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.
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.
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.
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.
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.
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.