آموزش اینترنت اشیا در اتوماسیون صنعتی

آموزش اینترنت اشیا در اتوماسیون صنعتی با توجه به پیشرفت روز افزون تکنولوژی در دنیای امروز و گستره‌ی استفاده از اینترنت در سراسر جهان و امکان اتصال تمامی دستگاه‌ها اعم از صنعتی و خانگی به اینترنت، IoT (Internet of Thing)، اینترنت اشیا نقش بسزایی در اتوماسیون صنعتی و زندگی ما ایفا می‌کند.

IoT در حقیقت به معنای صحبت کردن اشیا متصل به اینترنت با یکدیگر بدون نیاز به حضور انسان است که این امر سبب کارایی بیشتر و بهبود خدمات در زمینه‌های مختلف شده است.

با توجه به پیشرفت روز افزون تکنولوژی در دنیای امروز و گستره‌ی استفاده از اینترنت در سراسر جهان و امکان اتصال تمامی دستگاه‌ها اعم از صنعتی و خانگی به اینترنت، IoT (Internet of Thing) یا اینترنت اشیا نقش بسزایی در اتوماسیون صنعتی و زندگی ما ایفا می‌کند.

IoT در حقیقت به معنای صحبت کردن اشیا متصل به اینترنت با یکدیگر بدون نیاز به حضور انسان است، که این امر سبب کارایی بیشتر و بهبود خدمات در زمینه‌های مختلف شده است. این تکنولوژی، در پروتکل‌ها و اشکال مختلفی از جمله CoAP، AMQP،LoRaWAN وMQTT مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• بیشتر بخوانیم
• اولویت‌های کلیدی تحول دیجیتال برای سال ۲۰۲۴
• تحول دیجیتال ۲۰۲۴: چگونه جلوتر از اختلال بعدی بمانیم

MQTT چیست؟

پروتکل MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) یک روش پیام‌رسانی بر مبنای انتشار و اشتراک (Publish/ Subscribe) پیام‌ها در بستر اینترنت بین دو دستگاه است که در این روش از حداقل پهنای باند استفاده می‌شود. MQTT با سرعت چشم‌گیری در حال رشد و پیشرفت در همه‌ی صنایع از جمله اتوماسیون صنعتی است. اما دلیل این محبوبیت چیست؟

دارا بودن ویژگی های منحصر به فردی که متناسب با نیازهای خاص سیستم‌های اینترنت اشیا است، سبب شده تا از پروتکل MQTT به عنوان یکی از بهترین پروتکل‌های اینترنت اشیا در صنعت نام برده شود. برخی از ویژگی های کلیدی این پروتکل عبارتند از:

• پهنای باند کم

دستگاه‌های IoT اغلب از نظر قدرت پردازش، حافظه و مصرف انرژی دارای محدودیت هستند. پهنای باند و حجم کم مورد نیاز برای انتقال اطلاعات از طریق MQTT، این پروتکل را برای دستگاه‌ها ایدئال می‌کند.

• تضمین تحویل پیام

از آنجایی که امکان اختلال در اینترنت خصوصا در جغرافیای ما امری غیر قابل اجنتاب است، شبکه‌های اینترنت اشیا می‌توانند با تأخیر بالا یا اتصالات ناپایدار مواجه شوند. پشتیبانی MQTT از سطوح مختلف QoS (Quality of Service) به معنای کیفیت خدمات، به استانداردهایی که فرستنده پیام برای رسیدن پیام به مقصد در نظر دارد اشاره می‌کند. این سرویس تحویل پیام را حتی در شرایط چالش برانگیز تضمین می‌کند و آن را برای IoT مناسب می‌سازد.

• ارتباط ایمن

با توجه به اینکه داده‌های منتقل شده از طریق شبکه‌هایIoT اغلب از اهمیت بالایی برخوردارند، ایجاد امنیت در این شبکه‌ها بسیار حائز اهمیت است. در پروتکل MQTT اطلاعات از طریق تونلSSH انتقال پیدا می‌کنند، این تونل مانند S حرف آخر در https موجود در درگاه‌های بانکی است که امنیت تراکنش‌ها را در بستر اینترنت فراهم می‌کند. علاوه بر این MQTT از رمزگذاری لایه حمل و نقل (TLS) و لایه سوکت‌های امن (SSL) نیز پشتیبانی می‌کند و محرمانه بودن داده‌ها را در طول انتقال، اطمینان می‌دهد. همچنین به دلیل امکان ایجاد مکانیسم‌های احراز هویت و سطح دسترسی به اطلاعات از طریق نام کاربری و رمز عبور، دسترسی به شبکه و منابع آن به شدت محافظت می‌شود. به علاوه عدم استفاده از IP Static نیز امکان هک سیستم را به حداقل می‌رساند.

• ارتباط متقابل

MQTT امکان ارتباط دو طرفه یکپارچه بین دستگاه‌ها را فراهم می‌کند. در این پروتکل هر مشترک میتواند پیام‌هایی را در موضوعات مختلف منتشر کند و هم پیام‌های منتشر شده را دریافت کند، بدین صورت امکان تبادل موثر داده در اکوسیستم‌های مختلف اینترنت اشیا بدون اتصال مستقیم بین دستگاه‌ها فراهم است.

• انتقال پیام به صورت مستمر

MQTT به مشتریان اجازه می‌دهد تا ارتباط خود را با بروکر (Broker) به صورت مستمر حفظ کنند و سیستم را قادر می‌سازد تا پیام‌های تحویل نشده را حتی پس از قطع ارتباط به خاطر بسپارد. مشتریان همچنین می‌توانند با مشخص کردن یک بازه زمانی، از بروکر بخواهند وضعیت اتصال را به صورت دوره‌ای بررسی کند.

• پشتیبانی از دستگاه‌های اینترنت اشیا در مقیاس بزرگ

سیستم‌های اینترنت اشیا اغلب شامل تعداد زیادی دستگاه هستند که به پروتکلی نیاز دارند تا بتواند استقرار در مقیاس وسیع را مدیریت کند. ماهیت MQTT، مصرف پهنای باند کم و استفاده کارآمد از منابع، آن را برای کاربردهای IoT در مقیاس بزرگ مناسب می‌سازد. الگوی انتشار-اشتراک به MQTT اجازه می‌دهد تا به طور موثر عمل کند، زیرا فرستنده و گیرنده را جدا می‌کند و ترافیک شبکه و استفاده از منابع را کاهش می‌دهد.

• پشتیبانی از زبان‌های مختلف برنامه نویسی

پشتیبانی گسترده MQTT از انواع زبان‌های برنامه نویسی، امکان ارتباط با انواع پلتفرم ها و فناوری‌ها را امکان پذیر می‌سازد و ارتباطات یکپارچه و قابلیت همکاری را در اکوسیستم‌های مختلف اینترنت اشیا تقویت می‌کند.

نحوه عملکرد پروتکل MQTT

پروتکل MQTT براساس الگوی انتشار-اشتراک بین فرستنده پیام (Publisher) و گیرنده پیام (Subscriber) کار می‌کند. در این نوع ارتباط برخلاف سایر شبکه‌های ارتباطی، پیام به صورت مستقیم بین فرستنده و گیرنده در جریان نیست. پیام از فرستنده به بروکر MQTTارسال می‌شود و پس از پردازش توسط این بروکر به گیرنده ارسال می‌شود.

اجزای MQTT

اجزای اصلی پروتکلMQTT، کلاینت‌ها (Clients) و بروکر هستند. در اینترنت اشیا، کلاینت معمولاً به فرستنده و گیرنده پیام اشاره دارد. به صورت ساده، یک کلاینت هم می‌تواند یک فرستنده و هم یک گیرنده باشد. اساساً، هر دستگاهی را که از پروتکل شبکه TCP/IPاستفاده می‌کند و امکان پیاده سازی نرم افزاری MQTT را بر روی خود داراست. از یک میکروکنترلر کوچک گرفته تا یک سرور غول پیکر، میتوان به عنوان کلاینت پروتکل MQTT در نظر گرفت.

این مدل ارتباطی باعث می‌شود تا گیرنده و فرستنده از موقعیت شبکه یکدیگر آگاهی نداشته باشند و به اطلاعاتی مانند شماره پورت و یا آدرس IP نیاز نداشته باشند. همچنین احتیاج به آنلاین بودن و حضور همزمان فرستنده و گیرنده در شبکه نیز وجود ندارد. علاوه بر موارد فوق در این نوع ارتباط فرستنده و گیرنده میتوانند بدون ایجاد وقفه در روند کار دیگری، پیام را ارسال و دریافت کنند.

در ابتدا یک کلاینت با بروکر MQTT ارتباط برقرار می‌کند و پس از برقراری ارتباط می‌تواند در نقش فرستنده، پیام‌ها را به بروکر ارسال کند یا می‌تواند پیام‌های خاصی را در نقش گیرنده دریافت کند یا در هر دو عمل ارسال و دریافت پیام، ایفای نقش کند. هنگامی که بروکر MQTT پیامی را دریافت می‌کند، آن را برای گیرنده‌هایی که در موضوع (Topic) آن پیام مشترک هستند ارسال می‌کند و با توجه به نوع کیفیت خدمات تعریف شده در پیام ارسالی از سمت فرستنده به پردازش پیام می‌پردازد و سپس پیام را برای همیشه از حافظه خود پاک خواهد کرد. بروکر MQTT در حقیقت سیستمی تحت فضای ابری (Cloud) است، که پیام‌ها را بین کلاینت‌های مختلف هماهنگ می‌کند. مسئولیت‌های این بروکر شامل دریافت و فیلتر کردن پیام‌ها، شناسایی کلاینت‌ها در هر پیام و ارسال پیام‌ها برای آنها است. مجوز و احراز هویت کلاینت‌های MQTT، ارسال پیام به سیستم‌های دیگر برای تجزیه و تحلیل بیشتر، مدیریت پیام‌های از دست رفته از دیگر وظایف این بروکر است.

منبع: دلتا