطوبة ومستشعر الرطوبة ومستشعر رطوبة التربة. النوع التاسع هو الضوء، وتكتشف مستشعرات الضوء وجود الضوء بأنواعه ودرجاته المختلفة، ومن أمثلتها مستشعر الأشعة تحت الحمراء وكاشف الضوء وكاشف اللهب. النوع العاشر هو الإشعاع، وتكتشف مستشعرات الإشعاع أي إشعاع في البيئة المحيطة، ومن أمثلتها عداد جيجر مولر وكاشف النيوترون. النوع الحادي عشر هو الحراري، وتحدد مستشعرات درجة الحرارة كمية الحرارة أو البرودة داخل النظام، ومن أمثلتها ميزان الحرارة ومقياس السعرات الحرارية ومقياس درجة الحرارة. النوع الثاني عشر هو الكيميائي، وتحدد المستشعرات الكيميائية التركيز الكيميائي داخل النظام، ومن أمثلتها جهاز قياس الكحول وكاشف الدخان. النوع الثالث عشر هو مؤشرات حيوية، ويمكن للمستشعرات الحيوية اكتشاف الخصائص البيولوجية في الكائنات الحية، ومن أمثلتها مستشعر الجلوكوز في الدم ومقياس أكسجين الدم وجهاز تخطيط القلب.
صفحة ٢٧
انظر إلى المشغلات في الشكلين 1.12 و1.13. تعد المشغلات مكملة للمستشعرات، وتستقبل المشغلات إشارة تحكم وهي غالبا إشارة كهربائية أو أمر رقمي يؤدي إلى تأثير فيزيائي على النظام. لاحظ التشابه مع الإنسان كما يوضحه الشكل 1.13؛ يستخدم البشر حواسهم الخمس لاستشعار بيئتهم وقياستها، فتقوم أعضاء الحواس بتحويل هذه المعلومات إلى نبضات كهربائية يرسلها الجهاز العصبي إلى الدماغ لمعالجتها. وكذلك فإن مستشعرات إنترنت الأشياء هي أجهزة تستشعر وتقيس العالم الفيزيائي، وترسل قياساتها كإشارأت كهربائية إلى معالج دقيق أو وحدة تحكم دقيقة من أجل المزيد من المعالجة. يتحكم الدماغ البشري بالوظيفة والحركة، ويحمل الجهاز العصبي المعلومات إلى الجزء المناسب من الجهاز العضلي. وفي المقابل، يمكن للمعالج إرسال إشارة كهربائية إلى مشغل يحول الإشارة إلى فعل ذي تأثير قابل للقياس في بيئته. يعد هذا التفاعل بين المستشعرات والمشغلات والمعالجات والوظائف المماثلة في الأنظمة البيولوجية الأساس لمجالات علم الروبوت والمؤشرات الحيوية.
صفحة ٢٨
انظر إلى تصنيف المشغلات في الشكلين 1.14 و1.15. تصنف المحركات وفق عدة معايير؛ أولا نوع الحركة: وفق نوع الحركة الصادرة منها مثل خطي ودوراني وذو محور واحد وذو محورين وذو ثلاثة محاور. ثانياً القوة الناتجعة: وفق القوة الناتجة مثل طاقة عالية وطاقة منخفضة وطاقة ضئيلة. ثالثا نوع الإنتاج: وفق طبيعة المخرجات المستقرة مثل ثنائية ومستمرة. رابعا مجال التطبيق: وفق نوع الصناعة التي تستخدم فيها المحركات مثل التصنيع والمركبات والطب. خامسا نوع الطاقة: بناء على نوع الطاقة التي تستستخدمها مثل كهربائية وكيميائية وحركية. وتأمل الشكل 1.14 الذي يوضح مشغلا صغيرا مفتاحا بحركة ميكانيكية، والشكل 1.15 الذي يوضح نظام مشغل هيدروليكي مكبس للآلات الثقيلة.
صفحة ٢٩
تأمل الجدول 1.4 الذي يوضح أنواع المشغلات مع أمثلتها. النوع الأول هو المشغل الميكانيكي، ومن أمثلته رافعة وجاك لولبي والساعد اليدوي. النوع الثاني هو المشغل الكهربائي، ومن أمثلته ثايرستور وترانزستور ثنائي القطب والصمام الثنائي. النوع الثالث هو المشغل الكهروميكانيكي، ومن أمثلته محرك تيار متردد ومحرك تيار مستمر ومحرك خطوي. النوع الرابع هو المشغل الكهرومغناطيسي، ومن أمثلته مغناطيس كهربائي وملف لولبي خطي. النوع الخامس هو المشغل الهيدروليكي والهوائي، ومن أمثلته اسطوانة هيدروليكية واسطوانة هوائية ومكبس وصمام التحكم في الضغط. النوع السادس هو المشغلات الحرارية والمغناطيسية، ومن أمثلتها المواد المغمنطة والشريط ثنائي المعدن وثنائي الشكل الكهروإجهادي. النوع السابع والأخير هو المشغلات الدقيقة ومشغلات نانوموية، ومن أمثلتها محرك إلكتروستاتيكي وصمام مايكروي ومحرك مشطي.
صفحة ٣٠
هذه صفحة تمارين تحتوي على جدول لتحديد الجمل الصحيحة والخاطئة فيما يلي. اقرأ كل جملة بعناية، وفكر في المعلومات التي درستها عن الكائنات الذكية ووحدة المعالجة والمستشعرات والمشغلات. على سبيل المثال، الجملة الأولى تقول إن الكائنات الذكية هي أجهزة إلكترونية معقدة للغاية تتطلب كميات كبيرة من الطاقة للمعالجة، فارجع إلى معلوماتك عن استهلاك الطاقة لتقرر صحتها من خطئها. والجملة السابعة تتعلق بتماثل العلاقة بين وحدة المعالجة والمشغل مع حواس الإنسان والدماغ، فتذكر الشكل التوضيحي للتشابه مع الإنسان لتحل هذه العبارة بدقة.
صفحة ٣١
هذه صفحة أسئلة وتمرينات تتضمن ثلاثة أسئلة مقالية. السؤال الثاني يطلب منك وصف المكونات الرئيسية للكائن الذكي، فاستحضر الأجزاء الأربعة الأساسية وهي وحدة المعالجة والمستشعرات والمشغلات ومصدر الطاقة ووحدة الاتصال واشرح دور كل منها باختصار. والسؤال الثالث يطلب تحليل أنواع التطبيقات التي تتطلب مستشعرات تعمل بالطاقة الذاتية وأيها يتطلب مستشعرات يجب تزويدها بالطاقة، ففكر في الأماكن البعيدة التي يصعب تغيير بطاريتها والأماكن القريبة التي تتوفر فيها شبكة كهربائية. والسؤال الرابع يطلب وضع قائمة بالسمات الرئيسية التي تصنف الكائنات الذكية بناء عليها بناء على ما درسناه من تصنيفات.
صفحة ٣٢
هذه صفحة تمارين تحتوي على سؤالين رئيسيين. السؤال الخامس يطلب تحديد ثلاثة أنواع من المستشعرات المهمة المستخدمة لقياس البيئة المحيطة ومناقشة استخدامها، فاستعن بأنواع المستشعرات التي درستها مثل المستشعرات الحرارية والصوتية والضوئية واشرح كيف يفيد كل منها في قياس جوانب البيئة. والسؤال السادس يطلب توضيح كيف يمكن لدراسة التواصل بين أنظمة جسم الإنسان المختلفة أن تساعد المهندسين على إنشاء حلول أكثر ترابطا لأنظمة إنترنت الأشياء، ففكر في التشابه بين شبكة الأعصاب والعضلات وبين نظام المستشعرات والمشغلات ومعالجات البيانات في الأجهزة الذكية.
صفحة ٣٣
هذه صفحة تمارين تتضمن سؤالين مقاليين. السؤال السابع يطلب منك المقارنة بين أنواع المشغلات الأكثر شيوعا في التطبيقات الروبوتية، فاستحضر أنواع المشغلات مثل الميكانيكية والكهربائية والهيدروليكية وضع مقارنة مبنية على خصائص كل نوع وطبيعة عمله ومجال استخدامه. والسؤال الثامن يطلب تعداد المشغلات التي تتطلب بيانات أكثر تعقيدا لإنجاز المهام المطلوبة مع توضيح سبب ذلك، ففكر في المشغلات التي تحتاج إلى دقة عالية واستجابة لمعلومات متعددة ومتغيرة مثل المشغلات الكهروميكانيكية والهيدروليكية مقارنة بالمشغلات البسيطة.
صفحة ٣٤
انظر إلى صفحة المشروع التي تهدف إلى ربط تقنية إنترنت الأشياء بالحياة اليومية والعملية. يطلب منك التمرين الأول اختيار جهاز إلكتروني شائع تستخدمه يوميا وتقديم مقترح لتطبيق إنترنت الأشياء باستخدام هذا الجهاز، بحيث يرسل هذا الجهاز البيانات ويستقبلها لنظام إنترنت الأشياء لإنشاء التوقعات ولتحسين كفائته. أما التمرين الثاني فيطلب إنشاء عرض تقديمي باستخدام برنامج باوربوينت يوضح مقترحك، ويصف كيفية توسيعه ليشمل المزيد من الأجهزة من نفس النوع أو أنواع أخرى من الكائنات الذكية، فخطط لمشروعك بعناية واعرض أفكارك بطريقة منظمة ومبتكرة.
صفحة ٣٥
انظر إلى صفحة ملخص ما تعلمت والمصطلحات الرئيسية للدرس. يراجع هذا الملخص النقاط الأساسية التي شملت تعريف إنترنت الأشياء وتاريخه، والتمييز بين الاستخدامات المختلفة لتطبيقات إنترنت الأشياء، وفهم مدى مساهمة إنترنت الأشياء في تعزيز التقنيات الناشئة، ووصف الكائنات الذكية واستخداماتها، وتصنيف المستشعرات والمشغلات الموجودة في الكائنات الذكية. وتجد أسفل الصفحة جدول المصطلحات الرئيسية باللغتين العربية والإنجليزية لتثبيت المفاهيم الهامة مثل المستشعر والمشغل والكائن الذكي وجهاز إنترنت الأشياء والكائنات المادية والملموسة والكائنات الرقمية لضمان الإحاطة الكاملة بمفردات الدرس.
