26 KiB

Raw Permalink Blame History

تشغيل الكشف عن جودة الفاكهة باستخدام مستشعر

رسم توضيحي بواسطة نيتيا ناراسيمهان. انقر على الصورة للحصول على نسخة أكبر.

اختبار ما قبل المحاضرة

المقدمة

تطبيقات إنترنت الأشياء ليست مجرد جهاز واحد يقوم بجمع البيانات وإرسالها إلى السحابة، بل غالبًا ما تكون مجموعة من الأجهزة تعمل معًا لجمع البيانات من العالم المادي باستخدام المستشعرات، واتخاذ قرارات بناءً على تلك البيانات، والتفاعل مع العالم المادي عبر المشغلات أو التصورات.

في هذا الدرس، ستتعلم المزيد عن تصميم تطبيقات إنترنت الأشياء المعقدة، ودمج مستشعرات متعددة وخدمات سحابية لتحليل وتخزين البيانات، وعرض الاستجابة عبر مشغل. ستتعلم كيفية تصميم نموذج أولي لنظام مراقبة جودة الفاكهة، بما في ذلك استخدام مستشعرات القرب لتشغيل تطبيق إنترنت الأشياء، وما هي بنية هذا النموذج الأولي.

في هذا الدرس سنتناول:

🗑 هذا هو الدرس الأخير في هذا المشروع، لذا بعد إكمال هذا الدرس والتكليف، لا تنس تنظيف خدمات السحابة الخاصة بك. ستحتاج إلى الخدمات لإكمال التكليف، لذا تأكد من إكماله أولاً.

ارجع إلى دليل تنظيف المشروع الخاص بك إذا لزم الأمر للحصول على تعليمات حول كيفية القيام بذلك.

تصميم تطبيقات إنترنت الأشياء المعقدة

تتكون تطبيقات إنترنت الأشياء من العديد من المكونات، بما في ذلك مجموعة متنوعة من الأجهزة والخدمات عبر الإنترنت.

يمكن وصف تطبيقات إنترنت الأشياء بأنها أشياء (أجهزة) ترسل بيانات تولد رؤى. هذه الرؤى تولد إجراءات لتحسين الأعمال أو العمليات. على سبيل المثال، محرك (الشيء) يرسل بيانات درجة الحرارة. تُستخدم هذه البيانات لتقييم ما إذا كان أداء المحرك كما هو متوقع (الرؤية). تُستخدم الرؤية لتحديد أولويات جدول الصيانة للمحرك بشكل استباقي (الإجراء).

تجمع الأشياء المختلفة أجزاء مختلفة من البيانات.
تقدم خدمات إنترنت الأشياء رؤى حول تلك البيانات، وأحيانًا تعززها ببيانات من مصادر إضافية.
تقود هذه الرؤى الإجراءات، بما في ذلك التحكم في المشغلات في الأجهزة أو تصور البيانات.

بنية مرجعية لإنترنت الأشياء

يوضح الرسم البياني أعلاه بنية مرجعية لإنترنت الأشياء.

🎓 البنية المرجعية هي بنية نموذجية يمكنك استخدامها كمرجع عند تصميم أنظمة جديدة. في هذه الحالة، إذا كنت تبني نظام إنترنت أشياء جديدًا، يمكنك اتباع البنية المرجعية، واستبدال الأجهزة والخدمات الخاصة بك حيثما كان ذلك مناسبًا.

الأشياء هي الأجهزة التي تجمع البيانات من المستشعرات، وربما تتفاعل مع خدمات الحافة لتفسير تلك البيانات، مثل مصنفات الصور لتفسير بيانات الصور. يتم إرسال البيانات من الأجهزة إلى خدمة إنترنت الأشياء.
الرؤى تأتي من التطبيقات بدون خادم، أو من التحليلات التي تُجرى على البيانات المخزنة.
الإجراءات يمكن أن تكون أوامر تُرسل إلى الأجهزة، أو تصور البيانات للسماح للبشر باتخاذ قرارات.

يوضح الرسم البياني أعلاه بعض المكونات والخدمات التي تمت تغطيتها حتى الآن في هذه الدروس وكيفية ارتباطها ببعضها في بنية مرجعية لإنترنت الأشياء.

الأشياء - كتبت رمز الجهاز لالتقاط البيانات من المستشعرات، وتحليل الصور باستخدام Custom Vision الذي يعمل في السحابة وعلى جهاز الحافة. تم إرسال هذه البيانات إلى IoT Hub.
الرؤى - استخدمت وظائف Azure للرد على الرسائل المرسلة إلى IoT Hub، وقمت بتخزين البيانات لتحليلها لاحقًا في Azure Storage.
الإجراءات - قمت بالتحكم في المشغلات بناءً على القرارات التي تم اتخاذها في السحابة والأوامر المرسلة إلى الأجهزة، وقمت بتصور البيانات باستخدام Azure Maps.

✅ فكر في أجهزة إنترنت الأشياء الأخرى التي استخدمتها، مثل الأجهزة المنزلية الذكية. ما هي الأشياء، والرؤى، والإجراءات التي تشارك في هذا الجهاز وبرامجه؟

يمكن توسيع هذا النمط ليكون كبيرًا أو صغيرًا حسب الحاجة، مع إضافة المزيد من الأجهزة والخدمات.

البيانات والأمان

عند تعريف بنية نظامك، تحتاج إلى التفكير باستمرار في البيانات والأمان.

ما البيانات التي يرسلها جهازك ويتلقاها؟
كيف يجب تأمين تلك البيانات وحمايتها؟
كيف يجب التحكم في الوصول إلى الجهاز وخدمة السحابة؟

✅ فكر في أمان البيانات لأي أجهزة إنترنت الأشياء التي تمتلكها. ما مقدار تلك البيانات الشخصية التي يجب أن تبقى خاصة، سواء أثناء النقل أو عند التخزين؟ ما البيانات التي لا يجب تخزينها؟

تصميم نظام مراقبة جودة الفاكهة

لنأخذ الآن فكرة الأشياء، والرؤى، والإجراءات ونطبقها على كاشف جودة الفاكهة لتصميم تطبيق شامل من البداية إلى النهاية.

تخيل أنك تم تكليفك ببناء كاشف جودة الفاكهة ليُستخدم في مصنع معالجة. تنتقل الفاكهة على نظام ناقل حيث يقضي الموظفون حاليًا وقتًا في فحص الفاكهة يدويًا وإزالة أي فاكهة غير ناضجة عند وصولها. لتقليل التكاليف، يريد مالك المصنع نظامًا آليًا.

✅ أحد الاتجاهات مع صعود إنترنت الأشياء (والتكنولوجيا بشكل عام) هو أن الوظائف اليدوية يتم استبدالها بالآلات. قم ببعض البحث: كم عدد الوظائف التي يُقدر أنها ستُفقد بسبب إنترنت الأشياء؟ كم عدد الوظائف الجديدة التي سيتم إنشاؤها لبناء أجهزة إنترنت الأشياء؟

تحتاج إلى بناء نظام يتم فيه اكتشاف الفاكهة عند وصولها على الناقل، ثم يتم تصويرها وفحصها باستخدام نموذج ذكاء اصطناعي يعمل على الحافة. يتم إرسال النتائج بعد ذلك إلى السحابة لتخزينها، وإذا كانت الفاكهة غير ناضجة يتم إرسال إشعار لإزالتها.


الأشياء	كاشف لوصول الفاكهة على الناقل كاميرا لتصوير وتصنيف الفاكهة جهاز حافة يقوم بتشغيل المصنف جهاز للإبلاغ عن الفاكهة غير الناضجة
الرؤى	اتخاذ قرار بفحص نضج الفاكهة تخزين نتائج تصنيف النضج تحديد ما إذا كان هناك حاجة للإبلاغ عن الفاكهة غير الناضجة
الإجراءات	إرسال أمر إلى جهاز لتصوير الفاكهة وفحصها باستخدام مصنف الصور إرسال أمر إلى جهاز للإبلاغ عن الفاكهة غير الناضجة

إنشاء نموذج أولي لتطبيقك

يوضح الرسم البياني أعلاه بنية مرجعية لهذا التطبيق النموذجي.

جهاز إنترنت الأشياء مع مستشعر القرب يكتشف وصول الفاكهة. يرسل هذا رسالة إلى السحابة للإبلاغ عن اكتشاف الفاكهة.
تطبيق بدون خادم في السحابة يرسل أمرًا إلى جهاز آخر لتصوير وتصنيف الصورة.
جهاز إنترنت الأشياء مع كاميرا يلتقط صورة ويرسلها إلى مصنف الصور الذي يعمل على الحافة. يتم إرسال النتائج بعد ذلك إلى السحابة.
تطبيق بدون خادم في السحابة يخزن هذه المعلومات لتحليلها لاحقًا لمعرفة نسبة الفاكهة غير الناضجة. إذا كانت الفاكهة غير ناضجة، فإنه يرسل أمرًا إلى جهاز إنترنت الأشياء الآخر للإبلاغ عن الفاكهة غير الناضجة عبر LED.

💁 يمكن تنفيذ هذا التطبيق الكامل لإنترنت الأشياء كجهاز واحد، مع تضمين كل المنطق لتشغيل تصنيف الصور والتحكم في LED. يمكن استخدام IoT Hub فقط لتتبع عدد الفواكه غير الناضجة المكتشفة وتكوين الجهاز. في هذا الدرس يتم توسيعه لتوضيح المفاهيم لتطبيقات إنترنت الأشياء واسعة النطاق.

بالنسبة للنموذج الأولي، ستقوم بتنفيذ كل هذا على جهاز واحد. إذا كنت تستخدم متحكمًا دقيقًا، فستستخدم جهاز حافة منفصل لتشغيل المصنف.

تشغيل فحص جودة الفاكهة باستخدام مستشعر

يحتاج جهاز إنترنت الأشياء إلى نوع من المشغلات للإشارة إلى أن الفاكهة جاهزة للتصنيف. يمكن أن يكون أحد المشغلات هو قياس موقع الفاكهة على الناقل عن طريق قياس المسافة إلى مستشعر.

يمكن استخدام مستشعرات القرب لقياس المسافة بين المستشعر والجسم. عادةً ما ترسل شعاعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل شعاع الليزر أو ضوء الأشعة تحت الحمراء، ثم تكتشف الإشعاع المرتد عن الجسم. يمكن استخدام الوقت بين إرسال شعاع الليزر والإشارة المرتدة لحساب المسافة إلى المستشعر.

💁 ربما استخدمت مستشعرات القرب دون أن تدرك ذلك. معظم الهواتف الذكية تقوم بإيقاف تشغيل الشاشة عندما تضعها على أذنك لمنع إنهاء المكالمة عن طريق الخطأ باستخدام شحمة الأذن، ويعمل هذا باستخدام مستشعر القرب، الذي يكتشف جسمًا قريبًا من الشاشة أثناء المكالمة ويعطل قدرات اللمس حتى يكون الهاتف على مسافة معينة.

المهمة - تشغيل فحص جودة الفاكهة باستخدام مستشعر المسافة

قم بتنفيذ الدليل المناسب لاستخدام مستشعر القرب لاكتشاف جسم باستخدام جهاز إنترنت الأشياء الخاص بك:

البيانات المستخدمة في كاشف جودة الفاكهة

يحتوي كاشف الفاكهة النموذجي على مكونات متعددة تتواصل مع بعضها البعض.

مستشعر القرب يقيس المسافة إلى قطعة الفاكهة ويرسلها إلى IoT Hub
الأمر للتحكم في الكاميرا يأتي من IoT Hub إلى جهاز الكاميرا
نتائج تصنيف الصور يتم إرسالها إلى IoT Hub
الأمر للتحكم في LED للإبلاغ عن الفاكهة غير الناضجة يتم إرساله من IoT Hub إلى الجهاز المزود بـ LED

من الجيد تحديد هيكل هذه الرسائل مسبقًا، قبل بناء التطبيق.

💁 تقريبًا كل مطور ذو خبرة قد قضى في مرحلة ما من حياته المهنية ساعات أو أيامًا أو حتى أسابيع في مطاردة أخطاء ناجمة عن اختلافات في البيانات المرسلة مقارنة بما هو متوقع.

على سبيل المثال - إذا كنت ترسل معلومات درجة الحرارة، كيف ستحدد JSON؟ يمكنك أن يكون لديك حقل يسمى temperature، أو يمكنك استخدام الاختصار الشائع temp.

{
    "temperature": 20.7
}

مقارنة بـ:

{
    "temp": 20.7
}

يجب أيضًا أن تأخذ في الاعتبار الوحدات - هل درجة الحرارة بالـ °C أم °F؟ إذا كنت تقيس درجة الحرارة باستخدام جهاز استهلاكي وقام المستخدم بتغيير وحدات العرض، يجب أن تتأكد من أن الوحدات المرسلة إلى السحابة تظل متسقة.

✅ قم ببعض البحث: كيف تسببت مشاكل الوحدات في تحطم Mars Climate Orbiter الذي بلغت تكلفته 125 مليون دولار؟

فكر في البيانات التي يتم إرسالها لكاشف جودة الفاكهة. كيف ستحدد كل رسالة؟ أين ستقوم بتحليل البيانات واتخاذ قرارات بشأن البيانات التي سيتم إرسالها؟

على سبيل المثال - تشغيل تصنيف الصور باستخدام مستشعر القرب. يقيس جهاز إنترنت الأشياء المسافة، ولكن أين يتم اتخاذ القرار؟ هل يقرر الجهاز أن الفاكهة قريبة بما يكفي ويرسل رسالة لإخبار IoT Hub بتشغيل التصنيف؟ أم أنه يرسل قياسات القرب ويترك IoT Hub يتخذ القرار؟

الإجابة على أسئلة مثل هذه هي - يعتمد الأمر. كل حالة استخدام مختلفة، ولهذا السبب كمطور إنترنت الأشياء تحتاج إلى فهم النظام الذي تبنيه، وكيف يتم استخدامه، والبيانات التي يتم اكتشافها.

إذا تم اتخاذ القرار بواسطة IoT Hub، ستحتاج إلى إرسال قياسات مسافة متعددة.
إذا أرسلت الكثير من الرسائل، فإن ذلك يزيد من تكلفة IoT Hub، وكمية النطاق الترددي المطلوبة من أجهزة إنترنت الأشياء الخاصة بك (خاصة في مصنع يحتوي على ملايين الأجهزة). يمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى إبطاء جهازك.
إذا اتخذت القرار على الجهاز، ستحتاج إلى توفير طريقة لتكوين الجهاز لضبط الآلة بدقة.

استخدام أجهزة المطورين لمحاكاة أجهزة إنترنت الأشياء المتعددة

لبناء النموذج الأولي الخاص بك، ستحتاج إلى مجموعة أدوات تطوير إنترنت الأشياء الخاصة بك لتعمل كأجهزة متعددة، ترسل بيانات وتستجيب للأوامر.

محاكاة أجهزة إنترنت الأشياء المتعددة على Raspberry Pi أو أجهزة إنترنت الأشياء الافتراضية

عند استخدام كمبيوتر أحادي اللوحة مثل Raspberry Pi، يمكنك تشغيل تطبيقات متعددة في وقت واحد. هذا يعني أنه يمكنك محاكاة أجهزة إنترنت الأشياء المتعددة عن طريق إنشاء تطبيقات متعددة، واحد لكل "جهاز إنترنت الأشياء". على سبيل المثال، يمكنك تنفيذ كل جهاز كملف Python منفصل وتشغيلها في جلسات طرفية مختلفة. 💁 كن على علم بأن بعض الأجهزة لن تعمل عند الوصول إليها من قبل تطبيقات متعددة تعمل في نفس الوقت.

محاكاة أجهزة متعددة على المتحكم الدقيق

المتحكمات الدقيقة أكثر تعقيدًا عندما يتعلق الأمر بمحاكاة أجهزة متعددة. على عكس الحواسيب أحادية اللوحة، لا يمكنك تشغيل تطبيقات متعددة في وقت واحد، بل يجب تضمين كل المنطق الخاص بالأجهزة المختلفة لإنترنت الأشياء في تطبيق واحد.

بعض الاقتراحات لتسهيل هذه العملية هي:

إنشاء فئة أو أكثر لكل جهاز إنترنت الأشياء - على سبيل المثال، فئات تسمى DistanceSensor، ClassifierCamera، LEDController. يمكن لكل منها أن يحتوي على طرق setup و loop الخاصة به والتي يتم استدعاؤها بواسطة وظائف setup و loop الرئيسية.
التعامل مع الأوامر في مكان واحد، وتوجيهها إلى الفئة المناسبة للجهاز حسب الحاجة.
في وظيفة loop الرئيسية، ستحتاج إلى مراعاة توقيت كل جهاز مختلف. على سبيل المثال، إذا كان لديك فئة جهاز تحتاج إلى المعالجة كل 10 ثوانٍ، وأخرى تحتاج إلى المعالجة كل ثانية واحدة، ففي وظيفة loop الرئيسية استخدم تأخيرًا لمدة ثانية واحدة. كل استدعاء لـ loop يُشغل الكود المناسب للجهاز الذي يحتاج إلى المعالجة كل ثانية، واستخدم عدادًا لحساب كل دورة، ومعالجة الجهاز الآخر عندما يصل العداد إلى 10 (ثم إعادة تعيين العداد بعد ذلك).

الانتقال إلى الإنتاج

النموذج الأولي سيكون أساسًا لنظام الإنتاج النهائي. بعض الاختلافات عند الانتقال إلى الإنتاج ستكون:

مكونات متينة - استخدام أجهزة مصممة لتحمل الضوضاء، الحرارة، الاهتزاز والإجهاد في المصنع.
استخدام الاتصالات الداخلية - بعض المكونات ستتواصل مباشرة لتجنب الانتقال إلى السحابة، فقط إرسال البيانات إلى السحابة للتخزين. كيفية القيام بذلك تعتمد على إعداد المصنع، إما عبر الاتصالات المباشرة، أو تشغيل جزء من خدمة إنترنت الأشياء على الحافة باستخدام جهاز بوابة.
خيارات التكوين - كل مصنع وحالة استخدام مختلفة، لذا يجب أن تكون الأجهزة قابلة للتكوين. على سبيل المثال، قد يحتاج مستشعر القرب إلى اكتشاف فواكه مختلفة على مسافات مختلفة. بدلاً من كتابة المسافة بشكل ثابت لتفعيل التصنيف، ستحتاج إلى جعل هذا قابلًا للتكوين عبر السحابة، على سبيل المثال باستخدام جهاز توأم.
إزالة الفواكه تلقائيًا - بدلاً من استخدام LED لتنبيه أن الفاكهة غير ناضجة، ستقوم الأجهزة الآلية بإزالتها.

✅ قم ببعض البحث: ما هي الطرق الأخرى التي تختلف بها أجهزة الإنتاج عن مجموعات المطورين؟

🚀 التحدي

في هذا الدرس، تعلمت بعض المفاهيم التي تحتاج إلى معرفتها حول كيفية تصميم نظام إنترنت الأشياء. فكر في المشاريع السابقة. كيف تتناسب مع بنية المرجع الموضحة أعلاه؟

اختر أحد المشاريع السابقة وفكر في تصميم حل أكثر تعقيدًا يجمع بين قدرات متعددة تتجاوز ما تم تغطيته في المشاريع. ارسم البنية وفكر في جميع الأجهزة والخدمات التي ستحتاج إليها.

على سبيل المثال - جهاز تتبع المركبات الذي يجمع بين GPS وأجهزة استشعار لمراقبة أشياء مثل درجات الحرارة في شاحنة مبردة، أوقات تشغيل وإيقاف المحرك، وهوية السائق. ما هي الأجهزة والخدمات المعنية، البيانات التي يتم إرسالها، واعتبارات الأمان والخصوصية؟

اختبار ما بعد المحاضرة

المراجعة والدراسة الذاتية

اقرأ المزيد عن بنية إنترنت الأشياء في وثائق بنية مرجع إنترنت الأشياء على Microsoft docs
اقرأ المزيد عن الأجهزة التوأم في فهم واستخدام الأجهزة التوأم في وثائق IoT Hub على Microsoft docs
اقرأ عن OPC-UA، وهو بروتوكول اتصال بين الآلات يُستخدم في الأتمتة الصناعية على صفحة OPC-UA على ويكيبيديا

الواجب

بناء كاشف جودة الفواكه

إخلاء المسؤولية:
تم ترجمة هذا المستند باستخدام خدمة الترجمة بالذكاء الاصطناعي Co-op Translator. بينما نسعى لتحقيق الدقة، يرجى العلم أن الترجمات الآلية قد تحتوي على أخطاء أو معلومات غير دقيقة. يجب اعتبار المستند الأصلي بلغته الأصلية المصدر الرسمي. للحصول على معلومات حاسمة، يُوصى بالاستعانة بترجمة بشرية احترافية. نحن غير مسؤولين عن أي سوء فهم أو تفسيرات خاطئة تنشأ عن استخدام هذه الترجمة.

26 KiB Raw Permalink Blame History