پنج دلیل برای یادگیری امبدد سیستم ها

امبدد سیستم چیست و چرا باید آن را فرا بگیریم؟

در این مقاله ابتدا میخواهیم مروری بر امبدد سیستم ها و نحوه پیدایش آن ها داشته باشیم و در ادامه و ویژگی ها و کاربردهای این سیستم را با هم بررسی کنیم :

امبدد سیستم (Embedded system) یا سامانه های نهفته و یا به عبارتی سیستم های تعبیه شده، سیستم های کامپیوتری با عملکردی مخصوص و هدفی مشخص هستند که در داخل یک سیستم مکانیکی یا الکتریکی بزرگ تر قرار می گیرند و اغلب دارای قیدهای رایانش بی درنگ (Real time Computing) می باشند.این سیستم های تعبیه شده به عنوان بخشی از یک دستگاه کامل که شامل سخت افزار و قطعات مکانیکی می باشد عمل می کنند. سامانه های نهفته بسیاری از دستگاه هایی را که امروزه به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرند کنترل می کنند. ۹۸درصد تمام ریزپردازنده ها به عنوان اجزایی از سامانه های نهفته تولید می شوند.

تاریخچه سیستم های نهفته

یکی از اولین سامانه های نهفته شناخته شده،​ سیستم هدایت برنامه فضایی آپولو است که توسط Charles Stark Draper در آزمایشگاه ابزاربندی دانشگاه MIT طراحی شد. در شروع پروژه، سیستم  هدایت آپولو به عنوان خطرناک ترین قسمت در برنامه فضایی آپولو شناخته می شد زیرا در آن  از مدار های مجتمع که در آن زمان به تازگی  ساخته شده بودند استفاده شده بود تا با این کار بتوانند اندازه و وزن سیستم را کاهش دهند. یکی از اولین سامانه های نهفته ای که به صورت عمده تولید شد، سامانه هدایت خودکار D17 ساخت شرکت Autonetics بود که در سال ۱۹۶۱ در موشک  قاره پیمای Minuteman مورد استفاده قرار گرفت.

از آن زمان تا کنون، هزینه سامانه های نهفته کاهش پیدا کرده و توان پردازشی و کاربرد آن ها به طرز چشمگیری  افزایش یافته است. یک ریزپردازنده اولیه، به طور مثال Intel 4004، برای استفاده در ماشین حساب ها و دیگر سیستم های کوچک طراحی شده بود اما با این وجود، هنوزهم به حافظه خارجی و چیپ های پشتیبان نیاز داشت. در سال ۱۹۷۸، اتحادیه ملی تولید کنندگان محصولات مهندسی  استانداردی را برای میکروکنترلر های قابل برنامه ریزی- شامل هر نوع کنترلر کامپیوتری مانند کامپیوتر های تک بردی، کنترلر های عددی و رویداد محور – منتشر کرد.

با کاهش قیمت ریزپردازنده ها، جایگزین کردن آن ها به جای اجزای گران قیمت آنالوگ مانند پتانسیومترها و خازن های متغیر که دارای دکمه های بالا و پایین  و یا گیج قرائت بودند، حتی در کالاهای مصرفی نیز مقرون به صرفه شد. تا اوایل دهه ۸۰ میلادی، اجزای ورودی و خروجی سیستم نیز در همان چیپی که پردازنده در آن قرار گرفته بود تجمیع شدند و به این ترتیب میکروکنترلر ها به وجود آمدند. از میکرو کنترلر های در کارهایی استفاده می شود که در آن ها استفاده از یک کامپیوتر با کاربرد کلی بسیار پرهزینه باشد.

ویژگی های سیستم های نهفته

برای مقایسه ویژگی های سامانه های نهفته با سیستم های معمولی با کاربرد های متداول، می توان به :

۱ .توانایی پردازشی نسبتا خوب (نسبت به کاربرد)

۲.قیمت واحد پایین

۳.مصرف انرژی بسیار کم

۴.ورودیها، خروجیها، و منابع وقفه متعدد

اشاره کرد .

کاربردهای سامانه های نهفته یا Embedded systems

سامانه های نهفته یا امبدد سیستم اغلب در کاربرد های مصرفی، آشپزی، صنعتی، خودروسازی، پزشکی، تجاری و نظامی مورد استفاده قرار می گیرند.

در سیستم های مخابراتی از از سامانه های نهفته متعددی – از سوییچ های تلفن برای شبکه مخابرات گرفته تا تلفن های همراه – استفاده می شود. شبکه های کامپیوتری نیز از روتر های اختصاصی و پل های شبکه برای مسیردهی با داده ها استفاده می کنند.

کالاهای الکترونیکی مصرفی شامل MP3 پلیر ها، تلفن های همراه، کنسول های بازی، دوربین های دیجیتال، GPS، گیرنده های دیجیتال و پرینتر ها هستند. لوازم خانگی مانند مایکروویو ها، ماشین های ظرف شویی و لباس شویی نیز دارای سامانه های نهفته ای هستند که باعث انعطاف پذیری و بازده بیشتر می شود و ویژگی های مختلفی را ارائه می کنند. سیستم های گرمایش و تهویه هوا پیشرفته نیز از ترموستات های تحت شبکه استفاده می کنند تا بتوانند دما را با دقت و بازده بیشتری کنترل کنند. در این حالت دما به صورت خودکار با توجه به زمان در طی یک روز و همچنین فصل مورد نظر تنظیم می شود.

سیستم های اتوماسیون خانگی از شبکه های با سیم یا بدون سیمی(وایرلس) استفاده می کنند که از آن ها برای کنترل چراغ ها، دمای اتاق،  تجهیزات امنیتی خانه و دوربین های نظارتی و تجهیزات صوتی و تصویری استفاده می شود. در همه این تجهیزات از سامانه های نهفته ای استفاده شده که امکان تشخیص و کنترل پارامتر های مختلف را فراهم می کند.

سیستم های حمل و نقل  نیز، از حمل و نقل هوایی گرفته تا خودرو ها، به طور گسترده  از سامانه های نهفته استفاده می کنند. هواپیما های جدید دارای تجهیزات الکترونیکی پیشرفته ای مانند سیستم های ناوبری اینرسیایی و گیرنده های GPS هستند که خود این سیستم ها نیز به ملزومات ایمنی زیادی نیاز دارند. چندین نوع از موتور های الکترونیکی، شامل موتور بدون جاروبک دی سی، موتور های القایی و موتور های دی سی، از کنترل کننده های موتور الکترونیکی استفاده می کنند. خودرو های معمولی، برقی و یا هیبریدی نیز به طور روزافزون از سامانه های نهفته مختلفی استفاده می کنند تا بازده را به حداکثر رسانده و آلودگی را کم کنند. سایر سیستم های ایمنی خودرو شامل ترمز های ABS، سیستم کنترل پایداری الکترونیکی، سیستم کنترل رانش و سیستم خودکار چهار چرخ متحرک  هستند.

کاربرد سیستم نهفته در پزشکی

از سامانه های نهفته  (امبدد سیستم) در تجهیزات پزشکی برای تحت نظر گرفتن علائم حیاتی در گوشی های پزشکی الکترونیکی برای تقویت صداها و در سیستم های تصویربرداری پزشکی مختلف برای بررسی قسمت های داخلی بدن بدون نیاز به وارد کردن تجهیزاتی خاص به داخل آن استفاده می شود. توان سامانه های نهفته ای که در داخل تجهیزات پزشکی قرار می گیرند اغلب توسط کامپیوتر های صنعتی تامین می شود.

همچنین از سامانه های نهفته در حمل و نقل، هشدار حریق، تجهیزات امنیتی، کاربرد های پزشکی و سیستم های حیاتی استفاده می شود زیرا می توان این سیستم ها را از گزند هکر ها در امان نگه داشت و در نتیجه قابل اطمینان تر هستند. در مورد هشدار حریق، می توان این سیستم ها را به گونه ای طراحی کرد که بتوانند در دما های بالاتر نیز به کار کردن ادامه دهند. در زمینه سیستم های امنیتی، سامانه های نهفته می توانند خود استوار باشند و در صورت مواجه شدن با قطع سیستم های الکترونیکی یا ارتباطی، به نحو مقتضی عمل کنند.

دسته جدیدی از دستگاه های بی سیم مینیاتوری، سنسور های بی سیم شبکه ای هستند. شبکه سنسورهای بی سیم از فرآیند کوچک سازی که به کمک طراحی های بسیار پیچیده IC ها امکان پذیر شده کمک می گیرد تا بتواند تمامی زیر سیستم های یک مجموعه کامل بی سیم را در کنار سنسور های پیچیده قرار دهد و به این ترتیب این امکان را فراهم کند تا مردم و شرکت ها بتوانند هزاران چیز مختلف را در دنیای فیزیکی اندازه گیری کرده و با استفاده از سیستم های نظارتی و کنترلی در فناوری اطلاعات  از آن ها استفاده کنند. این سنسور های بی سیم خود استوار هستند و باتری آن ها معمولا سال ها کار خواهد کرد و در نهایت می توان باتری را به سادگی تعویض نمود.

ماژول های Wi-Fi نهفته، راهی ساده را برای برقراری ارتباط بی سیم با هر دستگاهی که از درگاه سریال استفاده می کند فراهم کرده اند.

 بازار کار این حرفه

به دلیل رشد زیاد اینترنت اشیاء (IoT) و همچنین دستگاه های پوشیدنی (Wearable devices)، تقاضای زیادی برای مهندس های نرم افزار امبدد سیستم (Embedded Software Engineers) در بازار وجود دارد.

با توجه به نیاز روز بازار و خصوصا پروژه های اینترنت اشیاء IoT که در دهه ی اخیر یکه تازی می کنند، نیاز به گروه جدیدی از مهندس ها با توانایی های خاص تری است که بتوانند پاسخگوی نیازهای این حوزه باشند. چرا که صرفا داشتن دید نرم افزاری و یا دید صرفا الکترونیکی و سخت افزاری نمی تواند نیازهای امروز را در حوزه ی امبدد پاسخگو باشد!

چرا حرفه ای در زمینه ی سیستم های امبدد انتخاب کنید؟

دستگاه های هوشمند زیادی دور و بر ما را گرفته اند و با سرعت زیادی در حال گسترش هستند.

می تونید شخصی رو بدون گوشی هوشمند تصور کنید؟ و یا یک دستگاه محاسبه گر بدون پردازنده؟

امروزه تقاضای بسیار زیادی برای متخصصان در حوزه فرمور (برنامه نویسی سخت افزار) و تکنولوژی های متن باز نظیر لینوکس وجود دارد. همینطور اکثر صنایع مهندس هایی را ترجیح می دهند که در حوزه ها و رشته های مختلف اطلاعات داشته باشند.

با این وجود، کمبود مهندس های با استعداد در حوزه ی امبدد سیستم ها همواره وجود دارد. از این بین مهندسانی که به فرصت های موجود در دنیای امبدد سیستم ها آگاه نیستند، به سمت دنیای IT تغییر گرایش می دهند. همینطور عده ای از افرادی که در حوزه ی IT کار می کنند به دنبال پیدا کردن فرصت شغلی بهتر، به حوزه ی امبدد سیستم ها مهاجرت می کنند.

یک کامپیوتر نهفته یا Embedded Computer ، زیرمجموعه ماشین رای گیری الکترونیکی Accupoll

آیا افرادی که دانشگاه های برتر درس نخواندن میتوانند وارد بازار کار بشوند؟

بله ، بسیاری از مهندسان که به تازگی از دانشگاه فارغ التحصیل شده اند، فکر می کنند ورود به صنعت کار سخت و نشدنی است. پشت این طرز فکر، تصورها و باورهای اشتباهی خوابیده است. این افراد فکر می کنند که صنایع افرادی را استخدام می کنند که از دانشگاه های معروف فارغ التحصیل شده اند. و این در حالی ست که اطلاعات موجود در صنعت و دانشگاه به یکدیگر ارتباطی ندارد! واقعیت این است که این موارد صرفا یک فکر و ساخته و پرداخته ی ذهن است، نه یک واقعیت موجود در دنیای بیرون. آمارها نیز بعید است این طرز فکر را تایید کنند. در صورتی که از افراد مجرب که در صنعت فعال هستند جویا شوید، خواهید فهمید که شرکت ها دنبال افراد حرفه ای و اصطلاحا کار بلد هستند، عمدتا نه درگیر دانشگاه هستند و نه معدل کسب شده و نه هیچ چیز دیگر! تنها چیزی که برای شرکت ها اهمیت دارد، توانایی متقاضی در رفع مشکلشان است، همین و تمام.

دسته بندی مشاغل مرتبط

شغل ها مرتبط با امبدد سیستم را میتوان به سه دسته کرد.

Embedded Hardware Engineering

مهندسی سخت افزار امبدد، این حوزه به طراحی سخت افزار مربوط به صنایع مختلف می پردازد. مثل صنایع پزشکی، لوازم الکترونیکی مصرفی، صنایع فضایی و دفاعی، الکترونیک قدرت و … .

Embedded Application Development

توسعه دهندگان اپلیکیشن امبدد، این حوزه به توسعه مالتی مدیا، اپلیکیشن های موبایلی، کاربردهای ارتباط بی سیم بر روی بسترهای کراس پلتفرم نظیر لینوکس و اندروید و … می پردازد.

Embedded Software Engineering

بحرانی ترین حوزه در بین حوزه های ذکر شده، توسعه ی نرم افزار ادوات سخت افزاری است. به بیان ساده تر مهندسانی که در حوزه ی برنامه نویسی میکروکنترلرها، FPGA و … فعالیت می کنند و به سخت افزار روح می بخشند، جزء این دسته بندی قرار می گیرند. طبیعتا این دسته از مهندسان علاوه بر برنامه نویسی نیاز دارند درک عمیقی از سخت افزار مورد استفاده هم داشته باشند. بنابراین مهندسان این حوزه لازم است اشراف بیشتری هم به موضوعات نرم افزاری و هم به موضوعات سخت افزاری داشته باشند.

ویدیو پیشنهادی:برای یادگیری برنامه نویسی میکروکنترلر avr کلیلک کنید .

سرویسی که مهندسان این حوزه ارائه می دهند پکیج ساپورت برد، توسعه فریمور، توسعه درایور، پورت کردن سیستم عامل های نیتیو مثل لینوکس، بر روی دیوایس های دیگر نظیر اندروید است.

همینطور، توسعه ی میان افزارها برای کار با WiFi ، Bluetooth و سایر واحدهای جانبی یکپارچه شده برای دیوایس های مختلف شامل دیگر فعالیت های این گروه از مهندسان است.

بازار ایران

به طور کلی در دنیا امبدد سیستم یک رشته ی دانشگاهی دارد. اما در ایران یک رشته ی مستقل تحت این عنوان وجود ندارد. عموما مهندس های الکترونیک، کنترل، مخابرات، مهندسی پزشکی، همینطور مهندس های نرم افزار و سخت افزار، به دلیل اشتراکاتی که در برخی موارد دارند، به عنوان رشته هایی حساب می شوند، که می توانند جایگاه مهندس نرم افزار امبدد را داشته باشند.

نیاز بازار

اگر به این حوزه ی گسترده علاقه مند هستید و قصد دارید در این حوزه ی برنامه نویسی و طراحی ادوات سخت افزاری فعالیت داشته باشید، مهم است که نیاز بازار کنونی را بدانید. در حال حاضر اینترنت اشیاء جزء حوزه های ناب و بکری است که شرکت های زیادی ورود کردند و روی ایده ها و محصولات جدید سرمایه گذاری می کنند. اینترنت اشیاء نه تنها در ایران، بلکه در کل دنیا امروزه بحث داغی است. شرکت های زیادی به دنبال مهندسان ماهر و مستعد در این حوزه هستند. علاوه بر پیام ها و فیدبک هایی که شخصا دریافت می کنم، آگهی های استخدامی نیز افزایش تقاضا را برای مهندسان امبدد سیستم نشان می دهند.

ویدیو پیشنهادی:برای یادگیری پروژه های اینترنت اشیا مبتنی یر ماژول esp8266 کلیک کنید.

فریلنسری در این حوزه

نکته ی قابل توجه این است که بیش از یک – سوم نیازمندی های بازار کار در آمریکا را، فریلنسرها پاسخ می دهند. فریلنسری رفته رفته جایگزین روش های سنتی کارمندی می شود و روند دنیا این مورد را نشان می دهد. در بازار ایران، شرکت ها هنوز بیشتر ترجیح می دهند برنامه نویسان حوزه ی امبدد سیستم را به صورت حضوری به کار گیرند، گرچه تعریف کار به صورت پروژه ای و حتی دورکاری در این حوزه نیز وجود دارد، اما هنوز نیاز به زمان بیشتری دارد تا در کشور جا بیفتد. با وجود بیماری فراگیر کوید-۱۹ ، این امر تسریع شده است و دورکاری روز به روز بیشتر به رسمیت شناخته می شود.

خبر خوب این است که این نیازمندی عالم گیر است و شما تنها محدود به بازار ایران نیستید. البته که فعالیت های بین المللی در ایران نیاز به زمینه سازی های زیادی دارند و به راحتی امکان پذیر نیستند، اما با ایجاد یک شبکه مناسب امکان پذیر خواهد بود.

خیلی ممنون از حسن توجهتون اگر از این مطلب لذت بردید مارو به دوستانتون معرفی کنید.