مقاله اینترنت برای شهرهای هوشمند

اینترنت برای شهرهای هوشمند

چکیده:

اینترنت چیزها ((IoT باید بتواند تعداد زیادی از سیستم های انتهایی مختلف و ناهمگن را به طور شفاف و یکپارچه در نظر بگیرد، در حالیکه دسترسی آزاد به زیر مجموعه های انتخابی داده ها برای توسعه فراوانی خدمات دیجیتال فراهم می شود. ساخت یک معماری کلی برای IoT از این رو یک کار بسیار پیچیده است، عمدتا به دلیل تنوع بسیار زیادی از دستگاه ها، تکنولوژی های لایه لینک و خدماتی که ممکن است در چنین سیستمی دخیل باشند. در این مقاله، ما به طور خاص به سیستم IoT شهری تمرکز می کنیم که در حالی که هنوز یک دسته بندی وسیع است، با حوزه کاربرد خاص خود مشخص می شوند. یو پی اس های شهری، در حقیقت، برای حمایت از چشم انداز شهر هوشمند طراحی شده اند که هدف از بهره گیری از پیشرفته ترین فن آوری های ارتباطی برای حمایت از خدمات ارزش افزوده برای اداره شهرستان و شهروندان است. این مقاله به این ترتیب یک بررسی جامع از فناوری ها، پروتکل ها و معماری را برای یک IoT شهری فراهم می کند. علاوه بر این، این مقاله در مورد راه حل های فنی و دستورالعمل های بهترین شیوه تصویب شده در پروژه Padova Smart City ارائه خواهد شد و یک استقرار مدرن از یک جزیره IoT در شهر Padova ایتالیا در همکاری با شهرداری شهر انجام خواهد شد.

بخش اول معرفی

اینترنت چیزها IoT))یک پارادایم ارتباطی اخیر است که آینده ای نزدیک را در نظر می گیرد که در آن اشیاء زندگی روزمره با میکروکنترلرها، گیرنده های ارتباطات دیجیتالی و پروتکل های مناسب مناسب مجهز خواهند شد که آنها را قادر می سازد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و با کاربران، تبدیل شدن به یک بخشی جدایی ناپذیر از اینترنت [1]. بنابراين، مفهوم IoT به دنبال ايجاد اينترنت مي باشد. علاوه بر این، با دسترسی آسان و تعامل با طیف گسترده ای از دستگاه هایی مانند، لوازم خانگی، دوربین های نظارت، سنسورهای نظارت، محرک ها، نمایشگرها، وسایل نقلیه و غیره، IoT موجب توسعه تعدادی از برنامه ها خواهد شد. که از مقدار بالقوه فراوان و انواع اطلاعات تولید شده توسط چنین اشیائی برای ارائه خدمات جدید به شهروندان، شرکت ها و ادارات دولتی استفاده می کند. این پارادایم در واقع در بسیاری از حوزه های مختلف مانند اتوماسیون خانگی، اتوماسیون صنعتی، کمک های پزشکی، مراقبت از تلفن همراه، کمک سالمندان، مدیریت انرژی هوشمند و شبکه های هوشمند، خودرو، مدیریت ترافیک و بسیاری دیگر کاربرد دارد.
با این حال، چنین زمینه ناهمگونی کاربردی، شناسایی راه حل ها را قادر می سازد که شرایط مورد نیاز تمام سناریوهای کاربردی را به یک چالش بزرگی برسانند. این مشکل منجر به گسترش و گسترش پیشنهادات مختلف و گاهی ناسازگار برای تحقق عملی سیستم های IoT می شود. بنابراین، از منظر سیستم، تحقق یک شبکه IoT، همراه با خدمات و دستگاه های شبکه بیسیم مورد نیاز، به دلیل نوآوری و پیچیدگی آن هنوز به بهترین نحو ناکارآمد است. علاوه بر مشکلات فنی، تصویب پارامتر IoT نیز از عدم وجود یک مدل تجاری واضح و گسترده پذیرفته شده است که می تواند سرمایه گذاری هایی را برای ترویج استقرار این فن آوری ها جذب کند
در این سناریوی پیچیده، استفاده از پارادایم IoT به یک چارچوب شهری، از اهمیت ویژه ای برخوردار است، زیرا به فشار قوی بسیاری از دولت های ملی برای اتخاذ راه حل های ICT در مدیریت امور عمومی واکنش نشان می دهد، در نتیجه، به اصطلاح Smart City مفهوم [4]. گرچه هنوز تعریف رسمی و گسترده ای از “شهر هوشمند” وجود ندارد، هدف نهایی این است که استفاده بهتر از منابع عمومی، افزایش کیفیت خدمات ارائه شده به شهروندان، کاهش هزینه های عملیاتی عمومی ادارات این هدف می تواند توسط استقرار یک IoT شهری، یعنی یک زیرساخت ارتباطی که دسترسی یکپارچه، ساده و اقتصادی به فراوانی خدمات عمومی فراهم می شود، به دست آورد، در نتیجه، همکاری های بالقوه و افزایش شفافیت شهروندان را دنبال می کند. یک IOT شهرنشینی، در واقع، می تواند تعدادی از مزایای مدیریت و بهینه سازی خدمات عمومی سنتی مانند حمل و نقل و پارکینگ، روشنایی، نظارت و نگهداری مناطق عمومی، حفظ میراث فرهنگی، جمع آوری زباله، سالمندی بیمارستان ها و مدرسه1 علاوه بر این، در دسترس بودن انواع داده های جمع آوری شده توسط IoT فراگیر شهری نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرد تا افزایش شفافیت و ترویج اقدامات دولت محلی نسبت به شهروندان، افزایش آگاهی مردم نسبت به وضعیت شهرشان، تحریک مشارکت فعال شهروندان در مدیریت دولت های عمومی، و همچنین ایجاد خدمات جدید را تحریک بر کسانی ارائه شده توسط اینترنت اشیا ؛ بنابراین، استفاده از پارامتر IoT به شهر هوشمند به خصوص برای ادارات محلی و منطقه ای جذاب است که ممکن است تبدیل کننده سازندگان اولیه چنین فن آوری هایی باشند، بنابراین به عنوان کاتالیزورهایی برای پذیرش پارادایم IoT در مقیاس وسیع عمل می کنند.

هدف این مقاله، بحث در مورد یک چارچوب مرجع کلی برای طراحی یک IOT شهرستانی است. ما ویژگی های خاصی از IoT شهری را توصیف می کنیم و خدماتی که ممکن است توسط دولت های محلی تصویب IoT شهری را در اختیار بگیرد. سپس رویکرد مبتنی بر وب را برای طراحی خدمات IoT و پروتکل ها و فن آوری های مربوطه مورد بحث قرار می دهیم و در مورد مناسب بودن آن برای محیط شهر هوشمند مرور می کنیم. در نهایت، بحث ما را با گزارش تجربه ما در پروژه “شهر پدوا هوشمند”، که یک استقرار مدرن از یک جزیره IoT در شهر Padova (ایتالیا) است و با شبکه داده شهرداری شهری ارتباط دارد، اثبات می کنیم. . در این رابطه،

بقیه مقاله به شرح زیر است: بخش دوم ، خدماتی را که معمولا به دید شهر Smart City مربوط می شود، مرور می کند و می تواند توسط استقرار یک IOT شهری فعال شود. بخش سوم یک نمای کلی از معماری سیستم برای IoT شهری را فراهم می کند. در بخش بیشتر، این بخش رویکرد خدمات وب را برای تحقق خدمات IoT، با فرمت های داده مرتبط و پروتکل های ارتباطی و تکنولوژی های لایه لینک توصیف می کند. سرانجام بخش چهارم پروژه “Smart City Padova” را ارائه می دهد که نمونه ای از اجرای احتمالی یک IOT شهر است و مثال هایی از نوع داده هایی را می توان با چنین ساختاری جمع آوری کرد.

 

بخش دوم شهر هوشمند مفهوم و خدمات

با توجه به تحقیقات Pike در شهرهای هوشمند 2 ، بازار شهر هوشمند تا سال 2020 به صدها میلیارد دلار تخمین زده می شود و هزینه سالیانه آن نزدیک به 16 میلیارد دلار است. این بازار از طریق همکاری مشترک صنایع کلیدی و خدماتی مانند مدیریت هوشمند، تحرک هوشمند، ابزارهای هوشمند، ساختمانهای هوشمند و محیط هوشمند، حاصل می شود. این بخش ها نیز در پروژه “شهرهای هوشمند اروپایی” ( http://www.smart-cities.eu ) برای تعریف یک معیار ارزیابی که می تواند برای ارزیابی سطح “هوشمند بودن” شهر های اروپایی مورد استفاده قرار گیرد، مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود، بازار شهر هوشمند هنوز برای برخی از موانع سیاسی، فنی و مالی به طور کامل نشده است [6] .

با توجه به ابعاد سیاسی، مانع اصلی اختصاص دادن قدرت تصمیم گیری به ذینفعان مختلف است. یک راه ممکن برای حذف این راه حل این است که تمام تصمیم گیری و فرایند اجرایی را نهادینه سازد، برنامه ریزی استراتژیک و مدیریت شهر های هوشمند را به یک واحد اختصاص داده شده در شهر متمرکز کنید [7] .

در بخش فنی، موضوع مهم ترین مسئله عدم سازگاری تکنولوژی های ناهمگن در حال حاضر در توسعه شهرها و شهری است. در این راستا، دیدگاه IoT می تواند تبدیل به بلوک ساختمان برای تحقق بخشیدن به یک پلت فرم ICT شهری در سطح شهری باشد، در نتیجه پتانسیل چشم انداز شهر هوشمند [8] ، [9] را آزاد می کند .

در نهایت، در مورد بعد مالی، مدل کسب و کار روشن هنوز فاقد آن است، اگر چه برخی از ابتکارات برای پر کردن این شکاف اخیرا انجام شده است [10] . وضعیت بدتر از وضعیت اقتصادی ناخوشایند اقتصادی است که به طور کلی کاهش سرمایه گذاری در خدمات عمومی را تعیین کرده است. این وضعیت مانع از تبدیل شدن به واقعیت بازار بازار بالقوه عظیم شهر هوشمند می شود. یک راه ممکن برای خروج از این مناقشه این است که برای اولین بار خدماتی را که خدمات اجتماعی را با بازپرداخت بسیار دقیق سرمایه گذاری مانند پارکینگ هوشمند و ساختمان های هوشمند متصل می کنند، توسعه دهند و از این رو به عنوان کاتالیزورهای دیگر خدمات ارزش افزوده عمل می کنند [10] .

در بقیه این بخش، ما برخی از خدماتی را که ممکن است توسط یک پارادایم شهری IOT فعال شوند و از نظر بالقوه در زمینه شهر هوشمند مورد بررسی قرار گیرند، مرور می کنیم؛ زیرا آنها می توانند وضعیت بهتری از افزایش کیفیت و ارتقاء خدمات را درک کنند ارائه شده به شهروندان در حالی که آوردن سود اقتصادی برای اداره شهرستان از نظر کاهش هزینه های عملیاتی [6] . برای بهتر شناخت سطح بلوغ فن آوری های فعال برای این خدمات، ما در جدول 1 گزارش می کنیمیک دیدگاه سینوپتیک از خدمات از لحاظ نوع پیشنهادی شبکه قابل استفاده، ترافیک پیش بینی شده توسط سرویس، حداکثر تاخیر قابل تحمل، قدرت دستگاه، و برآورد امکان سنجی هر سرویس با فن آوری های در حال حاضر در دسترس است. از جدول، به وضوح نشان می دهد که به طور کلی، تحقق عملی بسیاری از این خدمات از طریق مسائل فنی مانع نمی شود، بلکه به علت فقدان یک معماری ارتباطی و خدماتی که به طور گسترده پذیرفته شده می تواند از ویژگی های خاص تک فن آوری ها و دسترسی هماهنگ به خدمات ارائه شده است.

جدول I مشخصات خدمات برای پروژه شهر هوشمند

Padova

سلامت سازه های ساختمان: نگهداری مناسب ساختمان های تاریخی یک شهر مستلزم نظارت مستمر بر شرایط واقعی هر ساختمان و شناسایی مناطقی است که بیشتر تحت تاثیر عوامل خارجی قرار دارند. IoT شهری ممکن است یک پایگاه داده توزیع شده برای اندازه گیری های یکپارچگی ساختاری ایجاد کند که از طریق سنسورهای مناسب در ساختمان ها، مانند سنسورهای لرزش و تغییر شکل برای نظارت بر استرس ساختمان، سنسورهای عامل جوی در مناطق اطراف برای نظارت بر سطح آلودگی، و درجه حرارت و حسگرهای رطوبت برای توصیف کامل شرایط محیطی [11]. این پایگاه داده باید نیاز به تست ساختاری گرانقیمت دوره ای توسط اپراتورهای انسانی را کاهش داده و اقدامات نگهداری و بازسازی هدفمند و فعال را امکان پذیر سازد. در نهایت، می توان ترکیب لرزش و خواندن لرزه ای را برای بهتر مطالعه و درک تاثیر زمین لرزه های نور در ساختمان های شهرستان. این پایگاه داده را می توان در دسترس عموم قرار داد تا شهروندان را در مورد مراقبت های موجود در حفظ میراث تاریخی شهر آگاه سازد. تحقق عملی این سرویس، با این حال، مستلزم نصب سنسورها در ساختمان ها و مناطق اطراف آن و اتصال آنها به یک سیستم کنترل است که ممکن است نیاز به سرمایه گذاری اولیه برای ایجاد زیرساخت مورد نیاز باشد.

مدیریت زباله: مدیریت زباله یکی از مسائل اصلی در بسیاری از شهرهای مدرن است، به دلیل هزینه خدمات و مشکل ذخیره سازی زباله در دفاتر زباله. نفوذ عمیقتر در راه حل های ICT در این حوزه می تواند منجر به صرفه جویی قابل ملاحظه و مزایای اقتصادی و محیط زیست شود. به عنوان مثال، استفاده از ظروف زباله هوشمند که سطح بار را شناسایی می کند و امکان بهینه سازی مسیر کامیون های کامیون را فراهم می کند، می تواند هزینه جمع آوری زباله ها را بهبود بخشد و کیفیت بازیافت را کاهش دهد [12] . 3 برای تحقق چنین خدمات هوشمند مدیریت زباله، IoT باید دستگاه های پایان، یعنی ظروف هوشمند زباله، را به یک مرکز کنترل متصل کند که در آن یک نرم افزار بهینه سازی داده ها را پردازش می کند و مدیریت بهینه ناوگان کامیون جمع آوری را تعیین می کند.

کیفیت هوا: اتحادیه اروپا رسما یک دستورالعمل 20-20-20 انرژی تجدید پذیر را که اهداف کاهش تغییرات اقلیمی را برای دهه آینده تعیین کرده است، تصویب کرد. 4 اهداف عبارتند از کاهش 20 درصدی انتشار گازهای گلخانه ای تا سال 2020 در مقایسه با سطح 1990، کاهش 20 درصدی مصرف انرژی از طریق بهبود بهره وری انرژی تا سال 2020 و افزایش 20 درصدی استفاده از انرژی های تجدید پذیر تا سال 2020. به میزان قابل توجهی، IoT شهری می تواند وسیله ای برای نظارت بر کیفیت هوا در مناطق شلوغ، پارک ها یا مسیرهای پیاده روی باشد. [13]. علاوه بر این، امکانات ارتباطی را می توان فراهم کرد تا برنامه های بهداشتی در حال اجرا بر روی دستگاه های یگانگیر به زیرساخت متصل شوند. به این ترتیب، مردم همیشه می توانند مسیر سالم زندگی را برای فعالیت های در فضای باز پیدا کنند و می توانند به طور پیوسته با برنامه آموزش شخصی ترجیح داده شوند. تحقق چنین خدماتی مستلزم آن است که کیفیت هوا و سنسورهای آلودگی در سراسر شهر مستقر شود و داده های سنسور برای شهروندان به طور عمومی قابل دسترس باشد.

نظارت بر سر و صدا: نویز می تواند به عنوان یک فرم آلودگی صوتی به اندازه اکسید کربن (CO) برای هوا دیده می شود. به این ترتیب، مقامات شهر قبلا قوانین خاصی برای کاهش میزان نویز در مرکز شهر در ساعات خاص صادر کرده اند. یوتیوب شهری می تواند سرویس مانیتورینگ سر و صدا را برای اندازه گیری میزان نویز تولید شده در هر ساعت مشخص در مکان هایی که خدمات را اتخاذ می کنند، ارایه دهد [14]. علاوه بر ساخت نقشه زمان فضایی آلودگی صوتی در منطقه، چنین خدماتی نیز می تواند برای اجرای امنیت عمومی با استفاده از الگوریتم های تشخیص صدا، که می توانند به عنوان مثال، سر و صدای سقوط شیشه ها و یا نزاع ها را تشخیص دهند. به این ترتیب این سرویس می تواند آرام شبانه شهر و اطمینان از صاحبان مؤسسات دولتی را بهبود بخشد، هرچند نصب و راه اندازی آشکارسازهای صوتی یا میکروفن های محیطی به دلیل نگرانی های امنیتی ناشی از این نوع نظارت، بسیار بحث برانگیز است.

جابجایی ترافیک: در همان خطوط نظارت بر کیفیت و نظارت بر سر و صدا، یک سرویس Smart City ممکن است که توسط IoT شهری فعال شود، شامل نظارت بر تراکم ترافیک در شهر می شود. با اینکه سیستم های نظارت بر ترافیک مبتنی بر دوربین در حال حاضر در دسترس هستند و در بسیاری از شهرهای مختلف مستقر شده اند، ارتباطات گسترده ای با قدرت کم توان منبع اطلاعاتی تیز را فراهم می کنند. نظارت بر ترافیک را می توان با استفاده از قابلیت های سنجش و GPS نصب شده در وسایل نقلیه جدید [15]، و همچنین ترکیب ترکیبی از کیفیت هوا و سنسورهای صوتی در طول جاده داده شده است. این اطلاعات برای مقامات شهری و شهروندان اهمیت زیادی دارد: برای سابق، نظارت بر ترافیک و فرستادن افسران در جایی که لازم است، و برای پیشبرد راه برای رسیدن به دفتر و یا برنامه سفر خرید به مرکز شهر بهتر است.

مصرف انرژی شهر: همراه با خدمات نظارت بر کیفیت هوا، یک IOT شهر ممکن است خدماتی را برای نظارت بر مصرف انرژی کل شهر فراهم کند، بنابراین مقامات و شهروندان قادر خواهند بود دید دقیق و دقیق از میزان انرژی مورد نیاز از طریق مختلف را فراهم کنند خدمات (روشنایی عمومی، حمل و نقل، چراغ های راهنمایی، دوربین های کنترل، گرمایش / خنک سازی ساختمان های عمومی و غیره). به نوبه خود، این را می توان برای شناسایی منابع اصلی مصرف انرژی و تنظیم اولویت ها به منظور بهینه سازی رفتار آنها. این در جهت هایی که توسط دستورالعمل اروپا برای بهبود بهره وری انرژی در سال های آینده نشان داده می شود. برای دستیابی به چنین خدماتی، دستگاههای نظارت بر کشیدن قدرت باید با شبکه برق در شهر ادغام شوند. علاوه بر این،

پارکینگ هوشمند: سرویس پارکینگ هوشمند مبتنی بر سنسورهای جاده ای و نمایش های هوشمند است که رانندگان را در مسیر بهترین پارکینگ در شهر هدایت می کند [16]. مزایای حاصل از این سرویس بسیار متنوع است: زمان سریعتر برای قرار دادن یک پارکینگ به معنی کاهش انتشار CO2 از خودرو، تراکم ترافیک کمتر و شهروندان شادتر است. سرویس پارکینگ هوشمند می تواند به طور مستقیم در زیرساخت های IoT شهری به کار گرفته شود، چرا که بسیاری از شرکت های اروپایی محصولات بازار را برای این برنامه ارائه می دهند. علاوه بر این، با استفاده از فناوری های ارتباطات کم نور، مانند شناسه های فرکانس رادیویی (RFID) یا ارتباط نزدیکی (NFC)، می توان یک سیستم تایید الکترونیکی مجوز های پارکینگ در اسلات های اختصاص داده شده برای ساکنان یا معلولان را تحقق بخشید، خدمات به شهروندان می تواند مشروع استفاده از آن اسلات و یک ابزار کارآمد برای سریع نقض موارد.

روشنایی هوشمند: به منظور حمایت از دستورالعمل 20-20-20، بهینه سازی بازده روشنایی خیابانی یک ویژگی مهم است. به ویژه، این سرویس می تواند میزان لامپ های خیابانی را با توجه به زمان روز، شرایط آب و هوایی و حضور مردم بهینه سازی کند. به منظور درست کار کردن، چنین خدماتی باید شامل چراغ های خیابانی به زیرساخت های Smart City باشد. همچنین امکان افزایش تعداد لکه های متصل شده برای استفاده از اتصال WiFi به شهروندان امکان پذیر است. علاوه بر این، یک سیستم تشخیص خطا به راحتی در بالای کنترل کننده های خیابانی به نمایش در می آید.

اتوماسیون و سالمندی ساختمان های عمومی: یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری IoT، نظارت بر مصرف انرژی و سالمندی محیط در ساختمان های عمومی (مدارس، دفاتر اداری و موزه ها) با استفاده از انواع سنسورها و محرک هایی است که چراغ ها را کنترل می کنند ، دما و رطوبت. با کنترل این پارامترها، در واقع، امکان افزایش راحتی افرادی که در این محیط زندگی می کنند، افزایش می یابد، که ممکن است از نظر بهره وری نیز مثبت باشد، در حالی که کاهش هزینه های گرمایش / خنک کننده [17] .

بخش سوم معماری شهری IoT

از تجزیه و تحلیل خدمات توصیف شده در بخش دوم ، به وضوح ظاهر می شود که بیشتر سرویس های Smart City بر اساس یک معماری متمرکز است، جایی که مجموعه ای وسیع و ناهمگن از وسایل جانبی محصور شده در منطقه شهری، انواع مختلف داده ای را که از طریق آن فن آوری های ارتباطی مناسب برای یک مرکز کنترل، که در آن ذخیره و پردازش داده ها انجام می شود.

از این رو، ویژگی اصلی زیرساختی IoT شهری، توانایی ادغام فن آوری های مختلف با زیرساخت های ارتباطی موجود برای حمایت از تکامل مترقی IoT، با اتصال دستگاه های دیگر و تحقق ویژگی های جدید و خدمات است. یکی دیگر از جنبه های اساسی ضرورت ایجاد (بخشی از) داده های جمع آوری شده توسط IOT شهری است که به راحتی توسط مقامات و شهروندان قابل دسترسی است، افزایش پاسخگویی مقامات به مشکلات شهر و ترویج آگاهی و مشارکت شهروندان در امور عمومی [ 9] .

در بقیه این بخش، اجزای مختلف سیستم IoT شهری را توصیف می کنیم، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است . ما شروع به توصیف رویکرد سرویس وب برای طراحی خدمات IoT می کنیم که نیاز به استقرار لایه های پروتکل مناسب در عناصر مختلف شبکه دارد، همانطور که در دسته های پروتکل نشان داده شده در شکل 1 نشان داده شده است ، علاوه بر عناصر کلیدی معماری. سپس، ما به طور خلاصه تکنولوژی های لایه لینک را می توانیم برای اتصال بخش های مختلف IoT مورد بررسی قرار دهیم. در نهایت، ما مجموعه ای ناهمگونی از دستگاه ها را توصیف می کنیم که به تحقق بخشیدن به IoT شهر کمک می کند.

A. رویکرد سرویس وب برای معماری خدمات IoT
اگر چه در دامنه IoT بسیاری از استانداردهای مختلف هنوز در حال تلاش برای مرجع و بیشتر اتخاذ شده است، در این بخش ما به طور خاص به استانداردهای IETF تمرکز می کنند، زیرا آنها باز و بدون حق امتیاز هستند، بر اساس بهترین شیوه های اینترنت، و می تواند بر روی حساب کاربری یک جامعه وسیع.

استانداردهای IETF برای IoT شامل یک سرویس وب سرویس برای خدمات IoT است که به طور گسترده در ادبیات به عنوان رویکرد بسیار امیدوار کننده و انعطاف پذیر معرفی شده است. در حقیقت، خدمات وب اجازه می دهد تا یک سیستم انعطاف پذیر و متقابل که می تواند به گره های IoT گسترش یابد، از طریق تصویب پارادایم مبتنی بر وب شناخته شده به عنوان نمایندگی دولت انتقال (ReST) [18]. خدمات IoT که مطابق با Paradigm REST طراحی شده، شباهت بسیار زیادی با سرویس های سنتی وب را نشان می دهد، بنابراین تا حد زیادی تطبیق و استفاده از IoT توسط کاربران نهایی و توسعه دهندگان خدمات را آسان می کند، که می تواند به راحتی بسیاری از دانش های به دست آمده از وب سنتی را دوباره استفاده کند. فن آوری ها در توسعه خدمات برای شبکه هایی که شامل اشیاء هوشمند هستند. رویکرد سرویس وب توسط سازمان های استاندارد بین المللی مانند IETF، ETSI و W3C، و همچنین پروژه های تحقیقاتی اروپایی در IoT مانند SENSEI، 5 IoT-A، 6 و SmartSantander، ارتقاء یافته است. 1

شکل 2 یک معماری پروتکل مرجع برای سیستم IoT شهری را نشان می دهد که شامل هر دو پروتکل پروتکل بدون محدودیت و محدود است. اولین پروتکل شامل پروتکل هایی است که در حال حاضر استانداردهای فاکتور برای ارتباطات اینترنتی هستند و معمولا توسط میزبان های معمول اینترنت مانند XML، HTTP و IPv4 استفاده می شود. این پروتکل ها در ستون پروتکل محدود شده توسط همتایان کم پیچیدگی، یعنی XML XML Exchanging (EXI)، پروتکل درخواست محدود (CoAP) و 6LoWPAN، که حتی برای دستگاه های بسیار محدود نیز مناسب هستند، آشکار می شوند. عملیات ترانزیتی بین پروتکل ها در پشته چپ و راست در شکل 2می تواند به صورت استاندارد و کم و پیچیده انجام شود، بنابراین دسترسی آسان و قابلیت همکاری گره های IoT با اینترنت را تضمین می کند. لازم به ذکر است که سیستم هایی که پشته پروتکل EXI / CoAP / 6LoWPAN را اتخاذ نمی کنند، هنوز هم می توانند به صورت یکپارچه در سیستم IoT شهری گنجانده شوند، در صورتی که قادر به برقراری ارتباط با تمام لایه های سمت چپ پروتکل معماری در شکل 2 .

در معماری پروتکل نشان داده شده در شکل 2 ، ما می توانیم سه لایه مجزا متمایز، یعنی (i) داده ها، (ii) برنامه / حمل و نقل و (iii) شبکه، که ممکن است نیاز به سازمانهای اختصاصی برای کارکردن مبادله بین محدودیت و بدون محدودیت فرمت ها و پروتکل ها. در بقیه این بخش، جزئیات بیشتری را در هر یک از سه لایه کاربردی برای تضمین قابلیت همکاری در میان بخش های مختلف سیستم مشخص می کنیم.

1. 1) قالب داده
همانطور که ذکر شد، پارادایم شهری شهری با توجه به دسترسی به اطلاعات، شرایط خاصی را تعیین می کند. در معماری مبتنی بر سرویس های وب، تبادل اطلاعات معمولا با توصیف محتوای منتقل شده با استفاده از زبان های نمایندگی معنایی همراه است، که احتمالا شایع ترین زبان نشانه گذاری Extensible Markup Language (XML) است. با این وجود، اندازه پیام های XML برای ظرفیت محدود دستگاه های معمول برای IoT بسیار زیاد است. علاوه بر این، ماهیت متن بازنویسی XML تجزیه پیغام ها توسط دستگاه های محدود CPU پیچیده تر نسبت به فرمت های دودویی است. به همین علت، گروه کاری کنسرسیوم جهانی وب (W3C) 7 فرمت EXI را پیشنهاد کرده است [19]، که حتی برای دستگاه های بسیار محدود نیز امکان پشتیبانی و تولید پیام ها را با استفاده از فرمت داده های باز، سازگار با XML فراهم می کند.

EXI دو نوع رمزگذاری را تعریف می کند، یعنی Schema-less و Schema-Informed. در حالی که رمزگذاری بدون schema مستقیما از داده های XML تولید می شود و می تواند بدون هر گونه اطلاعات پیشین در مورد داده ها، توسط هر نهاد EXI رمزگشایی شود، رمزگذاری اطلاعاتی بر اساس این فرض می شود که دو پردازنده EXI یک Schema XML مشترک را قبل از رمزگذاری و رمزگشایی واقعی جا می گیرد. این طرح مشترک اجازه می دهد تا شناسه های عددی را به تگ های XML در طرح اختصاص داده و گرامرهای EXI را بر اساس چنین برنامه نویسی ساخت. همانطور که در [20] بحث شدیک پردازشگر EXI اطلاعاتی که به طور کلی هدف قرار می گیرد می تواند به راحتی حتی در دستگاه های بسیار محدود هم یکپارچه شود و به آنها اجازه می دهد تا فرمت های EXI را تفسیر کنند و از این رو امکان ساخت گره های چند منظوره IoT را حتی از دستگاه های بسیار محدود فراهم می سازد. با این وجود، با استفاده از رویکرد آگاهانه طرح، نیاز به مراقبت بیشتری در توسعه برنامه لایه بالاتر وجود دارد، زیرا توسعه دهندگان نیاز به تعریف یک طرحواره XML برای پیام های درگیر در برنامه دارند و از پردازنده های EXI که از این حالت عملیات پشتیبانی می کنند استفاده می کنند. اطلاعات بیشتر در مورد فرایند EXI و پردازش آگاهانه را می توان در [20] پیدا کرد .

ادغام چندین منبع داده XML / EXI در یک سیستم IoT می تواند با استفاده از پایگاه داده هایی که معمولا توسط برنامه های سطح بالا ایجاد و نگهداری می شود، به دست می آید. در واقع، برنامه های IoT به طور کلی یک پایگاه داده از گره های کنترل شده توسط برنامه ایجاد می کنند و اغلب از داده های تولید شده توسط چنین گره ها. این پایگاه داده امکان ادغام داده های دریافت شده توسط هر دستگاه IoT را برای ارائه سرویس خاصی که برنامه برای آن ساخته شده است، فراهم می کند. یک چارچوب عمومی برای ساخت برنامه های وب IoT با توجه به دستورالعمل های توصیف شده در این بخش در [21]، جایی که نویسندگان همچنین پیشنهاد می کنند از قابلیت های جاوا اسکریپت و XML (AJAX) مرورگرهای وب مدرن استفاده کنند که اجازه ارتباط مستقیم بین مرورگر و گره نهایی IoT را می دهد، نشان می دهد که اینترنت متصل کامل از ستون پروتکل و ماهیت داده باز رویکرد پیشنهادی

2) لایه های کاربرد و حمل و نقل
اکثر ترافیک که از امروز به اینترنت متصل هستند در لایه کاربرد توسط HTTP بر روی TCP انجام می شود. با این حال، نوشتار و پیچیدگی HTTP بومی آن را برای یک راه اندازی مستقیم در دستگاه های IoT محدود تنظیم ناپذیر است. برای چنین محیطی، در واقع، فرمت قابل خواندن انسان از HTTP، که یکی از دلایل موفقیت آن در شبکه های سنتی است، به دلیل مقدار زیادی وابستگی شدید (و در نتیجه بیش از حد) داده ها. علاوه بر این، HTTP معمولا بر پروتکل حمل و نقل TCP متکی است، اما با این حال، بر روی دستگاه های محدود به خوبی مقیاس نمی شود و عملکرد ضعیف را برای جریان های داده های کوچک در محیط های از دست رفته به ارمغان می آورد.

پروتکل CoAP [22] این مشکلات را با پیشنهاد یک فرمت دودویی که از طریق UDP حمل می شود، برطرف می کند و تنها انتقال مجدد مورد نیاز برای ارائه خدمات قابل اعتماد را انجام می دهد. علاوه بر این، CoAP می تواند به راحتی با HTTP همکاری کند؛ زیرا (i) از روش REST HTTP (GET، PUT، POST و DELETE) پشتیبانی می کند؛ (ii) بین کدهای پاسخ دو پروتکل ها و (iii) گزینه های CoAP می توانند طیف گسترده ای از سناریوهای استفاده از HTTP را پشتیبانی کنند.

اگر چه میزبان های معمولی اینترنتی می توانند از CoAP مستقیما به طور مستقیم با دستگاه های IoT پشتیبانی کنند، راه حل به طور کلی و به راحتی با همکاری، نیاز به استقرار یک واسطه HTTP-CoAP، همچنین به عنوان پروکسی متقابل شناخته می شود که می تواند به طور مستقیم درخواست ها / پاسخ ها را بین دو پروتکل ترجمه کند، در نتیجه امکان تعامل شفاف با دستگاه های و برنامه های HTTP بومی را فراهم می کند [23] .

3) لایه شبکه
IPv4 پیشرو فناوری آدرس دهی است که توسط میزبان های اینترنتی پشتیبانی می شود. با این حال، IANA، سازمان بین المللی که آدرس آی پی را در یک سطح جهانی اختصاص می دهد، اخیرا اعلام کرد که تمام بلوک های آدرس IPv4 خالی است. به عقیده، شبکه های IoT شامل میلیاردها گره می شود که هر کدام (به طور کلی) باید به صورت منحصر به فرد باشد. یک راه حل برای این مشکل توسط استاندارد IPv6 ارائه شده است [24] ، که یک فیلد آدرس 128 بیتی را فراهم می کند، بنابراین می توان آدرس IPv6 منحصر به فرد را به هر گره احتمالی در شبکه IoT اختصاص داد.

در حالی که، از یک طرف، فضای آدرس بزرگ IPv6 باعث می شود که مسائل مربوط به آدرس در IoT حل شود؛ از سوی دیگر، آن سرفصل هایی را معرفی می کند که با قابلیت های کم اهمیت گره های محدود سازگار نیستند. این مشکل را می توان با اتخاذ 6LoWPAN [25] ، [26] ، که یک فرمت فشرده سازی شده برای هدر های IPv6 و UDP بیش از شبکه های محدود با قدرت کم است، غلبه می کند . یک روتر مرزی، که یک دستگاه به طور مستقیم به شبکه 6LoWPAN متصل است، به طور شفاف تبدیل بین IPv6 و 6LoWPAN را انجام می دهد، هر بسته IPv6 را که برای یک گره در شبکه 6LoWPAN در نظر گرفته شده است را به یک بسته با فرمت فشرده سازی هدر 6LoWPAN ترجمه می کند و عملیات تبدیل معکوس در جهت مخالف.

در حالی که راه اندازی یک روتر مرزی 6LoWPAN باعث تعامل شفاف بین گره های IoT و هر میزبان IPv6 در اینترنت می شود، تعامل با میزبان های IPv4 تنها باقی می ماند. به طور خاص، مشکل این است که پیدا کردن یک راه برای آدرس یک میزبان IPv6 خاص با استفاده از آدرس IPv4 و دیگر متا داده موجود در بسته. در زیر، روش های مختلفی برای دستیابی به این هدف ارائه می کنیم.

v4 / v6 ترجمه آدرس پورت (v4 / v6 PAT). این روش جفت های دلخواه آدرس IPv4 و پورت TCP / UDP را به آدرس های IPv6 و پورت TCP / UDP نشان می دهد. این شباهت به سرویس شبکه و آدرس پورتال (NAPT) که در حال حاضر در بسیاری از شبکه های محلی پشتیبانی می شود برای دسترسی به اینترنت به تعدادی از میزبان ها در یک شبکه خصوصی با به اشتراک گذاشتن یک آدرس مشترک عمومی IPv4، که برای آدرس دهی بسته ها بر روی اینترنت عمومی استفاده می شود . هنگامی که یک بسته به آدرس مشترک IPv4 بازگردانده می شود، روتر لبه ای که از سرویس NATP پشتیبانی می کند، بسته را ربوده و آدرس مقصد مشترک IPv4 را با آدرس (خصوصی) گیرنده مورد نظر جایگزین می کند، که با جستجو در NATP مشخص می شود جدول آدرس میزبان مربوط به بندر خاصی که توسط بسته حمل می شود را نشان می دهد. همان روش را می توان برای نشان دادن چندین آدرس IPv6 به یک آدرس عمومی IPv4 یکپارچه کرد، که اجازه می دهد تا فرستادن دیتاگرام ها در شبکه IPv4 و مدیریت درست آن در میزبان های IPv4 تنها مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این تکنیک نیازمند کمبود پیچیدگی است و در واقع mapping پورت یک روش متداول برای انتقال v4 / v6 است. از سوی دیگر، این رویکرد یک مسئله مقیاس پذیری را افزایش می دهد، زیرا تعداد میزبان های IPv6 که می توانند به یک آدرس IPv4 منحصر به فرد شوند، محدود به تعداد پورت های TCP / UDP موجود (65535) می باشد. علاوه بر این، این رویکرد نیاز به اتصال توسط گره های IPv6 برای ایجاد نوشته های صحیح در جدول جستجوی NATP دارد. اتصالات که از ابر IPv4 شروع می شود نیز قابل تحقق است، اما این نیاز به یک معماری پیچیده تر است،

v4 / v6 تبدیل نام دامنه. این روش، در ابتدا در [23]، شبیه روش استفاده شده برای ارائه خدمات میزبانی مجازی در HTTP 1.1 است که امکان پشتیبانی از چندین وب سایت در همان وب سرور را فراهم می کند، با استفاده از همان آدرس IPv4، با استفاده از اطلاعات موجود در هدر HTTP Host برای شناسایی خاص وب سایت درخواست شده توسط کاربر به طور مشابه، سرورهای DNS را می توان برنامه ریزی کرد به طوری که بر اساس یک درخواست DNS برای نام دامنه سرویس وب IoT، DNS آدرس IPv4 یک پروکسی متقابل HTTP-CoAP را که برای دستیابی به IoT گره پس از درخواست HTTP، پروکسی نیاز به حل و فصل نام دامنه موجود در هدر HTTP Host را به سرور DNS IPv6، که با آدرس IPv6 که گره نهایی IoT را درگیر در درخواست شناسایی می کند، پاسخ می دهد.

نقشه برداری URI. روش نقشه برداری شناسه ی جهانی (URI) نیز در [23] شرح داده شده است . این روش شامل یک نوع خاص از پروکسی متقابل HTTP-CoAP، پروکسی متقاطع معکوس است. این پروکسی به عنوان سرور وب نهایی به عنوان سرویس دهنده HTTP / IPv4 و به عنوان مشتری اصلی به وب سرور CoAP / IPv6 عمل می کند. از آنجا که این دستگاه باید در بخشی از شبکه که در آن اتصال IPv6 وجود دارد به منظور دسترسی مستقیم به گره های IoT نهایی قرار می گیرد، تبدیل IPv4 / IPv6 با استفاده از عملکرد نقشه برداری URI قابل حل است.

B. تکنولوژی لایه لایه
سیستم IoT شهری، به دلیل ناحیه ای است که به طور گسترده ای در حال گسترش است، نیاز به مجموعه ای از فن آوری های لایه لینک است که می تواند به راحتی یک منطقه جغرافیایی گسترده را پوشش دهد و در عین حال، یک ترافیک احتمالی زیادی را از جمع آوری بسیار بالا تعداد جریان داده های کوچکتر. به همین علت، تکنولوژی های لایه لینک که امکان تحقق یک سیستم IoT شهری را در اختیار فناوری های محدود و محدود قرار می دهند. گروه اول شامل تمام فن آوری های ارتباط LAN، MAN و WAN مانند اترنت، فای، فیبر نوری، ارتباطات خطوط ارتباطی پهنای باند (PLC) و فن آوری های تلفن همراه مانند UMTS و LTE می باشد. آنها به طور کلی با قابلیت اطمینان بالا، زمان تاخیر کم و نرخ انتقال بالا (به ترتیب Mbit / s یا بالاتر) مشخص می شود.

به جای آن، تکنولوژی های فیزیکی و لایه پیوندی محدود، به طور کلی با مصرف انرژی کم و نرخ انتقال نسبتا کم، معمولا کمتر از 1 مگابیت بر ثانیه است. راه حل های برجسته ای در این رده عبارتند از IEEE 802.15.4 [27] ، [28] بلوتوث و بلوتوث کم انرژی، 8 IEEE 802.11 Low Power، PLC [29] ، NFC و RFID [30] . این پیوندهای معمولا تاخیرهای طولانی را نشان می دهند، عمدتا به دلیل دو عامل: 1) نرخ انتقال ذاتی در لایه فیزیکی و 2) سیاست های صرفه جویی در انرژی توسط گره ها برای صرفه جویی در انرژی، که معمولا شامل دوچرخه سواری کار با دوره های کوتاه فعال است.

C. دستگاه
ما در نهایت دستگاه هایی را که برای تحقق بخشیدن به IoT شهری هستند، طبقه بندی می کنیم که براساس موقعیتی که در جریان ارتباطات اشغال می شوند طبقه بندی شده است.

1) سرورهای Backend
در ریشه سیستم، سرورهای باطن را در مرکز کنترل قرار می دهیم، جایی که داده ها جمع آوری، ذخیره و پردازش می شوند تا خدمات ارزش افزوده ایجاد کنند. در اصل، سرورهای باطن برای سیستم IoT به طور مناسب کار نمی کند، هرچند آنها جزء اساسی IoT شهری هستند که می توانند دسترسی به سرویس های شهر هوشمند را آسانتر کنند و داده ها را از طریق زیرساخت شبکه میراث باز کنند. سیستم های Backend که معمولا برای ارتباط با فیدرهای داده IoT مورد توجه قرار می گیرند عبارتند از:

سیستم های مدیریت پایگاه داده: این سیستم ها مسئول ذخیره سازی مقدار زیادی از اطلاعات تولید شده توسط گره های محیطی IoT مانند سنسورها هستند. بسته به سناریو خاص استفاده، بار بر روی این سیستم ها می تواند بسیار بزرگ باشد، به طوری که اندازه مناسب سیستم باطن مورد نیاز است.

وب سایت ها: آشنایی گسترده مردم با اینترفیس های وب، آنها را اولین گزینه برای ایجاد همکاری بین سیستم IoT و “مصرف کنندگان داده”، به عنوان مثال، مقامات دولتی، اپراتورهای سرویس، ارائه دهندگان خدمات و شهروندان معمولی می سازد.

سیستم های برنامه ریزی منابع سازمانی (ERP): اجزای ERP از انواع کارهای تجاری پشتیبانی می کنند و ابزار ارزشمندی برای مدیریت جریان اطلاعات در یک سازمان پیچیده مانند اداره شهرستان می باشند. تعامل اجزای ERP با سیستم های مدیریت پایگاه داده ای که داده های تولید شده توسط IoT را جمع آوری می کند، امکان مدیریت ساده ای از داده های بالقوه گسترده ای از داده های جمع آوری شده توسط IoT را فراهم می سازد که می تواند جریان های اطلاعات را براساس ماهیت و ارتباط آن و ایجاد آرامش ایجاد کند از خدمات جدید

2) دروازه ها
حرکت به سمت “لبه” IoT، دروازه ها را پیدا می کنیم، که نقش آنها اتصال دستگاه های پایان به زیرساخت ارتباطی اصلی سیستم است. با اشاره به معماری پروتکل مفهومی که در شکل 2 نشان داده شده است ، از این رو لازم است دروازه برای ارائه پروتکل ترجمه و تابع نقشه برداری بین پروتکل های بدون محدودیت و همتایان محدود خود، یعنی XML-EXI، HTTP-CoAP، IPv4 / v6- 6LoWPAN

توجه داشته باشید که در حالی که تمامی این ترجمه ها ممکن است برای فعال کردن قابلیت همکاری با دستگاه های محیطی IOT و ایستگاه های کنترل مورد نیاز باشد، لازم نیست تمام آنها را در یک دروازه واحد تمرکز کنید. در عوض، ممکن است، و گاهی اوقات راحت، توزیع وظایف ترجمه بر روی دستگاه های مختلف در شبکه باشد. برای مثال، یک پروکسی HTTP-CoAP تنها میتواند برای پشتیبانی از چندین روترهای مرزی 6LoWPAN استفاده کند.

دستگاه های دروازه همچنین باید اتصال بین تکنولوژی های لایه پیوند بدون محدودیت را، که عمدتا در هسته شبکه IoT استفاده می شود، و تکنولوژی های محدود، که در عوض اتصال در میان گره های محیطی IoT را فراهم می کنند، فراهم می کند.

3) IoT Nodes محیطی
در نهایت، در محدوده سیستم IoT، ما دستگاههایی را که تولید داده ها را به مرکز کنترل منتقل می کنند، که معمولا گره های محیطی IoT یا، به سادگی، گره های IoT می گویند، پیدا می کنیم. به طور کلی، هزینه این دستگاه ها بسیار پایین است، از 10 دلار یا حتی کمتر، بسته به نوع و تعداد سنسورها / سوئیچ های نصب شده در هیئت مدیره. گره های IoT ممکن است بر اساس تعداد زیادی از ویژگی ها، مانند حالت قدرت، نقش شبکه (رله یا برگ)، تجهیزات سنسور / محرک و پشتیبانی از تکنولوژی های لایه لینک شده طبقه بندی شوند. گره های محدود IoT احتمالا تگ های فرکانس رادیویی (RFtags) هستند که با وجود قابلیت های بسیار محدود آنها هنوز می توانند نقش مهمی در سیستم های IoT بازی کنند، عمدتا به علت هزینه بسیار پایین و ماهیت غیرفعال سخت افزار ارتباطی خود، که به هیچ منبع انرژی داخلی نیاز ندارد. کاربرد معمول RFtags شناسایی شیء با خواندن نزدیکی است که می تواند برای تدارکات، تعمیر و نگهداری، نظارت و سایر خدمات مورد استفاده قرار گیرد.

دستگاه های موبایل مانند تلفن های هوشمند، رایانه های شخصی رایانه لوحی یا لپ تاپ ها همچنین می توانند بخش مهمی از IoT شهری باشند، و راه های دیگری برای ارتباط برقرار کردن با آن وجود دارد. به عنوان مثال، گیرنده NFC که در گوشیهای نسل گذشته یکپارچه شده است، ممکن است برای شناسایی اشیاء برچسب شده استفاده شود، در حالی که سرویس جغرافیایی ارائه شده توسط رایج ترین سیستم عامل برای دستگاه های تلفن همراه می تواند اطلاعات متنی مربوط به آن شیء را غنی سازد. علاوه بر این، دستگاه های تلفن همراه می توانند به روش های مختلف دسترسی به IoT را فراهم کنند، به عنوان مثال: 1) از طریق اتصال به IP توسط سرویس داده های تلفن همراه ارائه شده؛ 2) راه اندازی اتصال مستقیم با بعضی از اشیا با استفاده از فن آوری های بی سیم کوتاه مدت به عنوان بلوتوث کم انرژی، فای کم قدرت، و یا IEEE 802.15.4. علاوه بر این،

بخش چهارم یک مطالعه تجربی: Padova Smart City

چارچوب مورد بحث در این مقاله در حال حاضر با موفقیت به تعدادی از موارد استفاده مختلف در زمینه سیستم های IoT اعمال شده است. به عنوان مثال، شبکه حسگر بی سیم آزمایشی با بیش از 300 گره در دانشگاه Padova مستقر شده است [31] ، [32] بر اساس این دستورالعمل طراحی شده است و با موفقیت برای تحقق تظاهرات مدرن مفهومی هوشمند شبکه [33] و خدمات بهداشتی [34] .

در این بخش، ما یک اجرای عملی یک IOT شهرستانی را به نام “Padova Smart City” معرفی می کنیم که در شهر پاتو تحقق یافته است؛ با تشکر از همکاری بین احزاب دولتی و خصوصی، از قبیل شهرداری پدوا، که این پروژه را حمایت کرده است، بخش مهندسی اطلاعات دانشگاه پاتوو، که پیشینه نظری و تحلیلی امکان سنجی پروژه را ارائه داده است، و پاتاویا فن آوری srl، 9 سال پیش از دانشگاه Padova تخصصی در توسعه راه حل های نوآورانه IoT، که گره های IoT و نرم افزار کنترل را توسعه داده است.

هدف اصلی Padova Smart City ترویج پذیرش سریع داده های باز و راه حل های ICT در اداره دولتی است. برنامه هدف شامل یک سیستم برای جمع آوری اطلاعات محیط زیست و نظارت بر روشنایی خیابان های عمومی با استفاده از گره های بی سیم، مجهز به انواع سنسورهای مختلف، قرار دادن در قطب های نور خیابانی و اتصال به اینترنت از طریق یک واحد دروازه است. این سیستم باید امکان جمع آوری پارامترهای زیست محیطی جالب مانند سطح CO، دمای هوا و رطوبت، ارتعاشات، نویز و غیره را فراهم آورد، در حالی که ارائه یک مکانیزم ساده اما دقیق برای بررسی عملکرد صحیح سیستم روشنایی عمومی با اندازه گیری شدت نور در هر پست. حتی اگر این سیستم یک برنامه ساده از مفهوم IoT باشد، هنوز هم شامل تعدادی از دستگاه های مختلف و تکنولوژی های لایه پیوند می شود، بنابراین نمایانگر بسیاری از مسائل مهم است که باید در هنگام طراحی یک IOT شهر مورد توجه قرار گیرد. نمای کلی سطح انواع و نقش دستگاه هایی که در سیستم حضور دارند، به صورت زیر ارائه می شود.

اجزای هوشمند شهر Padova: یک طرح مفهومی معماری سیستم شهر هوشمند Padova در شکل 3 داده شده است . در زیر، در جزئیات بیشتر قطعات سخت افزاری و نرم افزاری سیستم را شرح می دهیم.

نور خیابان: این قسمت برگه سیستم است که در آن IoT گره قرار می گیرد. هر کدام از خیابانها از لحاظ جغرافیایی بر روی نقشه شهر قرار دارد و منحصر به آن به گره IoT متصل شده است، به طوری که داده های IoT را می توان با اطلاعات زمینه افزایش داد. نظارت بر عملکرد صحیح لامپها از طریق سنسورهای فوتومتر انجام می شود که مستقیما اندازه گیری شدت نور تولید شده توسط لامپ ها (یا در واقع توسط هر منبعی که نور آن به سنسور می رسد) را در فواصل زمانی منظم یا بر اساس درخواست اندازه گیری می کند. گره های IoT بی سیم نیز با سنسورهای دما و رطوبت مجهز هستند که اطلاعات مربوط به شرایط آب و هوایی را ارائه می دهند و یک گره نیز با یک بنزن مجهز است\ rmC6 rmH6 ) سنسور، که کیفیت هوا را نظارت می کند. گره های IoT به طور کلی توسط باتری های کوچک طراحی شده اند، هرچند با استفاده از سنسور بنزن اتصال به یک شبکه قدرت کم است. بسته بندی گره های حسگر با توجه به نیازهای خاص این مورد استفاده شده طراحی شده است. در حقیقت، گره های حسگر در یک سپر پلاستیکی شفاف نگهداری شده اند که قطعات الکترونیکی را از پدیده های جو (مانند باران یا برف) محافظت می کند، در حالی که اجازه گردش هوا و نور را برای اندازه گیری صحیح رطوبت، درجه حرارت و شدت نور را می دهد.

تکنولوژی های لایه لینک محدود: گره های IoT که بر روی قطب های خیابانی نصب شده اند یک ابرپایگاه Multihop 6LoWPAN را با استفاده از فناوری IEEE 802.15.4 محدود شده است. ویژگی های مسیریابی توسط پروتکل مسیریابی IPv6 برای شبکه های کم قدرت و از بین بردن (RPL) ارائه شده است [35]. گره های IoT آدرس IPv6 منحصر به فرد، مطابق با استاندارد 6LoWPAN مناسب فشرده می شوند. هر گره می تواند به صورت جداگانه از هر نقطه از اینترنت با استفاده از IPv6 / 6LoWPAN قابل دسترسی باشد. گره ها به طور کلی داده های خود را به گره سینک منتقل می کنند که نشان دهنده ی نقطه ی تماس برای گره های خارجی است. متناوبا، هر گره ممکن است ویژگی ها و داده های خود را با اجرای یک سرور CoAP منتشر کند، هرچند این ویژگی هنوز در testbed اجرا نشده است. در هر صورت، یک دروازه لازم است تا ابر رایانه 6LoWPAN را به اینترنت بسپارد و تمام ترفندی که در قسمت قبلی توضیح داده شده انجام شود.

دروازه WSN: دروازه نقش اینترفیس تکنولوژی لایه لینک محدود شده ای است که در ابرهای حسگرها با تکنولوژی های سنتی WAN استفاده می شود که برای اتصال به سرورهای مرکزی Backend استفاده می شود. از این رو دروازه نقش روتر مرزی 6LoWPAN و گره ریشه RPL را بازی می کند. علاوه بر این، از آنجا که گره های گره از سرویس CoAP پشتیبانی نمی کند، دروازه همچنین به عنوان گره سینک برای ابر حسگر عمل می کند، و تمام داده هایی را که باید به سرویس های باطن صادر شود، جمع آوری می کند. اتصال به خدمات باطن توسط فن آوری های ارتباطی بدون محدودیت ارتباطی، فیبر نوری در این مثال خاص ارائه می شود.

پروکسی HTTP-CoAP: پروکسی HTTP-CoAP، ارتباطات شفاف با دستگاه های CoAP را فعال می کند. منطق پروکسی می تواند به منظور پشتیبانی بهتر از برنامه های نظارت و محدود کردن میزان ترافیک تزریق شده به شبکه محیطی IOT گسترش یابد. به عنوان مثال، می توان لیستی از منابع مورد نیاز برای نظارت را مشخص کرد، به طوری که سرور می تواند مستقل از ورودی ها در یک حافظه پنهان مربوط به آن دستگاه ها را به روز کند. این مکانیزم را می توان با دو رویکرد متفاوت پشتیبانی کرد: 1) انتخاب منابع انتخاب شده به طور فعال، به این ترتیب امکان اجرای تکنیک های شکل گیری ترافیک را در پروکسی یا دروازه فراهم می کند و 2) با اشتراک دادن به منبع انتخاب شده با استفاده از “مشاهده” CoAP، بنابراین سرور در گره را قادر می سازد که به روز رسانی ها را فقط زمانی ارسال کند که مقدار اندازه گیری شده توسط سنسور خارج از محدوده خاصی قرار بگیرد.

سرور پایگاه داده: سرور پایگاه داده وضعیت منابع را که بایستی در زمان ارتباط با سرور پروکسی HTTP-CoAP، که به نوبه خود مراقبت از بازیابی اطلاعات مورد نیاز از منبع مناسب را مرتفع می کند، جمع آوری می کند. اطلاعات ذخیره شده در پایگاه داده از طریق تکنولوژی های برنامه نویسی وب سنتی قابل دسترسی است. اطلاعات را می توان در قالب یک وب سایت تجسم کرد یا در هر فرمت داده ها با استفاده از زبان های برنامه نویسی وب پویا صادر می شود. در شبکه Padova Smart City، سرور پایگاه داده در WSN Gateway تحقق مییابد، که از این رو یک ماژول plug-and-play ارائه می دهد که یک رابط شفاف با گره های محیطی را نشان می دهد.

اپراتور تلفن همراه: اپراتورهای نورپردازی عمومی با دستگاه های تلفن همراه مجهز خواهند بود که می توانند نور خیابانی را که نیاز به مداخله دارند قرار دهید، دستورات اعمال را مستقیما به گره IoT متصل به لامپ وارد کند و نتیجه مداخله را به سیستم مرکزی که می تواند هر چراغ تک واحد و از این رو، برنامه تعمیر و نگهداری را بهینه سازی کنید.

چنین سیستمی می تواند به طور پیوسته گسترش یابد تا شامل انواع دیگر گره های IoT یا ابرهای گره های IoT با توجه به اینکه هر سیستم محیطی IoT یک رابط مبتنی بر HTTP را پشتیبانی می کند که امکان برقراری ارتباط با آن را در یک پروتکل باز، استاندارد و تکنولوژی مستقل است.

نمونه ای از اطلاعات جمع آوری شده توسط Padova Smart City

انجیر. 4 و 5نمونه ای از نوع داده هایی را که می توانید با سیستم Padova Smart City جمع آوری کنید گزارش دهید. چهار قطعه نشان می دهد رطوبت، نور و خواندن بنزن در طی 7 روز. خطوط نازک نشان می دهد که قرائت واقعی، در حالی که خطوط ضخیم با استفاده از یک فیلتر متوسط متحرک در یک پنجره زمانی 1 ساعت (تقریبا، 10 خواندن از درجه حرارت، رطوبت و نور و 120 خواندن سنسور بنزن، که نرخ نمونه برداری آن بزرگتر از آنجایی که گره توسط شبکه طراحی شده است). الگوی منظم اندازه گیری های نور، مطابق با دوره های روز و شب، قابل مشاهده است. به طور خاص، در روز، اندازه گیری به مقدار اشباع می رسد، در حالی که در طول شب، به دلیل بازتاب های تولید شده توسط چراغ های خودرو، مقادیر بیشتر نامنظم است. الگوی مشابهی با اندازه گیری رطوبت و درجه حرارت نشان داده شده است که، با این حال، بسیار پر سر و صدا تر از نور است. اندازه گیری های بنزن همچنین نشان می دهد کاهش میزان بنزن در شب، همانطور که انتظار می رود با توجه به ترافیک سبک تر شبانه، اما کاملا شگفت آور است که در روزهای آخر هفته (26-27 اکتبر) تغییرات آشکار در سطوح بنزن روز وجود ندارد. همچنین جالب است بدانیم که اوج بنزن که در اوایل بعد از ظهر 29 اکتبر اندازه گیری شده است، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم به شدت کاهش شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. بسیار شلوغ تر از آنهایی است که برای نور هستند. اندازه گیری های بنزن همچنین نشان می دهد کاهش میزان بنزن در شب، همانطور که انتظار می رود با توجه به ترافیک سبک تر شبانه، اما کاملا شگفت آور است که در روزهای آخر هفته (26-27 اکتبر) تغییرات آشکار در سطوح بنزن روز وجود ندارد. همچنین جالب است بدانیم که اوج بنزن که در اوایل بعد از ظهر 29 اکتبر اندازه گیری شده است، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم به شدت کاهش شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. بسیار شلوغ تر از آنهایی است که برای نور هستند. اندازه گیری های بنزن همچنین نشان می دهد کاهش میزان بنزن در شب، همانطور که انتظار می رود با توجه به ترافیک سبک تر شبانه، اما کاملا شگفت آور است که در روزهای آخر هفته (26-27 اکتبر) تغییرات آشکار در سطوح بنزن روز وجود ندارد. همچنین جالب است بدانیم که اوج بنزن که در اوایل بعد از ظهر 29 اکتبر اندازه گیری شده است، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم به شدت کاهش شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. همانطور که انتظار می رود به علت ترافیک سبک تر از شب، اما کاملا شگفت آور هیچ تغییرات آشکار در سطوح بنزن روز در طول آخر هفته (26-27 اکتبر) وجود دارد. همچنین جالب است بدانیم که اوج بنزن که در اوایل بعد از ظهر 29 اکتبر اندازه گیری شده است، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم به شدت کاهش شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. همانطور که انتظار می رود به علت ترافیک سبک تر از شب، اما کاملا شگفت آور هیچ تغییرات آشکار در سطوح بنزن روز در طول آخر هفته (26-27 اکتبر) وجود دارد. همچنین جالب است بدانیم که اوج بنزن که در اوایل بعد از ظهر 29 اکتبر اندازه گیری شده است، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم به شدت کاهش شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. بررسی خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم کاهش شدید شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است. بررسی خواندن سنسورهای دیگر در همان فاصله زمانی، ما می توانیم کاهش شدید شدت نور و درجه حرارت و افزایش رطوبت را در نظر بگیریم. این خواندن نشان می دهد که یک باران باران سریع به طور موقت نور خورشید را خراشیده، در حالی که تولید تراکم در ترافیک جاده و، به نوبه خود، اوج بنزن در هوا است.

نمونه ای از اطلاعات جمع آوری شده توسط Padova Smart Cityدرمورد دما و رطوبت.

 

نتیجه

در این مقاله، راه حل هایی را که در حال حاضر برای پیاده سازی IoTs شهری مورد استفاده قرار می گیرد، مورد تحلیل قرار دادیم. فن آوری های مورد بحث در حال نزدیک به استاندارد بودن هستند و بازیکنان صنعت در حال حاضر در تولید دستگاه هایی که از این تکنولوژی ها استفاده می کنند را قادر می سازد تا کاربردهای مورد علاقه مانند آنچه در فصل دوم. در حقیقت، در حالی که طیف وسیعی از گزینه های طراحی برای سیستم های IoT بسیار گسترده است، مجموعه ای از پروتکل های باز و استاندارد شده به طور قابل توجهی کوچکتر است. علاوه بر این، فناوریهای توانمندی نیز به بلوغ رسیده است که امکان اجرای واقعی راهکارها و خدمات IoT را فراهم می کند و از محاکمه های میدانی شروع می شود که امیدواریم به حل و فصل عدم اطمینان کمک کند که مانع از پذیرش عظیم پارادایم IoT شود. پیاده سازی یک بنیاد مشخص از مفهوم که در همکاری با شهر Padova ایتالیا مستقر شده است نیز به عنوان مثال مناسب برای استفاده از پارادایم IoT به شهرهای هوشمند توصیف شده است.

 

تصدیق
نویسندگان می خواهند از شهرداری Padova (ایتالیا) و Eng. آلبرتو کورو، به ویژه برای حمایت از تحقق پروژه “شهرت” Padova Smart City. نویسندگان همچنین به مهندسان Patavina Technologies srl ( http://patavinatech.com/ ) از پشتیبانی قابل توجه خود در استقرار سیستم و ارائه داده های تجربی و مستندات فنی مربوط به پروژه “Padova Smart City” سپاسگزار هستند .
.لینک جهت دریافت مقاله لاتین .
Internet of Things for Smart Cities – IEEE Journals & Magazine
https://ieeexplore.ieee.org/document/6740844/