شهر هوشمند و IOT

مقدمه :شهرهای هوشمند حوزه مهمی هستند که امروزه در اوج خود به سر می برند. اینترنت اشیاء نقش بسیار مهمی در به وجود آمدن شهرهای هوشمند دارد. مردمی که در شهرهای هوشمند زندگی می کنند، زندگی اجتماعی توسعه یافته تر و شرایط اقتصادی بهتری دارند. همچنین این مردم سطح دانش بالاتری نسبت به بقیه دارند و بطور کلی شرایط زندگی ساکنین شهرهای هوشمند از کیفیت بالاتری برخوردار است. در شهرهای هوشمند مردم در زمان و هزینه های خود برای انجام دادن کارهای روزمره خود براحتی صرفه جویی می کنند. اکوسیستم شهرهای هوشمند می تواند از مردم در برابر اتفاقات و بلایای طبیعی محافظت کند. شهرهای هوشمند به هر طریقی از اتلاف وقت در زندگی روزمره جلوگیری میکنند. در این مقاله توضیح میدهیم که شهر هوشمند چیست ، چگونه ایجاد میشود، چه کاربردها و چالشهایی دارد، و همچنین در خصوص تکنولوژی این شهرها بویژه IOT صحبت خواهیم کرد.به چه شهری هوشمند می گوییم ؟ شهر هوشمند به شهری گفته می شود که در آن مردم از تکنولوژی و روش های الکترونیکی مختلف موجود، به وفور برای انجام کارهای روزمره خود استفاده می کنند. به همین دلیل است که بحث اینترنت اشیاء در شهرهای هوشمند بسیار داغ و کاربردی است. هوشمندی یک شهر ، یک صفت مفهومی نسبی است. یعنی اگر مردم شهر A نسبت به مردم شهر B از تکنولوژی استفاده بیشتری کنند، می توانیم بگوییم که شهر A نسبت به شهر B هوشمندتر است. در شهرهای هوشمند مردم هر روزه با سنسورها و دستگاه های مختلفی سر و کار دارند.استفاده از تکنولوژی های مختلف ، بویژه اینترنت اشیاء در شهرهای هوشمند علاوه بر راحت کردن زندگی مردم آن شهر ، باعث بوجود آمدن حجم زیادی از داده ها و اطلاعات مختلف می شود. این داده ها خود می توانند به ما در کشف الگوهای موجود در سبک زندگی مردم کمک کنند. با استفاده از اینترنت اشیاء در شهرهای هوشمند، نیاز به کنترل و نظارت بر سیستم های مختلف به وسیله خود انسانها بسیار کاهش می یابد و در عوض تکنولوژی این کار را برای ما انجام می دهد. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بر روی توسعه شهرهای هوشمند انجام شده است. اینترنت اشیاء به بشر برای ساختن جوامع مدرن تر کمک زیادی کرده است و در آینده نزدیک، دیگر نیازی به تعامل انسان با انسان، یا انسان با رایانه برای نظارت و کنترل سیستم ها وجود نخواهد داشت. شهرهای هوشمند ، بستری هستند که با استفاده از فناوری اطلاعات و ارتباطات بوجود می آیند و هدف اصلی از توسعه این شهرها، افزایش کیفیت زندگی مردم و کاهش هزینه ها چه از نظر مالی و چه از نظر زمانی می باشد.تکنولوژی می تواند بر نقاط و جنبه های مختلف یک شهر تاثیرگذار باشد، مانند: شبکه خرید و فروش هوشمند، خیابان ها و جاده های هوشمند، سیستم کنترل ترافیک هوشمند، سامانه حمل و نقل هوشمند، امنیت شهری هوشمند، پارک های هوشمند و یا سامانه های بازیافت زباله هوشمند.هوشمندی در هر یک از این موارد، اشاره به استفاده از تکنولوژی در آن بخش دارد. به عنوان مثال وقتی می گوییم کشاورزی هوشمند، منظورمان استفاده از فناوری و تکنولوژی در بخش کشاورزی است، به طوری که سبب افزایش کیفیت محصولات (افزایش بهر وری) و کاهش هزینه شود. هوشمندی در بخش ها و جنبه های مختلف یک شهر، در نهایت سبب بوجود آمدن شهر هوشمند می شود.رشد سریع جمعیت شهری، سبب بوجود آمدن مشکلات و دغدغه های متعددی در زندگی ساکنین آن شهر می شود، که هوشمند شدن شهرها می تواند این مشکلات را تا حدودی کاهش دهد. در مفهوم شهر هوشمند جنبه های مختلف زندگی شهروندان با استفاده از فناوری تسهیل میابد. طراحی و توسعه شهرهای هوشمند با استفاده از معماری های گوناگون انجام می شود و معمولا چشم انداز هوشمند سازی یک شهر توسط عوامل آن در اختیار مردم شهر قرار داده می شودتا مردم نیز نسبت به این موضوع آگاهی پیدا کنند.شهرهای هوشند مکان های مناسبی برای سرمایه گذاری شرکت های اقتصادی بزرگ می باشند. همچنین این شرکت ها خود نیز دلیلی برای هوشمندتر بودن شهر ها می باشند:" شهر هوشمند از تکنولوژی های اینترنت اشیاء برای جمع آوری اطلاعات از منابع مختلف استفاده می کند و با تحلیل و پردازش این اطلاعات با مردم تعامل می کند و سبب افزایش کیفیت زندگی مردم و خدمات دولتی می شود "شهر هوشند نمایانگر یک سبک زندگی توسعه یافته است. تکنولوژی در شهرهای هوشمند ، برای مردم آن شهر نیازی همانند آب و غذا است. شهر هوشمند به مردم کمک می کند تا بهترین را حل های ممکن را برای مسائل خود بیابند. تکنولوژی های شبکه سازی در شهرهای هوشمند نقش بسیار مهمی دارند.در این بخش به بررسی برخی از تکنولوژی های اینترنت اشیاء در شهرهای هوشمند میپردازیم: LPWANS: از این تکنولوژی برای اتصال سنسورهای مختلف به یکدیگر در یک شبکه واحد استفاده می شود. این شبکه ها با وجود هزینه های کمی که دارند، بسیار می توانند کارآمد و مفید باشند و از بسیاری از دستگاه های گوناگون که در فاصله زیادی از هم واقع شده اند، پشتیبانی مناسبی را به عمل آورند.2. RFID:فناوری شناسه رادیویی، سامانه شناسایی بی سیمی است که قادر به تبادل داده ها بوسیله برقراری ارتباط بین یک tag ، که به یک کالا، کارت و ... متصل شده است و یک بازخوان( Reader) است . سامانه RFID از سیگنالهای الکترونیکی و الکترومغناطیسی برای خواندن و نوشتن داده ها بدون تماس بهره می برد.3. WSNS:شبکه های بی سیمی هستند که از سنسورهای مختلف برای تشخیص عوامل محیطی مانند شرایط جوی، صدا، دما، شرایط روشنایی محیط، تشخصی حرکت و خواندن اعداد استفاده می کنند. این سنسورها اطلاعات جمع اوری شده را به شبکه WSN متصل به آن ارسال میکنند.4. LI-FI:این تکنولوژی می تواند اینترنت پر سرعت را با استفاده از چراغ های LED (نور) به جای امواج رادیویی بصورت بی سیم در اختیار اجزای شبکه متصل قرار دهند. پرتوهای نور حامل داده در این تکنولوژی را نمی توان با چشم مشاهده نمود.5. MQTT:یک پروتکل سبک و سریع می باشد که می تواند امکان برقراری ارتباط بین دستگاه ها( شامل سنسورها و برنامه های کاربردی مختلف) را فراهم کند.سیستم ها و برنامه های موجود فعلی:زیرساخت هوشمند:در شهرهای هوشمند توسعه زیرساخت ها با استفاده از فناوری انجام می شود که منجر به کار آمدی و پایداری بیشتر می شود. در این شهرها میتوان ساخت و سازها و نقشه ها را بصورت بهینه تر طراحی کرد. توسعه زیرساخت های هوشمند باید با هدف صرفه جویی در انرژی و سازگار با محیط زیست اجرا شود. در توسعه زیر ساخت های هوشمند بسیاری از فناوری های حوزه اینترنت اشیاء نقشی کلیدی دارند.پارکینگ هوشمند:در دنیای فوق سریع امروزی، پارکینگ های هوشمند یک نیاز اجتناب ناپذیر می باشند. پارکینگ های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء می توانند دغدغه بسیاری از مردم را حل نمایند. فناوری های پارک خودرو به صورت هوشمند به کمک اینترنت اشیاء می تواند مشکلات مردم در پارک خودرو در شهرهای شلوغ را کاهش دهد. سنسورهای IOT متصل به خودرو یا تابلوهای راهنمایی و رانندگی می تواند فضای خالی برای پارک کردن خودرو را تشخیص دهد و به رانندگان خودروها نمایش دهد. همچنین میتوان اطلاعات را از سنسورهای مختلف ترافیکی جمع آوری و یکپارچه کرد و با پردازش آنها بر روی یک فضای ابری ، به تحلیل سامانه ها های ترافیکی پرداخت. نتایج حاصل از این پردازش ها را می توان برای تصمیم گیری های مختلف به کار برد و یا در اختیار رانندگان قرار داد. سیستم های پارک هوشمند بطور گسترده از سنسور تشخیص فاصله، التراسونیک و سنسورهای مجاورت استفاده می کنند. این سیستم ها با تشخصی ورود و خروج خودروها و تحلیل زمانی میتوانند، به هر راننده یک مکان برای پارک خودرو خود پیشنهاد دهند، به طوری که مشکلات ناشی از تعداد زیاد خودروها، به حداقل برسد. . این سیستم ها می توانند از طریق تلفن های همراه و برنامه های کاربردی با رانندگان تعامل برقرار کنند. در نهاین همه این فرآیند ها و پردازه ها منجر به سهولت پارک خودرو و نظم عمومی خیابان ها می شود. از پروتکل MQTT در این سیستم ها استفاده زیادی می شود. این پروتکل ، امکان برقراری ارتباط بین انواع سنسورهای ترافیکی در خودروها و خیابان ها را فراهم می کند.مدیریت هوشمند زباله:مدیریت زباله یک پروسه بسیار مهم در هر شهر می باشد،که خود نیز شامل زیز بخش های مختلفی از قبیل جمع آوری، انتقال، تفکیک، بازیافت و دفن می باشد. یک سیستم هوشمند مدیریت زباله می تواند بسیاری از مشکلات موجود در این زمینه را مرتفع نماید. مشکلاتی همانند آلودگی هوا، انباشت زباله ها در خیابان ها ، گسترش بیماری های واگیردار به دلیل نگهداری نادرست زباله، بوی نامطبوع زباله ها و...در سطح ابتدایی مدیریت هوشمند زباله، سنسورهای مختلفی برای تشخیص نوع زباله و در نهایت تفکیک مناسب آنها استفاده می شوند. در همین حال سنسورهایی برای تشخیص حجم زباله انباشته شده وجود دارد، که به محض عبور حجم زباله از یک آستانه مشخص، به راننده کامیون زباله هشدار پر شدن سطل زباله را میدهد. این ایده گرچه ساده ، اما بسیار مفید است و سبب می شود که زباله در مراحل بعدی براحتی حمل ، بازیافت و دفن شود. همچنین می توان با یکپارچه سازی داده های سنسورهای موجود در سیستم مدیریت زباله، به اطلاعات با ارزشی رسید. به عنوان مثال در هر نقطه ی شهر چه زباله ای بیشتر تولید می شود؟ یا مردم آن منطقه بیشتر کدام مواد غذایی را اسراف می کنند؟ در نهایت با پیشرفت هایی که در حوزه انرژی بوجود آمده است، می توان از برخی از این زباله هایی که بدرستی تفکیک شده اند، تولید انرژی کرد و محیط زیست را پاکیزه نگه داشت.روشنایی هوشمند:سنسورهای روشنایی محیطی، سنسورهای مجاورت و فوتودیودها، سنسورهایی هستند که از آنها در راه اندازی سیستم های هوشمند روشنایی محیط بسیار زیاد استفاده می شود. سنسورهایی که در گره های لامپ های نور مجتمع می شوند، با تشخیص حرکت و شدت نور، روشن و خاموش شدن این لامپ به صورت خودکار در می آورند. گرچه شاید این کار و ایده بسیار ساده ای باشد، اما تصور کنید که وقتی در مقیاس بالا از این لامپ ها استفاده شود، می توان تا چه حدی در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. سیستم های روشنایی هوشمند، یک محیط را به بخش های مختلف تقسیم بندی می کنند و بر اساس معیارهایی مانند جمعیت یا میزان رفت و آمد در هر یک از این بخش ها، انرژی مورد نیاز برای تامین روشنایی آن بخش را مدیریت می کنند. سیستم، میزان نیاز هر بخش به نور را محاسبه می کند و به همان میزان، نور را برای آن بخش فراهم می کند. که این کار باعث جلوگیری از مصرف بیش از حد انرژی در ان بخش می شود.نظارت هوشمند بر محیط:در حال حاظر مخاطرات زیست محیطی که با آن مواجه هستیم ،مایه نگرانی می باشد. انواع مختلف سیستم های نظارت و کنترل بر محیط را میتوان با استفاده از اینترنت اشیاء برای نظارت بر عوامل مهم مانند آلودگی هوا، آلودگی آب و ... راه اندازی کرد. سنسورهای رطوبت، سنسورهای دما، سنسورهای آب و بعضی سنسورهای دیگر از جمله سنسورهایی هستند که می توان برای نظارت بر محیط طبیعی، از آنها استفاده کرد. اگر بخواهیم این نظارت را بصورت دستی و با روش های کلاسیک انجام دهیم ، بسیار هزینه بر و زمان بر خواهد بود. پس از جمع آوری اطلاعات از سنسورهای مختلف و یکپارچه سازی این اطلاعات، می توان از ابزارها و نرم افزارهای مختلفی برای تحلیل و پردازش آنها استفاده کرد. و در نهایت از نتایج این پردازش ها برای تصمیم گیری استفاده نمود.دقت داده های جمع آوری شده و نتایج حاصل در زمانی که از سنسورها برای نظارت بر محیط استفاده می کنیم، بسیار بالاتر از دقت داده هایی است که بدون سنسور جمع آوری می شوند. نظارت بر محیط طبیعی با استفاده از اینترنت اشیاء به ما کمک می کند تا بطور قابل توجهی از آلودگی منابع طبیعی مانند منابع آبی و بلایای مرتبط جلوگیری کنیم. بعنوان مثال سیستم نظارت بر آب نه تنها میزان خلوص و میزان در دسترس بودن آب را به ما می گوید، بلکه می تواند به ما در تشخیص منبع آب های آلوده و شناسایی محل ترکیب آن با آب پاکیزه کمک کند. آلودگی می تواند بر بهره وری از خاک نیز تاثیر گذارد. استفاده زیاد از آفت کش ها، یکی از دلایل عمده آلودگی خاک است. تقریبا سالانه هزاران نفر تنها به طور مستقیم به دلیل مواد شیمیایی همانند آلودگی آب و خاک جان خود را از دست می دهند. می توان با استفاده از تکنولوژی و اینترنت اشیاء بسیار بهینه تر و مفیدتر بر منابع طبیعی نظارت کرد و از بروز حوادثی از این قبیل جلوگیری کرد.یکی دیگر از کاربردهای اینترنت اشیاء ، محافظت از گونه های متفاوت زیستی است. ما تنوع زیستی عظیمی داریم و گونه های مختلفی وجود دارند که در خطر انقراض هستند. با کمک اینترنت اشیاء می توان الگوهای مختلفی را در زندگی این گونه ها مانند عادات تغذیه ، مهاجرت و جفت گیری را بررسی و مطالعه نمود، بدون ان که اختلالی در زندگی طبیعی این گونه ها ایجاد شود.سیستم های کاربردی بالقوه:شبکه هوشمند:شبکه هوشمند به معنی ترکیب یک شبکه الکتریکی و یک شبکه ارتباطی است. شبکه های هوشمند ،ب خشی از شهر های هوشمند هستند بطوری که در آن تمامی سیستم های نظارتی اعم از سیستم هوشمند روشنایی، سیستم هوشمند مدیریت ترافیک، پارکینگ هوشمند، جاده های هوشمند، سیستم هوشمند نظارت بر محیط زیست و ... را میتوان در یک شبکه منفرد و متمرکز کنترل کرد. به این شبکه Smart Grid گفته می شود. این شبکه را میتوان با استفاده از شبکه های انتقال، نرم افزارها، سنسورها، ترنسفورماتورها و حسگرها و سیستم های تعبیه شده پیاده سازی کرد. در شبکه های هوشمند ارتباط دو طرفه بین کاربر و سخت افزار برقرار می شود، استفاده از شبکه های هوشمند در بلند مدت، سبب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.جاده های هوشمند:با استفاده از تکنولوژی جاده های هوشمند، می توان حرکت خودروها با استفاده از سنسورهای حرکتی و سیگنال های ترافیکی رصد کرد.جاده هوشمند ساخته شده با استفاده از حسگرها و فناوری اینترنت اشیاء، باعث رانندگی امن و روان می شود. اطلاعاتی از قبیل امنیت جاده، شیب جاده، حداکثر سرعت مجاز در آن جاده، وضعیت ترافیکی، پارکینگ ها، شرایط آب و هوایی مقصد، انتخاب کوتاه ترین مسیر و ... را میتوان در اختیار راننده قرار داد.با استفاده از سنسورهای حرکت، سنسور اولتراسونیک و دیگر سنسورها در جاده های هوشمند می توان خطر رانندگی در مناطق پر خطر مانند کوهستان ها و مناطق پر تردد را کاهش داد و جان هزاران نفر را که هر ساله به دلیل تصادفات جاده ای از دست می رود، نجات بخشید. جاده های هوشمند میتوانند امنیت عابرین پیاده را بالا ببرند، به صورت کلی، هدف از توسعه جاده های هوشمند،کاهش تصادفات در این جاده هاست.ایمنی عمومی هوشمند:تامین ایمنی عمومی یکی ازمهمترین وظایف است که دولت های سراسر دنیا با آن روبرو هستند. در بسیاری از کشورهای توسعه نیافته، جنایاتی که رخ می دهد، توسعه کلی کشورها را متوقف می کند. بخشی از ایمنی عمومی را می توان با ترکیب داده های سنسورهای صوتی و دوربین های مدار بسته تضمین کرد. هنگامی که از اینترنت اشیاء برای تامین امنیت عمومی استفاده شود، افراد می توانند راحت تر از موقعیت های اضطراری نجات یابند. هرگونه حادثه در مکان های عمومی را می توان به سرعت و به راحتی شناسایی کرد و کمک هایی برای آنها ارسال کرد و کار مراکز اضطراری را ساده تر کرد. این سیستم می تواند از ساکنین شهرها در برابر هرگونه خطر و جنایت محافظت نماید. فناوری های هوشمند عمومی، سرعت و کیفیت ارتباطات را تقویت می کند، این فناوری می تواند به هر طریقی به جامعه در زمان بروز بحران کمک کند.حمل و نقل عمومی هوشمند:در دنیای پر شتاب امروزی نمی توان قیمتی برای زمان تعیین کرد. و با استفاده از سیستم حمل و نقل هوشمند در سطح شهر میتوان از اتلاف مدت زمانی که در انتظار اتوبوس یا مترو هستیم ، جلوگیری کرد. با استفاده از سنسورها میتوان الگوهایی که مسافرین برای استفاده از سامانه های حمل و نقل عمومی دارند را شناسایی کرد و حرکت اتوبوس ها و متروها را بر اساس نتایج کسب شده از این الگوها، موقعیت بندی و زمان بندی کرد تا در هیچ جای شهر، مسافری به دلیل کمبود سامانه حمل و نقل وقت خود را از دست ندهد. همچنین می توان با استفاده از سنسورهای مختلف شرایط مسافران در طول مدت زمانی که در حال استفاده از سامانه حمل و نقل عمومی هستند را بهبود داد. مثلا می توان دمای محیط درون را بصورت خودکار تنظیم کرد تا مسافران از شرایط عمومی رضایت کامل داشته باشند. علاوه بر این می توان تمام جنبه های سفر مانند بلیط فروشی،تخصیص صندلی، تمهیدات ویژه برای معلولان جسمی و ... را با استفاده از سیستم های هوشمند کنترل و نظارت کرد. می توان نقشه ها و مسیریاب های هوشمندی را در مکان های مناسبی نصب کرد تا مسافرین بتوانند براحتی مسیر خود را تشخیص دهند. با اجرای حمل و نقل هوشمند عمومی می توان از ازدحام بیش از حد ، تاخیرها، اشکالات فنی و ... را کاهش داد.سیستم های بالقوه شهرهای هوشمند، سیستم های کاربردی هستند که با فناوری و تکنولوژی حال حاضرنیز می توان آنها را پیاده سازی کرد. هر روزه ایده های جدیدتری در زمینه شهرهای هوشمند ارائه می شوند. که پتانسیل افزایش کیفیت زندگی را دارا می باشد.چالش های موجود برای هوشمندسازی شهرها:مانند هر فناوری دیگری شهرهای هوشمند نیز چالش های خاص خود را دارند. بسیاری از این تکنولوژی ها مانند RFID در برابر نفوذ آسیب پذیرند. باید امنیت دستگاه ها در شهر های هوشمند تقویت شوند. تمام دستگاه های شخصی در یک شبکه مشترک متصل خواهتد شد، بنابراین حفظ امنیت الکترونیکی در شبکه ها و شهرهای هوشمند یک چالش بزرگ است. علاوه بر آن هزینه هوشمند سازی بخش های مختلف شهری بسیار بالا است. فقط با برنامه ریزی درست و استفاده کارآمد از تجهیزات است که می توان از مزایای شهرهای هوشمند بهره برد. با افزایش پتانسیل استفاده از ماشین آلات ، مشاغل قدیمی یا کارهای ساده در خطر هستند و شهرهای هوشمند می توانند نرخ بیکاری را افزایش دهند.نتیجه گیری:در این مقاله ابتدا به بررسی مفهوم هوشمند بودن و شهر هوشمند پرداختیم و سپس به طور خلاصه در مورد فناوری های مختلف در توسعه شهر های هوشمند صحبت کردیم. کاربردهای فعلی شهرهای هوشمند با استفاده از فناوری های اینترنت اشیاء و منافع عمومی حاصل از آن را با جزئیات مورد بحث قرار دادیم. اینترنت اشیاء در شهر هوشمند در این دنیای شلوغ امروزی به واقعیت تبدیل شده است. در حال حاضر اختلاف بین واقعیت و فیلم های علمی و تخلیلی به حداقل رسیده است. درباره آینده شهرهای هوشمند و تاثیر آن بر زندگی روزمره نیز صحبت کردیم. همچنین چالش هایی که به واسطه شهر های هوشمند بوجود می آیند را مطرح کردیم. اگر بتوان این چالش ها را در آینده بر طرف نمود، رویای شهرهای کاملا هوشمند به زودی به تحقق خواهد پیوست. بطور کلی زندگی در شهرهای هوشمند کیفیت بالایی دارد و بسیاری از کارهای روزمره را میتوان به راحت ترین شکل ممکن انجام داد. اگر بتوان از تکنولوژی های اینترنت اشیاء در ساخت شهرهای هوشمند بهره برد، می توان بالاترین سطح زندگی روزمره را برای ساکنین شهرها به ارمغان آورد.