Table of Contents
الثورة الهادئة في قوة الاستشعار اللاسلكية
وتقود أجهزة الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية دون تردد أحد أهم التحولات في الهياكل الأساسية في الهندسة الحديثة، وهذه الأجهزة المدمجة - عناصر الاستشعار الميكانيكي المختلط، والتجهيز المدمج، والأجهزة اللاسلكية اللاسلكية - التي ترصد الآن السلامة الهيكلية للجسور، وتضع الري على الوجه الأمثل عبر آلاف الهكتارات، وتتعقب العوامل الحيوية للمرضى في الوقت الحقيقي، وتكشف عن إخفاق المعدات قبل أن تتحول إلى مواضع غلقة ذاتية مأساوية.
إن البطاريات تظل مصدر الطاقة الافتراضي، لكن حدودها أصبحت الاختناقات الحاسمة في توسيع شبكات أجهزة الاستشعار، ومستشعرات الاهتزاز المدمجة في سلسلة صناعية متناوبة أو مرصد للتآكل مجهز بمنصة خارجية لا يمكن استرجاعها بسهولة لاستبدال البطاريات، ولوجستيات خدمة الملايين من الشواذ عبر مدينة ذكية أو سلسلة إمداد عالمية ليست باهظة الثمن فحسب
التكلفة الحقيقية للتبعية البطارية
ففهم سبب عدم كفاية البطاريات يتطلب النظر إلى ما هو أبعد من مواصفات كثافة الطاقة البسيطة، والقيود هي عوامل تشغيلية وبيئية وجغرافية.
الشحنة التنفيذية في سكال
ويمكن أن تكون الخلية الأولية من كلوريد الليثيوم المستعملة في أجهزة الاستشعار اللاسلكية الصناعية حوالي ٥٠٠ ول. وبالنسبة لمجس يسحب ٥٠ كيلو مترا متوسطا من الطاقة، يمكن أن تستمر خلية واحدة من طراز AA إلى ثلاث سنوات، وفي نشر ٠٠٠ ١٠ نقد - لا يمكن أن يكون غير واقعي بالنسبة لمصفاة كبيرة أو لمجمع للبناء الذكي - مما يعني أن آلافا من أجهزة التصريف قد تكون مقفلة في السنة.
الضغط البيئي والتنظيمي
إن لائحة كتيبة الاتحاد الأوروبي (2023/1542) تفرض شروطا صارمة على إمكانية جمع البطاريات الصناعية وإعادة تدويرها وتركيب الكربون، كما أن هناك أنظمة مماثلة ناشئة في أمريكا الشمالية وآسيا، وبالنسبة للمشاريع التي لديها التزامات صافية صفرية، فإن نشر مليارات الخلايا القابلة للتداول عبر شبكات التخصيب أمر لا يمكن الدفاع عنه، إذ أن نشر واحد على نطاق واسع يمكن أن يولد أطنان من النفايات الخطرة على دورة الحياة.
وحدات الحد من المصانع والتقليل من الأمراض
وفي الازدحامات الطبية والأجهزة القابلة للارتداء والمجسات الهيكلية المدمجة، كثيرا ما تهيمن البطارية على حجم الطرد، ولا يمكن لجهاز رصد الغلوكوز المستمر أو زرع التسجيل العصبي أن يستوعب خلية كبيرة دون أن يتسبب في تفكك مرضى أو يتطلب جراحة متفشية، وبالنسبة لمستشعرات القدرة الميكاترونية القائمة على نظام الرصد المتعدد الأطراف، فإن عنصر الاستشعار قد يكون أقل من مقياس قياسي، ولكن قوة مصادر القدرة على الدفع.
Ambient Energy Harvesting: Ubiquitous and underexploited
إن البيئة المحيطة بشعار الاستشعار تحتوي على أشكال متعددة من الطاقة - الضوء، الاهتزاز، الحرارة، الاشعاع الكهرومغناطيسي، التدفق الجوي، وحتى الخواتم الكيميائية - ويمكن أن يؤدي استخدام جزء صغير من هذه الطاقة الكهرمائية إلى توليد الطاقة الكهربائية المنخفضة إلى أجل غير مسمى.
داخل وخارج البيوت
Fordoor solar cells are a grown technology, but the real opportunity lies indoor photovoltaic (IPV) cells optimized for artificial lighting. Modern dye-sensitized and perovskite cells achieve power densities of 10 -50 chlorW/cm2 under 500 lux office lighting, which is sufficient for a temperature-humidity sensor transmitted via Bluetooth Low Energy every few minutes
التأشيرات والحركة الميكانيكية
وتنتج البيئات الصناعية الغنية بالطاقة الميكانيكية، وتنتج المحركات والمضخات والموصلات والحرف الدوارة ذبذبات ذات قدرة على الانتقال من 0.1 غم إلى عدة زئبق، وتتحول التواتر الميكانيكي إلى أكثر من 1 كيلوهرتز.
(أ) تمثل المسببات النانوية المتتالية طبقة جديدة من المحصولين القادرين على تحويل حركة غير نظامية منخفضة التردد إلى طاقة، وذلك باستغلال كهرباء الاتصال بين المواد المتفرقة - مثل فيلم متعدد الأطراف يتصل بكهرباء معدنية - يمكن أن تولد الغازات المتوسطة الحجم قدراً كبيراً من الفلور المولدة من الرياح، أو قطرات المياه، أو حتى فرك النسيج ضد الجلد.
التحول إلى الطاقة الحرارية من العوارض المعمارية
ويُنتج عن أي جسم أدفأ أو أكثر برودة من محيطه مصدر للطاقة الحرارية، ويُنتج عن هذا المقياس من مفاعلات البوليسترات المحتوية على درجة حرارة تبلغ نحو 10 درجات مئوية، ويُستخدم فيها جهازاً من أجهزة التكتل الحراري المزودة بمقياس ثنائي الفينيل متعدد الكلور، ويُستخدم فيه جهازاً مركباً مصغراً من نوع TEGIe3.
RF and Electromagnetic Wave Harvesting
وتظهر هذه الطاقة المحتوية على الترددات اللاسلكية من أجهزة توجيه وأجهزة قاعدية، وأجهزة بث تلفزيونية، وأجهزة إرسال مكرّسة في المناطق المأهولة بالسكان، وتظهر هذه الأجهزة التي تستخدم في أجهزة قياسية ذات الترددات العالية، والتي تستخدم في أجهزة التقاط الطاقة الكهربائية، والتي تستخدم في أجهزة الاستطلاع، والتي تستخدم الترددات الكهربائية، والتي تستخدم في أجهزة الاستطلاع، والتي تستخدم في أجهزة الاستطلاع، والتي تستخدم الترددات، والتي تستخدم الترددات، والتي تبلغ مساحات،
طرائق الانطلاق
وعلى الرغم من أن محصولي الطاقة الصوتية يُستخدمون في الضوضاء الصناعية في نطاق يتراوح بين 1 و4 كيلوهرتز، فإن هذه الخلايا التي تستخدمها خلايا الطاقة غير المزودة بأجهزة استشعار الطاقة، تُظهر أن الطاقة الكهربائية المصغرة الموجودة في خلايا الوقود غير محدودة، أو التي تستخدمها خلايا الطاقة غير المصغرة الموجودة في خلايا الطاقة، هي التي تُعدُّ في أجنحة الطائرات، أو في إطارها.
نقل الطاقة اللاسلكية: تسليم الطاقة الخاضعة للمراقبة
وعندما يكون الصيد غير كاف أو غير قابل للتنبؤ، فإن نقل الطاقة عمدا إلى جهاز استشعار يقدم بديلاً مسيطراً وشديد الكثافة، ويزيل جهاز الاستشعار من مصدر الطاقة التابع له، ويمكّن من تشغيله في مضبوطات مختومة، أو في التجمعات الدوارة، أو المناطق المعقمة.
المجندون والمتنقلون في الميدان
ويستخدم الانقلابات المغناطيسية في حقول متجانسة بين محولين مع ثغرة جوية، ويمكن أن تتجاوز الكفاءة 90 في المائة من المسافات التي تقطعها بضعة مليمترات إلى سمات، مما يجعلها مثالية للمستشعرات التي تجسد في نظم رصد الضغط الإطاري، أو أجهزة الاستنشاق الطبي المغلقة، أو أجهزة الضبط الآلي في إطار التناوب.
مركبة راديوية في الميدان
كما أن أجهزة الاستشعار التي توزع عبر أرضية المصنع أو مستودع أو ميدان زراعي، وأجهزة الموجات المتناهية الصغر باستخدام الموجات الدقيقة أو الأمواج المليمترية تتيح توصيل الطاقة على مسافات عشرات المترات، كما أن أجهزة إرسال ذات الأشعة المتحركة تعمل على شعاع مركز على جهاز استشعار الهدف.
المعلومات المتزامنة ونقل الطاقة
(ب) إن توسيع نطاق استخدام الطاقة الكهربائية في المستقبل يوحد البيانات والطاقة على نفس الموجة الترددية، وفي نظام SWIPT، فإن محطة قاعدية أو نقطة الوصول تنقل حاملاً مقللاً مقللاً يحتوي على قطع الاتصالات والطاقة، ويستخدم جهاز الاستشعار جهازاً لاسلكياً يُستخدم فيه سوى جزء من نطاق الترددات إلى محصول الطاقة بينما يُخفض هذا النوع من البيانات.
إدارة الطاقة والمعمارات الهجينة
Multi-Source Energy Harvesting and PMICs
لا يوجد مصدر واحد للحصاد هو الموثوقية المطلوبة للاستشعارات الحرجة، حيث أن أكثر النظم قدرة تجمع بين المحصولين المتعددين، مثلاً، لوحة شمسية لخط الأساس النهاري، ومنتجات الطاقة المضغوطة التي تعمل بالآلات، ومولد كهربائي لأجهزة توليد الطاقة الكهربائية ذات القدرة الحرارية المنخفضة، وأجهزة التحكم في الطاقة الكهربائية المتعددة المصادر، مثل إنتاج تكساس BQ25570
تشغيل الطاقة المحايدة والعملية الواجب
ونادرا ما يحتاج جهاز الاستشعار عن بعد الى نقل البيانات باستمرار، فالعملية العدوانية لتقلبات العمل - التي تستيقظ على المفاعلات الدقيقة فقط لبضعة مليارات من أجل أجهزة استشعار العينات، وبيانات العمليات، والإحالة - يمكن أن تقلل من متوسط استهلاك الطاقة بواسطة ثلاثة أوامر من الحجم بالمقارنة مع التشغيل المستمر.
التخزين المتقدم: البطاريات التابعة للدولة الصلبة والمكثفات
ويجب أن تلبي حاجات التخزين المتضاربة: ارتفاع كثافة الطاقة في العمليات التي تتم بين ليلة وضحاها أو في ظلها، وارتفاع كثافة الطاقة بالنسبة للانفجارات الراديوية، وطول دورة العمر، والعملية الآمنة على مدى درجة حرارة واسعة، حيث أن البطاريات ذات القدرة الصلبة التي تستخدم في البطاريات المتعددة الأطقم والتي تُستخدم في عمليات التخصيب التي تستخدم في البطاريات المضغوطة والتي تُستخدم في إطار دورة سعة النطاق.
النشرات الحقيقية في العالم والأداء الميداني
رصد الصحة الهيكلية على الجسور والطائرات
(أ) استخدامات (أورايسوند) في عمليات التفتيش على ثلاثين من أجهزة الاستنشاق بالكهرباء، وأجهزة الاستنشاق بالكهرباء، وأجهزة التنظيف الحرارية، وأجهزة التنظيف الحرارية، وأجهزة التنظيف الحرارية، وأجهزة التنظيف الحرارية، وأجهزة التحلل الحرارية، وأجهزة التكتل الحراري، وأجهزة التزود بالكهرباء، وأجهزة التكرير الكهربائية المتطورة،
الزراعة والرصد البيئي
(في (كاليفورنيا) في (نابا فالي) قد نشروا رطوبة التربة وأجهزة استشعار الكائنات الدقيقة التي تُستخدم بواسطة خلايا شمسية صغيرة ذاتية الدفع مُكملة بـ (إي آر إي تي) من بوابة (لوراوا) قريبة، و قدّمت دراسة من جامعة (كاليفورنيا) للزراعة والموارد الطبيعية (90) عن خفض تكاليف الأسلاك وتحسين بنسبة 25 في المائة في كفاءة الري من خلال بيانات ميدانية ذاتية
الأجهزة الطبية القابلة للزراعة والزراعة
باحثون في جامعة "برودو" أظهروا أنّه تمّت عملية سطو ذاتيّة، وجهازاً مُتطوّراً مُتطوّراً للكهرباء، وجهازاً للوقود الحيويّ، و الذي يُستخدم سوائل الجسم المتقاطعة كوقود، و يُولّدُ 2-5 ميكروت، و يُعدّ بشكلٍ مُرتّيٍّ في معهد التكنولوجيا
الفوائد الاقتصادية والاستدامة
٢-١ يمكن أن يؤدي تطهير ٢٠٠ خلية من أجهزة الاستشعار التي تعمل بالطاقة الكهربائية أو اللاسلكية إلى خفض كبير في تكلفة الملكية، كما أن إزالة تكاليف استبدال البطاريات، وخفض تكاليف التخلص من النفايات الخطرة، وتوسيع نطاق عمليات الضخ عن طريق الرصد المستمر، إلى الحد من الحالات الاقتصادية المضطربة، وقدرت دراسة أجراها معهد تصنيع البطاريات أن شبكات الاستشعار اللاسلكية التي تستخدم في جمع الطاقة يمكن أن تقلل من تكاليف الصيانة بنسبة ٤٠-٦٠ في المائة مقارنة بأهداف الوزع العشر سنوات
العقبات التقنية المتبقية
كفاءة الطاقة والتحويل
وحتى أكثر المحصول فعالية لا تولد سوى بضعة مليارات لكل سنتيمتر مربع، وعادة ما تفقد دوائر تحويل الطاقة 15-30 في المائة من تلك الطاقة، وتجمع التصميمات الاستجمامية المتقدمة باستخدام نظام قياسي صفري ومطابقة الارتداد المكيّف مع التركيزات المكيّفة بين المقياسين المتين (Mathreshold) وبين المقياس القياسي المتكامل للضغط (Mevect) (L.95%)
التغير البيئي والبدء المبرد
ويتفاوت انتشار الأشعة الشمسية مع الغيوم والمواسم، إذ يتحول المشهد إلى سرعة تشغيل الآلات، وتتوقف درجات الحرارة على الظروف المحيطة، وقد يفشل جهاز الاستشعار الذي يعمل بشكل مثالي في الصيف، ويعوض جهاز التحكم في الطاقة الكهربائية القصوى عن هذه التغيرات، ويزيد من تعقيدها، ويصبح أحد أكثر السيناريوهات صعوبة هو البدء في تشغيل النظام من دولة مكتملة التصريف عندما لا تتوفر الطاقة في الآونة الأخيرة.
التكامل والتنميط
أما بالنسبة للنظم الميكترونية، فيجب في كثير من الأحيان إعادة استخدام المجس في المعدات القائمة دون تغيير ديناميته أو سلامته الهيكلية، ويجب أن يكون المحصول، والمركبات المتعددة الكلور، والتخزين، في حدود حجم عدد قليل من أجهزة قياس الكعب، وأن يثبت وجود معامل لتوليد الطاقة ذات المقياسين، وهي مادة متزامنة مع المقياس الواحد، تعمل في 300 هرتز، ولكن دمجها مع عناصر الاستشعار عن بعد الصدارة لا يزال أمراً صعباً.
الاتجاهات والتوحيد في المستقبل
مواد متقدمة للأداء العالي
وتستمر الخلايا الشمسية ذات القدرة العالية في وضع سجلات للكفاءة، حيث تتجاوز خلايا المختبر 33 في المائة تحت الـ 200 فدان داخلي، وتزيد المواد الوبائية من قبيل الدهالوجين والمتحول في التركيب الصناعي من حيث القدرة على التعافي من الأشعة فوق البنفسجية، وتزيد من قدرة أجهزة التكتل الحراري التي يمكن طباعتها مباشرة على السطح الهيكلي.
AI-Driven Energy Forecasting and Scheduling
ويمكن أن تتوقّع نماذج التعلم من الآلات التي تجري على محرك أجهزة الاستشعار نفسها ساعات توافر الطاقة قبل فوات الأوان عن طريق إدخال بيانات الطقس المحلية، والجدول الزمني للآلات، وسجلات جمع الطاقة التاريخية، مما يتيح تحديد المهام الاستباقية التي تؤجل انتقالات غير من المواد إلى أن تُصبح الطاقة مكتملة، وقد أثبت التعلّم من جديد القدرة على تعزيز دورتيهما وطاقهما الاسترشاديمالي عبر شبكات متعددة المستويات، مما يؤدي إلى زيادة التغطية إلى أقصى حد.
توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل
(ب) يعمل تحالف القوى الجوية وسلسلة الـ 63047 من الاتحاد الأوروبي على مواءمة المواصفات المتعلقة بالشحنات المتكررة والرسوم البيانية، على غرار الطريقة التي يطابق بها معيار Qi الموحد رسوم الصيد الاستهلالي لأجهزة المستهلكين، وتقوم اللجنة الدولية للتكنولوجيا بوضع معايير لتقييم الأداء فيما يتعلق بالتشغيل الحراري ومنتجات الطاقة الحرارية، مما يسمح للمهندسين بمقارنة المنتجات على أساس جنيوب التف والتبني.
إن التحول من البطاريات القابلة للتصريف إلى أجهزة الاستشعار اللاسلكية ذاتية التحلل للطاقة لم يعد فضول مختبري - بل هو واقع هندسي يجري نشره في المصانع والجسور والطائرات والمزارع والهيئات البشرية، ومن خلال الجمع بين طرائق الجمع المتعددة، وإدارة الطاقة الذكية، وتقديم الطاقة اللاسلكية المستهدفة، والتخزين المتقدم، والجيل القادم من أجهزة الاستشعار اللاسلكية تعمل في جميع مراحل تصميمها.