أتمتة المنزل للمطورين: أمثلة على أنظمة إنترنت

في مقالتنا التالية, سنناقش العديد من الأمثلة على أجهزة إنترنت الأشياء المنزلية, كما سنرشدك حول كيفية تنفيذ أتمتة المنزل باستخدام إنترنت الأشياء.

المحتويات:

1. أتمتة المنزل باستخدام إنترنت الأشياء.

2. تطبيقات أتمتة المنازل.

3. حساسات أتمتة المنزل.

4. بروتوكولات أتمتة المنازل.

5. هندسة أتمتة المنازل.

6. سلسلة الكُتل وإنترنت الأشياء.

1. أتمتة المنزل باستخدام إنترنت الأشياء.

لماذا قد تحتاج شراء منتجات وأنظمة أتمتة المنازل التي تعتمد على إنترنت الأشياء؟ هل هي الحاجة إلى تحسين مستوى الأمان في منزلك, أم ترغب بعيش حياة المستقبل التي نراها في الأفلام مثل فلم Iron Man الشهير.

في الكثير من الأحيان, يكون من الصعب تصور التكنولوجيا المطلوبة لبناء نظام أتمتة منزلي. نظراً للتعقيد الذي تقدمه هذه الأنظمة, يصبح من المهم للغاية تعلم وفهم كيفية استخدام تقنية أتمتة المنزل المناسبة لمنتج المنزل الذكي الخاص بك.

تتكون أنظمة أتمتة المنزل من ثلاثة أجزاء رئيسية, وهي:

• المعدات Hardware.

• البرامج والتطبيقات Software/Apps.

• بروتوكولات الإتصال Communication Protocols.

يعتبر كل جزء من هذه الأجزاء مهماً بنفس القدر في بناء أنظمة المنزل الذكي. يتيح لك امتلاك الأجهزة المناسبة القدرة على تطوير نموذج إنترنت الأشياء الخاص بك بشكل متكرر والاستجابة لمحاور التكنولوجيات بسهولة.

يساعد البروتوكول الذي تم اختياره بشكل صحيح على تجنب اختناقات الأداء التي من شأنها أن تقيد التكنولوجيا وإمكانيات تكامل الأجهزة مع الحساسات وأجهزة إنترنت الأشياء الأخرى.

ومن الأمور الهامة الأخرى هي البرامج الثابتة الموجودة في أجهزتك, والتي تقوم بإدارة البيانات ونقلها وتحديثها وتنفيذ العديد من العمليات الأخرى التي تجعل الأجهزة تعمل بالشكل الصحيح.

2. تطبيقات أتمتة المنازل.

تم بناء أجهزة أتمتة المنازل المعتمدة على إنترنت الأشياء لاستهداف مجموعة واسعة من المستهلكين الرقميين. ومع المجالات التي يمكن للمستهلكين أن يجدوا فيها التشغيل الآلي للمنزل:

• التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

• التحكم بالإنارة.

• إدارة الحديقة المنزلية.

• الأجهزة المنزلية الذكية.

• أجهزة أمن وسلامة المنزل.

• التحكم في أنظمة الترفيه.

• مراقبة جودة الهواء والماء.

• مفاتيح وأقفال الأبواب والشبابيك الذكية.

• عدادات الطاقة.

• أجهزة توفير الطاقة.

لا تزال هذه القائمة غير مكتملة وتتطور بمرور الوقت لاستيعاب حالات استخدام إنترنت الأشياء الجديدة. لكن بعد معرفة التطبيقات الأساسية لأتمتة المنازل باستخدام أجهزة إنترنت الأشياء, سنبدأ في التحدث عن تفاصيل المكونات التي يتم استخدامها في بناء المنزل الذكي الذي يعمل بنظام أتمتة المنازل.

مكونات نظام أتمتة المنزل.

قبل الدخول في التفاصيل, يجب علينا معرفة المكونات الأساسية لنظام أتمتة المنزل, حيث أن هذه المكونات تساعدك في بناء منزلك الذكي, والمكونات الرئيسية هي:

• حساسات إنترنت الأشياء.

• بوابات إنترنت الأشياء.

• بروتوكولات إنترنت الأشياء.

• البرامج الثابتة لإنترنت الأشياء.

• سحابة التخزين وقواعد بيانات إنترنت الأشياء.

• الأجهزة الوسيطة لإنترنت الأشياء.

يوجد هنالك الآلاف من حساسات إنترنت الأشياء التي يمكنها المشاركة في التشغيل الآلي للمنزل. كما يوجد هنالك مئات بوابات التشغيل الآلي للمنزل.

تكون غالبية البرامج الثابتة مكتوبة بلغة البرمجة C أو Python أو Node.js أو أي لغة برمجة أخرى, لكن تعتبر اللغات التي ذكرناها هي الأكثر استخداماً.

بالنسبة لأكبر اللاعبين في مجال خدمات التخزين السحابي في إنترنت الأشياء, يمكن تقسيمهم إلى منصة كخدمة Platform as a Service (PaaS) أو البنية التحتية كخدمة Infrastructure as a Service (LaaS).

من أشهر منصات إنترنت الأشياء كمقدم للخدمة:

• AWS IoT.

• Azure IoT.

• Carriots.

• Konekt.

• TempoIQ.

• Thingworx.

• Ubidots.

• Thingspeak.

• IBM Bluemix.

خصائص منصات إنترنت الأشياء.

تنقسم هذه المنصات بشكل كبير حول تطبيق إنترنت الأشياء والميزات المتعلقة بالأمان التي تقوم بتوفيرها. كما أن عدداً قليلاً منها يعتبر مفتوح المصدر.

وعند اختيار المنصة التي ترغب بالعمل معها, يجب مراعاة الأمور التالية:

• أمان الجهاز والمصادقة.

• إدارة الجهاز.

• وسطاء الجهاز.

• البروتوكولات المدعومة.

• جمع البيانات وتحليلها.

• التكامل مع الخدمات الأخرى.

• قابلية التوسع.

• واجهة برمجة تطبيقات في الوقت الفعلي.

3. حساسات أتمتة المنزل.

يوجد هنالك الآلاف من الحساسات أو المستشعرات Sensors التي يمكن استخدامها في بناء نظام المنزل الذكي, ومن أهم هذه الحساسات هي الحساسات التي تقوم بقياس واستشعار:

• درجة الحراة.

• شدة الإنارة.

• مستوى الماء.

• جودة الهواء

• كاميرات المراقبة.

• الصوت.

• الضغط.

• الرطوبة.

• الأشعة تحت الحمراء.

• الإهتزازات.

• سرعة الهواء.

اعتماداً على ما تحتاجه, يمكنك استخدام واحد أو أكثر من هذه الحساسات لبناء نموذج إنترنت الأشياء للمنزل الذكي. ومن أكثر الحساسات أو المستشعرات Sensors التي عادة ما يتم استخدامها:

حساسات الحرارة.

قد تعتبر حساسات الحرارة Temperature Sensors من أهم الحساسات التي يمكن استخدامها في أنظمة أتمتة المنازل. فهي تقوم بتقديم التغذية الراجعة لنظام تدفئة الهواء وتكييفه, كما أنها تساعد في التحكم في درجات حرارة المياه الساخنة.

تحتوي الأسواق على مجموعة واسعة من حساسات الحرارة التناظرية والرقمية. لكن عند البحث عن حساس حرارة يجب التركيز على أن تكون دقته عالية.

حساسات شدة الإنارة.

تقوم حساسات شدة الإنارة Lux Sensors بقياس شدة اللمعان أو الإضاءة, يمكن استخدامها في المنزل الذكي لتشغيل العديد من الخصائص.

ومن الأمور التي يمكن استخدام حساسات الإنارة فيها هي التحكم في التشغيل الآلي للإنارة داخل المنزل عند انخفاض شدة الإضاءة داخل المنزل. كما يمكن دمجها مع الستائر الإلكترونية لفتحها عند شروق الشمس وإغلاقها عند غروبها.

حساسات مستوى الماء.

الماء هو أساس الحياة, ولتجنب حدوث انقطاع في الماء داخل منزلك, يمكنك تركيب حساسات قياس مستوى الماء. كما أنها تقوم بتنبيهك في حال انخفاض مستوى الماء داخل خزانات المياه عن مستوى محدد.

كما يمكن لبعض أنواع حساسات قياس مستوى الماء عرض كمية الماء المتوافرة داخل الخزانات على شاشة رقمية بحيث تظهر نسبة إمتلاء الخزان أو كمية الماء بالأمتار المكعبة.

حساسات جودة الهواء.

تقوم هذه الحساسات بحسب نوعها بقياس ومراقبة نسبة أول أكسيد الكربون والهيدروجين وأكسيد النيتروجين في الهواء.

كما يمكن استخدامها لقياس مستويات الغازات الخطرة, وذلك في حال وجود تسريب غاز على سبيل المثال, مثل غاز الطبخ المنزلي والغازات الكحولية والبنزين والدخان وثاني أكسيد الكربون.

حساسات كشف الصوت.

يمكن استخدام حساسات كشف الصوت في تطبيقات أمن المنزل, يمكن تثبيتها قرب الأبواب أو الشبابيك على سبيل المثال.

لكن لا يعتبر الأمان هو التطبيق الوحيد لحساسات الصوت, يمكن تثبيتها في غرف الأطفال لمراقبتهم, خصوصاً أثناء نومهم. يمكن استخدامها أيضاً للتحكم بالإنارة عن طريق التصفيق مثلاً. كما يمكنك استخدامها لفتح الباب لكلبك أو قطتك اعتماداً على شدة أصواتهم.

حساسات الرطوبة.

توفر هذه الحساسات القدرة على استشعار الرطوبة ومستويات الرطوبة النسبية في الهواء للمنازل الذكية. تعتمد الدقة ودقة الاستشعار كثيرًا على عوامل متعددة بما في ذلك التصميم العام لجهاز الاستشعار وموضعه.

لكن ما هي الحاجة إلى ذلك؟ يوجد هنالك مستوى معين من الرطوبة الذي يكون مناسباً لراحة الإنسان, يمكن إجراء تكامل ما بين حساسات الرطوبة وأجهزة الترطيب أو إزالة الرطوبة للوصول إلى مستوى الرطوبة النسبية المحدد.

4. بروتوكولات أتمتة المنازل.

أحد أهم أجزاء بناء نموذج أتمتة المنزل هو التفكير في البروتوكولات التي قد تستخدمها أجهزتك للأتصال بالبوابات والخوادم وأجهزة الإستشعار أو الحساسات.

قبل بضع سنوات, كانت الطريقة الوحيدة للتواصل ما بين مكونات المنزل الذكي هي عن طريق البلوتوث Bluetooth أو WiFi أو الإتصال عن طريق GSM.

لكن نظراً للنفقات الإضافية على شرائح الإتصال SIM, وانخفاض أداء وكفاءة WiFi, فإن غالبية هذه الحلول لم تكن ناجحة بالشكل المطلوب.

نجت تقنية البلوتوث Bluetooth وتطورت بعدها على أنها البلوتوث الذكي Bluetooth Smart أو البلوتوث منخفض الطاقة Bluetooth Low Energy الذي يختصر بـ BLE. حيث سيعمل هاتفك بشكل أساسي كبرنامج وسيط لجلب البيانات من أجهزة الإستشعار التي تعمل بنظام BLE وإرسالها إلى الإنترنت.

لكن عند النظر إلى بروتوكولات أتمتة المنازل الرئيسية, يتصدر القائمة البروتوكولات التالية:

• البلوتوث منخفض الطاقة BLE, وهو بروتوكول لاسلكي مزود بقدرات شبكية وأمان وخوارزميات تشفير للبيانات وغيرها.

• Zigbee, وهو بروتوكول قائم على التردد اللاسلكي منخفض التكلفة, وهو متصل بالشبكة ومنخفض الطاقة. لكن الإصدارات المختلفة من Zigbee لا يمكنها التواصل مع بعضها البعض.

• X10, وهو بروتوكول قديم يستخدم أسلاك خطوط الطاقة لإرسال واستقبال الإشارة والتحكم.

• Insteon, يمكن الإتصال بهذا البروتوكول بشكل سلكي أو لاسلكي.

• Z-Wave, وهو متخصص في التشغيل الآلي للمنازل مع التركيز على جانب الأمان.

• WiFi, وهو بروتوكول الإتصال الغني عن التعريف.

• UPB, يستخدم هذه البروتوكول خطوط الطاقة المثبتة في المنزل, ويقلل من التكاليف.

• Thread, وهو عبارة عن بروتوكول بدون حقوق ملكية يستخدم ﻷتمتة المنازل.

• ANT, وهو بروتوكول منخفض الطاقة بشلك كبير, ويساعد المطورين على بناء حساسات منخفضة الطاقة من إماكنية التوزيع الشبكي.

ما هو البروتوكول الأفضل؟

مع وجود بعض البروتوكولات التي تقدم بكفاءة أكثر من غيرها, إلا أنه من المهم دائماً البدء من احتياجات المنزل الذكي ثم الإنتقال إلى طريقة تضييق الحلول المتاحة.

ومن أفضل البروتوكولات لأتمتة المنزل هي البلوتوث منخفض الطاقة BLE و Z-wave و Zigbee و Thread. كما يمكن تضييق نطاق الإختيار من خلال النظر إلى العوامل التالية:

• جودة شبكات الإستشعار.

• معدل نقل البيانات.

• القدرة على إجراء التحقق من الهوية.

• مستوى الأمان الذي يقدمه.

• المسافة المراد تغطيتها.

5. هندسة أتمتة المنازل.

عند التفكير في أتمتة المنزل باستخدام أجهزة إنترنت الأشياء, يجب أخذ ما يلي بالاعتبار:

• إجراءات الأمان التي تنطوي على مصادقة ثنائية أو متعددة المستويات.

• تشفير البيانات بين طرفي الإتصال.

• التحكم في الوصول.

• بنية تحتية سحابية قوية.

• لامركزي الشبكة مع وجود حلقات تغذية راجعة.

• نقاط نهاية API.

• قابلية توسيع قاعدة البيانات.

• دعم قواعد بيانات NoSQL.

بوابات أتمتة المنزل.

لتطوير منتج لأتمتة المنازل, غالباً ما يكون المنتج الذي يرسل البيانات إلى الخادم غير كاف. غالباً بسبب قيود البطارية والبروتوكول, ويتم توجيه البيانات من جهاز الاستشعار في المنزل عبر بوابة إنترنت الأشياء.

لتحديد البوابة الأمثل لأتمتة منزلك باستخدام إنترنت الأشياء, ضع في اعتبارك العوامل التالية:

• إمكانيات الوقت الحقيقي Real-Time.

• دعم بروتوكولات الإتصال.

• الأمان.

• دعم MQTT و CoAP و HTTPS.

• النموذجية Modularity.

عندما يتعلق الأمر ببناء بوابات إنترنت الأشياء, فإن النموذجية وبروتوكول إنترنت الأشياء الهجين يكونان في أعلى تلك القائمة عندما يكون المنتج في المراحل الأولى من طرحه في السوق. لتضمين بوابة في نظام أتمتة منزلك, يمكنك التفكير في الخيارات التالية:

• إنشاء بوابة من الألف إلى الياء باستخدام مكدسات الأجهزة Hardware Stack الموجودة للنماذج الأولية (باستخدام Raspberry Pi، Intel Edison، وغيرها). بعدها, عندما يتم التحقق من صحة PoC, يمكنك إنشاء الأجهزة المخصصة الخاصة بك.

• يمكنك استخدام وحدات البوابة النمطية الموجودة Gateway Modules مثل بوابة Ingincs BLE. هذه البوابات سهلة التخصيص والاتصال بخدماتك وأجهزتك السحابية. ومع ذلك, فقد يقدمون أو لا يقدمون نفس المستوى من الدعم الذي تحتاجه لبناء الميزات التي ترغب بها.

على سبيل المثال ، قد تؤدي البوابة ذات شبكة الإتصال السيئة إلى ازدحام حركة المرور. أو أنها قد لا تدعم البروتوكولات المطلوبة التي ترغب في استخدامها.

لغات برمجة أتمتة المنزل.

يوجد هنالك العديد من لغات البرمجة التي يستخدمها مطوروا برامج أتمتة المنازل, ومنها:

• Python.

• C.

• Embedded C.

• Shell.

• Go.

• JavaScript (Node.js).

الأطر العامة لأتمتة المنزل.

إذا كنت تعتقد أنه يمكنك بناء كل شيء من أتمتة المنزل (بروتوكولات، أجهزة، برامج، ,وغيرها) بمفردك, فهذا الأمر غير واقعي. فكل شخص بدءاً من الشركات الناشئة إلى الشركات الكبرى, يستعين الآن بأطر التشغيل الآلي للمنزل لبناء منتجات متصلة.

يوجد هنالك أكثر من 15 إطاراً مختلفاً للمنزل الذكي, حيث أن هذه الأطر متاحة لمطوري إنترنت الأشياء لاستخدام وبناء الجيل التالي من المنتجات المنزلية المتصلة ببعضها البعض. بعض هذه الأطر مفتوح المصدر وبعضها الآخر مغلق المصدر.

منصات وأطر إنترنت الأشياء مفتوحة المصدر لأتمتة المنازل.

في حال كنت تتطلع إلى بناء نموذج أولي للمنزل الذكي, لا يوجد حاجة لكتابة كل شيء من البداية, يوجد هنالك العديد من المساهمات الرائعة من قبل العديد من الأشخاص على منصات المصدر المفتوح, ويمكن لهذه المساهمات تشغيل منتجات أتمتة المنزل الخاصة بك في أي وقت. ومنها:

– OpenHAB, وهو يدعم Raspberry Pi, مكتوباً بلغة Java. ويحتوي على أدوات تصميم لإنشاء تطبيقات الهاتف المحمول الخاصة بك عن طريق تعديل واجهة المستخدم.

• Home Assistant.

• Calaos.

• Domoticz.

• LinuxMCE.

• PiDome.

• MisterHouse.

• Smarthomatic.

سنقوم بالتركيز على بعض هذه المنصات, ومنها:

5.1 Home Assistant لتطوير المنزل الذكي.

يدعم RaspberryPi, ويستخدم Python مع نظام التشغيل مثل Hassbian. لقد قامت Home Assistant بتبسيط قواعد التشغيل الآلي التي يمكن للمطورين استخدامها لبناء منتج التشغيل الآلي للمنزل, مما يوفر عليهم كتابة آلاف الأسطر من التعليمات البرمجية.

تدعم منصة Home Assistant ما يلي:

• Amazone Eco.

• Apple TV.

• Phillips HUE.

• Google Cast.

• Z-Wave.

• ARDUINO.

وغيرها العديد من الأنظمة المختلفة.

تتضمن كيفية عمل المساعد المنزلي ما يلي:

• التحكم في المنزل, المسؤول عن جمع المعلومات وتخزين بيانات ومعلومات الأجهزة.

• تشغيل أتمتة المنزل على تشغيل الأوامر بناءً على تكوينات المستخدم.

• تشغيل المنزل الذكي بناءً على سلوك المستخدم السابق.

من المهم أيضاً فهم بنية Home Assistant, وذلك لبناء منتجات عالية الأداء, كما سنتحدث الآن عن هندسة التحكم في المنزل التي تجعل التحكم وتدفق المعلومات ممكناً.

يتكون التحكم في المنزل من خمسة مكونات أساسية:

• المكونات Components.

• آلة الحالة State machine.

• مسجل الأحداث Event bus.

• سجل الخدمة Service registry.

• المؤقت Timer.

البنية الأساسية لـ Home Assistant.

تعمل جميع هذه المكونات معاً على إنشاء نظام سلس متزامن لإنترنت الأشياء للمنزل الذكي. في الإصدار السابق من Home Assistant, غالباً ما كان على نواة النظام التوقف أثناء البحث عن معلومات جديدة للجهاز.

ولكن مع الإصدارات الجديدة من Home Assistant, تم تقديم واجهة برمجة تطبيقات متوافقة مع الإصدارات السابقة, مما يجعل الأمور أسرع بكثير لتطبيقات إنترنت الأشياء. كما ما يميز هذا النظام هو مدى دقة تصميمه وتطويره لدعم إنترنت الأشياء في المنزل.

5.2 OpenHAB لأتمتة المنازل الذكية.

OpenHAB هو عبارة عن إطار عمل لأتمتة المنازل وبوابة إنترنت الأشياء للمنازل الذكية. وغلى غرار Home Assistant, يعمل OpenHAB بشكل جيد مع Raspberry Pi, كما يأتي مع أدوات التصميم الخاصة به لإنشاء واجهة مستخدم مميزة لمنتج أتمتة المنزل.

فهم بنية OpenHAB.

• نمطية: تتحقق مع مفهوم الحزم Bundles.

• ديناميكيات وقت التشغيل: بحيث يمكن إدارة مكونات البرنامج في وقت التشغيل.

• توجيه الخدمة: وجود خدمات لمختلف المكونات للتحدث مع بعضها البعض وتبادل المعلومات فيما بينها.

بالإعتماد بشكل أكبر على إطار عمل OGSi ، فإنه يعزز الطبقات التالية معاً:

• الطبقة المعيارية: تدير التبعيات بين الحزم.

• طبقة دورة الحياة: تتحكم في دورة حياة الحزم.

• طبقات الخدمة: تحدد نموذجاً ديناميكياً للإتصال بين الوحدات المختلفة.

• الخدمات الفعلية: هذه هي طبقة التطبيق, باستخدام جميع الطبقات الأخرى.

• طبقة الأمان: وهي اختيارية, وتستفيد من بنية أمان Java 2 وتدير الأذونات من الوحدات النمطية المختلفة.

ميزات OpenHAB.

• إطار البرنامج المساعد Plugin framework.

• محرك القواعد Rules engine.

• آلية التسجيل Logging mechanism.

• تجريد واجهة المستخدم UI abstraction.

• تتوفر تطبيقات واجهة المستخدم للويب و Android و iOS.

• توافر أدوات المصمم Designer tools.

تمت ملاحظة OpenHAB في المقام الأول فقط كمشروع للمبرمجين الهواة, لكن أصبح هنالك جهود مختلفة في الآونة الأخير من قبل OpenHAB في بناء اقتصاد المطور developer economy لبناء منازل ذكية لإنترنت الأشياء.

6. سلسلة الكُتل وإنترنت الأشياء.

يفهم المستهلكون, وخاصة الذين نشأوا في العصر الرقمي, أهمية الخصوصية والأمان بشلك كبير في العالم الرقمي.

مع تطور إنترنت الأشياء, احتل الأمن السيبراني مركز الصدارة. يمكن بسهولة نشر سلسلة الكُتل أو البلوكشين Blockchain في الشبكات المنزلية باستخدام raspberry Pi بتكاليف معقولة. يمكن تنفيذ طبقة سلسلة الكُتل المؤمنة بين الأجهزة والبوابات دون تجديد كبير لقاعدة الشفرة الحالية.

من شأن تقنية سلسلة الكُتل أن تكون من اللاعبين المهمين في هذه الأنظمة. كما أنها ستلعب دوراً كبيراً في المستقبل بنماذج أعمال ثورية وجديدة.

المصادر:

[1] What Is the Internet of Things (IoT) – Oracle.com

[2] What Is Home Automation and How Does It Work – Security.org

[3] Home-Assisstant.io

[4] IoT Protocols & Standards Guide – AVSystem.com

[5] IoT Devices List | Smart Home Devices – IoTLineUp.com