در این مقاله به بررسی کاربردها و امکانات سختافزاری و نرمافزاری تعبیه شده در انواع ردیاب هوشمند[1] میپردازیم. ویژگی اصلی این دستگاهها اندازهگیری مولفههای مربوط به موقعیت جغرافیایی حامل[2] و انتقال آن از طریق پروتکلهای اینترنت اشیاء صنعتی[3]به سرور میباشد. دلیل بهکارگیری واژه هوشمند در نامگذاری این دستگاه، قابلیت افزودن و تنوع بخشی آن با انواع حسگرها و عملگرهای مورد نیاز برای مانیتورینگ و کنترل سطح بالای انواع حامل در ورتیکالهای مختلف میباشد. در انقلاب صنعتی چهارم مبحث پایش و مدیریت هوشمند اجسام متحرک برای هوشمندسازی صنایع حائز اهمیت است. غالبا ردیابها وابسته به صنعت و محدوده ردیابی برای استفاده از زیرساختهای محلی، زمینی یا ماهوارهای طراحی میشوند. البته ممکن است با توجه به تنوع کاربرد و مصالحهی بین قیمت و ویژگیهای مورد نیاز توانایی ردیابی به روشهای مختلف نیز امکانپذیر باشد.
کلیدواژه: انقلاب صنعتی چهارم، اینترنت اشیاء صنعتی، ردیاب هوشمند، حامل
مقدمه
تاریخچه ردیاب ماهوارهای و پیدایش آن به دوران اسپوتنیک برمیگردد. در سال ١٩۶٠ نیروی دریایی ایالات متحده، برای ردیابی زیردریایی از شش ماهواره ارتفاع پایین در مدار قطبها و به روش اندازهگیری تغییرات اثرات داپلر در سیگنالهای مخابراتی استفاده نمود و مکان زیردریایی را در عرض چند دقیقه مشخص کردند. این عمل اولین استفاده از GPS در صنایع نظامی بوده و پس از آن برای ارتقا و پشتیبانی از سایر سیستمهای ناوبری مورد استفاده قرار گرفته است.
اولین کاربرد تجاری ردیاب ماهواره ای به سال 1987 در زمینه ردیابی وسایل نقلیه و پس از پرتاب مجموعه ماهوارههای GPS Block به فضا بر می گردد. این منظومه ماهواره ای به دلیل عدم پوشش کامل غالبا در کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار میگرفت و برای کاربردهای تجاری محدود بود. اما 9 سال بعد یک پیشرفت فوقالعاده در زمینه GPS در جهان رخ داد بهطوری که نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا ٢۴ ماهواره برای تکمیل شبکهGPS به فضا پرتاب کرد تا پنجره جدیدی به سوی پیشرفت فناوریهای نوین و هوشمندسازی گشوده شود.
رشد چشمگیر قابلیتهای المانهای الکترونیکی و از طرفی خلق سیستم عامل و الگوریتم های هوشمند قابل پیادهسازی بر روی هسته اصلی دستگاه، زمینه تحول در طراحی و تولید ردیابها را فراهم نموده است. استفاده از واژه هوشمند در نامگذاری این محصولات وجود ویژگیهای سختافزاری و نرمافزاری است که عملیات مدیریت حامل را تسهیل و تسریع مینماید. در بخشهای بعدی به معماری طراحی و ویژگیهای اصلی ردیابهای هوشمند خواهیم پرداخت.
در حال حاضر ردیاب های هوشمند برای مدیریت هزینه ها و افزایش بهرهوری در ورتیکالهای گوناگون از قبیل کشاورزی و زراعت، جنگلداری و دامپروری، ساخت و تولید، شبکه توزیع، آموزش، تفریح و سرگرمی، فروش و خدمات میدانی، غذا و دارو، خدمات دولتی، پزشکی و سامت، بیمه، محیط بانی، لیزینگ و اجاره، ساختمانسازی، فناوری و رسانه، نفت و گاز، معدن و راهسازی، سازماندهی، پلیس و امنیت، سرویسهای حرفهای، املاک و مستغلات، حمل و نقل (مسافر،کالا، محلی، عمومی، ریلی، هوایی و دریایی) تاسیسات، مدیریت پسماند، فروش عمده و جزئی مورد استفاده قرارمی گیرند.
زنجیره ارزش برای بهکارگیری ردیابهای هوشمند شامل شش حلقه اساسی و مهم حامل، دستگاه، سیستم تعیین موقعیت، شبکه مخابراتی، هسته پردازش و رابط کاربری می باشد. شکل 1 اجزای مربوط به زنجیرهی فناوری یک ردیاب ماهوار های را نمایش میدهد. هدف این مقاله کلاسبندی ردیابهای هوشمند با توجه به تنوع ویژگیهای مورد نیاز در کاربردهای مربوط به انقلاب صنعتی چهارم و شرایط حامل موردنظر در ورتیکالهای مختلف است که در ادامه به آن میپردازیم.
شکل 1: زنجیره فناوری ردیاب ماهوارهای [5]
کلاسبندی ردیاب براساس حامل
طیف گستردهی اجسام متحرک و همچنین ورتیکالهای مورد کاربرد ردیابهای هوشمند موجب افزایش تعداد طراحیها و البته کلاسبندی و نامگذاری متفاوت و غیریکپارچه در این گروه محصولات شده است. اما آنچه در بین تمام طراحیها و محصولات شرکتهای مختلف مشترک است ویژگیهای سخت افزاری و سیستم عاملی است. از اینرو با درنظر گرفتن وجه اشتراک و تمایز آنها، میتوان تمام محصولات موجود را کلاسبندی نمود [1].
پس از یک بررسی جامع به این نتیجه رسیدیم که علیرغم تنوع در کیفیت طراحی و گستردگی حوزه کاربرد، نحوه بکارگیری ردیاب در همه ورتیکالها براساس حامل مورد نظر تقریبا یکسان و مشابه است. از اینرو این دستگاهها براساس دو شاخصهی مدل تامین توان و سطح دسترسی کاربر اصلی[4] به حامل مطابق شکل 2 به چهار دسته انسانی، حیوانی، دارایی و خودرویی کلاسبندی میشوند.
ردیاب انسان: در انقلاب صنعتی چهارم توسعهی هوشمندسازی ردیابی انسان از ابعاد مختلف نظارتی، کنترلی، آموزشی، امنیتی و سلامت میتواند مفید باشد. آنچه ردیابی انسان را نسبت به سایر موارد متمایز میکند قدرت تشخیص و اراده حامل میباشد. از این رو معمولا این نوع ردیابها به رابطهای کاربری لمسی، صوتی یا تصویری برای دریافت یا ارسال پیغام به فرد مجهز میباشند.
ردیاب حیوان: این کلاس همانند ردیاب انسان است با این تفاوت که هیچ رابط کاربری برای دریافت پیغام از سمت حامل نخواهیم داشت ولی شیوه نصب و قابلیت اطمینان از اتصال همیشگی آن بدلیل عدم دسترسی یا تحرکات حیوان از اهمیت بالایی برخوردار است. معمولا این ردیابها به گردن حیوان یا پرندگان با یک بند مستحکم بسته میشوند.
ردیاب دارایی: در صورت تحقق اهداف انقلاب صنعتی چهارم، یکی از بزرگترین بخشهای بازار هم از لحاظ کمیت و هم تنوع، داراییهای قابل ردیابی میباشند. برخی از اشیا دارای موقعیت و کاربر واحدی نیستند و معمولا رهگیری و اطلاع از موقعیت آنها به لحاظ مدیریت، برنامهریزی و امنیت حائز اهمیت است. از وجوه تمایز این نوع ردیابها شرایط محیطی پرنوسان و احتمالا استفاده بهصورت اشتراکی آنها است. امکانات این ردیابها ممکن است مبتنی بر شی مورد استفاده، بروزرسانی شود.
ردیاب خودرو: خودرو یکی از فعالترین ادوات متحرک است که رهگیری و ردیابی آن میتواند از جنبههای اقتصادی، اجتماعی و فنی برای سایر ارکان ذینفع ارزشآفرین باشد. باتوجه به دسترسی به توان مستمر خودرو و همچنین دادههای مربوط به خودرو، قابلیت مانیتورینگ و کنترل حامل بر اساس قواعد از قبل تعریف شده در خود دستگاه یا از طریق سامانههای مدیریت و پایش هوشمند، از ویژگیهای مهم این نوع ردیابها میباشد. مثلا شرکتهایی از قبیل تولیدکنندگان، اجارهدهندگان خودرو، لیزینگها و غیره جهت مدیریت و پایش هوشمند خودروهای مدنظر خود در جهت مدیریت سرویسهای دورهای، حق اشتراک، مدیریت پرداختها و معوقات و غیره از این نوع ردیابها استفاده میکنند.
البته ناگفته نماند که گاهی ممکن است هریک از ردیابها براساس سرویسهای مورد نیاز، شرایط محیطی و دقت سفارشیسازی شود. بهطور مثال ردیابهای مورد استفاده در محیط صنعتی باید شرایط محیطی سخت و پرتنش را تحمل کنند یا دستگاههایی که در زونهای دور و کمتردد بهکارگرفته میشوند باید مجهز به آنتن خارجی برای تقویت برد گیرندگی باشند.
شکل 2: کلاسبندی ردیاب هوشمند براساس حامل [1]
معماری سختافزاری ردیاب هوشمند
مهمترین بخش در طراحی ردیاب هوشمند معماری و جانمایی المانها در برد الکترونیکی است. چراکه مصالحهی بین تکنولوژی، حجم، کیفیت، مصرف توان و قیمت هریک از المانها با کلاس و ورتیکال مورد نظر امری پیچیده و فناورانه است. بهطور کلی سختافزار مورد استفاده در ردیابها شامل سه بخش موقعیتیابی، ارتباط و اتصال به شرح شکل 3 میباشد [1].
موقعیتیابی: موقعیت حامل ارزشی است که ما در ردیابها به دنبال خلق آن میباشیم و در اولین قدم با قرار دادن ماژول ارتباط با ماهواره در کنار واحد راهاندازی و پردازش به این خواسته دست پیدا میکنیم. مجموعه المانهای اصلی شامل CPU و RAM که عملیات پردازش و کنترل مرکزی را در مشارکت المانهای کمکی از قبیل سسنورها و عملگرهای داخلی انجام میدهند، هستهی اصلی نامیده میشود. عملیات دریافت و محاسبه مولفههای موقعیت شامل طول، عرض، ارتفاع و زمان از منظومههای ماهوارهای آمریکایی، اروپایی، روسی، چینی و غیره توسط ماژول GNSS انجام میگردد.
ارتباط مخابراتی: غالبا به منظور ارتباط با سرور و سامانه پایش و مدیریت ابری نیاز به استفاده از ماژولهای مخابراتی برد بلند داریم. این المانها و روش انتخابی ممکن است مبتنی بر ورتیکال و حامل مورد نظر متفاوت باشد. ماژول مخابراتی GSM وظیفه برقراری ارتباط از طریق باندهای فرکانسی برد بلند دارای مجوز از جمله 2G، 3G، 4G، LTE و 5G را برعهده دارد. در برخی از کاربردها بهدلیل هزینه، امنیت، محدوده و ترافیک شبکه، از باندهای فرکانسی اختصاصی و بدون مجوز از جمله LoRa و Sigfox برای ارتباط استفاده میشود که مطابق با آن ماژولهای سختافزاری به ساختار دستگاه افزوده میگردند.
اتصال با دستگاههای مجاور: در برخی از کلاسهای طراحی از جمله خودرویی، در کنار تعیین موقعیت از درگاههای مختلف سختافزاری جهت کنترل و مانیتورینگ اجزای الکترونیکی متصل به حامل استفاده میشود. وابسته به محل کاربرد دستگاه به کمک المانهای راهانداز به پورتهای ارتباطی سیمی و بیسیم مجهز میشوند. شبکهی مخابراتی برد کوتاه بدون مجوز امکان اتصال بیسیم به سیستمها و تجهیزات مجاور از طریق باندهای فرکانسی در محدوده Bluetooth ، WIFI و ZigBee و مبتنی بر آن ادوات سختافزاری تعبیه شده در دستگاه را فراهم میکند. و همچنین در اکثر ردیابها از درگاههای سیمی و سختافزاری نیز برای ارتباط از طریق ورودی و خروجیهای دیجیتال و آنالوگ یا سایر پورتهای ارتباطی سریال و موازی از جمله RS232 ، RS485، CAN، LAN و غیره استفاده میشود.
شکل 3: معماری سختافزاری ردیاب هوشمند [1]
ویژگیهای سیستم عاملی ردیابهای هوشمند
با توجه به امکانات سختافزاری ردیاب هوشمند و الزامات فنی پیکرهبندی، توابع اصلی سیستم عامل و ویژگیهای نرم افزاری هریک از کلاسهای تعریف شده به شرح جدول 1 میباشد. یکی از مهمترین شاخصهها[5]در تمایز کلاسها مدهای عملکردی و سناریوهای مدیریتی ممکن و محتمل برای هر دستگاه، مبتنی بر نیاز مشتری[6]یا مصرفکننده[7]میباشد. ویژگیهای پیادهسازی شده در لایهی مرکزی سیستمعامل دستگاه میتواند براساس مصالحهی بین قابلیت تامین توان، ظرفیت پردازشی سخت افزار و تدوام ارتباط مخابراتی و ماهوارهای متفاوت باشد. چراکه هرچه تعدد و تنوع ویژگیها بیشتر باشد دستگاه هوشمندتر و سطح خودمدیریتی[8] و خوداتکایی[9] بالاتری خواهد داشت.
بهدلیل گسترده بودن دامنه و برد کاربرد ردیابهای هوشمند در این مقاله فقط به ویژگیهای نرمافزاری پرداخته شد ولی برای طراحی آنها بایستی به الزمات متنوعی از قبیل پوشش انواع شبکههای مخابراتی، پروتکلهای ارتباطی، رابطهای کاربری، کیفیت و ماهیت بدنه، تحمل پذیری و سازگاری محیطی نیز توجه شود. بطور مثال ممکن است بسته به نیاز در یک گروه از ردیاب ماژول مخابراتی 2G برای برقراری ارتباط کفایت کرده و در گروه دیگر علاوه بر ماژول 4G به شبکههای مخابراتی بدون مجوز بلند یا کوتاه برد نیز احتیاج باشد. ویژگیهای ذکر شده در فوق، طیف وسیعی از طراحی را ایجاد خواهند کرد [2].
در جدول 1 به چهار نوع ردیابی ماهوارهای، داخلی، برونخط و برونمرز که از ویژگیهای اصلی ردیاب است، اشاره شده است. نوع ردیابی وابسته به محیط مورد نظر و دقت مورد نیاز ممکن است متفاوت باشد، بطور مثال در کاربرد مدیریت مزرعه بدلیل وسعت و گستردگی محیط از ردیابی ماهوارهای و در کاربردهایی مانند مدیریت انبار به دلیل محدودیت فضا تراکم بالا از ردیابی داخلی استفاده می شود. در کاربرد ردیابی برونخط معمولا زمانی که ارتباط ردیاب با شبکههای مخابراتی و ماهوارهای قطع میشود ردیاب قابلیت ردیابی براساس نقشهها و الگوریتمهای داخلی را خواهد داشت و ویژگی ردیابی برونمزر زمانی بکار گرفته میشود که ردیاب متصل به حامل جابجایی ملی و منطقهای داشته باشد و نیاز به خدمات اپراتوری کشور میزبان داشته باشد.
جدول 1: ویژگیهای سیستم عاملی ردیابهای هوشمند [1]
شکل 4: کاربرد ردیابی ماهوارهای در مدیریت مزرعه [4]
کاربرد ردیابی ماهوارهای در مدیریت مزرعه
هوشمندسازی صنعت کشاورزی بهدلیل گستردگی و تنوع زنجیره ارزش همواره با دشواریهای متعدد همراه بوده است. در انقلاب صنعتی چهارم پایش و مدیریت افراد، تجهیزات و حیوانات کمک بزرگی در افزایش بهرهوری و کاهش هزینههای مزارع خواهد کرد. نظارت بر کیفیت اراضی زیر کشت، مدیریت محل چرای احشام و هوشمندسازی مراحل داشت، کاشت و برداشت بخش زیادی از نیازهای اساسی این ورتیکال را مرتفع میسازد. در این کاربرد بهدلیل سرعت پایین و باز بودن فضای مورد نظر معمولا از روش ردیابی ماهوارهای برای پایش و مدیریت انواع حاملهای موجود در این صنعت از جمله کارگران، احشام، ماشینآلات و پهپادها استفاده میشود. شکل 4 نمونهای از یک مزرعهی هوشمند را به تصویر میکشد [4].
شکل 5: کاربرد ردیابی داخلی در مدیریت انبار [3]
کاربرد ردیابی داخلی در مدیریت انبار
برای هوشمندسازی زنجیره تامین در انقلاب صنعتی چهارم پایش و مدیریت افراد، داراییها و ماشینآلات حائز اهمیت است. شکل 5 کاربرد ردیاب را برای مدیریت هوشمند بر کنترل زنجیره تامین و نظارت موجودی انبار نمایش میدهد. موقعیت هریک از کارکنان، تجهیزات و بسته محصولات متحرک بهوسیلهی این ردیاب اندازهگیری و پس از تجمیع توسط لنگرها[10] برای سامانه مدیریت و پایش هوشمند ارسال میگردد. برای رسیدن به دقت بالا در فضای مورد نظر چند لنگر[11] که معمولا به فناوریهای BLE[12] ،WIFI یا [13]UWB مجهز هستند، نصب میشود و امکان ردیابی با دقتهای بالاتر را فراهم میسازد. فناوری 5G نیز این امکان را تاحدی فراهم میکند که در مقالات مربوط به زیرساختهای [14]RTLS به آن پرداخته میشود [3].
شناسایی صحیح موقعیت موجب ثبت، کنترل و بکارگیری بهینه افراد، کالاها و تجهیزات میشود. بطور مثال اطلاع از موقعیت یک کالا در انبار میتواند علاوه بر بهبود فرآیند سرشماری، باعث افزایش سطح دسترسی و بهینگی زنجیره تامین شود.
نتیجهگیری
در این مقاله محدوده و عمق کاربرد ردیابها در انقلاب صنعتی چهارم و شیوهی اجرای راهکارهای هوشمند در ورتیکالهای مختلف بررسی شد. آنچه که به روشنی پیداست افزایش نیاز و ارزش بازار این فناوری در آینده نزدیک است. از آنجایی که نیاز اساسی ردیابها ارتباط مخابراتی و انتقال اطلاعات در بستر پیامک یا اینترنت است، میتوان به راحتی استنتاج کرد که این گروه از محصولات در زنجیره ارزش خدمات اپراتوری قرار خواهند گرفت. لازم به ذکر است که اپراتورهای بزرگ دنیا از جمله ودافون در راستای افزایش درآمدها و تامین نیازهای مشتریان خود تولید و طراحی ردیابهای هوشمند را به عنوان یک محصول در سبد محصولات فراتر از کسبوکار اصلی[15] در صورتهای مالی خود گزارش نمودهاند. از آنجایی که مواجه با فناوریهای نوین در مرحله رشد بازار نیاز به سرمایهگذاری کلان داشته و گاها رقابت در آن موعد غیرممکن خواهد بود، لازم است اپراتورهای داخلی نیز برای حفظ بازار، سرمایهگذاریهای خود در این زمینه را با جدیت بیشتری دنبال نمایند.
منابع
[1] اداره ابر و اینترنت اشیاء، سند امکانسنجی فنی و اقتصادی ردیاب هوشمند، مرکز تحقیق و توسعه همراه اول، 1402
[2] Official site of Teltonika https://teltonika-gps.com/
[3]Official site of ZeroKey https://zerokey.com/
[4]Norris J., Bland J., 2015, Precision Agriculture: almost 20% increase in income possible from smart farming, http://www.nesta.org.uk/blog/precision-agriculture-almost20-increase-income-possible-smart-farming
[5]Official site of JA Security and Innovations http://ja-si.com
پینوشت
[1] Smart Tracker
[2] Carier
[3] Industrial Internet of Things (IIOT)
فردی است که عملیات نصب و تنظیم ردیاب بر روی حامل را به انجام می رساند [4]
[5] Index
[6] Costumer
[7] Consumer
[8] Self-Management
[9] Self-Reliance
[10] Anchors
[11] Anchors
[12] Bluetooth Low Energy
[13] Ultra-wideband
[14] Real Time Location Systems
[15] Beyond the Core
