اینترنت اشیاء (IoT) در حال تغییر دنیای ما به شکلی شگفت‌انگیز است. با اتصال بی‌سیم اشیای روزمره، امکان خودکارسازی تبادل داده‌ها و ایجاد بهره‌وری‌های جدید فراهم شده که زندگی افراد و سازمان‌ها را بهبود می‌بخشد. در قلب این انقلاب، حسگرهای بی‌سیم (Wireless IoT Sensors) قرار دارند که اطلاعات محیطی را با کمترین تلاش دستی جمع‌آوری می‌کنند. در این مقاله، به‌طور کامل توضیح می‌دهیم که حسگرهای بی‌سیم چیستند، چگونه کار می‌کنند و چرا برای آینده IoT حیاتی‌اند.
حسگرهای بی‌سیم چه کاری انجام می‌دهند؟
حسگرهای بی‌سیم داده‌هایی از شرایط محیطی (مثل دما، رطوبت، یا لرزش) جمع‌آوری می‌کنند و این اطلاعات را با هاب‌ها، دروازه‌ها (Gateways) یا سرورها برای پردازش بیشتر به اشتراک می‌گذارند. این حسگرها معمولاً در مناطق جغرافیایی وسیع پخش می‌شوند و به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شده‌اند که با مراکز مرکزی ارتباط برقرار کنند.
یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های حسگرهای بی‌سیم، نیاز کم به نگهداری و مصرف انرژی پایین آن‌هاست. این حسگرها می‌توانند سال‌ها بدون نیاز به تعویض یا شارژ باتری در برنامه‌های IoT کار کنند. اما سؤال اصلی توسعه‌دهندگان این است: چگونه این حسگرها را در شبکه‌های بی‌سیم سازمان‌دهی کنیم؟
شبکه‌های حسگر بی‌سیم چگونه سازمان‌دهی می‌شوند؟
دو ساختار رایج برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم، توپولوژی ستاره‌ای (Star Topology) و توپولوژی مش (Mesh Topology) هستند:
- توپولوژی مش: در این ساختار، هر حسگر (گره یا Node) به چندین گره نزدیک دیگر متصل می‌شود. داده‌ها می‌توانند از یک گره به گره دیگر «پرش» کنند، بدون نیاز به مسیر یا سلسله‌مراتب خاص. این باعث می‌شود مشکلات اتصال تأثیر کمتری بر عملکرد شبکه داشته باشند، چون داده‌ها می‌توانند از مسیرهای متعدد به مقصد برسند. گسترش این شبکه‌ها نیز آسان است، زیرا گره‌های جدید فقط باید به گره‌های موجود متصل شوند. اما نقطه ضعف؟ هزینه بالا و پیچیدگی مدیریت تعداد زیاد اتصالات.
- توپولوژی ستاره‌ای: در این ساختار، همه حسگرها مستقیماً به یک هاب یا دروازه مرکزی متصل می‌شوند. این هاب داده‌ها را جمع‌آوری و برای پردازش به برنامه‌های دیگر ارسال می‌کند. گره‌ها با یکدیگر ارتباط مستقیم ندارند. این شبکه‌ها ارزان‌تر هستند، چون اتصالات کمتری نیاز دارند، اما گسترش آن‌ها دشوارتر است، زیرا هاب‌های مرکزی ظرفیت محدودی دارند.
حسگرهای بی‌سیم در گذشته چگونه ارتباط برقرار می‌کردند؟
استانداردهای بی‌سیم مختلفی برای شبکه‌های حسگر وجود دارند. تا همین اواخر، فناوری سلولار (Cellular) برای شبکه‌های گسترده (WAN) محبوب بود، اما هزینه بالا و مصرف انرژی زیاد آن برای حسگرهای کم‌مصرف مناسب نبود.
علاوه بر سلولار، استانداردهای دیگری مثل WiFi، Bluetooth Low Energy (BLE) و Zigbee نیز استفاده می‌شوند:
- WiFi: در خانه‌ها و دفاتر بسیار رایج است و از باندهای فرکانسی 2.4GHz و 5GHz استفاده می‌کند. استفاده از شبکه‌های WiFi موجود برای حسگرها آسان است، اما سیگنال‌های WiFi در نفوذ به دیوارها ضعیف‌اند و برای کاربردهای دوربرد مناسب نیستند.
- BLE: نسخه کم‌مصرف بلوتوث است که برای انتقال داده‌های کوچک در باند 2.4GHz طراحی شده. ارزان‌تر از WiFi است، اما در فواصل طولانی یا در برابر دیوارها مشکل دارد و به دلیل تداخل با دیگر دستگاه‌های 2.4GHz، ممکن است ناپایدار باشد.
- Zigbee: از شبکه مش برای پشتیبانی از تعداد زیادی گره (بیش از ۶۵ هزار) استفاده می‌کند. برای شبکه‌هایی که به پهنای باند زیاد نیاز ندارند مناسب است، اما برخی حسگرها باید همیشه روشن باشند که مصرف انرژی را افزایش می‌دهد.
استانداردهای جدید برای حسگرهای بی‌سیم چیست؟
استانداردهای سنتی موثرند، اما شبکه‌های گسترده کم‌مصرف (LPWAN) به‌عنوان گزینه‌ای ایده‌آل برای حسگرهای بی‌سیم ظهور کرده‌اند. LPWANها برای انتقال داده در فواصل طولانی با مصرف انرژی کم طراحی شده‌اند و می‌توانند میلیاردها حسگر را پشتیبانی کنند.
مزایای LPWAN:
- مصرف انرژی کم: حسگرها با یک باتری می‌توانند سال‌ها کار کنند.
- پوشش گسترده: داده‌ها در فواصل طولانی منتقل می‌شوند.
- هزینه پایین: نیاز به سخت‌افزار ساده‌تر، هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.
معایب LPWAN:
- مناسب برای بسته‌های داده کوچک است، نه داده‌های حجیم.
- استفاده از فرکانس‌های بدون مجوز ممکن است باعث تداخل شود.
سه LPWAN برتر برای حسگرهای بی‌سیم
- LoRa/LoRaWAN: استاندارد LoRa (مخفف Long Range) از مدولاسیون طیف گسترده برای انتقال داده در فواصل طولانی استفاده می‌کند. LoRaWAN لایه‌ای عمومی است که حسگرها را از طریق دروازه‌ها یا ارائه‌دهندگان شبکه متصل می‌کند. این استاندارد پهنای باند بیشتری نسبت به Sigfox دارد و در محیط‌های پرنویز بهتر عمل می‌کند. حسگرهای LoRaWAN به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- کلاس A: در حالت خواب هستند تا زمانی که داده‌ای برای ارسال داشته باشند.
- کلاس B: زمان‌بندی مشخصی برای دریافت پیام دارند.
- کلاس C: همیشه آماده دریافت پیام‌اند، اما انرژی بیشتری مصرف می‌کنند.
- Sigfox: حسگرها را با استفاده از انتقال باند باریک به ایستگاه‌های پایه متصل می‌کند. در بیش از ۵۵ کشور پوشش دارد، اما بسته‌های داده به ۱۲ بایت محدودند و تأیید پیام (ACK) پشتیبانی نمی‌شود. کاربران بر اساس تعداد دستگاه و پیام‌های ارسالی هزینه پرداخت می‌کنند.
- NB-IoT: از زیرساخت برج‌های سلولار موجود برای پوشش گسترده استفاده می‌کند. با باندهای محافظ، تداخل را کاهش می‌دهد و برای محیط‌های داخلی مناسب است. در سال ۲۰۱۸، T-Mobile پوشش NB-IoT را از طریق شبکه 4G خود ارائه کرد.
ویژگی‌های یک شبکه حسگر بی‌سیم مؤثر چیست؟
یک شبکه حسگر بی‌سیم خوب باید این ویژگی‌ها را داشته باشد:
- موقعیت‌یابی آسان گره‌ها: برای تعمیر و نگهداری، باید به‌راحتی بتوان حسگرها را پیدا کرد.
- مقاومت در برابر خرابی: شبکه باید در صورت خرابی یک گره، عملکرد خود را حفظ کند.
- مقیاس‌پذیری: گسترش شبکه باید آسان و مقرون‌به‌صرفه باشد.
- مصرف انرژی بهینه: حسگرها باید با نیازهای داده‌ای برنامه IoT هم‌خوانی داشته باشند تا هزینه‌های نگهداری کاهش یابد.
کاربردهای حسگرهای بی‌سیم در دنیای واقعی
حسگرهای بی‌سیم در صنایع مختلف تحول ایجاد کرده‌اند. چند مثال:
- امنیت: بانک‌ها از دکمه‌های بی‌سیم به‌عنوان دکمه‌های اضطراری استفاده می‌کنند. خرده‌فروشان حسگرهای پنجره بی‌سیم نصب می‌کنند و صاحبان خانه از حسگرهای هوا برای تشخیص گازهای خطرناک مثل مونوکسید کربن بهره می‌برند.
- مدیریت تأسیسات: حسگرهای نشت آب برای جلوگیری از خرابی لوله‌ها و حسگرهای طنابی در اتاق‌های سرور برای تشخیص آب استفاده می‌شوند.
- مدیریت بلایا: در تگزاس، حسگرهای بی‌سیم روی پل‌ها سطح آب را برای هشدار سیلاب رصد می‌کنند. حسگرهای لرزش در کارخانه‌ها خرابی تجهیزات را پیش‌بینی می‌کنند.
- مراقبت‌های بهداشتی: دکمه‌های بی‌سیم در مراکز سالمندان به‌عنوان دستگاه‌های PERS استفاده می‌شوند. حسگرهای رطوبت شرایط محیطی بیمارستان‌ها را بهینه می‌کنند.
- خرده‌فروشی: حسگرهای دما در سوپرمارکت‌ها یخچال‌ها را رصد می‌کنند و حسگرهای فشاری در سرویس‌های بهداشتی نیاز به نظافت را اطلاع می‌دهند.
آینده حسگرهای بی‌سیم
با رشد اینترنت اشیاء، انتظار می‌رود کاربردهای نوآورانه‌تری از حسگرهای بی‌سیم ببینیم که صنایع مدرن را برای همیشه تغییر می‌دهند. از بهبود امنیت و مدیریت منابع گرفته تا مراقبت‌های بهداشتی و خرده‌فروشی، این فناوری در حال ساخت جهانی کارآمدتر و هوشمندتر است.
شما درباره حسگرهای بی‌سیم IoT چه فکر می‌کنید؟ آیا در زندگی یا کسب‌وکارتان از آن‌ها استفاده کرده‌اید؟ نظراتتان را با ما به اشتراک بگذارید!
منبع: iotforall