Table of Contents

مقدمة: الاتصال اللاسلكي في الهندسة المُعتدلة

وقد انتشرت الأجهزة الهندسية القابلة للزراعة للرصد الصحي والبيئي في العقد الماضي، التي تحركها شبكة الإنترنت من الأشياء الطبية، والحاجة إلى تدفق بيانات متواصلة ومباشرة، ومن المواضع الذكية التي تتبع معدل القلب وتشبع الأوكسجين بالشارات البيئية ذات النوعية السوقية، يجب أن تتواصل هذه الأجهزة دون تكترث على مسافات قصيرة إلى متوسطة بينما تعمل في إطار ميزانيات ضيقة.

ما هو مفتاح التردد؟

(ب) إن التردد في تحديد المفتاح هو تقنية رقمية للتعديلات تُشفع فيها البيانات الثنائية (أو الرموز المتعددة المستويات) بتحويل التردد الفوري لموجة ناقلة بين الترددات المتباينة المحددة مسبقاً، وفي شكلها الأبسط، تستخدم الترددات الثنائية (BFSK) درجتين: واحد لتمثيل المنطق صفر والآخر للمنطق 1.

[FLT:][FLT:][FLT:]

(و) [[FLT:]()[[FLT])

الفوائد الرئيسية لـ (إف إس كي)

  • Constant envelope]: الإشارة المحالة لها قدرة مستمرة على الضخ، مما يسمح لمضخم الطاقة بالعمل في أكفأ منطقة غير خطية، وهذا يتناقض مع QAM أو OFDM، الذي يتطلب أجهزة كمبلورة خطية ويستهلك مزيدا من القوة.
  • Narrow bandwidth per baud]: With proper frequency deviation, FSK can achieve very compact spectra, enabling co-existence with other signals in the crowded ISM bands (868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz).
  • Simple demodulation]: أجهزة كشف غير متجانسة (مثلاً، مضادات صفرية أو مركبات PLLLs) تلغي الحاجة إلى استعادة الناقلة تدريجياً، مما يقلل من تعقيد الدوائر وتكاليفها.
  • Low duty-cycle support]: FSK transceivers can enter sleep mode and wake quickly, consuming only microamperes in standby, which is critical for bat-powered wearables.

تنفيذ نظام المعلومات المالية في الأجهزة الهندسية القابلة للزراعة

وينطوي تصميم جهاز قابل للارتداء يستخدم نظام المعلومات المالية على عدة مجالات هندسية: تصميم الدوائر المشابهة والرقمية، وبرمجيات البرمجيات/التطهير، وتكامل الهوائيات، وإدارة الطاقة، وتكسر الأقسام الفرعية التالية خطوات التنفيذ الحاسمة.

تصميم المشرف وقابلية التواتر

قلب أي جهاز إرسال من طراز FSK هو المُسَحِّم الذي يولد ترددات الناقل، وبالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء، يجب أن يكون المُسَقِّم مستقراً على درجة الحرارة، وتغيُّرات في حجم الإمدادات، وشيخوخة المكونات.

  1. (أ) استخدام جهاز فرز بلورات الحجرات لتحديد تردد القاعدة، ويمكن تحقيق التحول في التردد عن طريق سحب البلورة (تحميل غطاءها) أو عن طريق تقسيم/تجميع الناتج البلوري، مما يوفر استقرارا ممتازا (5 أجزاء من المليون) ولكن يمكن أن يكون كبيرا بالنسبة لعوامل صغيرة جدا.
  2. RC oscillators] — simple resistanceor —capacitor circuits that are tunable via a control voltage, they are extremely small and cheap but suffer from poor stability (5%).
  3. Phase —locked cycle (PLL) frequency synthesizers] — The industry standard for modern wireless SoCs. A voltage controlled oscillator (VCO) is locked to a reference Bla via a PL. Direct modulation of the VCO control frequencytage (in-point modulation) or fractional

أما بالنسبة لأجهزة المراقبة الصحية التي تحتاج إلى الامتثال للمعايير الطبية (مثلاً ISO 13485)، فيوصى باتباع نهج قائم على القانون الخاص بمكافحة الاختراق (المتفجر المكتمل المكتمل) ويجب اختيار الانحراف الدقيق للتواتر: فمعدل الانحرافات الصغيرة جداً يزيد قليلاً تحت الضوضاء؛ ويتسع نطاق الانحراف ليشمل النطاق الترددي المحتل وقد ينتهك الحدود التنظيمية.

دائرة التنفيذ

وعندما يتم توليد الناقل، يجب أن تتحول الدائرة المتحركة بين الترددات بمعدل البيانات، وتخفض أجهزة النقل المتكاملة العالية التردد (مثل أجهزة تكساس C1101، ومختبرات سيليكون - سي 446x) من خلال نظام التعبئة المبني - FSKK: البيانات الرقمية ذات النطاق الأساسي التي تُحدد مباشرة بمحرك VCO أو جهاز DDS (التجميع الرقمي المباشر)

ولا تتحقق كفاءة الطاقة أثناء عملية التناوب إلا بتمكين المشرف بصورة انتقائية من نقل البيانات (التدوير الوظيفي) وهناك العديد من المتحكمين في الميكروبات المنخفضة القدرة التي تبث راديواً يستمع إلى ديباجته باستخدام FSK. وبمجرد اكتشاف إشارة واردة، يستيقظ اتحاد المحاكم الكهرومغناطيسية الرئيسي ودائرة النقل، ويرسلون الرد، ويعودون إلى النوم العميق.

تقنيات إزالة الذخائر من أجل النفايات

وعلى جانب جهاز الاستقبال، يجب أن يتم تخفيض حجم القوة بحيث لا يستهلك إلا الحد الأدنى من الطاقة، وهناك ثلاثة طرق متفشية:

  • Zero —crossing detection] — The receiver counts the number of zero —crossings per bit period to determine the frequency. It is extremely simple and lowpower but susceptible to noise and duty-cycle distortion.
  • Phase —locked ringator (PLL) discriminator] — A PL locks onto the incoming carrier; the difference between the VCO control voltage and a reference indicates the immediateaneous frequency. This approach is robust and can handle weak signals.
  • تصفية مجهزة/ملازمة مزودة بأجهزة مخزنة، وتضاعفت الإشارة الواردة بواسطة نسخ مخزنة من أجهزة التردد المنتظرة من طراز FSK، وكثيرا ما يتم ذلك في مجهز رقمي للشبكة الأساسية، ويقدم أفضل أداء، ولكن بتكلفة أعلى من الطاقة.

وبالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء التي تحتاج إلى العمل لأسابيع أو أشهر على بطارية صغيرة من نوع العملات المعدنية، فإن المُسرِّح الذي يوجد مقره في PL والذي يتمتع بحالة نوم منخفضة القوة هو الخيار الأكثر شيوعاً، ويمكن للمتلقي أن يفحص ديباجة الاستيقاظ، ثم ينشط في مجموعة البيانات.

Antenna Integration and Body —Loss Compensation

فالهوائي عنصر حاسم آخر، ففي حالات الارتداء، كثيرا ما يوضع الهوائي بالقرب من الجسم البشري، الذي يبطل عدم قدرته ويقلل من الكفاءة، ويمكن أن يتحلل أداء شركة FSK إذا ما تغيرت مضللة الهوائيات مع موقع الجسم أو البلوزة، ويستخدم المصممون تقنيات مثل:

ولتعويض فقدان الجسم، قد يحتاج جهاز الإرسال التابع لمؤسسة FSK إلى زيادة قدرة الناتج ب ٣-٦ درنا عندما يكون الجهاز مرتديا مقابل ما كان عليه في مكتب ما، ويمكن أن تحافظ الرقابة على الطاقة التصحيحية استنادا إلى ما ورد من إشارات إلى قوة الإشارة على الطاقة، مع الحفاظ على جودة الوصلة.

تطبيقات في مجال رصد الصحة

وتحتاج الأجهزة الصحية القابلة للزراعة إلى نقل بيانات موثوق به ومستمر بأقل قدر من الكفاءة، وتستخدم هذه الأجهزة في عدة فئات:

الرصد المستمر للغلوكوز

وترسل أجهزة التصوير المقطعي مثل جهاز الإرسال المتحرك من طراز Abbot FreeStyle Libre قراءة غلوكوز كل دقيقة باستخدام جهاز التردد FSK في نطاق التردد ٢,٤ غيغاهيرتز ISM، ويرسل جهاز الارسال ذو القوة المنخفضة من جهاز الاستشعار بيانات الهوية وقياسها إلى جهاز استقبال يدوي أو هاتف ذكي، ويضمن اختيار شركة FSK أن الاشارات يمكن أن تخترق المسافة القصيرة من خلال الجلد والملابس ذات الأخطاء المنخفضة.

Electrocardiogram (ECG) Patches

تستخدم أجهزة التصنت ذات الدفع الحاد من أجل رصد القلب (مثلاً، إيريثم زيو باتش) بروتوكولات الملكية الخاصة بـ FSK لتدفق بيانات القلب في الوقت الحقيقي، وتسمح الممتلكات الثابتة لـ FSK بالعمل بالقرب من التشبع، وإنقاذ الطاقة، ويمكن أن تمتد هذه التصفيق لمدة تصل إلى 14 يوماً على بطارية واحدة، وتبث ما يصل إلى 30 كيلو متراً.

أجهزة قياس النبض وأجهزة الاستشعار السائلة القابلة للزراعة

وكثيرا ما تستخدم أجهزة النبض المزودة بالبضائع والمزودة بأجهزة مقسمة بالبضائع في إرسال بيانات الأشعة الضوئية إلى جهاز محمول، ونظرا لأن الإشارة من زوجي التلقيم الليدي الليبي - الفوتوديوي هي علامة متماثلة، فإن المتحكم في المايكرويدرول يضخها ويستخدم جهازا مرسلا للصوت الفوقاني لإرسال القيم الرقمية.

العصيان المُبدئي للجسد

وكثيرا ما تعتمد أجهزة رصد درجات الحرارة المستمرة لكشف الحمى أو تتبع الخصوبة على الحاسب الآلي في هذه الأجهزة لتبسيطها، إذ توجد بها معدلات بيانات منخفضة جدا (قليل من البطاقات في الدقيقة) ويمكنها أن تعمل لشهور على بطارية صغيرة، ويتيح النطاق الضئيل لجهاز الاستخبارات المالية وجود العديد من البقع في المستشفى دون تدخل.

تطبيقات الرصد البيئي

وترصد أجهزة الاستشعار البيئية المرهقة - التي كثيرا ما تكون ملوثة بالشارات أو السوار أو المشابك - نوعية الهواء أو الإشعاع أو الضوضاء أو درجة الحرارة، ويختار هذا النظام كموثوقية ويسهل التواصل.

مرصد نوعية الهواء (PM2.5، VOCs، CO2)

وتدمج أجهزة الاستشعار ذات نوعية الهواء الرخيصة (مثلاً، مضخة مدافن الطائرات المحتوية على مطاط، وأتوتوبي) أجهزة قياس الجسيمات المجهرية ومجسات الغاز، وتُنقل البيانات المجمعة عبر مكبرات الصوت إلى هاتف ذكي لرسم الخرائط والتنبيهات، لأن هذه الأجهزة كثيراً ما تستخدم في الهواء الطلق في درجات حرارة متباينة وبيئة الترددات، وثبات الفلوريد والتدخل (مثل التلوث).

محررات الإشعاع الشخصي

ويرتدى المستجيبون الأولون والعاملون في المنشآت النووية مضادات للجيغر أو أجهزة كشف التجميل التي تستخدمها مؤسسة FSK، وترسل وصلة منخفضة الطاقة العاملة في مجال إنتاج المواد الانشطارية إلى محطة قاعدية أو مركز قيادة، ويسمح المظروف الدائم للجهاز بالعمل بأمان حتى في البيئات العالية التدخل، ويقلل الصيغ البسيطة من خطر وقوع أخطاء في الإنذارات الحيوية للحياة.

Noise Dosimeters

ويتطلب رصد التعرض للضوضاء المهنية قطع الأشجار على المدى الطويل، ويستخدم العديد من المقاييس المهنية الحاسبي للكميات الفلورية لتحميل البيانات الصوتية بصورة دورية، ويتيح النطاق الضيقة لشبكة FSK للمئات من المقاييس للتعايش في أرض المصنع دون تدخل متبادل، ويمكِّن الاستهلاك المنخفض للطاقة الجهاز من الركض لشهور على دفعة واحدة.

ملامح الـ (إف إس كي) في المُستذئبين - نظرة أعمق

وبينما أدرجت المادة الأصلية في قائمة الحزم والبساطة وتدني السلطة والتوافق، يمكننا توسيع نطاق هذه الفوائد إلى الفوائد الكمية:

  • Noise immunity]: تُظهر مؤسسة FSK ربحاً في الترميز يبلغ نحو 3 د.ب على أس ك.ب بنفس معدل الخطأ قليلاً (BER) الذي يتراوح بين 10 و3. وهذا يُترجم إلى مدى أطول أو إلى قوة نقل أقل بالنسبة لنفس هامش الرابط.
  • بساطة المعدات : يمكن بناء جهاز إرسال تابع لمؤسسة FSK بواسطة جهاز واحد من أجهزة الفيديو وجهاز مقارن - لا حاجة إلى أي رقابة تلقائية على المكسب لأن المعلومات تردد وليس الكمود، وهذا يقلل من عدد العناصر وتكاليفها.
  • Co-existence]: GFSK, used in BLE, occupies less than 1 MHz bandwidth per channel, allowing 40 channels in the 2.4 GHz band. This enables frequency hopping to avoid interference from Wi‐Fi or ZigBee.
  • Energy per bit ]: Modern FSK transceiversivers can achieve energy consumption as low as 10 nJ per bit (including protocol overhead). For a tool transmit a heartbeat every 10 seconds, a 250 mAh coin cell can last over 200 days.

التحديات والتصميم

وعلى الرغم من مزاياه، فإن تنفيذ نظام المعلومات المالية في الملبس لا يُواجه دون تحديات، ويجب على المهندسين أن يتصدوا لما يلي:

درجة الحرارة على درجة الحرارة وحركة الجسم

ويعرض الجهاز القابل للزراعة لحرارة الجسم )٣٥-٤١ درجة مئوية( وتغيرات الحرارة المفاجئة )مثل الانتقال من الداخل إلى الأماكن الخارجية( وإذا انحرف المنظف أكثر من انحراف التردد، يمكن للمتلقي أن يغلق على النبرة الخاطئة.

Interference from Other ISM Devices

ويتقاسم مع فرقة GHz 2-4 مع وين-ف، وبلوتوث، وزيغ بي، وأفران الموجات الدقيقة، ويمكن أن تُحدَّد إشارات FSK بواسطة تدخلات قوية في النطاق الترددي، ويستخدم طيف الترددات في نظام " BLE " ، وعدد من بروتوكولات FSK المحتفظ بها، ويخفف من ذلك عن طريق التنصت عبر 40 قناة.

التنميـة والإدماج

ومع أن الحيز المادي للهوائيات والبطارية وأجهزة التحميص من الترددات المولدة قد يصبح أصغر، فقد تكون الموصلات والمكثفات العالية الجودة لدائرة صهاريج VCO كبيرة جدا، كما أن الحلول المتعلقة بالتعبئة النظامية التي تدمج جهاز الاتصال اللاسلكي المزود بأجهزة الاستنشاق التابعة لأجهزة الاتصال اللاسلكية، وأجهزة الاستشعار التابعة لوزارة الصحة في مجموعة واحدة (مثلا، نموذج Qorvo).

الامتثال التنظيمي

ويجب أن تمتثل الأجهزة القابلة للزراعة للأنظمة الإقليمية (الباب 15 من قانون المنافسة النباتية في الولايات المتحدة، ورقم ETSI، ورقم 220 في أوروبا) وهي تحدد أقصى قدر من القدرة على النقل (مثل 10 جرام من طراز FBm لـ 868 ميغاهرتز)، ورقم الحد الأقصى لدورة العمل، ويجب أن تكفل نظم إدارة السجلات المالية احتفاظ الرقم القياسي لانحراف الترددات والتعديلات في الأقنعة المسموح بها.

الأمن والخصوصية

ويمكن اعتراض البيانات الصحية التي تنقل عن طريق شبكة المعلومات المالية، لأن نظام المعلومات المالية الخاص هو مجرد نظام أساسي، ولا يوفر الأمن الأساسي، ويجب أن تضيف عمليات التنفيذ التشفير (أي AES-I28) على طبقة التطبيق وأنماط التواتر المستخدمة أحياناً لمقاومة التشهير، ويجب أن يكون الرؤوس الإضافية للتشفير متوازناً مع استهلاك الطاقة.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

وسيتضمن الجيل القادم من أجهزة الكادر الجاهزة للارتداء عدة أوجه تقدم تكنولوجي:

التكامل مع الفول والفول السوداني (NB-IoT)

وفي حين يستخدم برنامج " BLE " GFSK، فإن العديد من المستلزمات ذات الارتطام تشمل الآن جهازا لاسلكيا ذا مستوى عال ومرسلا مستعملا حسب الطلب من طراز FSK للحصول على بيانات محددة، كما يجري تطوير رقائق متحركة تجمع بين مسارات FSK (لإستيقاظ القوى الكهربائية العالية المدى، والانفجارات القصيرة المدى) مع مجموعة من أجهزة الاتصال الهاتفية (ل) (للم تكن تستخدم أجهزة الاتصال الهاتف الذكات) (ل) (ل) (ل)

AI —Enhanced Demodulation

ويمكن تدريب الخوارزميات التي تتعلم ماكينات على خفض إشارات الكاناك في بيئات مزعجة جدا، وتحقيق انخفاض معدل الانبعاثات الناجمة عن التراكم البيولوجي عن النهج التقليدية في مجال الرش أو نهج التصفية المتطابقة، ويمكن أن تعدل نماذج المقياس الذي يستخدم في المتحكمات الدقيقة التي يمكن ارتداؤها بارامترات تخفيض الانبعاثات في الوقت الحقيقي، مع التغيرات في حركة الجسم أو التدخل.

عملية هضبة الطاقة والبطارية

فطلبات الطاقة المنخفضة التي تقدمها مؤسسة FSK تجعلها مرشحة للأجهزة ذات السعة العالية للطاقة التي تجني الطاقة من حرارة الجسم )الكهرباء( أو الحركة )الكهرباء النباتية( ومع تحسن مكونات جمع الطاقة، يمكن لمرسل مرسل قابل للزراعة أن يرسل حزمة بيانات مرة في الدقيقة باستخدام الجولات المجهرية المحصولة فقط، مما يزيل الحاجة إلى استبدال البطاريات.

مصاريف كربونية عالية الجودة من أجل أجهزة الاستشعار المتعددة

ويمكن أن تتدفق المستلزمات المستقبلية من مصادر متعددة في آن واحد (ECG + SpO2 + Accelerometer) ويمكن أن تزيد هذه المحركات المتعددة المستويات من حيث الطاقة المتجددة (مثلاً، 4 مصاريف من طراز FSK أو 8 ميغاواط) معدل البيانات دون الحاجة إلى عرض أوسع من مستوى البلازما، وعلى سبيل المثال، فإن 4 ميغاواط من طراز FSK يضاعف المعدل الأدنى لنفس سعر القدّم، بكلفة عدد قليل من الأجهزة الطبية.

خاتمة

فإحكامها، وانخفاض استهلاك الطاقة، وتبسيطها، يجعل من الأفضل تطبيقات يُطلب فيها نقل البيانات على مسافة قصيرة إلى مسافات متوسطة، ولا سيما في ظل القيود التي تفرضها عوامل الشكل الصغيرة والقدرة المحدودة على البطاريات، وفي حين أن التحديات التي من قبيل الاستقرار المتكرر والتدخل والتقليل من سرعة إنتاج المواد الكيميائية لا تزال قائمة، فإن الابتكارات الجارية في دوائر المعلومات الطبية،

وللقراءة كذلك، يرجى الرجوع إلى الموارد التالية: