مقاله راه حل برای اینترنت اشیاء

بخشی از مقاله

راه حل براي اینترنت اشیاء

کلید واژه: RFID، اینترنت اشیاء، حسگر، سیار، بیسیم

چکیده

فـناوري RFID با توجه به انعطاف پذیري و فواید فـراوان، جهت مقاصد خودکارسازي شناسایی اشیاء بسیار مناسب است. با استفاده از فناوري هاي جدیدي مانند RFID و یکپارچه کردن آن با فناوري هاي دیگر همچون حسگر می توان اینترنت کنونی را به سمت اینترنت اشیاء هدایت کرد و به ارتباطات مستمر اشیاء به شبکه جهانی اینترنت که از نتایج آن نظارت آنی، دقیق و آسان به آنها است دست یافت. به این منظور در این مقاله راه حل هاي یکپارچه کردن RFID با شبکه هاي حسگري بیسیم به همراه الگوریتمی نوآورانه و یکپارچه کردن Mobile RFID با فناوري حسگر ارایه شده است که می توانند کیفیت زندگی همه جا حاضر بودن را به کمک اینترنت بهبود بخشند. این راه حل ها در حالیکه مکمل یکدیگر هستند، کمک می کنند در هر زمان و در هر کجا با هر چیزي ارتباط برقرار کرد و به اطلاعات محیطی و وضعیت آن دست یافت. در نهایت نیز ترکیبی از این راه حل ها براي استفاده بهینه تر از امکانات موجود معرفی می شود. این فناوري ها به عنوان موضوعات مفید و لازم، فرصت هاي جدیدي را براي بشر فراهم می کنند و تأثیر مهمی در زندگی امروزي ما دارند و راه و روش مدیریت سیستم هاي ما را آسان و تغییر خواهند داد.

1 مقدمه

امروزه شاهد تلاش هاي بسیاري براي استفاده بهینه از فناوري 1RFID به همراه دیگر فناوري ها همانند فناوري حسگر2 هستیم. از اهداف مهم این تلاش ها، استفاده بهینه از امکانات فعلی و ایجاد راه حل هایی براي نظارت دقیق و آنی بر اشیاء از راه دور و بهبود بخشیدن به کیفیت زندگی همه جا حاضر بودن می باشد. در این مقاله ما به دنبال راه حل هایی هستیم تا بتوان به واسطه آنها از طریق اینترنت در هر زمان و در هر کجا با هر چیزي ارتباط برقرار کرد و علاوه بر معرفی و شناسایی آن در شبکه، به اطلاعات محیطی و وضعیت آن نیز آگاهی پیدا کنیم و شکلهاي جدیدي از ارتباط میان افراد و اشیاء و حتی بین خود اشیاء فراهم کنیم. در آن صورت به اینترنت اشیاء3 خواهیم رسید که علاوه بر افراد و اطلاعات، حاوي اشیاء نیز می باشد و به نوعی روش هاي مناسبی در جهت کم رنگ کردن نقش بشر براي نظارت، تشخیص و کنترل بر اشیاء در دنیاي اینترنت اشیاء ارایه می کنیم.

فـناوري RFID داراي برتریهایی است که سایر فـناوریهاي شناسایی موجود مانند بارکد4 فاقد آن هــستند. از RFID مـی تـوان بصـورت فـقـط خواندنی یا خواندنی/نوشتنی استفاده کرده و بدون نیاز به وجود اتصال فـیزیکی یا خط دید مستقـیم جهت برقـراري ارتبـاط و تحـت شرایط محیطی متنوع، اطلاعات را با دقـت بالایی جابجا نمود .(Srivastava, 2005) این فـناوري با توجه به انعطاف پـذیري فــراوان و استفاده آسان، براي مقاصد خودکار سازي5 یا اتوماسیون شناسایی اشیاء بسیار مناسب است.

2 معرفی RFID

RFID به مفهوم استفاده از سیگنالهاي رادیویی براي شناسایی خودکار یک شیء بر اساس ذخیره سازي و بازیابی داده از راه دور مـی باشـد

.(Lee et al ., 2006)
بطور کلی فناوريRFID از تجهیزات زیر جهت پیاده سازي کمک می گیرد:
1. برچسب6
2. برچسب خوان7

3. آنتن- تقویت کننده سیگنال
4. نرم افزار مدیریت اطلاعات
5. بانک اطلاعاتی
امواج رادیویی اطلاعات را بین ارسال کننده اطلاعات و دستگاه دریافـت اطلاعات جابجـا مـی کننـد. بـه قــطعه ارسـال کننـده اطلاعـات، برچسب و به قطعه دریافت کننده اطلاعات، خواننده یا برچسب خوان گفـته می شود. برچسب غالبا بر روي شیء قرار می گیرد. اگر بخواهیم برچسب ها را بر اساس منبع انرژي که استفاده می کنند تقسیم بندي کنیم سه نوع اصلی از آنها را خواهیم داشت. برچسب هاي فعال8 ، غیر فعال9 و نیمه غیر فعال.10 برچسب هاي فعال و غیر فعال تفاوت هاي بسیاري دارند اما می توان اشاره کرد که برچسبهاي فعال، انرژي مورد نیاز خود را از باتري هـمراهـشان دریافـت می کنند درحالیکه برچسبهاي غـیر فعال به خودي خود داراي منبع انـرژي نبـوده و بـراي بکـار افـتادن باید از انرژي امواج الکترومغناطیسی منتشر شده از برچسب خوان استفاده نمایند و البته محدوده و دامنه خواندن کمتـري نسـبت بـه برچسب هاي فعال دارند .(Fine et al., 2006) برچسبهاي غـیرفـعال قـیمت کم و طول عـمر زیادي دارند و ابعادشان نیز کوچک است.

نوع دیگري از برچسب نیز برچسب نیمه غیر فعال می باشد که علاوه بر استفاده از باطري داخلی اش، میتواند از انرژي امواج منتشر شـده از برچسب خوان نیز استفاده نماید. در این مقاله تمرکز بر روي برچسب هاي غیر فعال قرار داده شده است.

آنتن جهت انتقال سیگنالهاي رادیویی بین برچسب خوان و برچسب استفاده می شود که هم براي برچسب و هم براي برچسب خـوان بکـار می رود. نرم افزار مدیریت اطلاعات نیز به منظور پردازش داده هاي جمع آوري شده وجود دارد. این نرم افزار خاص که معمولا بر روي یک سرور محلی1 می باشد این امکان را می دهد تا داده هاي رد و بدل شده با برچسب خوان جمع آوري و مورد پردازش قرار گیرند و در صورت صورت نیاز در بانک اطلاعاتی ذخیره و بازیابی شوند.

فناوري RFID می تواند یک جانشین براي بارکدها باشد. در حقـیقـت RFID چیزي فراتر از بارکـد مـی باشـد زیـرا داراي یـک سیسـتم اتوماتیک پویشگر است. این دو فناوري تفاوت هاي عمده اي دارند. دو تفاوت اصلی آنها این اسـت کـه تکنولـوژي RFID داراي قــابلیت حمل حجم زیادي از اطلاعات می باشـد و نیـز نیـازي بـه وجـود خـط دیـد بـراي جمـع آوري داده و ارتبـاط نـدارد (Holmqvist and Stefansson, 2006)

3 معرفی اینترنت اشیاء

گزارش تهیه شده تیم تحلیلگران واحد اسـتراتژي و سیاسـت2ITU ، نگـاهی بـه گـام بعـدي در ارتباطـات مسـتمر و همیشـه برقـرار3 دارد .(ITU, 2005) بر این اساس فناوري هاي جدیدي مانند RFID و محاسبه هوشمند4 نوید دهنده دنیایی از تجهیزات شبکه شده و به هـم پیوسته است. در آن هنگام هر چیزي از چرخهاي اتومبیل گرفته تا مسواك وارد حوزه ارتباطات می شوند که خبر دهنده طلوع عصر جدیـدي است و اینترنت کنونی (که حاوي داده و مردم است) را به سمت اینترنت اشیاء هدایت می کند. همانطور که در شکل 1-3 مشاهده می شـود به نوعی می توان بحث اینترنت دو بعدي و سه بعدي را به میان آورد.

شکل 1-3

طبق انقلاب اینترنتی که در گذشته انجام شده، امکان ارتباط افراد و اطلاعات در هر کجا و در هر زمان فراهم شده است. افراد براي اتصـال به شبکه جهانی علاوه بر نشستن جلوي رایانه شخصی خود، می توانند از تلفن هاي همراه و رایانه هاي همـراه نیـز اسـتفاده کننـد. مرحلـه بعدي این انقلاب تکنولوژیکی به طور منطقی، اتصال اشیاء به شبکه ارتباطات است و همچنین با تعبیه کردن فرستنده/گیرنده هاي سـیار در اقلام و اشیاء معمولی، شکلهاي جدیدي از ارتباط میان افراد و اشیاء و حتی بین خود اشیاء فراهم می شود. بنابراین در دنیـاي فنـاوري هـاي ارتباطات و اطلاعات، از برقراري ارتباط در هر زمان و هر مکان براي هر کس به سمت برقراري ارتباط در هر زمان و هـر مکـان بـراي هـر کس و هر چیز پیش می رویم (شکل .(2-3

شکل 2-3

استفاده از برچسبهاي الکترونیکی RFID و حسگرها گسترش ارتباطات و پتانسـیل کنتـرل شـبکهء شـبکه هـا را بـرآورده خواهـد سـاخت (ITU, 2005) که این موضوع به اهمیت استفاده از فناوري حسگر در کنار فناوري هاي جدیدي همانند RFID بـه منظـور دسـتیابی بـه اینترنت اشیاء تأکید دارد. Kevin Ashton، یکی از مدیران شرکت Procter & Gamble، در این رابطه می گوید "اینترنت اشیاء خلـق روشی براي شرکت ها می باشد تا با استفاده از حسگرها به شناسایی اشیاء در هر کجا از این دنیاي بسیار بـزرگ بپردازنـد. ایـن فنـاوري در حال تغییر دادن اساسی به روش پیگیري اشیاء از تولید تا مصرف و حتی بالعکس می باشد. به همین خاطر است که ما اینترنت اشیاء را خلق می کنیم" .(Digital ID World, 2003)

به منظور دستیابی و متصل شدن به اشیاء، تشخیص آنها بر روي شبکه از طریق فناوري مانند RFID یک امـر ضـروري اسـت. سـپس بـه کمک فناوري حسگر به آگاهی از تغییرات در حالات فیزیکی آنها مانند تغییر دما می پردازیم. هم اکنون به کمک ترکیب این دو تکنولـوژي و اینکه چگونه بشر می تواند اشیاء را به واسطه اینترنت اداره کند، به آنها هوش1 می دهیم. بنابراین بحث هوشمند کردن اشـیاء در اینترنـت اشیاء از اهمیت خاصی برخوردار است. در این رابطه نیز Negroponte، رئیس Media Lab در 2MIT، مـی گویـد "وقتـی مـا در مـورد اینترنت اشیاء صحبت می کنیم فقط قرار دادن برچسب هاي RFID بر روي تعدادي اشیاء گنگ به منظـور اینکـه مـا کـه افـراد باهوشـی هستیم بدانیم مکان آنها کجاست نیست. بلکه در مورد تعبیه کردن و جا دادن هوش در آنها اسـت چراکـه در آنصـورت اشـیاء هوشـمندتر و چیزي بیشتر از انچه که انتظار می رود، انجام می دهند" .(Shannon, 2005)

4 راه حل یکپارچه کردن فناوري RFID با شبکه هاي حسگري بیسیم

شبکه هاي حسگري بیسیم تعداد زیادي از حسگرهاي ریز را استفاده می کنند که امروزه براي نظارت بر کشاورزي و باغ هاي انگور، کاربرد تجاري دارند RFID .(Clauberg, 2004) و شبکه هاي حسگري هر دو از فناوري هاي بیسیم هستند که پتانسیل هاي بی حد و حصر آینده را تأمین می کنند. از آنجا که صنعت گواه بر رشد سریع توسعه و کاربرد فناوري RFID بوده است و اجتماع محققین در زمینه شبکه تلاش هاي شگرفی را به شبکه هاي حسگري اختصاص داده اند، این دو عوام با یادگیري از یکدیگر بسیار مفید خواهند بود .(Ho et al., 2005) البته یکپارچه کردن RFID با شبکه هاي حسگري هنگامی با ارزش خواهد بود که داده ها دقیق، به موقع، بامفهوم و به آسانی قابل دسترس باشند. این تصور تأثیر مهمی در زندگی امروزي ما دارد و راه و روش مدیریت سیستم هاي ما را تغییر خواهد داد. در این شبکه که حاوي گره3 هایی است که از هر دو فناوري RFID و فناوري حسگر استفاده کرده، هر گره می تواند داده و اطلاعات را جمع آوري و به گره هاي دیگر در شبکه به صورت بیسیم ارسال کند. این داده و اطلاعات می تواند شماره شناسایی یکتا، نوع، زمان و مکان ساخت و حتی حالت و نوع وضعیت شیء همچون دما، فشار، وزن، بو و غیره باشد. در سیستم RFID که در این مقاله استفاده شده، فاصله برچسب و برچسب خوان نمی تواند دورتر از چند سانتی متر (به طور مثال 10 سانتی متر) باشد. بنابراین سیستمی را ارایه خواهیم کرد

تا به واسطه آن بتوانیم اطلاعات در مورد یک شیء را از فاصله اي بیشتر از حد معمول بخوانیم و منطقه وسیعی که برچسب ها در آن گسترده شده اند را پوشش دهیم و قادر خواهیم بود اطلاعات اشیاء مختلف که در موقعیت هاي متفاوت قرار دارند را در یک مکان بخوانیم و به آنها نظارت داشته باشیم. ایده اصلی استفاده از یک فرستنده/گیرنده فرکانس رادیویی1 در هر گره از شبکه می باشد. در این شبکه یک گره به نام گره سرور2 وجود دارد که به یک سرور محلی متصل است. اتصال گره سرور به سرور محلی کار پیچیده اي نیست. می توان با پیاده سازي پروتکلی، تبادل داده میان میکروکنترلر گره سرور و سرور محلی را برقرار کرد. کاربر محلی نیز می تواند از طریق این سرور محلی اطلاعات را دریافت و اعمال لازم را انجام دهد. سرور محلی نیز در جهت پیاده سازي اینترنت اشیاء می تواند از طریق شبکه جهانی اینترنت قابل دستیابی باشد. گره ها در یک مسیر با استفاده از فرستنده/گیرنده فرکانس رادیویی خود آنقدر اطلاعات را بین خود جا به جا و انتقال می دهند تا به گره سرور برسد. هر یک از گره ها توانایی ارسال اطلاعات به یک گره خاص در شبکه را ندارند زیرا هر یک از آنها داراي آدرس خاصی نیستند. اما با الگوریتم و پروتکلی که ارایه خواهیم کرد قادر خواهند بود تا اطلاعاتشان را به گره سرور ارسال کنند. در اصل ساز و کاري براي مسیریابی ارایه خواهیم کرد.
کل سیستم به صورت شبکه اي از سه نوع مختلف گره می باشد. -1 گره معمولی -2 گره خوشه- 3 3 گره مسیریاب.4
برچسب ها بر روي اشیاء نصب شده اند و متناظر با هر برچسب یک برچسب خوان وجود دارد تا اطلاعات آن (به طور مثال شماره شناسایی منحصر به فرد آن) را بخواند. گره هاي معمولی قادر خواهند بود تا اطلاعات برچسب RFID مربوط به خود و اطلاعات دریافتی از حسگر متناظرشان را بخوانند و این اطلاعات را به گره دیگر ارسال کنند. این اطلاعات آنقدر جابه جا خواهد شد تا به گره سرور برسد.

در این مقاله ما فناوري RFID را با شبکه اي از نوع فاقد عمومیت5 بیسیم یکپارچه کرده ایم. شبکه فاقد عمومیت بیسیم، اجتماعی از گره هایی است که این گره ها از طریق ارتباط هاي بیسیم با یکدیگر بدون استفاده از مدیریت مرکزي به تبادل اطلاعات می پردازند .(NIST, 2006) در این نوع شبکه، هر یک از گره ها فقط می توانند با گره هاي درون محدوده انتقال بیسیم خود به طور مستقیم ارتباط برقرار کنند و در صورت نیاز به ارتباط برقرار کردن با گره اي خارج از محدوده انتقال خود، احتیاج به گره هاي واسط دارند. در شکل 1-4

صورت کلی از شبکه فاقد عمومیت نشان داده شده است.

شکل :1-4 صورت کلی از شبکه فاقد عمومیت

ترکیب و ساختار یک گره معمولی در شکل 2-4 و یک گره مسیریاب در شکل 3-4 ارایه شده است.