اینترنت اشیا برای ساخت سیستم خانه هوشمند

چکیده: اینترنت اشیا یک تکنولوژی در حال ظهور که در حال هوشمندتر کردن جهان ما است. ایده جهان متصل بدون اینترنت اشیا قابل تصور نیست. یک خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا نمونه‌ای از این تکنولوژی است. در محیط خانه هوشمند که مبتنی بر اینترنت اشیا است چیزهای گوناگونی از قبیل نورپردازی،ظاهر خانه ، کامپیوترها و دوربین امنیتی و ... وجود دارند که همه این موارد با اینترنت متصل می‌باشد و به کاربر اجازه می‌دهند تا بدون توجه به زمان و محدودیت مکانی اشیا را کنترل و نظارت کند. این مقاله پلتفرم اینترنت اشیا آزمایشگاه Frugal را برای ساخت خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت را شرح می‌دهد. این مقاله عملکردهای خانه هوشمند و کاربردهای آن و معماری پلتفرم اینترنت اشیا (FLIP) را همراه با پیاده سازی آن برای ساخت خانه هوشمند شرح می‌دهد. سیستم مطرح شده در این مقاله برای نظارت و کنترل محیط خانه هوشمند استفاده می‌شود.کلمات کلیدی – معماری پلتفرم اینترنت اشیا؛ خانه هوشمند؛ ارتباط ماشین به ماشین1 – مقدمهیک خانه هوشمند که به خانه متصل یا eHome اشاره می‌شود که شامل سیستم‌های خوکار و پیشرفته‌ای است. یک خانه هوشمند فعالیت‌های روزانه آن توسط یک کامپیوتر نظارت می‌شوند. یک خانه هوشمند شامل بسیاری از فناوری‌ها است که از طریق شبکه سازی و یا متصل کردن آنها برای بهبود کیفیت زندگی می‌باشد. یک خانه هوشمند مکانی است که توسط سیستم‌های خوکار پیشرفته برای کنترل نور و دما، اسباب و وسایل، سیستم‌های چندرسانه‌ای و سیستم‌های امنیتی و موارد دیگری استفاده می‌شود. اینترنت اشیا نقش مهمی در ساخت خانه هوشمند دارد. از طریق اینترنت اشیا تقریبا هر شی در خانه را می‌توان به اینترنت متصل کرد. اینترنت اشیا یا IOT به ما اجازه نظارت و کنترل بر روی همه این ابزارها و اشیا متصل به اینترنت را بدون توجه به زمان و مکان را می‌دهد2 – انگیزهیکی از پیامدهای برنامه دیجیتالی هندی، شهرهای کشور هند به زودی تبدیل به شهرهای هوشمند خواهند شد. یک شهر هوشمند در یک محیط و زیرساخت‌های آن به اینترنت برای ارتباط و سرویس دهی وابسته است. بنابراین اینترنت اشیا یک عامل کلیدی برای ساخت شهرهای هوشمند می‌باشد. یک خانه هوشمند که در این مقاله مطرح شده است بخشی از یک شهر هوشمند می‌باشد. انگیزه مربوط به این مقاله این است که یک سیستم خانه هوشمند را پیشرفت داد که بتوان در شهرهای هوشمند هند پیاده سازی کرد.3 – عملکردهای خانه هوشمندیک خانه هوشمند مشتکل از برنامه‌های کاربردی است که بر روی بستر اینترنت اشیا ساخته می‌شود. خانه هوشمند می‌تواند دارای عملکردهای هوشمند زیر باشد:الف. هشدار:خانه هوشمند می‌تواند محیط اتاق خود را مورد آگاهی قرار دهد و هشدارهایی را به کاربر بر روی ابزار و حساب ثبت شده ارسال کند. این هشدار متشکل از اطلاعات مرتبط با داده‌های محیط خانه می‌باشد. این اطلاعات می‌تواند شامل میزان گاز در محیط، دما، رطوبت، شدت نور و ... باشد که این هشدار می‌تواند در یک بازه زمانی تعریف شده به کاربر ارسال شود. این هشدارها می‌توان از طریق ایمیل، به عنوان یک پیام متنی از طریق توئیت‌ها یا از طریق رسانه‌های اجتماعی دیگر فرستاده شود.ب. نظارت:نظارت مهم‌ترین عملکرد خانه هوشمند است. یک خانه هوشمند قادر به نظارت محیط اطراف خود به کمک سنسورها و دوربین‌ها می‌باشد. در یک خانه هوشمند، نظارت مهم‌ترین عملکرد است زیرا تمام فعالیت‌های یک خانه هوشمند را نظارت می‌کند و ما به این اطلاعات برای تصمیم گیری‌های خاصی در خانه نیاز داریم. برای مثال نظارت دمای اتاق و ارسال هشدار به کاربر برای روشن کردن کولر در صورتی که دما بالاتر از حد تعیین شده باشد.ج. کنترل:این عملکرد خانه هوشمند به کاربران اجازه می‌دهد تا فعالیت‌های مختلفی را کنترل کنند. این فعالیت‌ها می‌تواند شامل روشن و خاموش کردن برق، لامپ‌ها، کولر، باز و بسته کردن در و پنجره‌ها و موارد بسیار دیگر باشد. کاربر می‌تواند وسایل و اشیا را از همان مکان و یا از فاصله دور کنترل کند. این عملکرد حتی می‌تواند به صورت خودکار باشد برای مثال خاموش و روشن کردن کولر وقتی که دما بالا یا پایین است.د. هوش:هوشمندی خانه هوشمند(HI) مهم‌ترین عملکرد یک خانه هوشمند می‌باشد و به رفتار محیط خانه هوشمند اشاره دارد. این عملکرد مرتبط با تصمیم گیری خودکار در موقعیت‌های مختلف می‌باشد. هوش خانه به مکانیسم هوش مصنوعی بستگی دارد که در محیط خانه هوشمند ساخته می‌شود. هوش خانه فقط خانه‌ها را هوشمند نمی‌کند بلکه از دید امنیت هم بسیار مهم است.هوش خانه یک محیط یکپارچه را در خانه‌های هوشمند که توسط مکانیسم هوش مصنوعی اداره می‌شود فراهم می‌کند که می‌تواند اتفاقات اطراف خانه را تشخیص داده و تصمیم‌ و واکنش مناسب را انجام دهد. هوش خانه با شناسایی وقایع عادی و غیر عادی به کاربر هشدار دهد و حتی خودش می‌تواند یک تصمیم مناسب و سریع و خودکار بگیرد. بعضی از سناریوها برای عملکرد خودکار برای مثال می‌تواند شامل آماده کردن قهوه تا وقتی که صاحب خانه به خانه می‌رسد و یا ارسال پیغام یا هشدار به کاربر هنگامی که اتفاقی غیر عادی رخ داده است و یا سفارش کالا هنگامی که یخچال خالی است و یا ارسال پیغام به تعمیرکار هنگامی که مشکلی در وسایل خانه وجود دارد.4 – کاربردهای خانه هوشمنداگر چه کاربرد خانه هوشمند توسط تصور انسان محدود می‌باشد، این مقاله سعی می‌کند برخی از آنها را در زیر شرح می‌دهد.الف. روشنایی هوشمند:نور هوشمند می‌تواند برای صرفه جویی در انرژی استفاده شود که می‌توان این کار را توسط تغییر نور و یا روشن و خاموش کردن آن با توجه به میزان نور حال حاضر خانه است. ذخیره سازی انرژی همچنین در کاهش هزینه کمک می‌کند. نور هوشمند را می‌توان با لامپ‌های LED یا لامپ‌های IP که می‌توانند به اینترنت متصل شوند، ایجاد کرد. نور هوشمند از طریق دریافت اطلاعاتی نظیر گرمای بدن که آیا کسی در خانه است یا نه، میزان سطح دما یا رطوبت یا LUX(یکای شدت روشنایی) در محیط کار می‌کند.ب. وسایل و اسباب هوشمند:وسایل و اسباب هوشمند برای جمع آوری اطلاعات و وضعیت موجود اسباب و وسایل به کار می‌رود و همچنین برای کنترل آسان اسباب و وسایل درون خانه با کنترل از راه دور به کار برده می‌شود. این عملکرد همچنین برای برنامه ریزی کارها در زمان از پیش تعریف شده و خاصی به کار می‌رود. اسباب و وسایل هوشمند انرژی و زمان را حفظ می‌کند.ج. شناسایی خطر:شناسایی خطر برای هشدار به کاربر از طریق ایمیل و پیام متنی به کار برده می‌شود. شناسایی خطر می‌تواند توسط ایمیل و اس ام اس به کاربر ارسال شود که شامل اطلاعات ریزی مثل فیلم و عکس و گزارش‌های مفصلی است. هدف اصلی این کاربرد نظارت عملیات مشکوک در خانه هوشمند می‌باشد و به منظور هدف ایمنی به کاربر هشداری ارسال می‌کند.د. شناسایی گاز و دود:این کاربرد برای دریافت اطلاعات خانه هوشمند است که مرتبط با سلامتی افراد داخل خانه است و می‌تواند برای امنیت و سلامتی آنها استفاده شود. این کاربرد قادر به ارسال هشدار به اداره آتش نشانی در زمان وقوع آتش یا وجود دود و همچنین ارسال هشداری به کاربر از طریق ایمیل یا اس ام اس برای آگاه کردن او از خطر می‌باشد.مواردی که در شرح داده شد موارد کمی از کاربردهای خانه هوشمند است اما موارد ناچیزی نمی‌باشند و قادر به بهبود کیفیت زندگی افراد داخل خانه است. این مقاله بستر FLIP را برای توسعه چنین برنامه‌های کاربردی و همچنین آزمایش‌های انجام شده با FLIP و با نتایج آن را در قسمت بعد توصیف می‌کند.5 – معماری FLIPپلتفرم FLIP توسط آزمایشگاه Frugal هند ساخته شده که یک پلتفرم منبع باز (open source) اینترنت اشیا است که هدف آن ارائه اطلاعات به توسعه دهندگان و هرکسی که علاقه مند به یادگیری اینترنت اشیا است. FLIP یک پلتفرم کامل می‌باشد و فقط تنها مجموعه‌ای از ابزار و سنسورها و خدمات نیست بلکه برای زیربنای اینترنت اشیا هم استفاده می‌شود.شکل1. معماری FLIPمعماری FLIP دارای چهار لایه مجزا شامل دستگاه، Gateway، ابر و برنامه کاربردی می‌باشد.الف. لایه دستگاه:لایه دستگاه متشکل از کنترل کننده است و ماژول ارتباطی و سنسورها در این لایه می‌باشند. در این لایه برد FLIP به عنوان کنترل گر به کار می‌رود. برد پایه FLIP بر مبنای نانو آردوینو می‌باشد. همچنین این لایه به عنوان یک محفظه در خانه هوشمند کاربرد دارد. محفظه خانه هوشمند دارای دما و رطوبت، سنسورهای دیگر از قبیل سنسور IDR و سنسورهای گازی گوناگون و کیفیتی هوا، سنسورهای صدایی و دیگر سنسورها را ممکن می‌سازد. محفظه خانه هوشمند همچنین دارای رله جریان متناوب AC است که می‌تواند برای کنترل هرچیزی تا 7 آمپر و 250 ولت جریان متناوب، متصل شود. لوازم خانگی و محفظه خانه هوشمند در شکل 2 نشان داده شده است.شکل2. محافظ FLIP خانه هوشمندبرای متصل شدن به برد لایه FLIP از ماژول وای فای یا بلوتوث استفاده می‌شود. هردو ماژول می‌توانند از رابط 6 پین به برد FLIP متصل شوند. ماژول وای فای که در شکل 3 نشان داده شده، دستگاه FLIP را مستقیما به اینترنت متصل می‌کند و ماژول بلوتوث که در شکل 4 نشان داده شده است، دستگاه FLIP را از طریق Gateway به اینترنت متصل می‌کند.شکل3. ماژول وای فای FLIPشکل4. ماژول بلوتوث FLIPب. لایه Gateway:لایه Gateway متشکل از واحد پردازش محلی (LPU) می‌باشد که مبتنی بر سیستم عامل لینوکس است. معماری FLIP از Raspberry PI به عنوان دستگاه Gateway استفاده می‌کند. دستگاه Gateway دارای بلوتوث است که به دستگاه‌های دیگر اجازه متصل شدن به آن را می‌دهد. در این معماری همه دستگاه‌ها به Gateway متصل شده و Gateway به اینترنت متصل است. Gateway از طریق اترنت یا وای فای به اینترنت متصل می‌شود.ج. لایه ابر:لایه ابر واسطه و پایگاه داده‌ای می‌باشد که به همه ابزارها متصل می‌شود و داده‌های مربوط به ابزارها را ذخیره می‌کند. لایه ابر دارای سه نوع ساختار اصلی شامل واسط MQTT، MongoDB و Node.js برای پردازش بک اند است.د. لایه اپلیکیشن یا SDK:لایه اصلی و مهم لایه اپلیکیشن و SDK می‌باشد. برنامه متشکل از اپلیکیشن وب می‌باشد و برای نمایش داده‌ها با استفاده از ویجت‌ها و نمودارها به کار برده می‌شود. لایه SDK دارای موتور رول بر مبنای پایتون می‌باشد. لایه SDK پایتون دارای دو سناریو می‌باشد که یکی از این سناریوها تعریف منطق برای ابزار شما می‌باشد یعنی مثلا اگر دما زیاد باشد آن وقت کولر روشن می‌شود و دوم اینکه می‌تواند به رسانه‌های اجتماعی یا برنامه‌های شخص ثالث اضافه شود.6 – سیستم پیشنهادیسیستم پیشنهادی در این مقاله بر مبنای FLIP می‌باشد. سیستم پیشنهادی دارای 4 مدل اصلی و کاربردی می‌باشد. روشنایی هوشمند، اسباب و وسایل هوشمند، تشخیص نفوذ و دود و گاز که در بخش قبلی بحث شد. شکل 5 نمودار تنظیم دستگاه برای کنترل خانه هوشمند که شامل دما، رطوبت، شدت روشنایی و سنسور شناسایی حرکت را می‌باشد نشان می‌دهد.شکل5. راه اندازی دستگاه هوشمند خانگیساختار پیشنهادی برای خانه هوشمند در شکل 6 نشان داده است.شکل6. شبکه خانه هوشمنددر سیستم خانه هوشمند پیشنهادی FLIP دستگاه به سنسورها، لامپ‌ها، دستگاه تهویه هوا، دوربین، پنجره‌ها و سیستم درب و وسایل مختلف دیگر متصل است. دستگاه FLIP از طریق Gateway به اینترنت متصل می‌شود. Gateway در سیستم پیشنهادی خانه هوشمند نقش مهمی را دارد زیرا یه لایه امن اضافی به شبکه اضافه می‌کند که از این رو سیستم پیشنهادی را ایمن‌تر می‌کند. سیستم خانه هوشمند قادر به انجام عملکردهای گوناگونی از قبیل نظارت بر کیفیت هوا و اهداف ایمنی و امنیتی، کنترل اسباب و وسایل منزل، قفل در و پنجره از مکان دورتر و همچنین می‌تواند هشدارهایی را در شرایط از پیش تعیین شده به وجود می‌آورد و از این رو سیستم نوری و تهویه هوا را به صورت خودکار کنترل می‌کند. با توجه به کدهای زبان سی که برروی فریمور یکی از دستگاه‌های FLIP اجرا شده، دما و رطوبت و داده‌های شدت روشنایی را نشان می‌دهد و همچنین کنترل روشن و خاموش شدن لامپ از فاصله دور را ممکن می‌سازد.کد زیر از سیستم اتاق هوشمند پیشنهادی است که داده‌های دمایی، رطوبتی و شدت روشنایی را به سرور ارسال می‌کند و همچنین به کاربر اجازه می‌دهد تا از راه دور سوئیچ الکتریکی را کنترل کند.#include<FlipSmartHome.H>#include<FlipMqtt.H>FlipSmartHome fsh;FlipMqtt m;char *temp_topic = “Home/temp”;char *hum_topic = “Home/hum”;char *ldr_topic = “Home/light”;char *switch_topic = “Home/switch”;char *ssid=”ssid”;char *pwd=”password”;int temp,hum,ldr;char *s = NULL;void loop(){S=m.GetSubValue(switch_topic);If(strcmp(s,”1”)==0){Fsh.relayOn();}else{Fsh.relayOff();}Temp = fsh.readTempC();m.mqttPub(temp_topic,temp);hum = fsh.readHum();ldr = fsh.readLdr();m.mqttPub(ldr_topic,ldr);}سیستم پیشنهادی داده‌ها را با استفاده از ویجت‌ها و نمودارها در وب اپلیکیشن نمایش می‌دهد و همچنین ویجت‌ها را برای تنظیم شرایط هشداری و کنترل ابزار از قبیل باز و بسته کردن در و پنجره‌ها، روشن و خاموش کردن لامپ‌ها و دیگر تجهیزات، همچنین سیستم به کاربر اجازه می‌دهد که تا همه اطلاعات موجود در فرمت اکسل را دانلود کند و منطقی جدید به سیستم با استفاده از اسکریپت پایتون وارد کند و سیستم را انعطاف پذیر کند. همچنین می‌توان ابزارهای جدیدی به سیستم اضافه کرد. شکل 7 وب اپلیکیشن کاربر را نمایش می‌دهد.شکل7. وب اپلیکیشنهمچنین کاربر می‌تواند واسطه‌ای برای دریافت هشدار و اعلان‌ها تعریف کند. این واسطه‌های مختلف می‌توانند ایمیل، پیام متنی و یا شبکه اجتماعی باشد. کاربر می‌تواند هریک از آنها یا همه را انتخاب کند. در اسکریپ پایتون زیر در صورتی که شدت نوری خیلی بالا باشد هشدار ایمیلی را برای کاربر ارسال می‌کند.import FlipUtilities as Flipimport FlipMQTT as mqimport timeimport getpassmqtt = mq.FlipMQTT()mqtt.sub_topic(&quotHome/light&quot)mqtt.infy()service = 'gmail'Flip.selectService(service)username = “username”password = “password”to = &quotto-email-address&quotfrm = &quotfrom-email-address&quotFlip.emailCredentials(username, password)print &quotLogged in successfully!&quotreceived_data = []check_timestamp = '0'while True:received_data = mqtt.sub_value(&quotHome/light&quot)if received_data != None andreceived_data[1]!= check_timestamp:print received_dataif (received_data[0] >= &quot500&quot) :check_timestamp = received_data[1]subject = &quotSensor Values&quotmessage = &quotLight Intensity is &quot+received_data[0]+&quotTime:&quot+received_data[1]+&quot&quot+&quot Turning OFFRoom Light.&quot+&quot&quotFlip.sendMessage(to, frm, subject, message)print&quotmessage sent!&quottime.sleep(5)Flip.closeEmail()در حال حاضر سیستم‌های پیشنهادی کارهایی را انجام می‌دهند که در این بخش توصیف شدند اما محدود نمی‌باشند. هر کار جدید برای این سیستم می‌توان به طور ساده اضافه کرد و می‌توانید سیستم را گسترس و انعطاف پذیرتر کنید.7 – نتیجهسیستم پیشنهادی در نظارت و کنترل محیط خانه هوشمند خیلی کمک می‌کند. با استفاده از این سیستم، کیفیت هوا را می‌توان به طور مداوم در خانه یا اتاق نظارت کرد و هشدارهایی به کاربر درباره خطرات ارسال کرد و ایمنی را بالا برد. کاربر می‌تواند هر فعالیت موجود در خانه یا اتاق را نظارت کند و همچنین دارای بهره وری مطلوبی از انرژی و منابع از طریق روشنایی هوشمند و وسایل هوشمند و سیستم تهویه هوای هوشمند تضمین کند. شکل 8 اعلان ایمیل دریافت شده کاربر به عنوان اینکه شدت روشنایی بالاتر از حد معمول در اتاق تشخیص داده شده و در نتیجه به طور خودکار توسط سیستم‌ چراغ‌های منزل خاموش شدند.شکل8. اعلان ایمیل8 – طرح آیندهسیستم خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا را می‌توان در شهرهای هوشمند آینده در کشور هند اجرا کرد. در حال حاضر سیستم پیشنهادی عملکردهای گوناگونی که همانطور در بالا مطرح شد را انجام می‌دهند. در آینده سیستم پیشنهادی را می‌توان برای انجام عملکردهای دیگر مانند مدیریت آب و زباله‌ها و مواد زائد گسترش داد.9 – نتیجه گیریبا توسعه سریع اینترنت و فناوری‌های ارتباطی منازل امروزی دارای محاسبه قوی و توامندی‌های ارتباطی می‌باشند. یک خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا به عنوان بخش مهمی از شهرهای هوشمند در حال ظهور هستند که در سراسر جهان مطرح و توسعه یافته‌اند. هدف از خانه هوشمند بهبود استانداردهای زندگی، ایمنی و امنیت و همینطور صرفه جویی در انرژی و منابع می‌باشد. خانه هوشمند نقش مهمی در رشد و توسعه جامعه دارد. هدف از این مقاله ارائه و پیشنهاد چنین سیستمی مبتنی بر FLIP می‌باشد. سیستم مطرح شده در این مقاله دارای انعطاف پذیری بالا و قابلیت گسترش برای نیازهای کاربر می‌باشد. سیستم پیشنهادی را می‌توان به عنوان ابزار و تجهیزات هرکار اجرا کرد.نویسنده مقاله اصلیPriti Maheshwary AISECT University, Bhopal, MP, India pritimaheshwary@gmail.comTimothy Malche AISECT University, Bhopal, MP, India timothy.malche@gmail.comمنابع1.Jayavardhana Gubbi, Rajkumar Buyya, Slaven Marusic, Marimuthu Palaniswami, “Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions”, Future Generation Computer Systems (Elsevier), 2013, pp. 1645-1660.2.Boban Davidovic, Aleksandra Labus, “A SMART HOME SYSTEM BASED ON SENSOR TECHNOLOGY”, Electronics and Energetics Vol. 29, No 3, September 2016, pp. 451 – 4603.Jayashri Bangali, Arvind Shaligram, “Energy efficient Smart home based on Wireless Sensor Network using LabVIEW”, IJER, Vol. 2, Issue 12, 2013, pp. 409-413.4.David Bregman, “Smart Home Intelligence - The eHome that Learns”, International Journal of Smart Home, Vol. 4, No. 4, October, 2010, pp. 35-46.5.Frugal Labs Tech Solutions Pvt Ltd, www.frugallabs.com.6.Arduino Nano Board, http://www.arduino.cc.7.Raspberry Pi 3, http://www.raspberrypi.org.8.MQTT a machine-to-machine (M2M)/"Internet of Things" connectivity protocol, http://mqtt.org/.