اینترنت اشیا (IOT) – بخش چهارم

آرش سعیدی منش مقالات آموزشی

در این پست به ادامه اینترنت اشیا و شبکه خودرویی و سیستم ها و سنسور های لازم در این زمینه میپردازیم پس همچنان با تیم تکسین لب همراه باشید.

انواع شبکه خودرویی

ارتباط میان خودروها با دنیای خارج و ارتباط میان خودروها در هنگام حرکت، رؤیای قدیمی بشر بوده است و تاریخچه نخستین تلاش‌ها برای تحقق این رؤیا به بیش از چهل سال پیش برمی‌گردد. در آن زمان با نصب یک آنتن روی خودروهای خاصی مانند خودروهای پلیس یا اورژانس و تنظیم‌کردن آنتن‌ها روی یک فرکانس خاص در یک محدوده جغرافیایی، سعی می‌کردند یک ارتباط رادیویی و شبه تلفنی را ایجاد کنند. در سال ۱۹۹۹ کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات‌متحده (FCC) با تصویب استانداردها و پهنای باند لازم برای ارتباط خودروها با تجهیزات ثابت کنار جاده، عملاً فاز جدیدی از شبکه‌های بین خودرویی را ایجاد کرد که این حرکت با تصویب استاندارد DSRC (سرنام Dedicated Short Range Communications) در سال ‌۲۰۰۳ تکمیل شد. در این استاندارد پهنای باند ۵,۹ گیگاهرتز به ارتباطات بین خودرویی اختصاص یافته است و روی این فرکانس بین هفت تا ده کانال (۵,۸۵۰ گیگاهرتز تا ۵,۹۲۶ گیگاهرتز) تعریف می‌شود که یک کانال به صورت ویژه به افزایش ضریب امنیت خودروها و سایر کانال‌ها به کاربردهای خاص، اختصاص یافته است. پس از این رخدادها، انواع ارتباطات میان خودروها براساس فناوری‌ها و زیرساخت‌های متفاوت مطرح شده و هریک مسیری جداگانه برای توسعه و مجهز‌کردن خودروها به امکانات شبکه‌ای در پیش‌گرفتند. اگر بخواهیم شبکه‌های خودرویی را براساس رسانه ‌انتقال اطلاعات تقسیم‌بندی کنیم، به سه دسته‌کلی می‌رسیم: شبکه‌های مبتنی‌بر امواج رادیویی (Wireless)، مبتنی‌بر مکان‌یابی (GPS) و مبتنی ‌بر حسگرها و تراشه‌های داخلی ‌تقسیم‌بندی بعدی شبکه‌های بین خودرویی می‌تواند براساس زیرساخت شبکه‌ باشد. در این تقسیم‌بندی سه نوع شبکه کلی سلولی، اختصاصی و موردی داریم که در ادامه دو نوع نخست به صورت اختصار و نوع سوم به صورت کامل بررسی می‌شود.

شبکه‌های خودرویی سلولی

در شبکه‌های سلولی ار فناوری‌هایG3 ،G4 و GSM استفاده می‌شود و به طورعمده‌های اپراتورهای تلفن همراه و سرویس دهنده‌های باند پهن موبایل بازیگران اصلی این حوره هستند. در کنار جاده یک سری ایستگاه مرکزی پابت(Base Station) وجود دارد که می توانند به اینترنت و شبکه های درون شهری متصل باشند. خودرو ها از طریق امکانات موبایل می توانند به این ایستگاهها متصل شده و اطلاعات ترافیکی یا آب و هوا را دریافت کنند. همچنین می توانند به اینترنت متصل شده و از طریق سرویس های ابر به شبکه محل کار یا خانه دسترسی پیدا کنند. مزیت این شبکه ها استفاده از زیر ساخت های آماده موبایل و باند پهن ارائه شده توسط اپراتورهای موبایل است. پیش بینی می شود با ورود نسل جدید G4 و افزایش سرعت و پهنای باند، این نوع شبکه ها رواج و استقبال بیشتری را شاهد باشند. عیب بزرگ شبکه های سلولی عدم امکان استفاده برای کاربردهای ایمنی خودروها به خاطر تاخیرهای ذاتی این نوع شبکه ها است ام چنین شبکه هایی برای استفادههای معمول مانند استفاده از اینترنت و سرگرمی بسیار مناسب هستند.

شبکه‌های بین خودرویی موردی

ایده اولیه شبکه‌های VANET (Vehicular Ad Hoc Network) برای نخستین‌بار در سال ۱۹۹۸ توسط یک گروه مهندسی به نام Delphi Delco Electronics Systems با همکاری شرکت آی‌بی‌‌ام مطرح شد. شبکه‌ VANET با استفاده از امواج رادیویی انواع ارتباط‌های خودرو به خودرو (V2V) و خودرو به زیرساخت (V2I) را ایجاد می‌کند. خودروها به صورت کاملاً خودمختار با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و یک شبکه غیرساختارمند بی‌سیم ایجاد ‌می‌کنند.

تفاوت اصلی شبکه‌های VANET با شبکه‌های سلولی و اختصاصی این است که هیچ‌ ایستگاه یا نود مرکزی، مدیریت و کنترل شبکه را برعهده ندارد و شبکه از یک سری خودرو (در اینجا فرض کنید نود شبکه) تشکیل شده که متحرک بوده و جای ثابتی ندارند و هیچ‌یک نقش روتر یا اکسس‌پوینت را بازی نمی‌کنند. در حقیقت شبکه‌های VANET یک نوع خاص شبکه‌های MANETs (سرنام Mobile Adhoc Networks) هستند که نودهای آن خودروها خواهند بود. هر خودرو می‌تواند در هر لحظه خودروهای اطرافش را شناسایی‌کرده و با اتصال به آن‌ها یک شبکه تشکیل داده و ارتباطات لازم را برقرار کند. این خودرو کمی بعدتر با خودروهای جدید اطرافش یک شبکه دیگر ایجاد خواهد کرد. مبنای اصلی شبکه‌های VANET غیرساختارمند ‌بودن آن‌ها و استفاده از استاندارد ۸۰۲٫۱۱p و DSRC است. بنابراین این نوع شبکه‌ها به سرعت می‌توانند تغیر توپولوژی‌ داده و با توجه به این‌که از نظر مصرف ‌انرژی و منابع محاسباتی مشکلی ندارند، انعطاف‌پذیری زیادی ایجاد ‌کنند. برای نمونه،‌ یک خودرو می‌تواند همزمان به چندین شبکه VANET متصل باشد و اطلاعات لازم را دریافت کند. محدود‌ه‌های جغرافیایی شبکه VANET می‌تواند دایره‌هایی به شعاع حداکثر چند کیلومتر باشد و هر خودرو می‌تواند برای مثال با خودروهای جلویی در فاصله دو یا سه کیلومتر ارتباط برقرار کند. بنابراین، یک ویژگی‌ دیگر این نوع شبکه‌ها برد کوتاه آن است. در شبکه‌های VANET می‌توان به ایستگاه‌های مرکزی (BS) یا اینترنت نیز متصل شد و با آن‌ها تبادل اطلاعات کرد، اما مبنای اصلی شبکه، ارتباطات بین خودرویی است. VANET یکی از اجزای اصلی سیستم‌های حمل‌ونقل هوشمند (Intelligent Transportation Systems) است و در چند سال اخیر تحقیقات و پروژهش‌های زیادی روی آن انجام شده است و امیدهای فراوانی به آن وجود دارد. علت این اهمیت نیز ارتباط مستقیم این نوع شبکه‌ها با ایمنی خودروها و ترافیک است.

شبکه‌های خودرویی اختصاصی

در شبکه‌های اختصاصی، یک شرکت ثالث می‌تواند با نصب تجهیزات ثابت کنار جاده‌ها یا در تقاطع‌ها و ایجاد یک سری ایستگاه‌های سرور و نصب رابط‌ها در خودروها، بین خودروها و دنیای خارج ارتباط برقرار کند(شکل‌۲). سیستم VICS در ژاپن نمونه‌ای از این نوع شبکه‌ها است که اطلاعات ترافیکی را از خودروهای مختلف جمع‌آوری‌کرده و به یک سیستم مرکزی هدایت می‌کند. سیستم ‌مرکزی به صورت هوشمند؛ پس از تجزیه و تحلیل اطلاعات دریافتی وضعیت ترافیکی جاده‌ها و خیابان‌های مختلف، اطلاعات مورد نیاز سایر راننده‌ها را استخراج کرده و دوباره به ایستگاه‌ها کاری کنار جاده‌ها ارسال می‌کند تا خودروها این اطلاعات را دریافت و برای مسیرهای بعدی خود تصمیم‌گیری کنند. این نوع شبکه‌ها معایب زیادی دارند. هزینه بالای نصب و راه‌اندازی تجهیزات و زیرساخت لازم در تمام جاده‌ها و مراکز اصلی تردد خودروها، تأخیر در ارسال و دریافت اطلاعات و تأخیر در دسترسی به اطلاعات استخراج شده از وضعیت ترافیکی جاده‌ها و الگوریتم‌های هوشمند مربوط به محاسبات، برخی از معایب شبکه‌های خودرویی اختصاصی هستند.

برای ارتباط خودرو با خودرو دیگر و یا ارتباط با ایستگاه به سنسورها ، پردازنده‌ها و بردهای امنیتی از جمله DSRC نیاز می‌‌‌باشد. که در مورد واحد کنترل و سنسور‌هایی(سنسور سوخت ، سنسور باد لاستیک) که به خودرو نصب می‌باشد تحقیق کرده‌ام

برای تجزیه و تحلیل دادهای خودرو به ECU نیاز می‌باشد که در مورد آن توضیح داده خواهد شد.

واحد کنترل الکترونیک

ECUمخفف (Electronic Control Unit) یا واحد کنترل الکترونیک می‌باشد و همانطور که می‌دانید خودروهای‌ انژکتوری بدلیل عملکرد بهتر و توانایی پاس کردن استانداردهای آلودگی، بطور کامل در تمام دنیا جایگزین خودروهای کاربراتوری شده‌اند و مغز این سیستم ECUمی‌باشد. ECU با توجه به سنسورهایی که به موتور متصل است وضعیت و شرایط خودرو را تحلیل کرده و پاسخ‌های لازم را به خروجی‌ها که عبارتند از: انژکتورها، جرقه زنها و … اعمال می‌کند. سنسورهای کیت‌های انژکتوری مختلف هستند که هر چه تعداد آنها بیشتر باشد، ‌ECU بهتر می‌تواند شرایط موتور را درک کند. این قطعه یک میکرو‌کامپیوتر است، که به کمک سنسورها و با تعیین شرایط لحظه‌ای موتور به یک سری عمل کننده یا فرمانبرهای نصب شده بر روی موتور فرمان دهد تا از این طریق، زمان و مدت پاشش سوخت، زمان جرقه و فراهم‌سازی شرایط مناسب برای ایجاد احتراق را در داخل سیلندرها تامین کند. این میکروکامپیوتر نیز مانند دیگر همنوعان خود شامل، CPU حافظه و برنامه‌ریز است. در داخل ECU‌ دو نوع حافظه موجود است :

حافظه موقت:

این نوع حافظه با قطع برق باطری از بین می‌رود اما مجددآ قابل استحصال است. به روش برگرداندن حافظه، روش تجدید حافظه و یاInitialize می‌گویند. حافظه موقت شناسایی استپ موتور، دنده‌ها و حالات عملی موتور و محاسبات لحظه‌ای برای تنظیمات لحظه‌ای را به عهده دارد و محلی برای نگهداشت معایب موقت و دائم سیستم انژکتور است.

حافظه دائم:

این نوع حافظه که مانند سیستم‌عامل و Setup کامپیوترهای PC است و با قطع برق از بین نمی‌رود؛ اما در صورت خراب شدن دیگر قابل برگشت نبوده و می‌توان گفت ECU سوخته است. حافظه دائم شامل جدول بزرگی به نام Look up table است که در این جدول به مانند جدول ضرب، ردیف‌ها و ستون‌ها و خانه‌هایی وجود دارد. با این تفاوت که تعداد ردیف‌ها و ستون‌های این جدول از عدد دو بیشتر بوده و تعداد آن برابر تعداد سنسورهای موجود در سیستم موتور می‌باشد.

سازندگان معروف:ECU
شرکت Bosch آلمان : این شرکت بهترین و معروف‌ترین سازنده ECU و کیت انژکتوری در دنیا می‌باشد و در اغلب خودروهای پیشرفته جهان، نشانی از آن را می‌توان یافت.

شرکت Delco آمریکا: این شرکت یکی از قدیمی‌ترین شرکت‌های سازنده ECU‌ می‌باشد و ECU‌ آن در اغلب خودروهای آمریکایی بخصوص خودروهای شرکت GM یا جنرال موتورز بکار رفته است.

شرکت Ford آمریکا: این شرکت سازنده خودرو، سازنده ECU البته برای خودروهای فورد می‌باشد و اولین بار ایده کنترل تطبیقی یا خود-یادگیر در خودروهای این شرکت عملاً پیاده‌سازی شد.

شرکت Siemens آلمان: فعالیت این شرکت گرچه به اندازه رقیب آلمانی آن یعنی Bosch نیست اما ‌ECU- های خوبی می‌سازد.

شرکت Magneti Marelli ایتالیا: این شرکت در اروپا محبوبیت زیادی داشته و بر روی اغلب خودروهای اروپایی کیت آن نصب است.

شرکت Sagem فرانسه: بر روی اغلب ماشینهای فرانسوی ECU این شرکت نصب است.

در این بخش موضوعی که من تحقیق کردم سیستم فشار باد لاستیک که کاربرد زیادی از جمله کاهش تصادفات دارد. صرفه جویی در تولید بیش از حد لاستیک برای کارخانه‌ها دارد.

سیستم هشدار فشار باد تایر

نصب سیستم هشدار فشار باد تایر (Tire Pressure Monitoring System ) که به اختصار (TPMS ) نامیده می شود (سیستم هفت مستقیم( Direct TPMS))

سیستم مستقیم پایش فشار باد تایر درهر لحظه اطلاعات فشار باد تایرها را از طریق گیج یا چراغ هشدار دهنده ساده ای به راننده خودرو و شرکت تولید کننده لاستیک منتقل می‌کند، در این سیستم ازسنسورهای فشار و دما در داخل هر کدام از تایرها استفاده می‌شود که اطلاعات این سنسورها از محل چرخها توسط امواج به دستگاه نشان دهنده در محل استقرار راننده می رسد .