Understanding Signal Loss in Wireless Level Sensor Networks

وقد أصبحت شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية غير ضرورية لرصد المياه والمواد الكيميائية والوقود وغيرها من السوائل عبر الصناعات مثل معالجة المياه والنفط والغاز والزراعة والصناعة التحويلية، وتعتمد هذه الشبكات على الاتصالات التي ترد على الترددات اللاسلكية لنقل البيانات من أجهزة الاستشعار المجهزة ميدانيا إلى أجهزة التحكم المركزية أو منابر السحب، وعندما تحدث الاختلالات، فإنها يمكن أن تؤدي إلى نقاط بيانات مفقودة، وإلى إنذارات خاطئة، وإلى تأخير في الاستجابة للتغيرات في كفاءة الإشارات، وإلى تدهور منهجي في مستوى المعلومات.

ونادرا ما تكون الخسائر في الإشارات في شبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية عشوائية، وهي عادة ناجمة عن مزيج من العوامل البيئية، وعن محدودية المعدات، وعن مسائل التشكيل، وباتباع هذه المشكلة بطريقة منهجية، يمكن للفنيين تحديد ما إذا كانت المسألة تتصل بالتدخل أو التعويق أو المسافة أو القوة أو الفشل في المعدات، ويوفر هذا الدليل الموسع نظرة أعمق لكل من هذه الأسباب، ويوفر إجراءات لكشف المشاكل تدريجيا، ويعرض تقنيات متطورة وتدابير وقائية طويلة الأجل.

الأسباب المشتركة لفقدان الإشارة

وقبل التخلّص من المشاكل، من المهم فهم العوامل الرئيسية التي يمكن أن تتدهور أو تحجب تماما الإشارات اللاسلكية في تطبيقات الاستشعار من المستوى، وكل سبب له أعراض متميزة ويتطلب حلولا مصممة خصيصا.

Electromagnetic Interference

وعادة ما تعمل أجهزة الاستشعار اللاسلكية على مستوى لاسلكيا في إطار مجموعات غير مرخص بها من نظام الرصد الدولي (مثل 868 ميغاهيرتز، و 915 ميغاهيرتز، أو 2.4 غيغاهيرتز) وهذه النطاقات الترددية تتقاسمها أجهزة عديدة، بما فيها أجهزة توجيه اللاسلكي، وأجهزة التلويث اللاسلكية، والهواتف اللاسلكية التي لا تحمل أي تطابق، والآلات الصناعية التي تنجم عنها إشارات متغير الترددات (VFDs) والمحركات.

التقادم المادي

وتزداد موجات الإذاعة عند مرورها بالمواد، إذ أن خزانات المعادن، وجدران الخرسانة، والدعم الهيكلي الفولاذي، واللافقار الكثيف، بل وحتى الرطوبة المتراكمة، يمكن أن تضعف أو تحجب إشارات، وفي البيئات الصناعية، يضاف وجود الأنابيب، والقطع، والمعدات إلى التعقيد، كما أن خط البصر مثالي، ولكن العديد من المنشآت يجب أن تتواصل عبر العقبات أو حولها، مما يؤدي إلى فقدان المسارات.

فقدان المسافات والضرائب

كل وصلة سلكية لها أقصى مدى فعال، ففقدان الطريق يزيد بشكل كبير مع المسافة، خاصة في البيئات الداخلية أو الخارجية، وعندما تبعد المسافة بين جهاز الاستشعار وجهاز استقباله (الطريق، محطة الأساس، أو جهاز إعادة الإرسال) عن قدرة الراديو على معدل البيانات وطاقة الإنتاج، فإن قوة الإشارة تقل عن عتبة حساسية جهاز الاستقبال، مما يؤدي إلى فقدان حساب الربط

القدرة على الإمداد

Wireless level sensors are often battery-powered or rely on energy harvesting. Batteries degrade over time, especially in extreme temperatures. Insufficient or unstable power supply causes erratic radio performance: the transmitter may not reach full output power, the receiver may fail to decode weak signals, or the device may reset intermittently. Even wired sensors can suffer from voltage drops in long cable runs or from noisy power sources.

إزالة آثار الارتداد وتركيبها

فالأنائيات والوصلات والكابلات معرضة للأضرار المادية والتآكل والتركيب غير السليم، والوصلات السائلة، والدخل في الماء في الكابلات الكنسية، وعناصر الهوائي المضغوطة، وأنواع الهوائيات غير الصحيحة (مثل استخدام هوائي توجيهي عند الحاجة إلى جهاز توجيهي) وكلها نوعية من الإشارات الارتفاعية.

اضطرابات خطوة خطوة خطوة على الأقدام

ويساعد النهج المنهجي على عزل السبب الجذري بسرعة، ومتابعة هذه الخطوات الموسعة لتشخيص وتسوية فقدان الإشارة في شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية.

1 - التحقق من نزاهة السلطة

بداية من فحص حالة الطاقة لكل أجهزة الاستشعار المتأثرة، بالنسبة للوحدات التي تعمل بالبطارية، مقياس بطارية تحت الحمولة إن أمكن، استبدال البطاريات التي تقل عن عتبة الصانع الموصى بها، التحقق من أن الاتصالات بالبطارية نظيفة وشديدة، بالنسبة للأجهزة الكهربائية، استخدام مقياس متعدد للتأكد من أن حجم الإمدادات في كثير من الأحيان داخل العينات، وعدم وجود شحنات ممزقة أو نسرة.

2 - إجراء تفتيش مادي

تقوم بتفتيش كل عنصر من عناصر الأجهزة على طريق الإشارة

  • موصلات هوائيات مسدودة أو متآكلة (N-type, SMA, RP-SMA)
  • كابلات كواكسية مُحْلَبة أو مُحْطَفة أو مُتَبَطَّرة بالماء
  • وصلات السحب عند أجهزة الاستشعار، البوابات، والمكررين
  • علامات الرطوبة أو التكثيف داخل الضيوف
  • إعاقة مادية قد تكون تغيرت منذ التركيب (مثل المعدات الجديدة، ونمو الغطاء النباتي، والتشييد)

يستعاض عن أي عناصر مشتبه فيها بمكافئات عالية الجودة، وإيلاء الاهتمام لمواصفات ربط السفن - يمكن أن يلحق الإفراط في التصعيد ضررا بالوصلات، مثلما يمكن أن يؤدي نقص التصعيد إلى اتصال متقطع.

3- تقييم وتحسين خط البصر

(ب) تقييم مسار الترددات المقطعية بين كل جهاز استشعار ومتلقيه المقصود، إذا أمكن، استخدام أداة مسح للمواقع أو فحص بصري بسيط إذا كان الطريق قصيراً، وعند وجود عقبات، النظر في ما يلي:

  • رفع الهوائيات إلى الانقطاعات - حتى بضعة أقدام من المرتفع يمكن أن يحسن بشكل كبير نشر الإشارات
  • نقل البوابة أو إضافة جهاز إعادة إرسال إلى الجسر حول العقبات
  • استخدام هوائي توجيهي في جهاز الاستقبال لتركيز الطاقة نحو منطقة الاستشعار
  • نباتات التصادم أو نقل المعدات التي تحجب الطريق

وفي مزارع الصهاريج أو النباتات المزروعة، قد يكون من الضروري تركيب بوابات متعددة أو استخدام بروتوكولات لشبكات ميش تتيح للبيانات أن تقفز عبر العواميد الوسيطة.

4- تحديد وتخفيف التدخل

استخدام جهاز تحليل الطيف أو جهاز مسح RF محمول لقياس الحد الأدنى للضوضاء في كل من مواقع أجهزة الاستشعار والمستقبل، والبحث عن إشارات عالية الطاقة ثابتة أو دورية يمكن أن تشير إلى وجود تداخل في القنوات المشتركة أو الميكانيكية المتاخمة، وتشمل الخطوات الرامية إلى الحد من التدخل ما يلي:

  • تغيير قناة تشغيل شبكة الاستشعار إلى تردد أكثر هدوءا
  • توسيع نطاق الترددات التمكينية إذا كانت الإذاعة تدعمه
  • أجهزة استقبال حساسة من مصادر ضوضاء قريبة
  • نقل البوابة بعيدا عن نقاط الدخول في واي فاي، خزانات VFD، أو محركات كبيرة
  • الجدول الزمني لنقل البيانات خلال فترات النشاط الصناعي الأدنى إذا كان التدخل يعتمد على الزمن

وبالنسبة للشبكات التي تستخدم أجهزة لاسلكية من طراز GHz، تكون على علم بأن القنوات من طراز Wi-Fi 1 و6 و11 غالبا ما تتسبب في تداخل، ويمكن أن يؤدي اختيار قناة خارج هذه القنوات أو باستخدام فرقة الرصد المتكاملة التي تبلغ 900 ميغاهيرتز إلى زيادة التغلغل وتدخل أقل في كثير من الأوساط الصناعية.

5- إجراء اختبار الجودة على أساس الرنج والربط

إجراء اختبار منهجي للنطاق بين كل جهاز استشعار ومستقبله المرتبط به معظم أجهزة الاستشعار اللاسلكية تقدم في نظام الرصد السريع (مؤشرات قوة الإشارة) أو أدوات التشخيص ذات الحساسية العالية للترددات العالية (Link Quality Indicator) وسجل هذه القيم في موقع التركيب ومقارنة هذه القيم بمستوى الحد الأدنى من الحساسية لدى جهاز الاستقبال (مثلاً، 110 دنام) بالنسبة للعديد من أجهزة الراديو

لشبكات متعددة النقاط، اختبار كل وصلة على حدة إذا كان جهاز استشعار واحد يظهر باستمرار إشارة ضعيفة بينما الآخرين على مسافات مماثلة هم بخير، المسألة على الأرجح تكمن في تركيب العقد المحدد أو المعدات بدلا من الشبكة الشاملة.

6 - التحقق من البارامترات

وكثيرا ما تكون شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية غير المستقرة بارامترات قابلة للتشكيل تؤثر على قوة الربط، مثل معدل البيانات، والقدرة على الإنتاج، والعامل الموزع (في لو راواان)، والأماكن المغلقة، حيث يمتد معدل البيانات عادة إلى النطاق الذي يمكن أن يزيل فيه جهاز الاستقبال إشارات أضعف، ويحسن قوة الإشارة (في حدود تنظيمية)، ويضمن لجميع العواصم تقاسم وثائق التفويض الشبكية، وخطة التردد، ووضع المراسم المشتركة.

متقدمة في مجال أساليب مطاردة المسببات

وعندما لا تُحل الخطوات المعيارية فقدان الإشارة، قد تكون هناك حاجة إلى أساليب تشخيص أعمق، وهذه التقنيات تتطلب أدوات متخصصة ولكنها يمكن أن تحدد مشاكل بعيدة المنال.

Multipath and Reflection Analysis

وفي البيئات التي توجد فيها مساحات عديدة (الدبابات المعدنية، والأنابيب، والخرسانة)، يمكن أن تصل الإشارات إلى جهاز الاستقبال عبر مسارات متعددة في أوقات مختلفة قليلا، مما يؤدي إلى إلغاء المرحلة وتلاشيها، وإذا كانت نوعية الإشارة تختلف اختلافا كبيرا مع تحركات صغيرة من الهوائي أو تغييرات في مستوى السائل داخل صهريج، فإن المضللات المتعددة هي المذنب المحتمل، وتشمل الحلول نقل الهوائيات إلى موقع يقل فيه عدد الأسطح المغذيات.

مسائل وقت الطيران والتسلسل

وفي الشبكات اللاسلكية غير المتزامنة زمنيا (مثل البروتوكولات القائمة على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات)، يمكن أن تسبب الانجراف في التوقيت عدم تجاوز فترات البث المقررة، وهذا يظهر على أنه فقدان للإشارة المتقطعة قد يبدو أنه مرتبط بمصائد الأسماك، ويصح التحقق من أن تزامن الشبكة أمر سليم من خلال التحقق من موازنة التوقيت في واجهة إدارة الشبكة، ويمكن أن تساعد الإشارة المرجعية للتوقيت المستند إلى النظام العالمي لتحديد المواقع على نشرات واسعة النطاق.

الآثار البيئية والغلاف الجوي

ويمكن أن تؤثر الأمطار الغزيرة والضباب والثلوج ومستويات درجات الحرارة على انتشار الإشارات، لا سيما في الترددات المرتفعة (مثلا 5.8 غيغاهيرتز) وفي حين أن هذه الآثار مؤقتة عادة، فإنها يمكن أن تسبب انقطاعا غير متوقع، وإذا لوحظ وجود ارتباط موسمي، فإن زيادة هامش الرابط باستخدام هوائيات عالية الدخل أو أدنى من الترددات (مثلا، الكانتونات الفرعية)

البرمجيات والبرمجيات

وتحتفظ أجهزة الاستشعار اللاسلكية الحديثة وبواباتها بسجلات داخلية لمعدلات نجاح النقل، وأرقام المفاعلات، ورموز الأخطاء، ويمكن لتحليل هذه السجلات أن يكشف عن أنماط - مثلا، قد ترتفع الخسائر في الحزمة كل ساعة عندما تبدأ آلة معينة، أو عندما تنخفض كميات البطارية إلى أدنى من عتبة، وتستخدم هذه البيانات لربط فقدان إشارات محددة بأحداث أو شروط محددة.

التدابير الوقائية وأفضل الممارسات

فالتصميم والصيانة الاستباقيين يقللان بشكل كبير من احتمال فقدان الإشارة، ويدمجان الممارسات التالية في عمليات نشركم والعمليات الجارية.

وأثناء تخطيط الشبكة، حساب ميزانية الوصلة لكل وصلة، وتشمل ما لا يقل عن 15 إلى 20 من هامش التزييف للمسارات الداخلية أو الممرات المعيقة، والنظر في استخدام الطبقات المتوسطة التي يمكن أن يكون فيها كل عقد بمثابة نقل، وتوفير مسارات زائدة.

اختيار الفرقه الصحيحه

وبالنسبة للاختراق الطويل المدى والعقبات الجيدة، فإن نطاقات فرعية من نوع GHz (مثل 868/915 MHz) أعلى عموما من 2.4 GHz، حيث يلزم النشر العالمي، ينظر في تكنولوجيات لو راوان أو غيرها من تكنولوجيات الشبكة المحلية المحدودة الأجل التي تستهدف تحديداً الاستشعار المنخفض الطاقة، والاستشعار البعيد المدى، ويتجنب استخدام 2.4 غيغاهيرتز في أجهزة الاستشعار ذات المستويات الموجودة داخل صهاريج المعادن أو الهياكل الملموسة ما لم تكن قد اختبرت تغطية كاملة.

التنفيذ

نشر أجهزة استشعار من المستوى الحرج بمسارات الاتصالات الاحتياطية - إما قناة ثانوية لاسلكية (مثلا، الدعم الخلوي) أو وصلة سلكية، وبالنسبة لشبكات الميوش، ضمان أن يكون لكل عقدة منافذ الوالدين المحتملين على الأقل يمكن أن تتواصل معها إذا فشلت الصلة الرئيسية، ومنع إعادة التوحيد على مستوى الشبكة من وجود نقاط فشل واحدة من التسبب في فقدان البيانات.

الصيانة والرصد المنتظمان

وضع جدول زمني دوري للتفتيش على الهوائيات والوصلات ومصادر الطاقة، واستخدام برامجيات إدارة الشبكات التي تتبع نظام التحقق من السجلات والمحفوظات، ومعدلات أخطاء الحزم، وارتفاع وقت الأجهزة بمرور الوقت، ووضع تنبيهات آلية لتدهور الإشارات، يتيح لك معالجة المسائل قبل أن تسبب فقدانا كاملا للإشارة. الاستخدام السليم لمعدات الاختبارات الترددات خلال زيارات الصيانة يمكن أن يلحقوا مشاكل في وقت مبكر.

Environmental hardening

حماية المعدات الخارجية من الرطوبة، ودرجة الحرارة القصوى، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، واستخدام الضيوف مع التصنيفات المناسبة للضغط بالجملة، وتطبيق الشحوم الديكلتري على الموصلات، وضمان تقييم الهوائيات للاستخدام في الهواء الطلق، والنظر في تركيبات الصهاريج في الارتفاعات فوق الصهاريج أو على الجدران الجانبية باستخدام أجهزة تكييف الرؤوس السائبة المناسبة لتجنب دخول المياه.

متى تنظر الشبكة في إعادة تصميمها أو تحسينها

وإذا استمرت فقدان الإشارة بعد تشخيص المشاكل وتنفيذ التدابير الوقائية، فإن هيكل الشبكة الأساسي قد يكون غير كاف للبيئة المادية، ومن بين المؤشرات التي تدعو الحاجة إلى إعادة تصميم ما يلي:

  • فقدان الحزمة المزمنة فوق 5 في المائة حتى بعد الاستخدام الأمثل
  • القيود على نطاق واسع التي تمنع تغطية جميع مواقع الاستشعار المطلوبة
  • التدخل الذي لا يمكن تجنبه من خلال تغيير القنوات أو من خلال حمايتها
  • عدم استقرار الشبكة مع إضافة أجهزة استشعار جديدة

وفي هذه الحالات، تشمل الخيارات الانتقال إلى بروتوكول لاسلكي مختلف (مثلاً، من أجهزة اللاسلكي ذات النطاق الخاص إلى لو راون أو ويريليس هيرت) (LRaWAN) أو جهاز إعادة إرسال) إضافة بوابات أو أجهزة إعادة إرسال إضافية، وتنفيذ دراسات استقصائية لاسلكية على نطاق الموقع، واستخدام هوائيات خارجية عالية الدخل أو اتجاهية، ويمكن أن يؤدي الجمع بين أجهزة تكييف مع أخصائي في إدارة مصائد الأسماك إلى تسريع عملية إعادة تصميم الشبكات وإعطاء شبكة أكثر موثوقية.

خاتمة

وتشكل الخسائر الملحوظة في شبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية تحديا متعدد الأوجه، ولكن يمكن معالجتها بصورة منهجية بفهم أسبابها الجذرية وتقنيات فرز المشاكل من الناحية المنهجية، وتشكل قضايا القوة، والإعاقة المادية، والتدخل، والقيود المفروضة على المسافة، والأخطاء التي تحدثها الأجهزة المذنبة الرئيسية، ومن خلال التحقق من سلامة الطاقة، والتفتيش على المعدات، وتحسين خط البصر، وتحديد مصادر التدخل، واستعراض نوعية الاختبار، والتحقق من مؤشرات التكييف، ومعظم مشاكل قطع الإشارات.

التصميم الوقائي - الذي يتضمن هامش الربط، واختيار نطاقات التردد المناسبة، وتنفيذ عمليات التكرار، ومتابعة جدول أعمال الصيانة المنتظم - هو أفضل وسيلة للدفاع عن تردي الإشارات في المستقبل، وعندما تتجاوز متطلبات البيئة أو التطبيقات قدرة الشبكة الحالية، يصبح من الضروري إعادة التصميم أو تحديث التكنولوجيا، مع اتباع نهج منضبط، يمكن لشبكات الاستشعار اللاسلكية أن تحقق مستوى عال من الموثوقية وسلامة البيانات اللازمة للرصد الصناعي الحرج.