سنسورها و محرک‌ها در اینترنت اشیاء

0

سنسورها اجزای ضروری اشیاء هوشمند هستند. تمام کاربردهای IoT به یک یا چند سنسور برای جمع‌­آوری داده‌­ها از محیط نیاز دارند. یکی از مهمترین جنبه‌های اینترنت اشیاء دریافت اطلاعات است، که بدون فناوری سنسور امکان پذیر نیست.

سنسورهای IoT عمدتا کوچک، کم مصرف و ارزان قیمت هستند، و از طریق عواملی مانند ظرفیت باتری و سهولت استقرار محدود می­‌شوند.

سنسورهای مبتنی بر تلفن همراه

اول از همه، اجازه بدهید نگاهی به تلفن‌های همراه بیندازیم، که همه جا در دسترس هستند و دارای سنسورهای تعبیه شده‌ی مختلفی هستند. به طور خاص، گوشی‌ هوشمند یک دستگاه بسیار مفید و کاربر‌پسند است که دارای ویژگی‌های متعددی در ارتباطات و پردازش داده‌های ساخته‌شده است.

با افزایش محبوبیت گوشی­‌های هوشمند در میان مردم، محققان به ساخت راه‌حل­های هوشمند IoT با استفاده از گوشی­‌های هوشمند باتوجه به سنسورهای تعبیه شده، علاقه‌­مند شدند.

شکل 1.سنسورهای تلفن‌های هوشمند

برخی از سنسورهای اضافی نیز می‌توانند بسته به نیاز استفاده شوند. برنامه‌های کاربردی را می‌­توان بر روی گوشی هوشمند که از داده‌های سنسور برای تولید نتایج معنی‌­دار استفاده می‌کنند، ایجاد کرد.

بعضی از سنسورهایی که در تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند :

 

  • شتاب سنج: حرکت و شتاب تلفن همراه را حس می‌کند. به طور معمول تغییرات در سرعت گوشی هوشمند را از سه بعد اندازه می­گیرد. انواع مختلفی از شتاب سنج­ها وجود دارد.

در یک شتاب سنج مکانیکی، یک جرم لرزه‌ای در یک محفظه وجود دارد که به یک محفظه با یک مفصل وابسته است. یک بازه زمانی طول می‌کشد تا جرم حرکت کند و به عنوان محفظه حرکت می‌کند، بنابراین نیروی مفصل می­تواند با شتاب مرتبط باشد.

در یک شتاب سنج خازنی، صفحات خازنی با همان تنظیمات استفاده می‌شود. با یک تغییر در سرعت و جرم، صفحات خازنی را به هم متصل می­کند، بنابراین ظرفیت خازنی را تغییر می­دهد. سرعت تغییر خازن سپس به شتاب تبدیل می‌شود.

در یک شتاب سنج پیزوالکتریک، از کریستال‌های پیزوالکتریک استفاده می‌شود که وقتی فشار داده می‌شود ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. تغییرات ولتاژ را می­توان به شتاب تبدیل کرد. الگوهای داده شده توسط شتاب سنج می‌توانند برای تشخیص فعالیت‌های فیزیکی کاربر مانند راه رفتن، دویدن و دوچرخه سواری استفاده شوند.

  • ژیروسکوپ، جهت‌­گیری تلفن را به طور دقیق تشخیص می‌­‌دهد. جهت‌گیری با استفاده از تغییرات خازنی را در زمانی که یک توده لرزه‌ای حرکت می‌کند در جهت خاص اندازه‌گیری می‌شود.
  • دوربین و میکروفون سنسورهای بسیار قدرتمندی هستند زیرا اطلاعات بصری و صوتی را ضبط می‌کنند، که پس از آن می­توانند، برای شناسایی انواع مختلف اطلاعات متنی، تجزیه و تحلیل و پردازش شوند. به عنوان مثال، ما می‌توانیم محیط کنونی کاربر و تعاملاتی را که او دارد، به دست آوریم. برای حس کردن اطلاعات صوتی، می‌توان از فناوری‌هایی مانند تشخیص صدا و ویژگی‌های صوتی استفاده کنیم.
  • مغناطیس‌سنج، میدان‌های مغناطیسی را شناسایی می‌­کند. این می­‌تواند به عنوان یک قطب‌نمای دیجیتال و در برنامه‌های کاربردی برای تشخیص وجود فلزات استفاده شود.
  • GPS (سیستم موقعیت یابی جهانی) مکان تلفن را تشخیص می‌دهد، که یکی از مهم­ترین بخش‌­های اطلاعات ساختاری برای برنامه­‌های هوشمند است. مکان با استفاده از اصل سه گانه شناسایی می‌شود. فاصله از سه یا چند ماهواره (یا برج‌های تلفن همراه در مورد (A-GPS) اندازه‌گیری می‌شود و مختصات محاسبه می‌شوند.
  • سنسور نور میزان شدت نور محیط را تشخیص می‌دهد. این را می‌توان برای تنظیم روشنایی صفحه نمایش و دیگر برنامه‌­های کاربردی که در آن برخی از حرکت­‌ها به شدت نوری که از محیط گرفته می‌شود، وابسته است. به عنوان مثال، ما می‌توانیم نور را در یک اتاق کنترل کنیم. سنسور مجاورت از یک چراغ مادون قرمز (IR) استفاده می­کند، که پرتوهای اشعه ایکس را منتشر می‌کند. این اشعه­‌ها هنگامی که به برخی از اشیاء برخورد می­‌کنند، به عقب بر می­‌گردند. بر اساس اختلاف زمان، می‌توانیم فاصله را محاسبه کنیم. به این ترتیب، فاصله تلفن از اشیاء مختلف را می‌­توان اندازه­‌گیری کرد. به عنوان مثال، ما می‌توانیم از آن برای تعیین فاصله تلفن به صورت در زمان صحبت با تلفن استفاده کنیم. همچنین می­‌توان در برنامه‌­های کاربردی که در آن وقتی یک شیء به گوشی نزدیک می­‌شود، باید رویدادی را دنبال کنیم، استفاده کرد. برخی از گوشی­‌های هوشمند سنسور دماسنج، فشار سنج و رطوبت­‌سنج را به ترتیب، برای اندازه­‌گیری درجه حرارت، فشار جو و رطوبت دارند.

 

بسیاری از اپلیکیشن‌‌های بهداشتی و تناسب اندام برای حفظ سلامت فرد به طور مداوم از تلفن‌های هوشمند استفاده می‌کنند. آنها فعالیت‌های جسمانی، رژیم غذایی، تمرینات و شیوه زندگی را برای تعیین سطح آمادگی جسمانی و مطابق با آن به کاربران توصیه می‌کنند.

برای ارزیابی سلامت روانی و عملکرد یک دانش‌­آموزان یک اپلیکیشن هوشمند طراحی شده است که برای ردیابی مکان و فعالیت‌­هایی که دانش آموز درگیر آن است، برای تشخیص فعالیت (شتاب سنج) و داده­‌های GPS استفاده می­‌شود.

برای بررسی اینکه دانش آموز چقدر می‌­خوابد از سنسور شتاب سنج و نور استفاده می‌­شود. برای زندگی اجتماعی و مکالمات، داده‌های صوتی از یک میکروفون استفاده می‌­شود. این کاربرد، همچنین پرسشنامه‌های سریعی را با دانش‌آموزان برای شناخت خلق و خویشان، اجرا می‌­کنند. همه این داده‌ها می‌توانند برای ارزیابی سطوح استرس، زندگی اجتماعی، رفتار و الگوهای ورزش دانش آموز استفاده ­شوند.

اپلیکیشن دیگری که در این زمینه وجود دارد، زمانی که کاربر می­خواهد سیگار بکشد را با استفاده از اطلاعات زمینه­ای مانند حضور دیگر اشخاص سیگاری، مکان و فعالیت­های مرتبط، تشخیص می­دهد. سنسورها اطلاعات مربوط به حرکت، مکان، تصاویر بصری و صداهای اطراف را ارائه می‌دهند.

سنسورهای گوشی­های هوشمند، برای مطالعه انواع رفتارهای انسانی استفاده می­شوند و کیفیت زندگی انسان را بهبود می‌بخشند.

سنسورهای پزشکی

اینترنت اشیاء می­تواند در کاربردهای مراقبت بهداشتی بسیار مفید باشد. ما می­‌توانیم از سنسورهای که می‌توانند پارامترهای مختلف پزشکی را در بدن انسان اندازه گیری و نظارت کنند، استفاده کنیم. این کاربردها می­‌‍توانند در نظارت بر سلامت بیمار، زمانی که در بیمارستان نیستند یا زمانی که تنها هستند، هدف قراربگیرند. درنتیجه، آنها می‌توانند بازخورد بلادرنگ را به دکتر، بستگان یا بیمار ارائه دهند.

شکل 2. سنسورهای پزشکی

گجت‌های پوشیدنی زیادی در بازار وجود دارد که با سنسورهای پزشکی که قادر به اندازه گیری پارامترهای مختلفی نظیر ضربان قلب، ضربان قلب، فشار خون، درجه حرارت بدن، میزان تنفس و میزان قند خون هستند مجهز شده اند. این پوشیدنی‌های شامل ساعت­های هوشمند، مچ‌بند، گجت‌های نظارت‌کننده و بافت‌های هوشمند می‌باشد.

علاوه بر این، ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام در بازار بسیار محبوب هستند، زیرا از شرکت‌هایی مانند اپل، سامسونگ و سونی با ویژگی‌های بسیار نوآورانه‌­ای هستند. به عنوان مثال، یک ساعت هوشمند شامل ویژگی‌های مانند اتصال به یک گوشی هوشمند، سنسورهایی مانند شتاب سنج و نظارت ضربان قلب است.

شکل 3. ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام

یک دستگاه نوآورانه دیگر IoT، که وعده زیادی دارد، گجت­‌های نظارتی بر روی پوست است. گجت­‌های نظارتی مانند خالکوبی‌­ها هستند. آن­ها قابل کشش و یکبار مصرف و بسیار ارزان هستند.

فرض می‌شود که این گجت‌­ها توسط بیمار برای چند روز جهت نظارت بر یک پارامتر حیاتی سلامتی پوشیده می‌‍شود. همه‌­ی اجزاء الکترونیکی در این سازه‌های لاستیکی تعبیه شده‌‍­اند. آنها حتی می‌توانند داه‌های احساس شده را بصورت بی‌سیم انتقال دهند.

این گجت‌ها را می‌توان درست مثل یک خالکوبی بر روی پوست اعمال کرد. یکی از رایج‌ترین کاربرد این گجت­ها، نظارت بر فشار خون است.

داده‌های جمع‌­آوری شده توسط سنسورهای پزشکی باید با اطلاعات مربوط به شرایط فرد مانند فعالیت فیزیکی ترکیب شوند. به عنوان مثال، ضربان قلب به شرایط بستگی دارد. زمانی که ورزش می‌­کنیم، ضربان قلب افزایش پیدا می‌­کند.

در آن حالت، ما نمی‌­توانیم ضربان قلب غیر طبیعی را استنباط کنیم. بنابراین، ما برای استنباط صحیح نیاز به ترکیب داده دریافتی از سنسورهای مختلف داریم.

شکل 4. گجت پوستی تعبیه شده

سنسورهای عصبی

امروزه، درک سیگنال‌­های عصبی در مغز، استنباط وضعیت مغز، و آموزش دادن آن برای توجه و تمرکز بهتر، ممکن شده است. این به عنوان بازخورد عصب شناخته می­‌شود. فناوری استفاده شده برای خواندن سیگنال­‌های مغزی EEG ( الکتروانسفالوگرافی) و یا یک رابط  کامپیوتری مغز هستند. نورون­‌های درون مغز به صورت الکترونیکی ارتباط برقرار کرده و یک میدان الکتریکی ایجاد می­‌کنند، که می­‌تواند از لحاظ فرکانسی از بیرون اندازه‌گیری شود. امواج مغزی را می‌توان با توجه به فرکانس در امواج آلفا، بتا، گاما، تتا و دلتا دسته‌بندی کرد. براساس نوع موج، می­توان استنباط کرد که مغز آرام است یا در افکار سرگردان می‌­باشد. این نوع از بازخورد عصبی می‌­تواند در زمان واقعی بدست آید و می­‌تواند برای یادگیری تمرکز، توجه بیشتر به اشیاء، مدیریت استرس، رفاه روانی بهتر به مغز، استفاده شود.

 

شکل 5. پیشانی‌بند سنسور مغزی با تعبیه سنسورهای عصبی

سنسورهای محیطی و شیمیایی

سنسورهای محیطی، برای حس کردن پارامترهای محیط فیزیکی، مانند دما، رطوبت، فشار، آلودگی آب و آلودگی هوا استفاده می‌شوند. کیفیت هوا می­تواند توسط سنسورها اندازه‌­گیری شود، که حضور گازها و دیگر ذرات ماده در هوا را حس می­‌کند.

سنسورهای شیمیایی برای تشخیص مواد شیمیایی و بیوشیمی استفاده می‌شوند. این سنسورها شامل یک عنصر تشخیص و یک مبدل است. بینی الکترونیکی (e-nose) و زبان الکترونیکی (e-tongue)، فناوری­‌هایی هستند که می­‌توانند برای حس کردن مواد شیمیایی، به ترتیب، براساس رایحه و مزه استفاده شوند. 

بینی الکترونیکی و زبان الکترونیکی شامل مجموعه ای از سنسورهای شیمیایی همراه با نرم افزار تشخیص الگوی پیشرفته هستند. سنسورهای داخلی بینی الکترونیکی و زبان الکترونیکی، داده‌­های پیچیده‌­ای را تولید می­‌کنند، که سپس از طریق شناسایی الگو برای شناسایی محرک‌ها تجزیه و تحلیل می‌­شوند.

این سنسورها م‌ی­توانند در نظارت بر سطح آلودگی در شهرهای هوشمند، بررسی کیفیت غذا در آشپزخانه‌های هوشمند، آزمایش مواد غذایی و محصولات کشاورزی در کاربردهای زنجیره تامین، استفاده شوند.

شناسایی فرکانس رادیویی (RFID)

RFID یک فناوری شناسایی است که در آن یک برچسب RFID (یک تراشه کوچک همراه با یک آنتن) داده­‌هایی را حمل می­کنند، که توسط یک دستگاه خواندن RFID خوانده می­‌شوند. برچسب، داده­‌های ذخیره شده را از طریق امواج رادیویی منتقل می­‌کند. این مشابه با فناوری بارکد است. اما برخلاف یک بارکد سنتی، نیازی به خط نمایشی بین برچسب و دستگاه خواندن نیست و می­‌تواند خودش از یک فاصله دور حتی بدون یک متصدی انسانی، شناسایی کند. دامنه RFID با فرکانس متفاوت است. این می‌تواند صدها متر باشد.

برچسب­‌های RFID دونوع هستند: Active و Passive. برچسب­‌های Active دارای یک منبع قدرت هستند و برچسب­‌های Passive هیچ منبعی قدرتی ندارند. برچسب­‌های غیرفعال از قدرت امواج الکترومغناطیسی که توسط دستگاه خواندن تهیه می‌شود، انرژی می‌گیرند و در نتیجه ارزان هستند و عمر طولانی دارند.

دونوع فناوری RFID دیگر نیز وجود دارد: دور و نزدیک. یک دستگاه خواندن RFID  نزدیک، از یک سیم پیچ استفاده می‌­کند، که ما از طریق آن جریان متناوب را منتقل و یک میدان مغناطیسی تولید می­‌کنیم. برچسب دارای یک سیم­پیچ کوچکتر است، که به دلیل تغییرات محیطی در میدان مغناطیسی باعث ایجاد پتانسیل می‌شود. این ولتاژ سپس با یک خازن جفت می­‌شود تا یک بار شارژ شود، که پس از آن قدرت قطعه برچسب را بالا می­برد. برچسب می­تواند، یک میدان مغناطیسی کوچک تولید کند که سیگنال را برای انتقال رمزگذاری می­‌کند و می‌­تواند توسط دستگاه reader خوانده شود.

در RFID دور، یک آنتن دوقطبی در دستگاه خواندن وجود دارد، که امواج EM را پخش می‌کند. برچسب نیز دارای یک آنتن دو قطبی است که در آن تفاوت پتانسیلی متناوب ظاهر می‌شود و قدرت آن بالا می­رود. سپس می­تواند از این قدرت برای ارسال پیام استفاده کند.

فناوری RFID در کاربردهای مختلف، مانند مدیریت زنجیره تامین، کنترل دسترسی، تعیین هویت و ردیابی شیء استفاده می‌­شود. برچسب RFID به شیء موردنظر وصل می­‌شود و دستگاه خواندن وجود برچسب را در زمانی که شیء از آن عبور می‌کند، تشخیص می­‌دهد و ذخیره می­‌کند. به این ترتیب، حرکت جسم می­تواند ردیابی شود و RFID می‌­تواند به عنوان یک موتور جستجو برای اشیاء هوشمند بکار رود.

برای کنترل دسترسی، یک برچسب RFID به شیء مجاز، متصل شده است. به عنوان مثال، تراشه­‌های کوچک به جلوی وسایل نقلیه چسبانده می‌­شوند. هنگامی که وسیله نقلیه به یک مانع که در آن یک دستگاه خواندن وجود دارد، اطلاعات برچسب خوانده می­‌شود و تصمیم می­گی‌رد که آیا این یک وسیله نقلیه مجاز است یا نه. اگر جواب بله باشد، مانع به طور خودکار باز می­‌شود. کارت­‌های RFID برای مردم صادر می‌­شوند، پس از آن توسط دستگاه خواندن RFID شناسایی می‌شود و دسترسی داده می‌­شود.

داده­‌های سطح پایین جمع ­آوری شده از برچسب­‌های RFID، می­‌تواند به بینش سطح بالاتری در کاربردهای IOT تبدیل شود. ابزارهای سطح کاربری زیادی در دسترس هستند، که در آن همه داده­‌های توسط خوانندگان RFID ویژه جمع‌­آوری شده­‌اند و داده­‌های وابسته می­‌توانند با برچسب­های RFID مدیریت شوند. داده­‌های سطح بالا می­ت‌وانند برای کشف نتیجه گیری­‌ها و اقدامات بیشتر استفاده شوند.

محرک‌ها

اجازه دهید به برخی نمونه‌ها از محرک­‌هایی که از اینترنت اشیاء استفاده می­کنند، نگاهی بیندازیم. محرک یک دستگاه است، که می­‌‌‌تواند با تبدیل انرژی الکتریکی، به برخی از انواع انرژی مفید در محیط تغییر ایجاد کند. بعضی از نمونه‌ها، شامل عناصر گرمایش، خنک کننده، بلندگوها، چراغ‌ها، نمایش­ دهنده­‌ها و موتورها می­‌باشند.

محرک­ها، که منجر به حرکت می­‌شوند، می­‌توانند به سه دسته به نام­‌های، محرک­های الکترونیکی، هیدرولیک و پنوماتیک، وابسته به عملکردشان تقسیم می­شوند. محرک­های هیدرولیکی، حرکت مکانیکی را با استفاده از نیروی مایع یا هیدرولیکی تسهیل می­کنند.

محرک­های پنوماتیک از فشار هوای فشرده استفاده می‌کنند و محرک­های الکتریکی از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، ما می­توانیم یک سیستم خانه هوشمند، که شامل بسیاری از سنسورها و محرک­هاست را در نظر بگیریم. این عملگرها برای قفل/بازکردن درب­ها، روشن/خاموش کردن چراغ­ها یا دیگر کاربردهای الکتریکی، اخطار هرگونه هشدار با اعلان به کاربران و کنترل دمای خانه (از طریق ترموستات) استفاده می‌شوند.

یک مثال پیچیده از یک محرک استفاده شده در IoT یک انگشت دیجیتال است، که برای روشن/خاموش کردن سوئیچ‌ها (یا هر چیزی که نیاز به حرکت کوچک دارد) استفاده می‌شود و به صورت بی سیم کنترل می‌شود.

 

Choose your Reaction!
دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

آخرین پست ها

redronic.com