المدن الذكية وبروتوكول MQTT - إنترنت الأشياء - ثاني ثانوي

262 7. الرسائل في إنترنت الأشياء سيتعرف الطالب في هذه الوحدة على التطبيقات الخاصة بالمدن الذكية وعلى أساسيات بروتوكل نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل (Message Queuing Telemetry Transport - Marr. كما سينشي تطبيق انترنت الأشياء باستخدام متحكم الأردوينو وبروتوكول (MQTT ) ، وفي الختام سيقوم بإجراء عمليات التحليل البيانات على التطبيق المدمج أهداف التعلم بنهاية هذه الوحدة سيكون الطالب قادرا على أن : يتعرف على طبقات هيكلية المدن الذكية. يحدد أمثلة على المدن الذكية. يعف وظيفة بروتوكول (MQTT) يصنف جودة الخدمة (Qa5) لبروتوكول (MQTT). يستخدم البرمجة النصية في بايلون لنشر الرسائل الى عميل MQTT X . انشاء ملف بيانات جسون (1SON) لتخزين التقارير. استخدام مفكرة جوبيتر Jupyter الاجراء عمليات تحليل البيانات في ملف بيانات JSON. الأدوات بيئة واجهة الأردوير (Arduino IDE جيت برينز باي تشارم (JetBrains PyCharm) دوائر وتوديك تينكر كاد ( Autodesk Tinker cad arcuits) عميل MAT X

الدرس الأول المدن الذكية وبروتوكول MQTT المدن الذكية Smart Cities www.len.edu.sa بدات غالبية المدن كمراكز حضرية متواضعة، وذلك دون وجود تخطيط مسبق يدعم متطلبات الزيادة السكانية المتسارعة، يؤثر التوسع العمراني المطرد للمدن على بنيتها التحتية وخدماتها المختلفة، حيث يتم تجاوز الطاقة الاستيعابية القصوى للطرق والجسور وأنظمة الصرف الصحي، مما يصعب من طبيعة الحياة فيها، ويجعل توفير الأساسيات مثل الماء والكهرباء وتقليل الانبعاثات الكربونية يمثل تحديا مباشرا في هذه المدن. تزداد الانبعاثات الحرارية واستهلاك الطاقة مع الزيادة الكبيرة في عدد السكان على الكرة الأرضية. كما أن تركز السكان في مناطق معينة يحد من قدرة النظام البيئي على التغلب على الملوثات. فالازدياد في الانبعاثات والنفايات يهم في شارع التغير المناخي. وتعد المدن في وقتنا الحاضر مسؤولة عما يقرب من %80 60 من انبعاثات الطاقة وغازات الاحتباس الحراري في العالم، حيث تستهلك المدن 60% من مجموع المياه الصالحة للشرب، بينما تصل نسبة الفاقد من تلك المياه إلى %20 بسبب الشريبات في شبكات المياه. يُعد تحسين الموارد ومعالجة النفايات والانبعاثات باستخدام تقنيات إنترنت الأشياء أولوية قصوى الجميع السلطات المسؤولة عن المدن في جميع أنحاء العالم. هيكلية المدينة الذكية باستخدام انترنت الأشياء A Smart City loT Architecture يتمثل التحدي الرئيس لحلول إنترنت الأشياء الذكية في ربط أنظمة معقدة متعددة في تقنية موحدة، وتوجد العديد من مخططات المدن الذكية المقترحة، ومن أبرزها المخطط المبني على تقسيم شبكة إنترنت الأشياء للمدن الذكية إلى أربع طبقات. وتشمل كل من طبقة الشارع (Street) . وطبقة المدينة (City). وطبقة مركز البيانات (Data Center) . وطبقة الخدمات (Services). شكل البيانات من الأجهزة الموجودة في طبقة الشارع إلى طبقة شبكة المدينة، حيث يتم دمجها وتوحيدها وتحزينها وتقوم طبقة مركز البيانات بتغذية المعلومات في طبقة الخدمات التي تشتمل على تطبيقات مزود الخدمة للمدينة. معه الشارع عليمات الخدمة حصة المدية شكل 71 مسطل الحرب الأنبياء و اليد العليم 850

264 طبقة الشارع Street Layer تتكون طبقة الشارع من أجهزة ومستشعرات تجمع البيانات وتعمل وفقا لمتطلبات النظام المتكامل، وذلك وفقا لمكونات الشبكات اللازمة لجمع هذه البيانات واختزالها، وتستخدم في طبقة الشارع مجموعة من الأجهزة ذات الاستخدامات المختلفة في المدن الذكية كما يظهر في الجدول أدناه جدول 7.1 أجهزة ومستشعرات طبقة الشارع النوع الوصف شعر مغناطیسی المستشعر المغناطيسي عملية ركل المركبات من خلال مراقبة المتغيرات في المجال المغناطيسي له عند اقتراب جسه معدني تقيل مثل سيار دار شاحنة (Magnetic sensor) شعرات الاضاءة يمكر أستمر الإساءة التحكم ع الإنارة بنا على المحيرات المالية وعلى الوقت Lighong controllar كاميرات المراقبة يمكن لكاميرات المراقبة وتقنيات تحليل الصور التعرف على السيارات والوجوه وحالة المروري مجنب التطبيقات الخاصة بالروز والحماية (Video cameras) ستعر جودة الهواء يمكن كتير جي داليا اكتشاف وتحديد كليات البارات الجياد العربية كسة السلوت سنة 2 موقع محلد. (Air quality sensor) العبادات (Counters | التطبيع العدادات المستة في الشوارع تسجيل عدد المركبات المتحركة في الشارع أو المتوفية في منطقة وفوق عامه وذلك من أجل توفير الحلمية المحبة ومال المرور للاضي. صليه اليه ليم

طبقة المدينة City Layer يمكن النظر إلى طبقة المدينة على أنها طبقة النقل المباشرة بين أجهزة إنترنت الأشياء الطرفية (Edge devices) ومراكز البيانات أو الإنترنت. ويجب نشر موجهات الشبكة ومحولاتها في هذه الطبقة في مستوى أعلى من طبقة الشارع لدعم نقل البيانات الضخمة، كما يجب أن تنقل طبقة المدينة البيانات من خلال أنواع عديدة من البروتوكولات التطبيقات إنترنت الأشياء المختلفة قد تتسم بعض هذه التطبيقات بالحساسية للتأخر الزمني أو لفقدان الجزم، حيث يمكن أن يؤدي فقدان حزمة معينة إلى تشغيل تنبيه أو إنشاء تقرير غير صحيح . لذلك، يجب أن تكون طبقة المدينة مرنة لضمان وصول حزمة البيانات المرسلة من مستشعر أو بوابة إلى وجهتها دائما. طبقة مركز البيانات Data Center Layer ترسل البيانات التي تجمعها المستشعرات إلى مركز البيانات للمعالجة والتخزين، وبناءً على عمليات معالجة البيانات هذه، تحدد المعلومات والأنماط المهمة، ثم إنشاء الأفكار ودعم القرارات، على سبيل المثال، يمكن لمركز البيانات إعطاء تصور الحركة المرور على مستوى المدينة، ومساعدة السلطات في تحديد أهمية إضافة مركيات نقل جماعي إضافية أو تقليلها ويمكن استخدام تفس بيانات حركة المرور لإدارة مدة عمل إشارات المرور في المدينة ومزامنتها تلقائيا للتحكم بالازدحام المروري، وتعد الخدمات السحابية وتخزين البيانات سحابياً ضرورة لتطوير أي حل شامل لإنترنت الأشياء، كما يمكن تخزين هذه البيانات في مراكز البيانات التابعة لسلطات المدينة أو للشركات الخاصة وذلك حسب التشريعات المحلية. طبقة الخدمات Services Layer او تكمن الأهمية الفعلية لإنترنت الأشياء في الخدمات التي تقدمها للسلطات والمواطنين، ويجب عرض البيانات التي تعالج وفقا للمتطلبات الخاصة بكل مستهلك للبيانات، ووفق متطلبات تجربة المستخدم وحالات الاستخدام المختلفة، يمكن مثلا إعادة توجيه الحافلات وأنظمة النقل العام الأخرى لتجنب مواقع الازدحام المروري المتكررة، كما يمكن تسيير المزيد من قطارات الأنفاق بصورة تلقائية وذلك استجابة لزيادة الازدحام المروري، وتوقع قرارات الركاب باختيار وسائل النقل العام للتنقل بدلا من السيارات الخاصة في الأيام التي تشهد حركة مرور مكثفة. متال لشكل 7.2 التحديث الفوري للحركة الدولية لخطط وزارة الشؤون البلدية والقروية والإسكان التنفيذ أكثر من 50 مشروعا لمدن ذكية متصلة بإنترنت الأشياء بحلول عام 2030 الشمل هذه المشاريع الإدارة الذكية لحركة المرور ومواقف السيارات وأنظمة الحفاظ على البيئة وكد لك إدارة التخلص من النفايات والإسكان الذكي وأنظمة إدارة الأراضي وذلك لتحقيق الهدف الرئيس وهو تحسين نوعية حياة المواطنين وتحقيق الاستدامة المالية وجودة الخدمة. مرارية التعليم 765

تطبيقات المدينة الذكية Smart City Applications الإنارة الذكية للشوارع Connected Street Lighting تعد إنارة الشوارع إحدى أكثر المرافق الحضرية تكلفة. لكونها تمثل ما يصل إلى %40 من إجمالي تكلفة الطاقة، وتبحث المدن عن طرق لخفض تكاليف الإنارة مع تحسين كفاءة التشغيل وخفض النفقات الأولية. يمكن أن يؤدي تثبيت نظام الإنارة الذكية للشوارع إلى توفير كبير في الطاقة مما يتيح المجال لتقديم خدمات جديدة. ويعد الانتقال إلى استخدام تقنيات الدايودات المشعة للضوء (LEDS) في طليعة الوسائل المستخدمة للتحول من الإثارة التقليدية إلى الإنارة الذكية للشوارع، وتتميز الدايودات المشبعة للضوء بالاستهلاك المنخفض للطاقة، مما يجعلها مناسبة بشكل مثالي لتطبيقات الحلول الذكية. ويمكن شكال 7 الاثارة الكلية الشوارع أيضاً تعديل ألوان الدايودات المشعة للضوء وشدتها وفقا للحاجة والظروف المحيطة. التحكم الذكي في الحركة المرورية Smart Traffic Control بعد الازدحام المروري من أكثر المشاكل شيوعا في المدن الحديثة، حيث يسهم بشكل كبير في التلوث البيئي وفقدان الإنتاجية، ويشمل الحل الذكي لضبط وتنظيم الحركة المرورية في المدن توفير المعلومات حول عدد السكان، وحركة التنقل، وأعداد المركبات على الطريق، حيث يتم إرسال تلك البيانات إلى المسؤولين عن تخطيط وتنظيم حركة المرور لاتخاذ الإجراءات اللازمة، ومن الممكن تفعيل التطبيقات المرورية من خلال البيانات الواردة من مستشعرات إنترنت الأشياء وذلك لتخفيف الازدحام والتحكم في الحركة المرورية، ويستطيع مخططو المدن من خلال تحليل البيانات التي تم جمعها خلال فترات زمنية معينة إنشاء استراتيجيات أكثر فاعلية لتقليل الازدحام المروري، يتسبب الازدحام المروري في ارتفاع حوادث المرور، والتي بدورها تزيد من الازدحام المروري حتى تلك البسيطة منها، ويتمثل أحد الحلول الشائعة في التحكم في تدفق حركة السيارات بناءً على كثافة الحركة المرورية، يمكن للتطبيق شكل 74 التحكم الملالي الذي يكتشف كثافة الحركة المرورية الفورية تنظيم مدة دورة إشارة المرور لتقييد أو إزالة تأثير ية الحرة المروية الازدحام المروري بالتحكم في عدد المركبات المنضمة إلى حركة المرور على الطرق الرئيسة. البيئة المتصلة Connected Environment تراقب غالبية المدن الكبيرة جودة الهواء، ولكن الكثير من محطات مراقبة جودة الهواء تستخدم معدات مراقبة قديمة ومكلفة لجمع هذه البيانات، وعادة ما تجمع هذه المحطات قراءات دقيقة جدًا، ولكنها تتسم بمحدودية المدى الذي تجمع منه البيانات وبالتالي يحتمل ألا يتم تغطية كامل المدينة بالنقاط الكافية، وتؤدي محدودية البيانات التي تجمع إلى عدم القدرة على تحديد أنماط جودة الهواء بشكل صحيح. إن تكلفة محطات مراقبة جودة الهواء وحجمها يجعلان من الصعب توفير العدد الكافي من هذه المحطات لتوفير معلومات موثوقة على مستوى محلي وتتبع انتقال التلوث في أرجاء المدن على مدى فترة زمنية معينة. شكل 15 مجملة جود أهواء ذكية تنبيهات الأمان الذكية Smart Safety Alerts توجد على جانب الطريق وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى (Dedicated Short-Range Communications - SRC) تعمل كبوابة بين وحدة التواصل داخل المركبة (Board Unit - BU- البنية التحتية للاتصالات، كما تعمل وحدة الاتصال على جانب الطريق ( Roadside it بمثابة جهاز اتصال لاسلكي على جانب الطريق وتوفر الاتصال ودعم المعلومات ار 76 وحدة على جاب الطريق RSAAA للمركبات المارة بما فيها تحذيرات السلامة والمعلومات المرورية. وزارة التعليم 266

مقال تتطلب المدينة الذكية دائما معرفة دورية وشاملة بجودة الهواء، والجمع هذه البيانات تتطلب المدن الذكية ما يلي: يهدف مشروع ذا لاين The Line) في مدينة نيوم الكبرى في المملكة العربية أنظمة بيانات مفتوحة تتلقى قياسات جودة الهواء من محطات المراقبة السعودية إلى دمج أحدث تقنيات المدن الذكية المتطورة لتصبح البيئة الحضرية الموجودة. مستشعرات إنترنت الأشياء منخفضة التكلفة وذات مستوى من الدقة مماثلاً الأكثر تقدما من الناحية التقنية لذلك الذي يمكن الحصول عليه من محطات جودة الهواء ستعتمد نيوم بشكل كبير على حلول انترنت الأشياء للمدن الذكية للوصول إلى هدفها . إمكانية تمثيل للبيانات البيئية متوافر للسلطات وللمواطنين، وتخزين سجلات المتمثل في أن تصبح مدينة خالية من بيانات جودة الهواء السابقة لتتبع الانبعاثات زمنيا وتحديد اتجاهاتها. الانبعاثات دون سيارات أو ازدحام مروري بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل Message Queuing Telemetry Transport - MQTT مقدمة إلى بروتوكول (MQTT) Introduction to MQTT طرح المهندسون من شركتي IBM و Arcom في نهاية التسعينيات من القرن الماضي فكرة تطوير بروتوكول غير معقد وموثوق وفعّال، وكذلك منخفض التكلفة، وذلك لمراقبة الأعداد الكبيرة من المستشعرات وإدارتها والتعامل مع بياناتها من موقع خادم مركزي، وتحديدا للاستخدام في قطاعي النفط والغاز، نتج عنه تطوير بروتوكول نقل القياس عن بعد في قائمة انتظار الرسائل (MQTT)، والذي تم توحيده الآن من قبل مؤسسة المعايير الدولية المنظمة (OASIS). يستخدم بروتوكول (MQTT) على نطاق أوسع من استخدام بروتوكول (HTTP) في تطبيقات إنترنت الأشياء، وذلك بشكل أساسي لسهولة إنشاء هياكل معقدة باستخدام الأجهزة التي ترسل وتستقبل حزم البيانات أساسيات MQTT Basics MQTT MOTT MOTT MOTTE MQTT يمكن لعميل (MQTT) أن يكون ناشرا (Publisher) لإرسال البيانات إلى خادم (MQTT) يعمل كخادم رسائل، ويسمى أيضا بوسيط الرسائل ( Message Broker ) . يتلقى خادم (MQTT) الاتصال من شبكة الناشرين ورسائل التطبيق، ويدير هذا الخادم أيضًا عمليات الاشتراك وإلغاء الاشتراك ويقدم بيانات التطبيق العملاء (MQTT) الذين يعملون كمشتركين ( Subscribers) يمكن للعملاء الاشتراك لاستلام كافة مستعار درجة البيانات أو جزء منها من مجموعة معلومات الناشر (MQTT). ويُطلق على عميل (MQTT) في هذه الحالة الحرارة / الرطوبة اسم المشترك (Subscriber) . يؤدي تصمين وسيط الرسائل في (MQTT) إلى الفصل بين عملية نقل البيانات بين الناشرين والمشتركين فالناشرون والمشتركون يجهلون بعضهم بعضا، ويضمن وسيط رسائل (MQTT ) إمكانية تأخير المعلومات وتخزينها في حالة فشل الشبكة، وهو ما يعد ميزة لعملية الفصل بين الناشرين والمشتركين، ولهذا السبب لا يطلب من الناشرين والمشتركين الاتصال بالإنترنت في آن واحد. وتتكون جلسة (MQTT) لكل عميل وخادم من أربعة مراحل وهي: إنشاء الجلسة، والمصادقة، وتبادل البيانات، وإنهاء الجلسة، وكل عميل يتصل بخادم لديه معرف عميل فريد يحدد جلسة (MQTT) بين الطرفين، ويعامل الخادم كل عميل على حدة عند إرسال رسالة تطبيق إلى العديد من العملاء من عيوب بروتوكول (MQTT) أنه أبطأ في الإرسال من بروتوكول (HTTP) ، كما أنه يجب تنفيذ اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي من قبل المستخدم، ويؤخذ على هذا البروتوكول أيضًا قصوره الأمني في عملية التشفير ، وكذلك صعوبة توسيع نطاقه مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء. شل والله العليم 26

268 جودة الخدمة 205 - Quality of Service يوفر بروتوكول (MQTT) ثلاث درجات من جودة الخدمة (Qo5) ، وتُطبق جودة الخدمة لبروتوكول (MGTT) أثناء تبادل رسائل التطبيق مع الناشرين أو المشتركين، كما يتعلق بروتوكول التسليم بشكل أساسي بتسليم رسائل التطبيق من مرسل واحد إلى مستلم آخر يعرض الجدول الآتي مستويات جودة الخدمة الثلاثة لبروتوكول (MQTT) جدول 7.2 جودة مستويات الخدمة المستوى الوصف هذه خدمة بيانات غير مؤكدة، وتعرف باسم أفضل جهد أو مرة واحدة على الأكثر) ، يسلم الفاشر رسالة واحدة إلى الخادم الذي ينقلها إلى كل مشترك، ولا يستقبل المستلم أي مستوى جودة الخدمة 0 مرة واحدة على الأكثر إجابة، ولا يحاول المرسل إرسال البيانات مرة أخرى يتلقى . لا يمكنه التعامل مع المثل. . لا يتكرر ابدا. المستلم الرسالة إما مرة واحدة أو لا يتلقاها على الإطلاق. مستوى جودة الخدمة 1 ( مرة واحدة على الأقل) يسطيع التغلب على فقدان الاتصال يمكن أن يتكرر. يضمن مستوى جودة الخدمة هذا إرسال الرسائل مرة واحدة على الأقل بين الناشر والخادم المدير الخادم والمشركين. يص هذا المستوى التسليم مرة واحدة على الأقل يعد هذا أعلى مستوى الجودة الخدمة. ويستخدم في الحالات التي لا تسمح بفقدان الرسالة أو تكرارها - يحتوي مستور حودة الخدمة هذا على تكلفة إضافية نظراً لأن كل حرفة تتضمن متغيرا اختياريا مستوى جودة الخدمة 12 مرة واحدة بالضبط يحوي على تعريف الحزمة. ويوفر هذا المستوى "خدمة مضمونة" السليم مرة واحدة بالضبط". ولا يهم عدد مرات إعادة يستطيع التغلب على فقدان الاتصال. لا يمكن أن يتكرر . المحاولة طالما تم إرسال الرسالة مرة واحدة بدقة. ملان يمكن أن تتعرض كائنات إنترنت الأشياء في المدن الذكية للمخاطر بسبب هيكليتها المركزية، حيث لا تتناسب أساليب الحماية التقليدية مع بيلة انترنت الأشياء المتطورة، ستطور في المملكة العربية السعودية تقنيات سلسلة الكتل (Bipehchain) الانترنت الأشياء في المدن الكبرى لتقليل النقاط المركزية لحالة فضل الشبكة التي تعتمد على الهيكلية الموزعة. ستعتمد شبكة مشروع نيوم العملاق على تقنيات سلسلة الكتل لإنترنت الأشياء لتوفير بنية تحتية آمنة للشبكة ولمواطنيها. مرارة اليسليه

1 تمرينات جنيد الجملة الصحيحة والجملة الخاطئة فيما يلى: 1 تطور هنيات المدن الذكية لتحسين الحركة المرورية فقط. 2. يجب أن تكون موجهات الشبكة في طبقة المدينة مرئة لمواجهة حالات فقدان البيانات المحتملة في الحزم. .3 ترسل البيانات مباشرة من طبقة الشارع إلى طبقة مركز البيانات 4. يمكن تحرين البيانات الموجودة في طبقة مركز البيانات على الخوادم الخاصة للشركات. د. تحتوي طبقة الخدمات على التطبيقات التي يستخدمها سكان المدية. 6 ينحصر الستخدام أنظمة إنارة الشوارع الذكية على الدايودات المشعة للضوء (LEDs) 7. لا يمكن استخدام البيانات التاريخية التي جمعت على مدى فترات معينة في الماضي التوقع الحركة المرورية المستقبلية. 8 يمكن استخدام حلول بينية مبنية على إنترنت الأشياء للحد من الانبعاثات الضارة داخل المدن. 9. أنشى بروتوكول (MQTT) لربط العديد من المستشعرات من خلال نقطة خدمة واحدة. 10 في الاتصال الأساسي بيروتوكول (MQTT) ، يدرك الناشر والمشترك وجود الطرف 2 الآخر ما الدافع الأساسي وراء تطوير المدن الذكية دون القطار لك أدناه محيحة حاطة 4 . . . مرارة الي

070 الشي مخططا يوضح كيفية تدفق البيانات في هيكلية انترنت الأشياء في المدينة الذكية 2 العرض أسئلة حول استخدام المستشعرات في طبقة شوارع المدية الذكية. جراره

5 صف كيف يمكن استخدام الأنظمة المتطابقة في طبقة مركز البياتات في تطبيقات متعددة دول أفكارك أدناه. 6 اعرض متالين على تطبيقات المدن الذكية ومنهما مانجاز دون أفكارك أدناه. (2) كت باختصار اليه عمل بروتوكول (Mar) صرارة البلد

272 صنف درجات جودة الخدمة الثلاث لبروتوكول (MQTT). و انتى مخططا لمقال على ثلاثة أجهزة تصل بواسطة بروتوكول (MQTT أحدها كناشر والجهازان الآخران كمشتركين. براري