تولید انرژی ، سنسورهای محیطی را بدون باتری تغذیه می‌کند

در این مقاله با موضوع تولید انرژی همراه شما هستیم .پذیرش اینترنت اشیا (‏IoT)‏ در سراسر جهان به شدت افزایش‌یافته است، با این حال میزان این پیشرفت، چالش‌هایی را برای کارشناسان آن به وجود آورده‌است که نگرانی و ترس خود را در مورد آینده آن ابراز می‌کنند. تخمین زده شده‌است که تا سال ۲۰۲۵، دستگاه‌های متصل به شبکه IoT ممکن است از رقم قابل‌توجه ۷۵ میلیارد واحد تجاوز کنند. این امر به نگرانی‌های متخصصان و نیاز به آمادگی کافی آن‌ها اعتبار می‌بخشد تا دستاوردهای به‌دست‌آمده از بین نروند. ​

در حال حاضر، متخصصان IoT سناریویی را پیش‌بینی می‌کنند که در آن مجموعه‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی از طریق یک رابط مشترک، به طور معمول توسط یک اتصال بی‌سیم به فضای ابری، تعریف می‌شوند. تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه IoT به طور مداوم در حال افزایش است، در نتیجه، ما به تکنولوژی‌های حسگر جدید برای پشتیبانی از تقاضای داده‌های تولید شده توسط رشد انفجاری دستگاه‌های متصل نیاز خواهیم داشت. این چالش‌های بعدی برای IoT خواهد بود. ​

من معتقدم که چالش‌های بعدی برای IoT حول شناسایی اینکه کدام دستگاه‌ها بخشی از IoT خواهند بود، متمرکز خواهد شد. تنها به این دلیل که طراحی یک دستگاه هوشمند از نظر فنی ممکن است، لزوماً به این معنی نیست که متصل کردن همه دستگاه‌ها به IoT ارزشمند است.”

دستگاه‌ها و سنسورهای متصل نقش مهمی را در حوزه‌های مختلف از جمله خودرو، اتوماسیون صنعتی، خانه‌های هوشمند، محاسبات مصرف‌کننده، کشاورزی و تلفن همراه ایفا خواهند کرد. داده‌های حسی جمع‌آوری‌شده و تجمعی به صورت نمایی رشد خواهند کرد، که منجر به ترافیک تخمینی ۱۲۵ اگزوبایت داده در هر روز در سال ۲۰۲۵ خواهد شد. مدیریت این مقادیر زیاد داده تولید شده توسط دستگاه‌های متصل به IoT یک چالش دشوار خواهد بود. ​

Rice با تشریح چالش‌ها و ارایه یک راه به جلو بیان کرد

“اگر هر بیت از داده‌های تولید شده در لبه IoT از طریق ارتباط ابری فرستاده شود، این امر می‌تواند باعث ایجاد تراکم در زیرساخت شبکه شود. ممکن است مؤثرتر باشد تا داده های ساده را در لبه IoT پردازش کنیم، به جای ایکه همه چیز را از طریق ابر به هسته شبکه منتقل کنیم.”

تولید انرژی

تولید انرژی برای مواجهه با چالش‌های ارایه‌شده توسط رشد نمایی دستگاه های IoT بسیار مهم خواهد بود.

​Rice بر این باور است که چالش‌های مربوط به تولید انرژی، حول بازده برداشت انرژی و قابلیت اطمینان وسایلی است که از طریق تولید انرژی کار می‌کنند. وسایل تولید انرژی با مقادیر بسیار کمی از توان کار می‌کنند، طراحی آن‌ها چندین برابر توازن بین عملکرد فنی و کاهش مصرف توان است. Rice تاکید کرد: “چالشی که دستگاه‌های طراحی‌شده برای تولید انرژی دارند، پیدا کردن تعادل مناسب این توازن در فرآیند طراحی است”. ​

چالش دیگر منبع تغذیه برای تولید انرژی است. در طول ساعات روز، یک دستگاه خورشیدی می‌تواند به طور موثر با استفاده از نور خورشید موجود عمل کند. با این حال، چنین چیزی در مورد عملیات آن در شب نمی‌تواند گفته شود. به طور مشابه، دستگاه‌هایی که از توان RF برای برداشت انرژی استفاده می‌کنند باید در حضور یک میدان RF با قدرت سیگنال مشخص باشند. به طور مشابه، دستگاه‌هایی که از توان RF برای برداشت انرژی استفاده می‌کنند باید در حضور یک میدان RF با قدرت مشخصی باشند. در صورتی که میدان های RF بیشتری برای پشتیبانی از دستگاه‌های برداشت انرژی بکار گرفته شوند، ریسک‌های سلامتی مربوطه باید به دقت ارزیابی شوند. ​

سنسورهای بدون باتری

شرکت ON Semiconductors یک مجموعه جدید بی‌سیم و بدون باتری از حسگرها را برای شبکه IoT طراحی کرده‌است. خانواده ابزار هوشمند غیرفعال (‏SPS)‏ امکان پایش دما، فشار، رطوبت یا نزدیکی به لبه شبکه را فراهم می‌آورد. از آنجا که سنسورهای محیطی اغلب در مکان‌های دوردست یا در یک منطقه وسیع مانند یک کارخانه یا یک ساختمان مستقر می‌شوند،

تعویض مکرر باتری از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست. تولید انرژی، به ویژه توان RF برای سنسورهای SPS، قادر به رفع این نیاز است. همانطور که در شکل ۱ نشان‌داده شده‌است، هر سنسور SPS یک برچسب حسگر RFID  بدون باتری و بدون ریزپردازنده با یک بلوک آنتن برای ارتباط بی‌سیم، از طریق پروتکل UHF 2 استاندارد صنعتی، و دارای یک خواننده RFID است. هنگامی که یک سنسور SPS توسط یک خواننده RF خوانده می‌شود، از انرژی دریافتی از سیگنال استفاده می‌کند و یک خوانش سریع و دقیق از سنسور فراهم می‌کند. ​

شکل ۱: بلوک عملکردی سنسور SPS

​Rice توضیح داد: “این شبکه حسگر برای کار با استفاده از تولید انرژی RF طراحی شده‌است. یک مرکز حسگر مرکزی وجود دارد که توان RF را از طریق یک آنتن متصل انتقال می‌دهد. گره‌های حسگر به تنهایی بی‌سیم و بدون باتری هستند، و با تبدیل انرژی میدان RF اطراف به یک منبع انرژی برای الکترونیک روی گره‌های حسگر عمل می‌کنند.”

همانطور که در شکل ۲ نشان‌داده شده‌است، هر حسگر دو بلوک کلیدی را ادغام می‌کند: ماژول خواننده و ماژول پردازش.

ماژول پردازش، داده‌های سنسور را برای تحلیل بیشتر جمع‌آوری و فرمت می‌کند. قابلیت‌های اتصال مرکز حسگر شامل WiFi، اترنت، بلوتوث و دیگر پروتکل‌های مناسب برای ارسال داده‌های سنسور به فضای ابری برای تحلیل بیشتر، تجزیه و تحلیل و تصمیم‌گیری است. ​

شکل ۲: نمودار بلوک حسگر مرکز

معماری کلی سنسور IoT در شکل ۳ نشان‌داده شده‌است. ​

حسگر مرکز داده‌ها را از سنسورهای متعدد جمع‌آوری می‌کند و با دیگر دستگاه‌های متصل از طریق ارتباط ابری ارتباط برقرار می‌کند تا فعال شود.

​ شکل ۳: معماری سنسور IoT

در قلب بلوک حسگری، یک تراشه UHF RFID قرار دارد که با تولید انرژی RF از خواننده UHF کار می‌کند. سنسور Magnus-S2 از موتور انحصاری خودتنظیم Chameleon استفاده می‌کند که از RF برای بهینه‌سازی عملکرد در شرایط محیطی مختلف استفاده می‌کند. این برچسب‌های سنسور یا در باند UHF تعیین شده با FCC یا باندUHF ETSI را تعریف می‌کند. ضریب شکل کوچک و قابلیت‌های بدون باتری سنسورهای غیرفعال هوشمند به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا در کاربردهایی استفاده شوند که در آن‌ها اندازه و دسترس پذیری در بهترین حالت هستند. ​

خانواده دستگاه SPS شامل:

• سنسورهای دما، طراحی‌شده برای سنجش غیر فعال دما بر روی سطوح فلزی، غیر فلزی و سرامیکی.
• سنسورهای رطوبت، طراحی‌شده برای سنجش غیر فعال رطوبت بر روی سطوح مختلف یا کالاهای تمام‌شده ساخته‌شده از پلاستیک، چوب، سرامیک، خاک و گچ. کاربردها شامل سطح رطوبت یا تشخیص نشت و کنترل کیفیت در زمینه‌های مختلف صنعتی است؛ ​
• سنسورهای سطح مایع برای سنجش غیر فعال مایع که از طریق سطوح نازک مانند پلاستیک طراحی شده‌اند.

می شود.

خلاصه

تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه IoT به طور مداوم در حال افزایش است، با کاربرد هایی که شامل تمام بخش‌های تکنولوژی می‌شود. موفقیت و توسعه بخش IoT به شدت به ویژگی‌ها و عملکرد سنسورهای استفاده شده بستگی دارد. تکنولوژی‌های حسگر جدید برای تکمیل شبکه‌های حسگر سنتی مورد نیاز هستند. یک حسگر بی‌سیم بدون باتری با اتصال ابری امکان پایش پیشرفته شرایط محیطی را در کاربردهای مختلف مانند مراکز داده‌ها، تعمیر و نگهداری پیشگویانه صنعتی، ساخت و توان، زنجیره سرد، کشاورزی دیجیتال و مراقبت‌های بهداشتی هوشمند فراهم می‌آورد.

بیشتر بخوانید: هوش مصنوعی و پردازش صوت