المدن الذكية وبروتوكول MQTT | الوحدة السابعة | الدرس الأول
المدن الذكية وبروتوكول MQTT هو عنوان الدرس الأول من الوحدة السابعة التي تحمل اسم “الرسائل في إنترنت الأشياء” من مقرر “إنترنت الأشياء 2-1” الفصل الدراسي الثالث.
ستتعرف في هذا الموضوع على مفهوم المدن الذكية ونغوص في تفاصيل الهيكلية الطبقية لهذه المدن باستخدام إنترنت الأشياء. كما سنكتشف التطبيقات الذكية التي تساهم في تحسين الحياة الحضرية، بالإضافة إلى دراسة بروتوكول MQTT لنقل القياسات عن بعد ضمن قائمة انتظار الرسائل؛ مما يعزز التواصل الفعّال بين الأنظمة المختلفة في المدينة الذكية.
لذا قم بقراءة نواتج التعلُّم بعناية، ثم أعد قراءتها وتأكد من تحصيل محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.
أهداف التعلُّم
- مفهوم المدينة الذكية.
- طبقات هيكلية المدينة الذكية في إنترنت الأشياء.
- تطبيقات المدينة الذكية.
- تطبيق بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل MQTT.
هيا لنبدأ!
المدن الذكية (Smart Cities)
بدأت غالبية المدن كمراكز حضرية متواضعة وذلك دون وجود تخطيط مسبق يدعم متطلبات الزيادة السكانية المتسارعة.
يؤثر التوسع العمراني المُطّرد للمدن على بنيتها التحتية وخدماتها المختلفة.
يتم تجاوز الطاقة الاستيعابية القصوى للطرق والجسور وأنظمة الصرف الصحي، مما يصعب طبيعة الحياة فيها ويجعل من توفير الأساسيات مثل:
- الماء.
- الكهرباء.
- تقليل الانبعاثات الكربونية.
تزداد الانبعاثات الحرارية واستهلاك الطاقة مع الزيادة السكانية في عدد السكان على الكرة الأرضية.
وأيضًا تركز السكان في مناطق معينة يحد من قدرة النظام البيئي على التغلب على الملوثات.
لذلك الازدياد في الانبعاثات والنفايات يساهم في تسارع التغير المناخي.
تعد المدن في وقتنا الحاضر مسؤولة عما يقرب من 60-80% من:
- انبعاثات الطاقة.
- غازات الاحتباس الحراري في العالم.
حيث تستهلك المدن 60% من مجموع المياه الصالحة للشرب، بينما تصل نسبة الفاقد من تلك المياه إلى 20% بسبب التسربات في شبكة المياه.
لمعرفة المزيد من المعلومات عن المدن الذكية، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
هيكلية المدينة الذكية باستخدام إنترنت الأشياء (A Smart City IoT Architecture)
أين يتمثل التحدي الرئيس لحلول إنترنت الأشياء الذكية؟
يتمثل في ربط أنظمة معقدة متعددة في تقنية موحدة.
توجد العديد من مخططات المدن الذكية ومن أبرزها:
المخطط المبني على تقسيم شبكة انترنت الأشياء للمدن الذكية إلى 4 طبقات:
- طبقة الشارع (Street Layer).
- طبقة المدينة (City Layer).
- طبقة مركز البيانات (Data Center Layer).
- طبقة الخدمات (Services Layer).
تنتقل البيانات من الأجهزة الموجودة في طبقة الشارع إلى طبقة شبكة المدينة الذكية، حيث يتم دمجها وتوحيدها وتخزينها، كذلك تقوم طبقة مركز البيانات بتغذية المعلومات في طبقة الخدمات التي تشتمل على تطبيقات مزود الخدمة للمدينة.
طبقة الشارع (Street Layer)
تتكون طبقة الشارع من:
- أجهزة
- مستشعرات
مهمتها: جمع البيانات وفقًا لمتطلبات للنظام المتكامل ولذلك وفقًا لمكونات الشبكة اللازمة لجمع هذه البيانات واختزالها.
يتم في طبقة الشارع استخدام مجموعة من الأجهزة ذات الاستخدامات المختلفة في المدن الذكية.
أذكر مثال على هذه الأجهزة المستخدمة في المدن الذكية؟
طبقة المدينة (City Layer)
يُمكن النظر إلى طبقة المدينة على أنها:
- طبقة النقل المباشرة بين أجهزة إنترنت الأشياء الطرفية.
- مراكز البيانات أو الإنترنت.
يجب نشر محولات وموجهات الشبكة في هذه الطبقة في مستوى أعلى من طبقة الشارع لدعم نقل البيانات الضخمة.
لذلك، تنقل طبقة المدينة البيانات من خلال أنواع عديدة من البروتوكولات لتطبيقات إنترنت الأشياء المختلفة.
قد تتسم بعض هذه التطبيقات ب:
- الحساسية للتأخر الزمني.
- فقدان الحزم.
فقدان حزمة معينة يؤدي إلى تشغيل تنبيه أو إنشاء تقرير غير صحيح.
لذلك يجب أن تكون طبقة المدينة مرنة لضمان وصول حزمة البيانات المرسلة من مستشر أو بوابة إلى وجهتها دائمًا.
طبقة مركز البيانات (Data Center Layer)
يتم إرسال البيانات التي تجمعها المستشعرات إلى مركز البيانات للمعالجة والتخزين.
وبناء على عملية معالجة البيانات هذه:
- يتم تحديد المعلومات والأنماط المهمة.
- إنشاء الأفكار ودعم القرارات.
على سبيل المثال
يمكن لمركز البيانات إعطاء تصور لحركة المرور على مستوى المدينة ومساعدة السلطات في تحديد أهمية إضافة مركبات نقل جماعي إضافية أو تقليلها ويمكن استخدام نفس البيانات حركة المرور لإدارة مدة عمل إشارات المرور في المدينة ومزامنتها تلقائيًا للتحكم بالازدحام المروري وتعد الخدمات السحابية ضرورة لتطوير أي حل شامل لإنترنت الأشياء كما يمكن تخزين هذه البيانات في مراكز البيانات التابعة لسلطات المدينة أو للشركات الخاصة وذلك حسب التشريعات المحلية.
طبقة الخدمات (Services Layer)
على سبيل المثال
- يمكن إعادة توجيه الحافلات أو أنظمة النقل العام الأخرى لتجنب مواقع الازدحام المروري المتكررة.
- كما يمكن تسيير المزيد من قطارات الأنفاق بصورة تلقائية وذلك استجابة لزيادة الازدحام المروري.
- توقع قرارات الركاب باختيار وسائل النقل العام بدلاً من السيارات الخاصة في الأيام التي تشهد حركة مرور مكثفة.
للتعرف على المدن الذكية، بإمكانك مشاهدة الفيديو من خلال الرابط التالي:
تطبيقات المدينة الذكية (Smart Cities Applications)
الإنارة الذكية للشوارع (Connected Street Lighting)
تعد إنارة الشوارع إحدى أكثر المرافق الحضرية تكلفة لكونها تمثل ما يصل 40% من إجمالي تكلفة الطاقة.
تبحث المدن عن طرق ل:
- خفض تكاليف الإنارة.
- تحسين كفاءة التشغيل.
- خفض النفقات الأولية.
يمكن أن يؤدي تثبيت نظام الإنارة الذكية للشوارع إلى توفير كبير في الطاقة مما يتيح المجال لتقديم خدمات جديدة.
يعدُّ الانتقال إلى استخدام تقنيات الدايودات المشعة للضوء LEDs في طليعة الوسائل المستخدمة للتحول من الإنارة التقليدية إلى الإنارة الذكية للشوارع.
بماذا تتميز الدايودات المشعة للضوء؟
- استهلاك منخفض للطاقة مما يجعلها مناسبة بشكل مثالي لحلول التطبيقات الذكية.
- تعديل ألوان الدايودات المشعة للضوء وشدتها وفقًا للحاجة والظروف المحيطة.
التحكُّم الذكي في الحركة المرورية (Smart Traffic Control)
يعد الازدحام المروري من أكثر المشاكل شيوعًا في المدن الحديثة.
حيث يساهم في التلوث البيئي وفقدان الانتاجية.
الحل الذكي لضبط وتنظيم الحركة المرورية في المدن:
- توفير المعلومات حول عدد السكان وحركة التنقل.
- اعداد المركبات على الطريق.
يتم ارسال تلك البيانات إلى المسؤولين عن تخطيط وتنظيم حركة المرور لاتخاذ الإجراءات اللازمة.
من الممكن تفعيل التطبيقات المرورية خلال البيانات الواردة من مستشعرات إنترنت الأشياء، ذلك لتخفيف الازدحام والحركة المرورية.
يستطيع مخططو المدن من خلال تحليل البيانات التي تم جمعها خلال فترات زمنية معينة انشاء استراتيجيات أكثر فاعلية لتقليل الازدحام المروري.
بتسبب الازدحام المروري في ارتفاع الحوادث والتي بدورها تزيد من الازدحام المروري من تلك البسيطة منها.
يتمثل أحد الحلول الشائعة في التحكم في تدفق حركة السيارات بناء على كثافة الحركة المرورية.
يمكن للتطبيق الذي يكشف كثافة الحركة المرورية الفورية
- تنظيم مدة دور اشارة المرور لتقييد أو إزالة تأثير الازدحام المروري بالتحكم في عدد المركبات المنضمة إلى حركة المرور على الطرق الرئيسة.
بإمكانك مراجعة موضوع محتوى “المدن الذكية وبروتوكول MQTT” من بدايته وحتى نهاية هذا القسم من خلال الرابط التالي:
البيئة المتصلة (Connected Environment)
تراقب غالبية المدن الكبيرة جودة الهواء، لكن الكثير من محطات مراقبة جودة الهواء تستخدم معدات مراقبة قديمة ومكلفة لجمع هذه البيانات.
عادة ما تجمع هذه المحطات قراءات دقيقة جداً ولكنها تتسم بمحدودية المدى الذي تجمع منه البيانات.
وبالتالي يُحتمل ألا يتم تغطية كامل المدينة بالنقاط الكافية.
تؤدي محدودية البيانات التي يتم جمعها إلى عدم القدرة على تحديد جودة الهواء بشكل صحيح.
تكلفة محطة مراقبة جودة الهواء وحجمها يجعلان من الصعب توفير العدد الكافي من هذه المحطات لتوفير معلومات موثوقة على مستوى محلي.
وتتبع انتقال التلوث في أرجاء المدن على مدى فترة زمنية معينة.
تنبيهات الأمان الذكية (Smart Safety Alert)
توجد على جانب الطريق وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى DSRC بين وحدة التواصل داخل المركبة والبنية التحتية للاتصالات.
كما تعمل وحدة الاتصالات على جانب الطريق بمثابة جهاز اتصال لاسلكي على جانب الطريق وتوفر الاتصال ودعم المعلومات للمركبات المارة بما فيها تحذيرات السلامة والمعلومات المرورية.
تتطلب المدينة الذكية دائمًا معرفة فورية وشاملة بجودة الهواء، ولجمع هذه البيانات تتطلب المدن الذكية ما يلي:
- أنظمة بيانات مفتوحة تتلقى قياسات جودة الهواء من محطات مراقبة الهواء والجودة.
- مستشعرات إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة وذات مستوى من الدقة مماثلاً لذلك الذي يمكن الحصول عليه من محطات جودة الهواء.
- إمكانية تمثيل للبيانات البيئية متوافر للسلطات والمواطنين وتخزين سجلات بيانات جودة الهواء السابقة لتتبع الانبعاثات زمنيًا وتحديد اتجهاتها.
بروتوكول نقل القياس عن بُعد في قائمة انتظار الرسائل (Message Queuing Telemetry Transport – MQTT)
مقدمة إلى بروتوكول MQTT (Introduction to MQTT)
طرح مهندسو من شركتي IBM وArcom في نهاية التسعينات من القرن الماضي فكرة تطوير البروتوكول.
- غير معقد.
- موثوق وفعّال.
- منخفض التكلفة.
وذلك لـ:
- مراقبة الأعداد الكبيرة من المستشعرات.
- ادارتها والتعامل مع بياناتها من موقع خادم مركزي.
- تحديداً للاستخدام في قطاعي النفط والغاز.
نتج عنه تطوير بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل .MQTT
والذي تم توحيده من قبل مؤسسة المعايير الدولية المنظمة OASIS.
يتم استخدام بروتوكول MQTT على نطاق أوسع من استخدام بروتوكول HTTP في تطبيقات انترنت الاشياء.
وذلك لسهولة إنشاء هياكل معقدة باستخدام الأجهزة التي تُرسل وتستقبل البيانات.
أساسيات MQTT (MQTT Basics)
- يمكن لعميل MQTT أن يكون ناشرًا ل .Publisher
- لإرسال البيانات إلى خادم MQTT يعمل كخادم رسائل.
- يسمى أيضا بوسيط الرسائل Message Broker .
- يتلقى خادم MQTT الاتصال من شبكة الناشرين ورسائل التطبيق.
- يدير هذا الخادم أيضًا عمليات الاشتراك وإلغاء الاشتراك.
- يقدم بيانات التطبيق لعملاء MQTT الذي يعملون كمشتركين .Subscriber
- يمكن للعملاء الاشتراك لاستلام كافة البيانات أو جزء منها من مجموعة معلومات الناشر MQTT.
- يطلق على عميل MQTT في هذه الحالة اسم المشترك .Subscriber
- يؤدي تضمين وسيط الرسائل في MQTT إلى الفصل بين عملية نقل البيانات بين الناشرين والمشتركين فالناشرون والمشتركون يجهلون بعضهم بعضاً.
- يضمن وسيط رسائل MQTT إمكانية تأخير المعلومات وتخزينها في حالة فشل الشبكة وهذا يعد ميزة لعملية الفصل بين الناشئين والمشتركين.
- ولذلك لا يُطلب من الناشرين والمشتركين الاتصال بالإنترنت في آنٍ واحد.
تتكون جلسة MQTT لكل عميل وخادم من 4 مراحل:
- إنشاء الجلسة.
- المصادقة.
- تبادل البيانات.
- إنهاء الجلسة.
كل عميل يتصل بخادم لديه معرف عميل فريد يحدد جلسة MQTT بين الطرفين.
يعامل الخادم كل عميل على حدة عند إرسال رسالة تطبيق إلى العديد من العملاء.
عيوب برتوكول MQTT:
- بطء الإرسال مقارنة في بروتوكول HTTP.
- يجب اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي من قبل المستخدم.
- يُؤخذ على هذا البروتوكول قصوره الأمني في عملية التشفير.
- صعوبة توسيع نطاقه مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء.
لمعرفة المزيد من المعلومات عن بروتوكول MQTT، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
جودة الخدمة QoS (Quality of Services)
- يوفر بروتوكول MQTT ثلاث درجات من الخدمة Qos.
- يتم تطبيق جودة الخدمة لبروتوكول MQTT أثناء تبادل رسائل التطبيق مع الناشرين والمشتركين.
- يتعلق بروتوكول التسليم بشكل أساسي بتسليم رسائل التطبيق من مرسل واحد إلى مستلم آخر.
بإمكانك مراجعة موضوع ” المدن الذكية وبرتوكول MQTT” من بداية قسم “تطبيقات المدينة الذكية” وحتى نهاية هذا القسم من خلال الرابط التالي:
اختبر تحصيلك لمحتوى الموضوع من خلال الرابط التالي:
الواجب الإلكتروني
إلى هنا يكون قد انتهي موضوع “المدن الذكية وبروتوكول MQTT”، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!