اینترنت اشیاء

اینترنت به عنوان شبکه‌ای برای برقراری اتصال میان کامپیوترها در نقاط مختلف ابتدا خاستگاه نظامی داشت. پس از پایان جنگ سرد و عمومی شدن اینترنت در دهه 1990 میلادی (۱۳۷۰ شمسی)، این شبکه به تدریج در سراسر دنیا گسترش یافت و به عنوان بستری برای تبادل اطلاعات و برقراری ارتباطات میان کاربران مورد استفاده قرار گرفت. اما «آیا نمی‌شود علاوه‌بر کاربران، اشیاء و دستگاه‌ها نیز به شبکه اینترنت متصل شوند و با یکدیگر در ارتباط باشند؟». برای مثال دوربین داخل یخچال تعداد تخم‌مرغ‌ها را بشمارد و در صورت کمبود، آنرا از طریق سایت فروش اینترنتی سفارش دهد. یا سیستم گرمایش و روشنایی خانه از روی موقعیت «جی‌پی‌اس» تلفن‌همراه نزدیک شدن صاحب خانه را متوجه شده و فعال شوند. اینطور بود که ایده «اینترنت اشیاء» (IoT)[1] از اوایل دهه 2000 میلادی (۱۳۸۰ شمسی) آغاز شد.

• طرزکار اینترنت اشیاء

اینترنت اشیاء یک شبکه جدا از اینترنت معمولی نیست. در عوض صرفاً پروژه‌ای‌ست که می‌خواهد علاوه‌بر کامپیوترهایی که در اینترنت فعلی بهم متصل‌اند، اشیائی مانند ساعت، یخچال، خودرو، لامپ و دوربین را نیز از طریق افزودن حسگر و پردازنده به آنها هوشمند کرده و از بستر همان شبکه اینترنت به یکدیگر متصل کند. براین‌اساس داده‌ها از طریق حسگرهای نصب شده روی شیء (مثل حسگر دما، نور، جرم، حرکت، چهره و …) دریافت شده و از طریق شبکه اینترنت به سرورهای مربوطه ارسال می‌شود. سرور نیز پس از پردازش داده‌ها، دستورات لازم را به شیء مذکور ارسال می‌کند.

• زیرساخت‌های مورد نیاز اینترنت اشیاء

• • شناسه آی‌پی نسخه 6 (IPv6)

همانطور که تمام کامپیوترهایی که به اینترنت وصل می‌شوند با کمک شناسه «آی‌پی» (IP) شناخته شده و از آن به مثابه کدپستی برای برقراری ارتباطات در شبکه استفاده می‌کنند، اشیائی که ذیل پروژه اینترنت اشیاء قصد ورود به شبکه را دارند نیز باید صاحب آی‌پی شوند.

اما چالشی که وجود داشت این بود که ساختار شناسه آی‌پی (IPv4) فقط 4.3 میلیارد آدرس یکتا داشت. در حالی که این ظرفیت حتی برای اتصال کامپیوترهای سراسر دنیا به اینترنت نیز کم بود و شرکت‌های ارائه‌دهنده خدمات اینترنت مجبور بودند هر آی‌پی را میان تعدادی از کاربران به اشتراک بگذارند. از اینرو مسلماً اتصال اشیاء به اینترنت نیازمند تعداد آی‌پی به مراتب بیش از این داشت و این موضوع ایجاب می‌کرد تغییراتی در ساختار آی‌پی لحاظ شود.

از اینرو از سال ۱۳۹۱/2012 تصمیم گرفته شد که ساختار جدید شناسه آی‌پی (IPv6) به تدریج جایگزین ساختار قبلی شود تا دیگر محدودیت تعداد دستگاه متصل رفع شود. ساختار جدید، ظرفیت 10³⁸× 3.4 آدرس دارد که این امکان را می‌دهد تا هر وسیله‌ای که به اینترنت متصل می‌شود شناسه آی‌پی یکتای خود را داشته باشد. طبق برخی برآوردها تا سال ۱۴۰۲/2023 بیش از 15 میلیارد دستگاه (شامل کامپیوتر، سرور و اشیاء) به اینترنت متصل شده‌اند.[2]

جدول 5: مقایسه نسخه‌های چهار و شش شناسه آی‌پی

شبکه مخابراتی نسل پنجم (5G)

تقریباً تمام دستگاه‌ها برای متصل شدن به اینترنت اشیاء از اتصال بی‌سیم استفاده می‌کنند. در برخی موارد این اتصال از طریق امواج «Wi-Fi» مودمی که در نزدیکی آن قرار دارند صورت می‌گیرد. مودم نیز از طریق سیم تلفن به اینترنت وصل است و واسطه اتصال اشیاء به اینترنت می‌شود.

اما در مواردی ممکن است مودم یا دستگاه‌ها اینترنت را از طریق «شبکه سلولی»[3] سیم‌کارت‌های مخابراتی دریافت کنند. برای این منظور در طی زمان نسل‌های مختلفی از شبکه مخابراتی توسعه پیدا کرده‌اند.

به‌طور خاص با گسترش اینترنت اشیاء، تعداد دستگاه‌های متصل به اینترنت در هر منطقه افزایش چشمگیری خواهند یافت و هر دستگاه حجم اطلاعات زیاد و متنوعی (اعم از تصویر، صدا، ویدیو و …) را ارسال و دریافت می‌کند. از اینرو نسل پنجم شبکه مخابراتی (5G) به خاطر سرعت و ظرفیت بالاتر انتقال اطلاعات و همچنین قابلیت پوشش یک میلیون دست دستگاه در هر کیلومتر مربع، زیرساخت مهم دیگریست که برای تحقق اینترنت اشیاء در دنیا در حال توسعه است.

جدول 6: مشخصات نسل‌های مختلف مخابراتی

با توجه به جدول چند نکته حائز اهمیت است:

• مقدار عملی سرعت متوسط انتقال داده در هر نسل به علت کیفیت اتصالات و تجهیزات می‌تواند از مقدار نظری متفاوت باشد.
• با پیشرفت نسل‌های مخابراتی، فرکانس امواج مخابراتی افزایش یافته است. با افزایش محدوده فرکانسی، نرخ تبادل اطلاعات سریع‌تر می‌شود اما برد و میزان نفوذ موج در موانع کاهش می‌یابد.[8]
• پهنای باند به مقدار داده‌ای اطلاق می‌شود که می‌تواند در یک محدوده فرکانسی خاص منتقل شود.

شکل 17: نمای مفهومی از چگونگی برقراری ارتباط میان تلفن‌های همراه در «شبکه سلولی»[9] توسط دکل‌های مخابراتی

شکل 18: سامانه «نت‌سنج+»[10] سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی وضعیت اپراتورهای مخابراتی مختلف را از حیث کیفیت آنتن‌دهی، میزان شکایات کاربران و حد مجاز سلامت سیگنال در سرتاسر ایران رصد کرده و در صورت لزوم تذکرات لازم را به اپراتور ارسال می‌کند.

• کاربردهای اینترنت اشیاء

اینترنت اشیاء اگر به معنی هوشمند و قابل تعامل شدن همه چیز گرفته شود، می‌تواند تحول شگرفی در محیط زندگی روزمره ایجاد کند. از اینرو ورود آن به هر عرصه‌ای نظارت، ردیابی و نگهداری در آن حوزه را آسان‌تر می‌کند:

• • خانه‌های هوشمند

تصور خانه‌ای که در آن با یک دستور صوتی ساده، در پارکینگ باز شود، چراغ‌ها روشن شوند، چای آماده شود و دمای اتاق به طور خودکار تنظیم گردد با وجود اینترنت اشیاء رویا نیست. تمام این اتفاقات صرفاً حاصل متصل شدن لامپ‌ها، دستگاه چای‌ساز و سیستم گرمایشی به یکدگیر و تعامل آنها با دستیار صوتی یک اپلیکیشن تلفن همراه از بستر اینترنت است. این امر نه تنها زندگی را آسان‌تر می‌کند، بلکه به صرفه‌جویی در مصرف انرژی و افزایش امنیت خانه نیز کمک می‌کند.

• • شهرهای هوشمند

با استفاده از حسگرها و دستگاه‌های متصل بهم، می‌توان ترافیک را به صورت زنده رصد کرد، آلودگی را کاهش داد، مصرف انرژی را بهینه کرد و خدمات عمومی را به طور موثرتری ارائه کرد. به عنوان مثال، سنسورهای هوشمند می‌توانند برای نظارت بر سطح آب موجود در مخازن و هشدار به مقامات شهری در زمان نشت لوله‌ها استفاده شوند و در جلوگیری از هدر رفتن آب کمک کنند.

• • پزشکی و سلامت

فناوری‌های پوشیدنی (مانند ساعت‌ها و عینک‌های هوشمند یا تراشه‌هایی که داخل بدن کاشته می‌شوند) می‌توانند ضربان قلب، فشار خون و سایر علائم حیاتی را به طور مداوم رصد کنند و در صورت بروز مشکل به طور خودکار هشدار دهند. این امر به پزشکان کمک می‌کند تا از راه دور بر وضعیت بیماران خود نظارت کنند و در صورت نیاز مداخله زودهنگام انجام دهند. همچنین، ربات‌های جراحی از دور می‌توانند برای روستاهایی که دسترسی به خدمات تخصصی ندارند یا معالجه سربازان زخمی روی ناوهای اقیانوس‌پیما مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 19: ربات جراحی از راه دور ایرانی «سینا» که به جراح این امکان را می‌دهد بدون حضور در اتاق عمل، برای مثال بیماری که در شهر یا روستای دوری قرار دارد، جراحی کند.[11]

• • کشاورزی

سیستم‌های آبیاری هوشمند می‌توانند به طور خودکار میزان رطوبت محیط و خاک را بسنجند و در صورت لزوم به گیاهان آب بدهند و از این طریق مانع هدر رفت آب شوند. همچنین حسگرها می‌توانند سلامت خاک و محصولات را رصد کنند و به کشاورزان در شناسایی و درمان آفات و بیماری‌ها به موقع کمک کنند. علاوه‌براین پهپادها می‌توانند برای نظارت بر سطح کشت مزارع استفاده شوند.

شکل 20: گلخانه تمام مکانیزه پارک فاوای البرز که در آن فرایند آبیاری، تنظیم دما، رطوبت، کوددهی، بازگشت آب پسماند به چرخه آبیاری، تشخیص آفت و در نهایت برداشت محصول توسط حسگرها، سیستم‌های خودکار و ربات انجام می‌شود.[12]

• • صنعت

حسگرها می‌توانند ماشین‌آلات را برای علائم خرابی رصد کنند و قبل از اینکه مشکلی ایجاد شود، به اپراتورها هشدار دهند. این امر به جلوگیری از خرابی‌های پرهزینه و از کار افتادن ناخواسته و طولانی مدت خط تولید کمک می‌کند. همچنین، ربات‌ها می‌توانند وظایف تکراری یا دارای خطر را انجام دهند و کارگران را از صدمات دور نگه دارند.

• • حمل‌ونقل

یکی از کاربردهای مهم اینترنت اشیاء می‌تواند هوشمند و متصل شدن خودروها، چراغ‌های راهنمایی و رانندگی و تابلوهای ترافیکی به یکدیگر باشد. از این طریق می‌توان خودروها را خودران و بدون نیاز به راننده کرد که می‌تواند سهم بسزایی در کاهش جرائم رانندگی، تصادفات و تلفات جاده‌ای داشته باشد.

شکل 21: ردیاب‌های خودرو می‌توانند اطلاعاتی نظیر موقعیت، سرعت، وضعیت درها وپنجره‌ها، زمان تعویض قطعات و … را از طریق اپلکیشن موبایل به صاحب آن اطلاع دهند.

• • هوش مصنوعی

«یادگیری ماشین» یکی از روش‌های پایه‌ای و اصلی توسعه هوش‌های مصنوعی است. در این روش انبوهی از اطلاعات و داده‌ها (مثل کتاب‌ها، تصاویر، فیلم‌ها، اخبار و …) به برنامه کامپیوتری داده می‌شود و برنامه طبق الگوریتمی شروع به یادگیری از روی داده‌های اولیه می‌کند. پس از تکمیل فرایند آموزش، هوش مصنوعی شکل گرفته و می‌تواند با ترکیب داده‌های آموخته شده، پاسخ‌های جدید تولید کند. براین‌اساس، کلان‌داده‌هایی که از طریق اشیاء هوشمند محیط زندگی افراد در پروژه اینترنت اشیاء جمع‌آوری می‌شود، در واقع ماده اصلی توسعه پروژه هوش مصنوعی است.

• چالش‌های اینترنت اشیاء

متصل شدن همه چیز به یکدگیر در پروژه اینترنت اشیاء به موازات مزایایی که ایجاد می‌کند، تهدیدات را هم بالا می‌برد. به طور کلی چالش‌های اینترنت اشیاء را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:

• • چالش‌های فنی

۱)‌ هماهنگی و استانداردسازی: اینترنت اشیا مجموعه‌ای از دستگاه‌ها و فناوری‌های ناهمگون را از شرکت‌های مختلف گرد هم می‌آورد و آنها را با یکدیگر در تعامل می‌کند. از اینرو قابلیت همکاری این دستگاه‌ها با هم شرط لازم موفقیت اینترنت اشیا است و تدوین استانداردهای مشترک و مورد توافق میان همه بازیگران منطقه‌ای و بین‌المللی (اعم از شرکت‌های فناوری و دولت‌ها) یکی از چالش‌های جدی گسترش این حوزه به شمار می‌رود

2) حفظ امنیت: حسگر ابزارهای متصل به اینترنت اشیاء در بسیاری موارد داده‌های حساسی مانند تصویر چهره، ضربان قلب، اثرانگشت، نقشه خانه، کارهای روزانه فرد و … را گردآوری می‌کند. امن نگه داشتن این اطلاعات برای کسب و حفظ اعتماد مصرف‌کنندگان مسئله بسیار حیاتی است.

ضمن اینکه به علت ارتباط بی‌سیم اشیاء با یکدگیر، امکان هک نفوذ و در آنها نیز بالاتر می‌رود. از اینرو جعل هویت دستگاه توسط هکر (مثلاً کامپیوتر خودش را جای تلویزیون یا یخچال معرفی کند تا کاربر به آن متصل شود) می‌تواند از جمله شگردهای جرائم سایبری در اینترنت اشیاء باشد. ضمن اینکه با توجه به شبکه بودن و اتصال همه چیز به همه چیز در پروژه اینترنت اشیاء، هر گونه نفوذ به یک دستگاه می‌تواند تبعات امنیتی ادامه‌داری برای صاحب دستگاه ایجاد کند. برای مثال هکرها با نفوذ به خودروهای خودران، می‌توانند کنترل مسیر حرکت خودرو را بدست گرفته و با قفل کردن درها و پنجره‌ها، صاحب خودرو را در آن گروگان بگیرند!

این موضوع در سطح نزاع‌های بین‌المللی می‌تواند عواقب وخیم‌تری داشته باشد. هکرها می‌توانند با نفوذ به اشیاء متصل به اینترنت، زیرساخت‌های حیاتی یا نظامی یک کشور را هدف قرار دهد و جنگ‌های سایبری رقم بزنند.

• • چالش‌های اجتماعی

1) حریم خصوصی و نظارت: از ویژگی‌های مهم دستگاه‌های متصل به اینترنت اشیاء، قابل ردیابی بودن آنهاست. علاوه‌براین سوابق فعالیت مثل تعداد، مدت و چگونگی استفاده از وسیله روی سرورهای ابری ذخیره می‌شوند. لذا این خطر وجود دارد که در صورت نبود قوانین و ضوابط سخت‌گیرانه حفاظت از داده‌های شخصی، شرکت صاحب فناوری یا دولت‌ها (مثلاً دولتی که شرکت صاحب فناور ذیل قوانین آن فعالیت می‌کند، یا دولتی که داده‌ها در سرورهای کشورش ذخیره می‌شود) رفتار شهروندان را تحت نظر قرار دهند و اقدام به نقض حریم خصوصی شهروندان کنند.

2) داده‌کاوی: یکی از قابلیت‌های بالقوه اینترنت اشیاء تشکیل کلان‌داده از افراد است؛ یعنی اینکه افراد کی می‌خوابند و بیدار می‌شوند (داده‌های لامپ هوشمند)، چه مواد غذایی می‌خورند (یخچال هوشمند)، چه کسانی به خانه رفت‌وآمد دارند (زنگ درهای هوشمند)، چه عقاید و نگرش‌های فکری دارند (تلویزیون، رادیو و بلندگوی هوشمند) و … . ترکیب این داده‌ها می‌تواند جزئیات حیرت‌انگیزی از سبک‌زندگی افراد نمایش دهد. از اینرو کسب‌وکارهای اینترنت اشیاء علاوه‌برفروش دستگاه هوشمند خود، ممکن است از فروش داده کاربران به نهادهای دیگر (مثل دولت‌ها، احزاب سیاسی، شرکت‌های فناور و بازاریابی) نیز کسب درآمد کنند.

[1] Internet of Things

[2] https://explodingtopics.com/blog/number-of-iot-devices

[3] Cellular Network

[4] https://www.researchgate.net/figure/Throughput-and-latency-in-1G-to-5G_tbl1_346066286

[5] https://unstats.un.org/wiki/display/MPDMIS/a.+Flat+method

[6] https://dgtlinfra.com/cell-tower-range-how-far-reach/

[7] https://www.statista.com/statistics/1183690/mobile-broadband-connection-density/

[8] https://www.javatpoint.com/difference-between-bandwidth-and-frequency

[9] Cellular Network

[10] https://netsanjplus.ir/

[11] https://www.mehrnews.com/news/5242579

[12] https://irna.ir/xjHrFS