You are not allowed to perform this action

اینترنت اشیاء

مدرس: دکتر محسن انصاری، دکتر سپیده صفری پیش‌نیاز: برنامه‌سازی پایتون
ترم: تابستان ۱۴۰۴ محل برگزاری: کلاس مجازی
زمان ارائه: یکشنبه و سه‌شنبه ۱۵:۰۰ تا ۱۶:۳۰ مشاهده: دریافت لایسنس

معرفی درس

اینترنت اشیا؛ از اتصال دستگاه‌ها تا طراحی سامانه‌های هوشمند

اینترنت اشیا (Internet of Things یا IoT) با اتصال دستگاه‌ها، حسگرها و تجهیزات فیزیکی به شبکه، امکان جمع‌آوری و تبادل داده و انجام خودکار بسیاری از فرایندها را فراهم می‌کند. از خانه‌های هوشمند و پایش وضعیت سلامت گرفته تا کشاورزی هوشمند، اتوماسیون صنعتی و حمل‌ونقل، اینترنت اشیا نقش مهمی در توسعه سامانه‌های متصل و هوشمند ایفا می‌کند.

درس اینترنت اشیا با هدف آشنایی با مفاهیم، فناوری‌ها و روش‌های طراحی این سامانه‌ها ارائه می‌شود. در این درس، با اجزای اصلی یک سیستم اینترنت اشیا، از جمله حسگرها، عملگرها، دستگاه‌های نهفته، شبکه‌های ارتباطی و بسترهای پردازش داده آشنا می‌شوید. همچنین پروتکل‌های ارتباطی پرکاربرد مانند MQTT و CoAP و فناوری‌هایی مانند Wi-Fi، Bluetooth، Zigbee و LoRaWAN را بررسی می‌کنید و با نقش آن‌ها در ارتباط میان دستگاه‌ها آشنا می‌شوید.

در ادامه، موضوعاتی مانند جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها، پردازش در لبه شبکه (Edge Computing)، کاربرد هوش مصنوعی در اینترنت اشیا و طراحی و پیاده‌سازی سامانه‌های مبتنی بر این فناوری بررسی می‌شوند. بخش عملی درس نیز بر کار با حسگرها و عملگرها و طراحی یک پروژه اینترنت اشیا تمرکز دارد تا بتوانید ارتباط میان مفاهیم شبکه، برنامه‌نویسی و پردازش داده را در یک سامانه کاربردی بهتر درک کنید.

در پایان این درس چه توانایی‌هایی کسب می‌کنید؟

  • شناخت معماری و اجزای اصلی سامانه‌های اینترنت اشیا و درک نحوه تعامل دستگاه‌ها، شبکه و سرویس‌های پردازشی
  • آشنایی با حسگرها، عملگرها و دستگاه‌های نهفته و نقش آن‌ها در جمع‌آوری داده و کنترل محیط
  • شناخت پروتکل‌های ارتباطی پرکاربرد در اینترنت اشیا، از جمله HTTP، MQTT و CoAP
  • آشنایی با فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم مانند Wi-Fi، Zigbee، Bluetooth، LoRaWAN و 5G و کاربردهای آن‌ها
  • درک روش‌های جمع‌آوری، انتقال، ذخیره‌سازی و پردازش داده‌های تولیدشده توسط دستگاه‌ها و حسگرها
  • شناخت مفاهیم پردازش لبه و نقش آن در کاهش تأخیر و توزیع پردازش میان دستگاه‌ها و زیرساخت‌های مرکزی
  • آشنایی با کاربرد تحلیل داده، یادگیری ماشین و هوش مصنوعی در سامانه‌های اینترنت اشیا
  • آشنایی با ابزارها و روش‌های توسعه سامانه‌های اینترنت اشیا با استفاده از بردهایی مانند Arduino و Raspberry Pi و زبان‌هایی مانند Python، C++ و JavaScript
  • شناخت مراحل طراحی، پیاده‌سازی و ارزیابی یک سامانه اینترنت اشیا و آشنایی با ملاحظات طراحی رابط کاربری
  • آشنایی با کاربردهای اینترنت اشیا در حوزه‌هایی مانند صنعت، خانه‌های هوشمند، پزشکی، کشاورزی و حمل‌ونقل

این درس برای دانشجویان، دانش‌آموختگان و علاقه‌مندان به حوزه‌های مهندسی کامپیوتر، شبکه، سیستم‌های نهفته، برنامه‌نویسی و تحلیل داده مناسب است. همچنین می‌تواند برای افرادی که قصد دارند با فناوری‌های زیربنایی سامانه‌های هوشمند و متصل آشنا شوند، نقطه شروع مناسبی باشد. ترکیب مباحث ارتباطی، پردازش داده و طراحی سامانه، زمینه‌ای برای ادامه یادگیری در حوزه‌هایی مانند اینترنت اشیا صنعتی، خانه‌های هوشمند و سیستم‌های مبتنی بر حسگر فراهم می‌کند.

پیش‌نیاز

آشنایی مقدماتی با برنامه‌نویسی و مفاهیم پایه رایانه برای بهره‌گیری بهتر از این درس توصیه می‌شود. آشنایی با شبکه‌های رایانه‌ای و مفاهیم ارتباطات نیز می‌تواند به درک پروتکل‌ها و معماری اینترنت اشیا کمک کند. برای افرادی که تجربه کار با بردهای توسعه‌دهنده یا حسگرها را ندارند، آشنایی با این ابزارها می‌تواند مفید باشد؛ بااین‌حال، میزان پیش‌نیاز عملی و برنامه‌نویسی باید با توجه به نحوه ارائه درس و پروژه‌های مورد انتظار مشخص شود.

سرفصل‌ها

  • مقدمه‌ای بر اینترنت اشیاء
    • تعریف و تاریخچه اینترنت اشیاء
    • اجزای سیستم‌های اینترنت اشیاء
    • مزایا و چالش‌های اینترنت اشیاء
    • کاربردهای اینترنت اشیاء در صنعت، خانه‌های هوشمند، پزشکی و دیگر زمینه‌ها
  • معماری و اجزای اینترنت اشیاء
    • معماری شبکه‌های اینترنت اشیاء
    • سنسورها و عملگرها
    • پردازش داده‌ها در اینترنت اشیاء
    • پروتکل‌های ارتباطی در اینترنت اشیاء (مانند HTTP، MQTT، CoAP)
    • لایه‌های مختلف سیستم‌های اینترنت اشیاء (دستگاه‌ها، شبکه، پردازش، سرویس‌ها)
  • پروتکل‌ها و فناوری‌های ارتباطی
    • پروتکل‌های ارتباطی بی‌سیم (Wi-Fi، Zigbee، Bluetooth، LoRaWAN، 5G)
    • پروتکل‌های سطح پایین برای ارتباطات اینترنت اشیاء
    • طراحی و مدیریت شبکه‌های اینترنت اشیاء
    • جمع‌آوری و پردازش داده‌ها
    • تکنیک‌های جمع‌آوری داده از دستگاه‌ها و سنسورها
    • تحلیل داده‌های جمع‌آوری شده
    • پردازش داده‌های آنلاین و آفلاین
    • تحلیل داده‌های بزرگ (Big Data) و اینترنت اشیاء
    • یادگیری ماشین و هوش مصنوعی در اینترنت اشیاء
  • سیستم‌های لبه در اینترنت اشیاء
    • مفهوم و مزایای استفاده از فضای لبه در اینترنت اشیاء
    • سرویس‌های لبه برای ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها
    • هماهنگی میان دستگاه‌های اینترنت اشیاء و فضای لبه
    • توسعه سیستم‌های اینترنت اشیاء
  • طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم اینترنت اشیاء
    • استفاده از ریزپردازنده‌ها و بردهای توسعه‌دهنده (مثل Raspberry Pi، Arduino)
    • برنامه‌نویسی برای دستگاه‌های اینترنت اشیاء (زبان‌های Python، C++، JavaScript)
    • طراحی رابط‌های کاربری برای سیستم‌های اینترنت اشیاء
    • پیاده‌سازی و ارزیابی عملکرد سیستم‌های اینترنت اشیاء
  • کاربردهای پیشرفته اینترنت اشیاء
    • اینترنت اشیاء در پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی (پزشکی از راه دور، پایش سلامتی)
    • اینترنت اشیاء در کشاورزی هوشمند (حسگرهای خاک، کنترل آبیاری)
    • اینترنت اشیاء در صنعت (فناوری‌های صنعت ۴.۰، اتوماسیون صنعتی)
    • اینترنت اشیاء در حمل و نقل و خودروهای هوشمند
    • آینده اینترنت اشیاء و چالش‌های پیش رو
  • پروژه عملی و کاربردی
    • کار با سنسورها و عملگرها در محیط‌های واقعی
    • طراحی و پیاده‌سازی یک پروژه اینترنت اشیاء
    • استفاده از پلتفرم‌های مختلف برای تحلیل و پردازش داده‌های اینترنت اشیاء
  • آینده اینترنت اشیاء
    • پیش‌بینی‌ها و روندهای آینده در زمینه اینترنت اشیاء
    • فرصت‌ها و چالش‌های فناوری‌های نوظهور مانند ۵G و Edge Computing

ارزیابی

  • امتحان پایان‌ترم: ۶۰ درصد
  • پروژه و تمرین: ۴۰ درصد

منابع

  1. R P. Marwedel. Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. Springer, 2021.
  2. Holger Karl and Andreas Willig Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. Wiley, 2007.
  3. E. A. Lee and S. A. Seshia. Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach. MIT Press, 2016.
  4. P. Raj and A. C. Raman The Internet of Things Enabling Technologies, Platforms, and Use Cases. CRC Press, 2017.
  5. Murthy and Manoj Ad Hoc Wireless Networks, Architectures and Protocolsm. Pearson/Prenticie Hall, 2004.
  6. Guibas Zhao and Morgan Kaufmann Wireless Sensor Networks - An Information Processing Approach. 2004.
  7. Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems, Edited by Ilyas and Mahgoub, CRC Press, 2005.
  8. F. J. Dian. Fundamentals of Internet of Things: For Students and Professionals. Wiley-IEEE Press, 2022.
  9. P. Raj and A. C. Raman. The Internet of Things Enabling Technologies, Platforms, and Use Cases. CRC Press, 2017.
  10. O. Hersent, D. Boswarthick, and O. Elloumi. The Internet of Things: Key Applications and Protocols. 2nd Edition. Wiley, 2013.
  11. Y. Wu, H. Huang, C-X. Wang, and Y. Pan. 5G-Enabled Internet of Things. CRC Press, 2019.