استخدام تقنيات الشحن اللاسلكية في الأجهزة المتجسدة

امبراطورية القوة الخالية من الذرة للشبكة الداخلية للأشياء

إن شبكة الإنترنت للأشياء (IoT) تتحول الصناعات بدمج الاستخبارات إلى أجسام مادية، من أجهزة استشعار بيئية في الزراعة إلى أجهزة رصد صحية قابلة للارتداء، وأجهزة رقابة صناعية، والاختناق المستمر في توسيع هذه الشبكات هو توفير الطاقة، وتفرض الاتصالات اللاسلكية التقليدية قيودا على التصميم، وتحد من مرونة النشر، وتخلق أعباء الصيانة، وتهيئ التكنولوجيات التي لا توصف مسارا لأجهزة الإقفال ذاتية مستقلة حقا.

الطرق الأساسية للشحن غير المأمون المصممة للنظم المدمجة

وهناك عدة مبادئ مادية متميزة تقوم على نقل الطاقة اللاسلكية، ويعتمد اختيار التكنولوجيا على متطلبات الطاقة، والمسافة، والتسامح في مجال المواءمة، والقيود المتعلقة بالتكلفة التي يفرضها تطبيقات اليوت.

رسوم إرشادية

(أ) استخدامات التأشيرات المدمجة في نطاق قريب، وهي عادة بضعة مليمترات، وهي الطريقة الأكثر نضجاً وانتشاراً، التي توجد في أجهزة استهلاكية مثل الهواتف الذكية وأجهزة كهرباء الأسنان، أما بالنسبة للأجهزة التي تستخدمها أجهزة التصنيف المتحركة، فتتجاوز الرسوم المتحركة أجهزة يمكن وضعها مباشرة على رصيف مركب متحرك، مثل أجهزة المسح الضوئي المستمر

الشحنات الاسترشادية

(أ) تضيف أجهزة الاسترخاء (أو السطو المغناطيسي) إلى أجهزة الاستنشاق لتكوين دوائر مدروسة تعمل على تردد مشترك، مما يتيح الانقلابات المخففة وزيادة الحرية المكانية: يمكن أن تكون الأجهزة بعيدة عن عدة سنتيمترات ولا تزال تتلقى طاقة صالحة للاستخدام، ويمكن تحميل أجهزة متعددة في الوقت نفسه من مصدر وحيد متردد، وهذه المرونة مفيدة بالنسبة للوزعات التي لا يمكن التنبؤ بها على سبيل المثال

محطة إذاعة لتجارب الطاقة

(أ) عمليات التقاط لاسلكية لا تعمل في إطار الترددات اللاسلكية أو الموجات اللاسلكية المكرّسة (التي غالباً ما تكون في نطاقات الإدارة المتكاملة مثل 868 ميغاهيرتز، و915 ميغاهيرتز، أو 2.4 غيغاهيرتز) وتحويلها إلى كهرباء من البلدان النامية باستخدام أجهزة التحلل الحراري، وهي تقنية جذابة بالنسبة للأجهزة التي تستخدم أجهزة التوليد ذات القدرة المنخفضة والتي تتطلب فقط أجهزة محركات المتحركة المتناهيكلة المتناهيكلة،

Capacitive Wireless Power Transfer

ويستخدم الانقلاب الكبائي حقول كهربائية بين مجموعتين من الصفائح المعدنية بدلا من الحقول المغناطيسية، وهو يوفر مزايا في شكل رقيق ويتحمل العقبات الفلزية التي من شأنها أن تعطل الحقول المغناطيسية، غير أن مجالات التركيز المؤثر جدا مطلوبة لنقل طاقة ذات معنى، كما أن قيود مناطق الطبق تحد من الاعتماد في أجهزة صغيرة، ويستخدم التراكم الأحيائي في بعض الأحيان في الادخار الطبي الأحيائي أو في حالة الارتداء فوق البنفسجية.

Laser and Ultrasonic Beaming

وبالنسبة للمسافات الطويلة جدا (التي تصل إلى مئات الأمتار)، يمكن أن يكون انتقال الطاقة بالليزر أو فوق الصوتية قابلا للتطبيق، حيث توفر شركة لاسر بوتيل الطاقة الكثيفة التي تتركز في شعاع ضيق، وتتطلب رصدا مباشرا وتتبعا نشطا، وهي مخصصة عموما للتطبيقات المتخصصة مثل الطائرات بدون طيار التي تشحن في محطات القاعدة النائية أو تتحكم فيها، وتستخدم الأساليب البدائية في استخدام موجات عالية من الطاقة، كما أنها تعاني من كفاءة في استخدام

ألف - الجوانب الاستراتيجية لقطع العصى

والانتقال من سلكية إلى سلكية لاسلكية يؤدي إلى تحسينات نوعية في تصميم الأجهزة ونشرها وإدارة دورة الحياة، وتتجاوز هذه الفوائد إلى حد بعيد مجرد الملاءمة.

True Environmental Sealing

وكل موصل مادي هو نقطة دخول محتملة للمياه والغبار والغازات التآكلية، فالشحن بدون أجر يتيح الكشف الكامل عن الضيوف المختومة، مما يتيح لأجهزة التحلل المغناطيسي أن تعمل بصورة موثوقة في بيئات الغسيل (تجهيز الأغذية)، والطقس الخارجي، والغلاف الجوي المتفجر، أو تحت الماء.

القضاء على حشرات الموصلات

وتتدهور الموصلات الميكانيكية بسبب دورات الدمج المتكررة، وتعاني من تآكل التآكل، وهي نقطة مشتركة من الفشل في المعدات المحمولة والمثبتة للوقود، وتزيل الشحنات اللاسلكية هذه النماذج الفشلية كلياً، أما بالنسبة للأجهزة التي يجب أن تعمل لسنوات دون صيانة، مثل أجهزة الاستشعار عن طريق خطوط الأنابيب أو تركيب أجهزة الاتصال التي تعمل بالأجهزة الآلية، فتؤدي إلى تحسين موثوقية وتقليص التكلفة الكلية للملكية.

Design Innovation without Port Constraints

وبدون الحاجة إلى ميناء مخصص للشحن، يكتسب المصممون الصناعيون حرية الاستفادة المثلى من الملامح الأيرودينامية، أو التقليل إلى أدنى حد من الحجم، أو إدماج الجهاز في الأثاث أو الجدران أو الآلات، ويمكن أن تُباع أجهزة الإيوت الطبي بسطح سلس يسهل تنظيفه، ويمكن أن تحقق المصانع المحتوية على مصانع الكمائن، وأن تكون أكثر عرضة للماء، كما أن عدم وجود سلكات غير المرخصة يوفة.

شبكات التلقائية والصحة الذاتية

وفي شبكات واسعة النطاق من تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، لا يمكن عملياً القذف اليدوي بمئات أو آلاف الأجهزة، فالشحن بدون أجر يتيح إعادة شحن روتينات آلية: يمكن للآليات المتنقلة العودة إلى رصيف شحن، ويمكن للطائرات بدون طيار أن تنفجر في محطات الهبوط المزودة بالطاقة الكهربائية، ويمكن للمستشعرات التي يتكون منها الشحوم أن تشحن أثناء التخزين.

الاستقلال الذاتي في مجال النشر عن بعد

ويُعدّ التموين اللاسلكي، الذي يقترن بجني الطاقة (العزل، الحراري، اليقظة)، جسراً إلى عملية قريبة من الأداء، ويمكن للمستشعر الذي يمضي معظم وقته في ظل النمط المنخفض القدرة على النوم أن يتراكم من مصدر لاسلكي قريب لا ينشط إلا خلال نافذة يومية قصيرة، وهذا النهج الهجين له قيمة خاصة بالنسبة للرصد الصحي الهيكلي على الجسور أو محطات الكشف عن التكاليف الزراعية.

حواجز الانتشار الحقيقي العالمي وتجارة المهن الهندسية

ورغم المزايا الجبارة، فإن إدماج الشحن اللاسلكي في أجهزة التغويز المدمجة يشكل تحديات تقنية واقتصادية كبيرة يجب التصدي لها أثناء تصميم هيكل النظام.

كفاءة نقل الطاقة والإدارة الحرارية

وكل الأساليب اللاسلكية أقل كفاءة من الاتصال اللاسلكي بسبب الخسائر في التقلبات، وخسائر التصحيح، وخسائر التقلبات، وقد تكون الكفاءة منخفضة إلى 30 في المائة بالنسبة لجني الترددات، مما يعني أن طاقة النقل الكبيرة تهدر كسخان، وفي أجهزة مدمجة ذات تردد حراري محدود، يمكن أن تؤدي زيادة الحرارة إلى تآكل حياة البطارية أو تسبب انجرافا في الميزانية.

الضغينة والمضايقات

ويتطلب فرض رسوم على المحركات والمسافات الرجعية مواءمة معقولة من حيث الضبط من أجل الحفاظ على الانقلاب، وقد يؤدي سوء الطلاء حتى إلى حدوث انخفاض أو تحميل بالتوقف تماماً، وبالنسبة للنظم المدمجة، يتطلب ذلك تسامحاً ميكانيكياً دقيقاً في آلية الترفيع، أو، بالنسبة للنظم المتردية، تضاؤلات أكبر في مجال النقل، وتستخدم بعض النظم أجهزة الإرسال المتعددة المتداخل مع البيئة المفتوحة للاستشعارات تلقائياً.

التدخل في الاتصالات اللاسلكية

وكثيرا ما تتداخل الترددات اللاسلكية أو تولد تناسقا يمكن أن يتداخل مع أجهزة الاتصال الخاصة بالجهاز (BLE, Wi-Fi, Zigbee, LoRa) - وكثيرا ما يكون المجال المغناطيسي القوي من جهاز توجيه الشحنات الكهرومغناطيسية يُمكن أن يُحفى جهاز استقبال قريب من جهاز الاتصال، وتشمل عمليات التخفيف الترددي، والتفشيط الزمني بين التلاعب والبث، وتُبقية على مستوى التعايش الافتراض.

استحقاق سلسلة التكاليف والإمدادات

فإضافة جهاز استقبال لاسلكي يضيف عادة مبلغ يتراوح بين دولار و ٥ دولارات إلى مكتب خدمات المشاريع )مع تخفيض مستوى الطاقة والتكامل(، بالإضافة إلى تكلفة الفحم العادم والدروع الأسمدة والتوثيق من أجل الامتثال للمعايير، وبالنسبة لأجهزة المستهلكين ذات الحجم الكبير، فإن ذلك مقبول؛ أما بالنسبة لمجسات السلع الأساسية المنخفضة التكلفة، فقد يكون محدداً بصورة باهظة، غير أنه نظراً لأن معايير مثل خفض أسعار السلع الأساسية.

توحيد المعايير وقابلية التشغيل المتبادل

وتشمل المشهد التمويني اللاسلكي معايير متنافسة متعددة (المخططات الخاصة بالشحن الجوي والطائرات والممتلكات) - إن اختيار حل غير قياسي ينطوي على مخاطر البدانة ويحد من النظام الإيكولوجي للمرسلين المتوافقين، وبالنسبة لتطبيقات التلويث التي يجب أن تفرض من مصادر عامة أو صناعية، فإن الالتزام بمعيار مفتوح أمر حكيم، غير أن الامتثال المعياري يفرض تكاليف التصديق والقيود على التصميم.

أفضل الممارسات في مجال المهندسين المدمجين

ويتطلب الإدماج الناجح للشحن اللاسلكي في جهاز متفجر مدمج للحمض النووي نهجا منهجيا من خلال التصديق على هذا المفهوم.

تحليل ميزانية الطاقة وتصميم موجزات

ابتداء من قياس متوسط استهلاك الطاقة في الجهاز في جميع الدول العاملة (النشطة، العاطلة، النوم) وتحديد معدل تجديد الشحنات المطلوبة: مثلا، 15 دقيقة من الشحنات في 24 ساعة من التشغيل، وهذا يملي الحد الأدنى من نقل الطاقة اللاسلكية، والتدبير المفرط لتكاليف وحيز نفايات الطاقة، وعدم كفاية الأدلة على عمليات التطهير، والنظر في استخدام جهاز لاسلكي أو مشرف يمكن أن يتسامح مع شحنة لا تحصى.

Coil Selection and Integration

ويؤثر قياسات التربة الصلبة تأثيراً كبيراً على التقلبات والنطاق، أما بالنسبة للأجهزة الصغيرة المحتوية على مواد مدمجة، فإن الفحم الذي يستند إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور (الآثار الروحية على اللوحة) شائعة التكلفة والرقيقة، ولكن معاملها المزود بمقياس للكميات، حيث أن سلك الجروح المدعمة بالشرائح توفر كفاءة أعلى على حساب السميكة وتكاليف التجمع، وتستخدم محاكاة العناصر الزهيدية (مثلة الآلة)

الاتصال وكشف الأجسام الأجنبية

وتشمل أحدث بروتوكولات الشحن اللاسلكي الاتصالات الثنائية الاتجاه على قناة الطاقة (مثلاً، يستخدم Qi مفاتيح الضخ والسرقة) للتفاوض على مستويات الطاقة، واكتشاف الأجسام الأجنبية (العملات المعدنية، المفاتيح)، ورصد درجة الحرارة، وتنفيذ هذه المجموعة من البرمجيات الجاهزة لضمان الامتثال للأمان (لجنة المنافسة، ولجنة الخبراء الحكومية الدولية، واللجنة الاقتصادية الدولية، 62368).

تكامل إدارة البطاريات

وينتج المتلقين الذين لاسلكيين عادة فولتاجاً محكماً من العاصمة (مثلاً 5 خامساً). ويربط هذا بشاحنة شحن بالبطارية مصممة لكيمياء الخلايا المختارة (Li-ion, LiFePO4, solid-state) وينبغي للشحن أن يتعامل مع السمات المتغيرة لطاقة الاحترار الحراري وأن يشمل الإنهاء الكامل.

اختبار الظروف الحقيقية في العالم

تقييم نظام الشحن اللاسلكي على كامل نطاق درجات الحرارة والتوجهات والمسافات المتوقعة، اختبارات مع احتمال حدوث عقبات )الدفاع والرطوبة والجليد( على سطح الشحن، والتقديرات التي أجريت للانبعاثات المشعّة لتأكيد الامتثال التنظيمي، وإجراء اختبارات على بطارية الجهاز المستهدف في إطار دورات الشحن الجزئية المتكررة، حيث أن الشحن اللاسلكي قد يؤدي إلى شحنات صغيرة كثيرة بدلا من رسوم فارغة كاملة.

المستقبل: سمارتر، قوة أكثر استقلالا

إن مسار الشحن اللاسلكي للمتفجرات من مخلفات الحرب هو نحو مزيد من الحرية المكانية، وزيادة الكفاءة، والاندماج في البيئة دون هوادة، وسيشكل العديد من الاتجاهات الناشئة السنوات الخمس القادمة.

طويلة المدى ودينامي

ويمكن لمصفوفات التخزين العاملة في 2-4 جيهرتز أو 5.8 جيهرتز أن تُوصل عشرات الأليوات إلى جهاز متحرك على مسافات عدة أمتار، وتقوم مختبرات البداية والبحث بتطوير خوارزميات التتبع النشطة التي تُوجّه الشعاع إلى تتبع طائرة بدون طيار أو آلية في الرحلات، مما يمكن من أن يتيح لأساطيل مستقلة حقا لا تحتاج إلى أن تُطغى مادياً، وتظهر المنتجات التجارية الأولى مستودعات ذكية.

Multi-Device and Multi-Standard Transmitters

وسيكون بوسع السطح المتجه إلى المستقبل أن يستخدم أجهزة توليد الطاقة في آن واحد معايير مختلفة (Qi, AirFuel, proprietary) عن طريق تعديل الترددات واختيار الفحم بصورة دينامية، مما سيبسط نشره في بيئات متنوعة من دوران، مثل المستشفيات أو المصانع التي تستخدم حافظات الاستشعار المتنوعة، وسيعمل جهاز الإرسال كنقطة وصول لاسلكية إلى الطاقة، مماثلة لجهاز توجيه من طراز Wi-Fi.

Integration with Energy Harvesting and Edge AI

وكثيرا ما يقترن الصيد غير المأمون بتعبئة الطاقة من أجل إنشاء نظم هجينة يمكن أن تعمل إلى أجل غير مسمى، ويمكن أن تؤدي عملية تجهيز نظام إدج آي إلى الحد الأمثل من الجدول الزمني للشحن: لا تطلب الأجهزة الطاقة إلا عندما تكون بطارية منخفضة أو عندما تنبأ بفترة من عبء العمل المنخفض، ويمكن أن تنبأ نماذج التعلم التي تعمل على أجهزة التحكم الصغيرة بالكهرباء بأنماط التوافر الشمسية أو اليقظة لطلب طاقة لاسلكية في فترات الاستخدام، مما يقلل.

توحيد المقاييس الصناعية

وتعمل اتحادات الصناعة على نسخ مبسطة من معايير الشحن اللاسلكي للبيئات الصناعية، بما في ذلك مستويات الطاقة المرتفعة (حتى 100 دبليو أو أكثر) ونطاقات درجات الحرارة الممتدة، مما سيمهد الطريق لتوليد الطاقة الكهربائية للمصاعد والمضخات والآلات الصناعية بلا سلك، ويزيل أميال الكابلات المتطايرة في المصانع الآلية.

خاتمة

فتقنيات الشحن اللاسلكي لم تعد جديدة؛ فهي أداة عملية ومتزايدة الأهمية لتوسيع نظم إيوت المدمجة، ومن خلال تمكين أجهزة مقفلة، وأجهزة آلية، وأجهزة لاسلكية، وتحديات طويلة الأمد في مجال الموثوقية والنشر، وفي حين أن المفاضلات في الكفاءة والتكاليف والتدخل تتطلب هندسة دقيقة، فإن سرعة التوحيد والتكامل في العناصر هي حواجز أقل.