بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی حسگرهای مورد استفاده و عوامل مهم در انتخاب آنها در شهر هوشمند پرداخته شده است. به منظور کاهش و کنترل چالشهای شهری همچون آلودگی هوا، کنترل ترافیک، کنترل کیفیت آب آشامیدنی و ..، هوشمندسازی شهرها در بستر فناوری اینترنت اشیاء، امری ضروری است. یکی از مولفههای اصلی در فناوری اینترنت اشیاء حسگرها میباشند که وظیفه جمعآوری داده را دارند. با استفاده از فاکتورهای ارائه شده در این مقاله برای ارزیابی انتخاب حسگر مناسب در شهر هوشمند و سپس با بکارگیری روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی، میتوان مشخصات فنی حسگر مورد نیاز در حوزههای مختلف شهر هوشمند را استخراج نمود.
-1 مقدمه
شهر هوشمند شهری است که دارای معیار اصلی زندگی هوشمند جدید از جمله اقتصاد هوشمند، حمل نقل هوشمند، محیط هوشمند، شهروندان هوشمند، روش زندگی هوشمند و در آخر یک مدیریت اداری هوشمند باشد. هوشمندسازی شهرها را میتوان به عنوان یک راه کار موثر برای مقابله با چالشهای شهری همچون آلودگی هوا، پارکینگ، ترافیک، حمل و نقل، نور خیابانها، منابع آبی، سیستم تهویه، امنیت و ایمنی، مدیریت آموزش و پرورش و حتی بهداشت و درمان مورد توجه قرار داد.[1]
مشکل آلودگی هوا تنها یکی از چالشهای شهرهای بزرگ به شمار میرود. در اروپا مقدار دی اکسید کربن آزاد شده از ماشینها به میزان 33 درصد از سال 1990 تا کنون افزایش داشته است و مطالعات نشان میدهند که سالانه بیش از 16000 نفر در اثر تنفس هوای آلوده که بیش از 80 درصد از این آلودگی به دلیل ترافیک در خیابانها است، جان خود را از دست داده-اند.[2]
هوشمندسازی شهرها با استفاده از تجهیزات دیجیتال در قالب فناوری اینترنت اشیاء تحقق پذیر خواهد بود. اصطلاح اینترنت اشیاء از دو واژه اینترنت و اشیاء تشکیل شده است. واژه اینترنت به معنای یک سیستم جهانی از شبکههای کامپیوتری است که به میلیاردها کاربر در سراسر جهان خدمات ارائه میدهد و اصطلاح اشیاء نیز اشاره به هر شیء فیزیکی که بتواند از طریق یک شناسه منحصر به فرد به شبکه اینترنت متصل شود و داده ارسال و دریافت کند، دارد.[3]
فناوری اینترنت اشیاء جدیدترین فناوری جهت پایش و کنترل هوشمند در کاربردهایی همچون شهر هوشمند به حساب میآید.[4] این فناوری از 6 مولفه اصلی حسگرها، ارتباطات، شناسایی، ردیابی، امنیت و تجهیزات تشکیل شده است که از میان این 6 مولفه، حسگرها به دلیل داشتن نقش جمع کننده داده در حوزههای مختلفی همچون سلامت، محیط زیست و ..، از جایگاه مهمی برخوردارند.
هر یک از حوزههای مختلف موجود در شهر هوشمند نیازمند حسگرهای مناسب و متناسب است. به عنوان مثال در حوزه پایش آلودگی هوا نیاز به استفاده از حسگر تشخیص دهنده گاز منوکسید کربن است. بیش از دهها مدل از این حسگر موجود میباشد، حال نکتهای که بایستی به آن توجه نمود این است که از میان این حسگرها کدام یک برای استفاده در حوزه پایش آلودگی مناسب تر است. برای بررسی این موضوع نیاز به تعیین پارامترهایی جهت ارزیابی حسگرها است که در این مقاله به این موضوع پرداخته شده است.
در بخش دوم به موضوع حسگرها و شبکههای حسگری بدون سیم که در فناوری اینترنت اشیاء مورد استفاده قرار میگیرند پرداخته شده است. همچنین در این بخش دسته بندی در مورد حسگرهای مورد نیاز در هر یک از حوزههای شهر هوشمند ارائه شده است. در بخش سوم 12 عامل مهم جهت ارزیابی حسگرها تعریف و بررسی شدهاند و سپس استفاده از روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی جهت تعیین اولویت در انتخاب پارامترهای ذکر شده پیشنهاد شده است. جمعبندی نیز در بخش آخر ارائه شده است.
-2 حسگرها
در اکثر اشیاء موجود در پیرامون زندگی انسانها اطلاعات مجهولی وجود دارند. بخش وسیعی از این اطلاعات میتوانند با استفاده از حسگرها بدست آیند. حسگر به معنای حسکننده است و از کلمه Sense به معنی حس کردن گرفته شده است و حسب مورد میتواند کمیتهایی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و … را به کمیتهای الکتریکی پیوسته یا غیرپیوسته تبدیل کند. حسگر وظیفهی تبدیل یک ورودی غیر الکتریکی به یک سیگنال الکتریکی قابل دریافت توسط مدارهای الکتریکی را دارد.
تعریف ارائه شده توسط مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک آمریکا برای حسگر عبارت است از:[5]
"یک تجهیز الکترونیکی که از روی دادن حالتی و یا تغییر شرایط فیزیکی، دادههای الکتریکی، نوری یا دیجیتال تولید میکند. سپس دادههای تولید شده توسط حسگرها به صورت الکترونیکی توسط تجهیزات ارتباطی منتقل میشوند و این اطلاعات توسط تجهیزات هوشمند و یا انسانها برای تصمیمگیری نهایی مورد پردازش قرار میگیرند." حسگرها در فناوری اینترنت اشیاء در قالب شبکه حسگری بدون سیم مورد استفاده قرار میگیرند که در ادامه این فناوری بررسی شده است.
1-2 شبکه حسگر بدون سیم
شبکه حسگر بدون سیم را میتوان به صورت مجموعهای از حسگرهای مستقل توزیع شده تعریف نمود که برای هدف مشترکی مانند پایش کمیتی فیزیکی همچون دما، صدا، لرزش، فشار و .. با یکدیگر مشارکت دارند .[6] به دلیل قابلیتهای مناسبی که شبکههای حسگر بدون سیم در حوزههایی همچون هوشمندسازی خانهها، پایش سلامت، پایش محیط زیست، کنترل ترافیک و در مجموع برای هوشمندسازی شهرها فراهم آوردهاند، میزان توجه به این شبکهها، افزایش قابل ملاحظهای یاقته است .
شبکه حسگر بدون سیم از تعداد زیادی گره تشکیل شده است که در هر گره تعدادی حسگر وجود دارد و این حسگرها با محیط فیزیکی تعامل و ارتباط دارند. اجزای تشکیل دهنده هر گره عبارت است از یک حسگر - وظیفه تبدیل کمیت فیزیکی مشخصی را به یک سیگنال الکتریکی دارد - ، یک پردازشگر کوچک - تبدیل آنالوگ به دیجیتال را انجام میدهد - ، یک فرستنده و گیرنده رادیویی - قابلیت ارتباط بدون سیم را فراهم میکند - و یک المان منبع انرژی - معمولاً به شکل باتری الکتروشیمیایی - . همچنین یک المان مبدل انرژی نیز ممکن است در ساختار گره وجود داشته باشد تا بتوانند توان مورد نیاز گره را با استفاده از انرژی خورشیدی، بادی و .. تأمین نماید.[7]
همانطور که ذکر شد به دلیل وجود واحد فرستنده و گیرنده رادیویی، ارتباط بین گرهها به صورت بیسیم است و هر گروه به طور مستقیم و بدون دخالت انسان کار میکند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیتهایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه، منبع تغذیه و .. است. حسگرها در حوزههای مختلفی در یک شهر هوشمند مورد استفاده قرار میگیرند. اصلیترین حوزههای موجود در یک شهر هوشمند به همراه حسگرهای مورد استفاده در هر حوزه به تفکیک در جدول 1 ذکر شده است.
-3 پارامترهای تأثیرگذار در انتخاب حسگر در شهر هوشمند
یکی از مهمترین بخشهای هوشمندسازی یک شهر، انتخاب حسگر مناسب در هر حوزه است. برای انتخاب یک حسگر مناسب برای کاربردی خاص بایستی عوامل مختلفی در نظر گرفته شوند. حال سوال مهمی که مطرح میشود این است که این عوامل چه مواردی میباشند؟ در این مقاله پس از مطالعات انجام گرفته بر روی این موضوع، 12 عامل مهم مطابق شکل 1 ارائه و بررسی شده است. در ادامه توضیحات مربوط به هر یک از عوامل تشریح شده است. لازم به ذکر است که اعداد استفاده شده در مورد پارامترهای ذکر شده برای برخی حسگرها، مطابق اطلاعات واقعی موجود در برگه اطلاعاتی این حسگرها بوده است.
-1 دقت: پارامتر دقت میتواند نقش قابل توجهی در انتخاب حسگر در مواردی که کمیت اندازهگیری بایستی با دقت بالا اندازهگیری شود داشته باشد. به طور مثال در حسگر سه منظوره اندازهگیری دما، فشار و رطوبت BME280، دقت اندازه-گیری دما در بازه اندازهگیری0 تا 65 درجه سانتیگراد برابر با 1 درجه سانتیگراد خطا است در حالی که دقت این حسگر در اندازهگیری رطوبت 100 درصد دقیق است.
