غبار هوشمند در شبکه‌ های کامپیوتری

ماهنامه شبکه: گذشت زمان به بشر آموخت که حیات انسان، وابسته به کسب اطلاعات است. اهمیت این موضوع باعث شد انسان با تمام ابزارهای ممکن به این سمت حرکت کند، پیرامون خود را بیشتر بشناسد، هر روز به سمت مکان‌هایی که نتوانسته بود دست پیدا کند، بیشتر کشیده شود و ابزارهای بهتری را برای همراهی ایجاد کند. این موضوع سبب ایجاد مفهومی به نام «غبار هوشمند» یا «Smart Dust» شد تا شناخت محیط اطراف و حتی خود انسان را برایش راحت‌تر سازد.

در سال ۱۹۹۶، گردهمایی‌ای با نام «American Vacuum Society» در «Anaheim» ایالت کالیفرنیا برگزار شد که در آن برای اولین بار مفهوم جدیدی به نام غبار هوشمند یا Smart Dust در آن مطرح شد. تقریباً یک سال بعد، گروهی از دانشمندان از دانشگاه کالیفرنیا به سرپرستی کریستوفر پیستر، طرحی تحقیقاتی را به سازمان پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) ارائه کردند. هدف این طرح، ساخت سنسورهای بی‌سیم با اندازه‌ای در حدود چند میلی‌متر بود و یک سال بعد این طرح پذیرفته شد.

نتیجه این تحقیقات منجر به ساخت سنسورهای بی‌سیم کوچکی شد که انرژی آن‌ها با یک باطری کوچک تأمین می‌شد و این سنسورها با هم یک شبکه بی‌سیم تشکیل می‌دادند. این سنسورها شارژ نمی‌شدند و هزینه ساخت آن‌ها بسیار کم بود. بعدها با گذشت زمان این موضوع باعث ایجاد موضوعاتی با نام‌های «شبکه‌های سنسور» و «شبکه‌های غبار» شد. غبار هوشمند در واقع زیر شاخه‌ای از شبکه‌های حسگر بی‌سیم است و مزایای این شبکه‌ها را به‌همراه دارد، اما به دلیل ابعاد بسیار کوچک‌تر این حسگرها، به آن‌ها غبار هوشمند گفته می‌شود.

اطلاعاتی که از این شبکه‌های حسگر بی‌سیم جمع‌آوری می‌شود، برای پردازش و ذخیره‌سازی به دیتاسنترها و دیتابیس‌ها ارسال می‌شود. در پس این دیتاسنترها نیز ممکن است بسترهای ابری وجود داشته باشد و پردازش این اطلاعات در محیط‌های ابری صورت پذیرد. اما چرا این حسگرها ساخته شد و چه نیازی به آنها است ؟ علت اصلی ساخت آن‌ها، بررسی شرایط و محیط‌هایی است که دسترسی به آن‌ها سخت است؛ مانند درون بدن انسان، آب‌های زیرزمینی و حتی شرایط زیستی-محیطی سایر کهکشان‌ها. در راستای شناخت بیشتر انسان از محیط پیرامون خود، باید قدم‌هایی برداشت تا با هزینه کمتر و پیچیدگی کمتر شبکه‌ای را ایجاد کند تا اطلاعات محیط را از این طریق به دیتابیس‌ها و سرورهای مراکز نظارتی و تحقیقاتی برساند. در شکل زیر نمونه اولیه یک غبار با اندازه واقعی، در مقایسه با ابعاد یک سکه را مشاهده می‌کنید. بعد از آشنایی مختصر با ساختار این حسگرها، درباره کاربرد آن‌ها بیشتر صحبت خواهیم کرد.

ساختار سنسورها

عموماً این حسگرها از پنج بخش اصلی تشکیل شده‌اند که شامل کنترلر، گیرنده و فرستنده، حافظه خارجی، منبع تغذیه و حسگر هستند. در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

کنترلر:

وظیفه اصلی کنترلر پردازش داده‌ها و کنترل عملکرد سایر قسمت‌ها است. معمولاً این کنترلرها از نوع میکروکنترلر هستند، اما به آن محدود نمی‌شوند و می‌توان از میکروپروسسور کامپیوترهای شخصی (دسکتاپ)، پردازشگرهای سیگنال‌های دیجیتال DSP)، FPGA)ها و ASICها نیز استفاده کرد. از دلایل انتخاب میکروکنترلر می‌توان به مواردی همچون قیمت ارزان، انعطاف‌پذیری آن‌ها برای ارتباط با سایر دستگاه‌ها، راحتی برنامه‌ریزی و مصرف کم انرژی اشاره کرد. در زیر تصویری از میکروکنترلر اینتل مدل ۸۷۴۲ آورده شده است.

میکروپروسسورهایی که برای کارهای عمومی انتخاب می‌شوند و خاص منظوره نیستند، معمولاً در مقایسه با میکروکنترلرها مصرف انرژی بیشتری دارند و از آنجایی که مصرف انرژی اهمیت زیادی در سنسورها دارد، میکروکنترلرها گزینه بهتری هستند.

فرستنده و گیرنده:

در این غبارها، عملیات دریافت و ارسال هر دو در یک قسمت صورت می‌گیرد و به اصطلاح به آن «Transceiver» گفته می‌شود. این فرستنده و گیرنده‌ها در محدوده فرکانسی ISM فعالیت می‌کند. این محدوده فرکانسی به صورت جهانی برای اهداف صنعتی، علمی و پزشکی رزرو شده است. برای انتخاب محدوده فرکانسی گزینه‌های دیگری همچون لیزر و اینفرارد نیز گزینه‌های دیگری بودند، اما استفاده از هرکدام به دلایلی رد شد. لیزر، انرژی کمتری نیاز دارد، اما به دلیل نیاز به دید مستقیم برای ارتباط و حساسیت آن به شرایط جوی، مناسب نبود. اینفرارد نیاز به آنتن ندارد، اما ظرفیت آن محدود است. به نظر می‌رسد استفاده از فرکانس‌های رادیویی بهترین گزینه است. اکثر فرکانس‌هایی که برای ارتباط این سنسورها استفاده می‌شود عبارتند از: ۱۷۳، ۴۳۳، ۸۶۸، ۹۱۵ مگاهرتز و ۲٫۴ گیگاهرتز.

حافظه خارجی:

از حافظه برای نگهداری داده‌ها و تنظیمات و همچنین داده‌های نیازمند پردازش استفاده می‌شود. اغلب حافظه‌هایی که استفاده می‌شوند از نوع حافظه‌های on-chip و فلش مموری هستند.

منبع تغذیه:

قطعاً مانند هر وسیله دیگری، برای پردازش و انتقال اطلاعات به منبع تغذیه نیاز است. جنس منبع تغذیه این ریزگردها اکثراً از نیکل-کادمیوم، روی-نیکل و لیتیوم یونی است. از آنجایی که این غبارها و حسگرها در نقاطی قرار می‌گیرند که دسترسی به آن‌ها سخت است، باطری نقش بسیار مهمی برای ساخت این غبارها دارد. در این غبارها، قسمت اعظمی از انرژی برای ارسال اطلاعات استفاده می‌شود. انرژی مورد نیاز برای ارسال یک کیلوبایت با برد صد متر برابر با انرژی مورد نیاز برای اجرای سه میلیون دستور توسط میکروکنترلر آن‌ها است.

حسگر:

حسگرها وسیله سخت‌افزاری هستند که به تغییرات فیزیکی مانند تغییر دما و فشار حساس هستند و این تغییرات را ثبت می‌کنند. سیگنال‌هایی که این حسگرها تولید می‌کنند آنالوگ‌ بوده و باید قبل از اینکه برای پردازش به میکروکنترلر ارسال شوند، یک مبدل آن‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل کند. حسگرهای مورد استفاده باید بسیار کوچک و کم‌مصرف باشند و بدون نیاز به اپراتور کار کنند. علاوه بر اینها باید دقیق باشند. ارسال اطلاعات غلط ممکن است منجر به فاجعه شود. معمولاً این حسگرها مصرف انرژی‌ای برابر ۰٫۵ تا دو آمپر در ساعت و ولتاژ ۱٫۲ تا ۳٫۷ دارند.

به دلیل کاربردهای بسیار مفید این شبکه‌ها، از آن زمان تا به حال دانشمندان تلاش می‌کنند پیچیدگی‌های ایجاد این شبکه‌ها را با معرفی کردن پروتکل‌ها و سخت‌افزارهای جدید کاهش دهند، اما هنوز چالش‌های بسیاری بر سر راه آن‌ها وجود دارد. از کاربردهای این سنسورها می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• مانیتور کردن محیط: برای این کار مقدار زیادی از این غبارها را در منطقه‌ای پخش می‌کنند تا محیط را مانیتور کنند. برای مثال، مانیتور کردن محیط‌های نظامی برای جلوگیری از ورود افراد یا برای شناسایی وجود گاز و مواد معدنی در مناطقی که دسترسی به آن‌ها دشوار است.

در پروژه دیگری که در حال انجام است، قرار است به‌منظور کاهش هزینه‌ها و سرعت بخشیدن به اکتشافات سیارات دیگر، تعداد زیادی از این غبارها از فضا به سمت سیاره مدنظر ارسال شوند. پس از رسیدن این غبارها به سطح سیاره، به سرعت اطلاعات زیست‌محیطی از طریق شبکه‌های بی‌سیم به ماهواره‌ها ارسال می‌شوند. به دلیل وزن کم، این غبارها با وزش باد شروع به تغییر موقعیت می‌کنند و به این وسیله بدون فرستادن انسان یا ربات و صرف هزینه و زمان زیاد، به‌سرعت اطلاعات به سمت زمین ارسال می‌شوند.

• مصارف پزشکی: این بخش شامل دو قسمت است: پوشیدنی‌ها و کاشتنی‌ها. پوشیدنی‌ها که اکنون نیز توجه ویژه‌ای به سمت آن جلب شده است، لباس‌ها یا گجت‌هایی هستند که از طریق سطح بیرونی بدن، تغییرات بدن ما را حس می‌کنند، مانند ابزارهای اندازه‌گیری ضربان قلب و دما.

کاشتنی‌ها دسته‌ای از این غبارها هستند که درون بدن فرد قرار می‌گیرند و می‌توانند اطلاعات زیادی برای پزشکان فراهم کنند، از جمله گزارشی از میزان قند خون، مکان‌هایی که فرد مریض مراجعه کرده است و وضعیت کلی وی.

مانیتور کردن فاکتورهای مختلف محیطی

• آلودگی هوا: در شهرهای استکهلم، لندن و بریزبن برای بررسی وضعیت گازهای سمی و هشدار به شهروندان برای دوری از این مناطق، این غبارها پخش شده‌اند و اطلاعات لازم به شهروندان ارسال می‌شود.
• تشخیص آتش‌سوزی جنگل‌ها: با استفاده از این حسگرها، می‌توان تعداد زیادی از آن‌ها را در سطح جنگل پخش کرد تا در صورت تغییر دما، میزان گازها، رطوبت منطقه و تشخیص آتش‌سوزی، به‌سرعت به نهاد‌های مربوطه اطلاع‌رسانی شود. تشخیص آتش‌سوزی در لحظات آغازین بسیار مهم است، زیرا مهار کردن آن بسیار راحت‌تر و کم‌هزینه‌تر است.

• تشخیص لغزش زمین: در لغزش زمین، قسمتی از سطح زمین شروع به حرکت می‌کند و اگر این اتفاق در مناطق مسکونی رخ دهد، باعث فاجعه انسانی خواهد شد. همین موضوع، اهمیت جلوگیری از وقوع چنین حادثه‌ای را خاطر نشان می‌کند. با پراکنده کردن این غبارها می‌توان تغییرات خاک و جابه‌جایی آن را بررسی و بسیار زودتر از وقوع حادثه، از آن جلوگیری کرد.
• کیفیت آب: با استفاده از این حسگرها هم می‌توان کیفیت آب در رودخانه‌ها و آب‌های روی سطح زمین و هم آب‌های زیرزمینی را به صورت مداوم بررسی کرد تا نقشه درستی از وضعیت کیفیت آب در دست باشد.

کاربردهای صنعتی:

• مانیتور کردن سلامتی ماشین‌ها: نظارت دقیق بر سلامت ماشین‌های صنعتی ضروری است. در صورتی که ماشین وضع خوبی نداشت، بلافاصله باید تعمیرات بر روی آن‌ صورت گیرد. استفاده از حسگرهای سیمی محدودیت‌هایی را ایجاد می‌کند، به‌خصوص برای ماشین‌هایی که دارای قطعات چرخشی هستند. با استفاده از این غبارهای ارزان، می‌توان دائماً وضعیت ماشین‌ها را بررسی کرد و تعمیرات به‌موقع انجام داد.
• سلامت سازه‌های ساختمانی: بررسی سلامت سازه‌های ساخته‌شده مانند پل‌ها و آسمان‌خراش‌ها، یکی دیگر از جنبه‌های مهم استفاده از این حسگرها است.
• مصارف کشاورزی: استفاده از این سنسورها در محیط‌های کشاورزی اطلاعات مفیدی درباره وضعیت خاک، مواد مغذی و دمای محیط به کشاورز ارسال می‌کند و بر اساس این داده‌ها برای بهبود سلامتی گیاهان تصمیم گرفته می‌شود.
• ساخت سنسورهای کیبوردهای مجازی: به نحوی که سنسورها در نوک انگشتان قرار داده می‌شوند و با حرکت انگشتان کلمات تایپ می‌شوند.
• کنترل موجودی انبارها: با استفاده از این سیستم و قراردادن آن‌ها در کالاها، بسته‌ها و پالت‌ها، می‌توان به آن‌ها قابلیت صحبت با سیستم را داد. با ورود یا خروج هر شی از انبار، موجودی به‌روزرسانی می‌شود. در حال حاضر در برخی انبارها این سیستم توسط RFIDها پیاده‌سازی شده است.

با پیشرفت نانوتکنولوژی، ابعاد این سنسورها بسیار کوچک شده و وزن آن‌ها بسیار کاهش یافته است؛ به طوری که با وزیدن باد، این سنسورها از مکانی به مکان دیگر منتقل می‌شوند. به دلیل این کوچکی و سبکی، عنوان «غبار هوشمند» به نسل جدید این حسگرها اختصاص داده شد.

با وجود مزایا و کاربردهای بسیار که در اینجا به آن‌ها اشاره شد، استفاده از نسل جدید شبکه‌های سنسور بی‌سیم، یعنی غبارهای هوشمند، هنوز جای بحث و بررسی دارد. شرکت «گارتنر»، شرکتی پژوهشی واقع در آمریکا است که هر ساله نموداری با نام «Hype Cycle» منتشر می‌کند. در این نمودار مباحث داغ پژوهشی و تخمینی از میزان زمان لازم برای تجاری شدن طرحی پژوهشی آورده شده است.

غبار هوشمند در شبکه‌ های کامپیوتری

در سال ۲۰۱۵ طبق آخرین گزارش این شرکت، Smart Dust جزو مباحثی برآورده شده است که برای تجاری شدن آن نیاز به حداقل ۱۰ سال پژوهش و زمان است. ممکن است این موضوع باعث شود گمان کنید در حال حاضر این غبارها پیاده‌سازی نشده است. اما زمان گفته‌شده، برای استفاده عموم و تولید انبوه این غبارها است. برای اثبات آن می‌توان به محصول سال ۲۰۰۳ شرکت «هیتاچی» اشاره کرد. این شرکت محصولی با نام «غبار» یا «Dust» تولید کرد که در واقع یک چیپ RFID است. ابعاد این چیپ ۰٫۳×۰٫۳ میلی‌متر و قطر آن ۶۰ میکرومتر است. این RFIDها قابلیت تشخیص از فاصله ۱۸۳ متری را داشتند.

با توجه به پیشرفت‌های نانوتکنولوژی، از نظر امکان ساخت سخت‌افزار، مشکلی وجود ندارد. بیشتر چالش‌های باقی‌مانده مربوط به پروتکل‌های ارتباطی و مصرف انرژی و برقراری ارتباط با سایر تکنولوژی‌های جدید است که با توجه به سرعت حل این مشکلات، می‌توان گفت در آینده نه‌چندان‌دوری شاهد ساخت این ذرات هوشمند خواهیم بود.