المعرفة: أستخدم ما تعلَّمْتُه من معارف في هذا الدرس للإجابة عن الأسئلة الآتية:
السؤال الأوََّل: أُُوضِّح المقصود بكلٍّ ممّا يأتي:
1- نظام إنترنت الأشياء المُعتمِد على الأقمار الصناعية (Satellite IoT)
هو نظام يتضَمَّن دمج شبكات الأقمار الاصطناعية مع أجهزة إنترنت الأشياء لتمكين الاتَّصال السلس، وتبادل البيانات، وخاصَّة في المناطق النائية، أو تلك التي يصعب الوصول
إليها بسبب البنية التحتية الأرضية المحدودة، حيث تستفيد هذه التكنولوجيا من الأقمار الاصطناعية كمحطّات تتابع لنقل البيانات بين أجهزة إنترنت الأشياء والأنظمة المركزية، ممّا يوفر تغطية عالمية وموثوقية.
2- الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة)(Embedded Computing)
نظام حاسوب صغير مُخصَّص لتنفيذ مهمَّة واحدة، أو مجموعة مُحدَّدة من المهام، وهو يحتوي عادةً على مُكوِّنات مادِّية، وأُخرى برمجية تعمل معًا لأداء وظيفة مُعيَّنة
السؤال الثاني: أُُوضِّح آليَّة عمل شبكة إنترنت الأشياء المُعتمِدة على الأقمار الصناعية.
تعتمد الآلية على ثلاث خطوات رئيسية:
أوَّلًا: نقل البيانات:
يتمُّ تجميع البيانات من قبل أجهزة إنترنت الأشياء المزوَّدة بوحدات متخصِّصة للاتِّصال عبر الأقمار الاصطناعيَّة، وتتمُّ معالجة هذه البيانات وإرسالها إلى قمر اصطناعيّ قريب.
ثانيًا: إعادة الإرسال عبر القمر الاصطناعيِّ:
يستقبل القمر الاصطناعيُّ الإشارة من الجهاز، ويضخِّمها إذا لزم الأمر، ثمَّ يعيد إرسالها مرَّة أخرى نحو الأرض.
ثالثًا: استقبال المحطَّة الأرضيَّة:
تستقبل المحطَّة الأرضيَّة الإشارة من القمر الاصطناعيّ، وترسلها إلى وجهتها النهائيَّة
السؤال الثالث: أُُبيِّن سبب استخدام الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) في كلٍّ ممّا يأتي:
1- البيئات المُلوَّثة.
عادةً ما تنطوي البيئات الملوَّثة على موادَّ كيميائيَّة سامَّة، أو مواد مشعَّة؛ لذا تحتاج المعدّات إلى طلاءات، أو مواد مقاومة للتآكل الكيميائيّ، لذلك يتمُّ تغليف الأنظمة المضمَّنة داخل أغلفة واقية تحمي من التلوُّث الكيميائيّ.
أمّا في المنشآت النوويَّة، فتتطلَّب المكوِّنات الإلكترونيَّة تقنيات التصلُّب الإشعاعيِّ للحفاظ على الوظائف على الرغم من التعرُّض للإشعاع المؤيَّن، لذلك تضمن المكوِّنات المعزِّزة للإشعاع التشغيل المستمرَّ حتّى في ظلِّ مستويات عالية من الإشعاع المؤيَّن، ولتقليل مخاطر التعرَّض البشريِّ، تُعدُّ قدرات التحكُّم عن بُعد عبر الاتِّصالات اللاسلكيَّة ضروريَّة؛ لذلك تتيح المراقبة عن بُعد للمشغِّلين إدارة المعدّات بأمان من مسافة بعيدة باستخدام بروتوكولات الاتِّصال اللاسلكيَّة المدمجة في تصميم النظام المضمَّنة.
2- أعماق البحار.
تشكِّل بيئات أعماق البحار تحدِّيات فريدة بسبب ظروف الضغط الشديد، لذا يتمُّ تصميم الأجهزة بأغلفة قادرة على مقاومة ضغط الماء الهائل في أعماق كبيرة. ونظرًا لأنَّ مصادر الطاقة قد تكون محدودة تحت الماء (على سبيل المثال: عمر البطاريَّة) فإنَّ الأنظمة المضمَّنة تحتاج إلى تصميمات ذات استهلاك منخفض للطاقة.
الموثوقية في ظلّ الظروف القاسية: يجب أن تعمل الأنظمة بشكل موثوق على الرغم من درجات الحرارة الباردة، والتعرُّض لمياه البحر المسبِّبة للتآكل.
السؤال الرابع: أذكر مثالين على كلٍّ ممّا يأتي:
- استخدام أنظمة إنترنت الأشياء في مجال التعليم.
- أنظمة الحضور والانصراف الذكيَّة للطلبة.
- الألواح الذكيَّة، وأجهزة العرض التفاعليَّة، وأنظمة التحكُّم بالبيئة الصفِّيَّة لإنشاء بيئة صفِّيَّة تفاعليَّة.
- تحسين عمليَّة التعلُّم باستخدام أدوات إنترنت الأشياء مثل المساعد الصوتيِّ.
- استخدام الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) في مجال الزراعة.
- التحكُّم في الأنظمة الموزَّعة: حيث تعمل على إدارة شبكات الريِّ من خلال التحكُّم في توزيع المياه بناءً على مستويات رطوبة التربة التي تكتشفها أجهزة الاستشعار.
- أتمتة الروبوتات: يمكن لروبوتات الزراعة المستقلَّة المجهَّزة بنظام الملاحة GPS زراعة البذور، أو حصاد المحاصيل بكفاءة باستخدام بيانات في الوقت الفعل من أجهزة الاستشعار
- استخدام الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) في مجال الأجهزة الطبية.
- أجهزة مراقبة الصحَّة القابلة للارتداء: مثل ساعة أبل ( Apple Watch )، أو جهاز( Fitbit ) لمتابعة معدَّل ضربات القلب، وأنماط النوم، ومقاييس الصحَّة الأخرى. تتعاون هذه الأجهزة مع التطبيقات الصحّيَّةَ لتحسين الإدارة الصحيّة للمريض.
- الأجهزة القابلة للزرع: تستخدم أجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة تحفيز الأعصاب أنظمة مدمجة للمراقبة في الوقت الفعليِّ والتكيف مع احتياجات الجسم.
المهارات: أُُوظِِّف مهارات التفكير الناقد والبحث الرقمي والتواصل في الإجابة عن السؤالين الآتيين:
السؤال الأوََّل: أتأمَّل الجملة الآتية: "إنَّ استخدام الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) في أنظمة إنترنت الأشياء المُعتمِدة على الأقمار الصناعية يُحسن من كفاءة هذه الأنظمة، لكنَّه قد يزيد من تكلفتها وتعقيدها".
أُبيِّن رأيي في هذه الجملة، ثمَّ أُبرِّر إجابتي بذكر حالتين أو مثالين أُوضِّح فيهما النتائج (الإيجابية أو السلبية)المُترتِّبة على استخدام الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) مع الأقمار الصناعية.
استخدام الحوسبة المتضمَّنة مع إنترنت الأشياء عبر الأقمار الصناعية يُعزِّز الكفاءة والدقَّة في جمع البيانات واتِّخاذ القرارات، ويقلل من زمن الاستجابة في التطبيقات الحرجة، ويخفِّف العبء على القنوات الفضائيَّة بتصفية البيانات أو ضغطها قبل إرسالها، لكنّه قد يرفع من التكلفة، ويزيد من تعقيد الأنظمة.
التبرير مع أمثلة:
الحالة الأولى (إيجابية): في الزراعة الذكية، يمكن دمج الحسَّاسات المتضَمّنة مع الأقمار الصناعية لمراقبة مساحات واسعة من الأراضي الزراعيَّة، ممّا يحسِّن الإنتاجيَّة، ويُقلّلِّ استهلاك المياه، رغم ارتفاع تكلفة البنية التحتيَّة.
الحالة الثانية (سلبية): في الأجهزة الطبِّية المتَّصلة عبر الأقمار الصناعية لمتابعة المرضى في المناطق النائية، يوفر النظام متابعة دقيقة وفاعلة، لكنَّ صعوبة صيانة الأجهزة المضمَّنة، وتكلفتها العالية قد تحدُّ من انتشارها على نطاق واسع.الجملة دقيقة جداً؛ فالحوسبة المدمجة هي "عقل" النظام الذي يجعله ذكيّاً، لكن هذا الذكاء يتطلب معالجات متطورة وتكلفة تصميم عالية.
السؤال الثاني: أفترض أنََّني أعمل ضمن فريق بحثي لتطوير روبوتات بحرية ذكية تُستخدَم في أعماق البحار والمحيطات، وتُرسِل بياناتها إلى الأقمار الصناعية:
1- أقترح ثلاث وظائف ذكية يُمكِن لوحدات الحوسبة المُتضمَّنة (المُدمَجة) أداؤها داخل هذه الروبوتات من دون حاجة إلى إرسال جميع البيانات الخام إلى الأقمار الصناعية.
ثلاث وظائف ذكية للحوسبة المدمجة داخل الروبوت:
-
كشف الأحداث والتعرُّف محلِّيًّا(On-Board ML)
تمييز الكائنات/العوالق من فيديو الكاميرا، واكتشاف تسرُّب نفطيّ، ورصد شذوذات حراريَّة/ملحيَّة.
تُرسِل الروبوت ملخَّصات (إنذارات) فقط (احتمال، نوع الحدث، لقطة مختارة) بدل الفيديو/البيانات الخامّ.
-
أخذ عيِّنات تكيفي وتخطيط المسار الذكيَّ (Adaptive Sampling & Navigation)
يغيِّر الروبوت تواتر القياس ومساره لحظيًّا وفق القراءات (مثلاً: زيادة الكثافة العينيَّة عند ملاحظة تغيُّر سريع في الملوحة)
يقرِّر محلِّيّا متى يصعد للسطح، ومتى يبقى في العمق لتحسين نافذة الاتِّصال بالأقمار الصناعيَّة.
- دمج الحسَّاسات والفَلترة المتقدِّمة مع ضغط البيانات(Sensor Fusion, Filtering & Compression)
دمج سونار IMU مع ضغط وحرارة لإنتاج مسارات/خرائط نظيفة.
2- أُوضِّح كيف يُسِهِم ذلك في تحسين كفاءة النظام.
يسهم ذلك في تحسين كفاءة النظام من حيث :
-
تقليل استهلاك عرض الحزمة الفضائيَّة بشكل جذريّ، وذلك بإرسال ما يهمُّ فقط، مثل: إنذارات/ملخَّصات/مزايا(Features ) بدلًا من البيانات الخامّ: (فيديو كامل/سلاسل زمنيَّةَ كثيفة)، ممّا يخفض الكلفة، ويتيح مشاركة القمرمع المزيد من الأجهزة.
- خفض استهلاك الطاقة وإطالة زمن المهمَّة : الاتِّصالات عبر الأقمار الصناعيَّة هي الأكثر كلفة طاقيًا. كلُّ بايت موفَّربعد التحليل المحل يعني طاقة أقلَّ فيسمح ببعثات أطول، وبطاريّات أصغر، أو فترات شحن متباعدة.
- زمن استجابة أسرع وقرارات أقرب للموقع : الكشف المحلِّيُّ للأحداث يمكِّن الروبوت من التصرُّف فورًا(تتبُّع بقعة تلوُّثُ، تجنب عائق، زيادة التغطية)، من دون انتظار إشارة تحكُّمُ من السطح/القمر.
- موثوقيَّة أعلى في بيئة اتِّصال متقطِّع: في أثناء الغوص، الاتِّصال الأرضيُّ معدوم تقريبًا؛ التحليل المحلِّيُّ يضمن استمرار المهمَّة وتسجيل النتائج، ثم رفعها على شكل دفعات مُحسَّنة عند نافذة الاتِّصِال.
- جودة بيانات محسَّنة: الدمج والفَلترة يقلِّ الن الضجيج والانجراف الحسِّيَّ، فتصل إلى العلماء منتجات بيانات(خرائط، مؤ ِشِّرات) قابلة للتحليل مباشرة بدلًا من المواد الخام التي تتطلب معالجة لاحقة مكلفة
