تصميم أجهزة آلية ذات قدرة على التحكم عن بعد المعززة

فهم الروبوتات التي يمكن استخدامها في بلوتون

وقد أصبحت تكنولوجيا البلوتوث حجر الزاوية في الاتصالات اللاسلكية القصيرة المدى منذ بدء العمل بها في أواخر التسعينات، وهي توفر وسيلة بسيطة ولكنها قوية لإقامة وصلة رقابة بين جهاز آلي وجهاز نائي مثل جهاز هاتف ذكي أو جهاز محمول، ويعمل البروتوكول في نطاق نظام الإدارة المتكاملة للهواتف الذكية الذي يبلغ 2.4 غيغاهيرتز ويستخدم طيف الترددات للتقليل إلى أدنى حد من التدخل في أجهزة الاستهلاك اللاسلكية الأخرى.

وكثيراً ما يعتمد الآليون الذين يتم التحكم بهم في مرحلة مبكرة على أجهزة إرسال بالأشعة تحت الحمراء أو أجهزة التحكم بالراديو أو التراب اللاسلكية، وقد ألغى بلوتون شرط خط البصر المتمثل في الأشعة تحت الحمراء، كما أن أجهزة استقبال معظم نظم RC توفر تبادلاً ثنائي الاتجاه للبيانات، وهذا يتيح للآليين ليس فقط تلقي الأوامر بل أيضاً إرسال فولتات تفاعلية من بعد إلى جانب أجهزة الاستشعار، وقراءة المحركات التحكم بالوضع.

ويستخدم الروبوتات الحديثة ذات القدرة على إحداث الاحتباس الحراري إما كلاسيكي بلوتون أو بلوتون منخفض الطاقة (BR/EDR) أو بلوتون منخفض الطاقة (BLE)، ويستخدم الكثير من روايات المستهلكين مواداً ذات نطاق عال في بث بيانات عالية، مثل الفيديو الحي من الكاميرا، بينما يصمم BLE للتطبيقات التي تعطي الأولوية لحياة البطارية الطويلة وتبادل البيانات الدوري.

العناصر الرئيسية واختيارات التصميم

المتحكمون في الميكروات وميدول بلوتون

إن قلب أي آلية من الأجهزة ذات القدرة على إحداث الازرق هو المتحكم في الكائنات الدقيقة التي تدير كلا من الحركة اللاسلكية والاتصالات اللاسلكية، وتشمل الخيارات الشعبية أسرة الأردينو (مثلاً، شركة آردوينو أونو التي لديها وحدة إنتاجية من طراز HC-05)، وESP32 (تتضمن موصلاً صغيراً بزرق ثنائي الحركة وW-Fi)، ونموذجاً من سلسلة من البيوتر-M

وعند اختيار نموذج لجهاز " بلوتون " ، النظر في معدل البيانات الخام (الكلاسيك: حتى 3 ميغابايت، BLE: حتى 2 ميغابايت بلوتون 5)، وحجم (من 10 إلى 100 متر، حسب الفئة)، واستهلاك الطاقة.() والدرجة الثانية من البلوتوث (2.5 ميغاواط) شائعة بالنسبة للآليات، حيث توفر اتصالات موثوقة تصل إلى حوالي 10 أمتار داخلية.

سائقو السيارات ومنظمو الخدمات

سائقو السيارات مثل L298N، L293D، أو أكثر كفاءة DRV8833 تتلقى أوامر رقمية من جهاز التحكم بالمايكرويك، وتزود بالفولت المناسب والحالي إلى محركات العاصمة، أو السيارات أو الخزانات، وبالنسبة للآليات التي تتطلب مراقبة دقيقة للسرعة، فإن نظام التحكم في نبضات القلب يستخدم عادة،

أجهزة الاستشعار ودمج التغذية

ويمكن للمستشعرات أن تتصور بيئة الإنسان وتتفاعل تبعا لذلك، وتشمل أجهزة الاستشعار المشتركة للآليات التي تسيطر عليها بلوتوث أجهزة تنقية فوق الصوت (HC-SR04) لتجنّب العقبات، وأجهزة استشعار خط تحت الحمراء للتعقب، ووحدات القياس غير المباشر، وأجهزة قياس العضلات، وأجهزة قياس العجلات، ويمكن إرسال البيانات من أجهزة الاستشعار هذه إلى جهاز التحكم عن بعد.

اعتبارات الإمداد بالطاقة

ومن أكبر التحديات في مجال الروبوتات المحمولة ضمان قدرة كافية لكل من نظام القيادة وجهاز بلوتون، ويتمثل النهج النموذجي في استخدام أجهزة تنظيم مستقلة للفولط: جهاز تنظيمي عالي الجودة (مثل 5/3 ألف) للمحركات، وجهاز توجيهي منخفض المستوى للبطارية، يُستخدم في نموذج أعلى معدل للقدرة على إحداث الاحترار بالبطارية (Lethiroll) مقارنة بنموذج " خط التلقينات " .

ويتفاوت استهلاك الطاقة في وحدة بلوتون على نطاق واسع، حيث يسحب سداسي كلور حلقي الهكسان - 05 في طريقة البيانات حوالي 40 متراً مربعاً، في حين أن وحدات BLE، مثل نموذج BLE 52840 لا يمكن أن تستهلك أقل من 10 مليون أثناء انتقالها الفعلي، وبالنسبة للآليات التي يجب أن تعمل لفترات طويلة، فإن معدل الجرعة هو الخيار الأفضل في كثير من الأحيان، شريطة أن تكون معدلات البيانات كافية لثام الرقابة.

بروتوكولات الاتصالات بلوتون

وعلى مستوى الشبكة، يقوم بلوتووث بتنفيذ طب جوفي نجمي مع سيد واحد وما يصل إلى سبعة عبيد نشطين (الصورة) أما الروبوتات، والجهاز التحكمي (الهواتف المحمولة أو PC) فيعمل عادة كسيد، بينما وحدة بلوتوث الآلية هي العبيد، وعملية الأزواج معاً عن طريق نظام بي إن بي إس (PBO) ثابت (مثل 1234 للشحنة HC-05) أو عن طريق إقامة وصلات افتراضية مأمونة

وبالنسبة للآليات ذات السمات الجينية، فإن هذا الجهاز يتيح تبادل البيانات من خلال الخصائص والخدمات، ويكشف خصائص السرعة الحركية، وقراءات الاستشعار، وقيادات التحكم، ويقرأ أو يكتب هذه الخصائص باستخدام مجموعة بروتوكول BLE، وهذا النهج أكثر كفاءة من ذي قبل، ويتيح للروبوت أن ينام بين الاتصالات، ويعطي الأوامر فقط عندما يرسل التحديثات.

وقد أدخل بلوتون 5 سمات مثل المدى الأطول (المستوى المدوّن للضغط والقفز العالي (المستوى 2M PHY)، وهي مفيدة للآليات التي تحتاج إلى بث الفيديو أو إرسال مجموعات بيانات كبيرة من أجهزة الاستشعار، ويعني ارتفاع معدل البيانات أن الوقت مع وجود جهاز لاسلكي نشط ومزيد من القوة الادخارية، أما بالنسبة للآليات التي تتسم بأهمية بالغة، فإن بلوتوث ميش يمكن أن يستخدم لإنشاء شبكات من الروبوتات الكثيرة، وإن كان هذا لا يزال يمثل حالة استخداما متقدما.

تركيب ومراقبة برامجيات

تصميم برامجيات

يجب أن تتولى شركة الروبوتات عدة مهام متزامنة: قراءة البيانات الواردة عن بلوتون، أوامر الفرز، تحديث السرعة المحركية، أجهزة استشعار الاقتراع، إرسال القياس عن بعد، هيكل بسيط جداً يعمل للمشاريع الصغيرة، ولكن بالنسبة لنظم أكثر استجابة، نظام تشغيلي في الوقت الحقيقي مثل نظام فريتروز (المتاح لوكالة حماية البيئة) يوصى به

فعملية فرز القيادة هي منطقة حرجة، ويمكن أن يستخدم بروتوكول قوي مجموعات من 8 دولارات مع بداية، وبطاقات هوية القيادة، والبيانات، وكمية الشيكات، وهذا يحول دون قيام الأوامر غير الصحيحة بسب سلوك روبوتي غير منتظم، مثلاً يمكن أن يكون الحزمة ]، حيث يكون أول من يبدأ في البداية، والثاني هو أمر بالسرعة الأمامية (0x01)، أما القيم الأربعة التالية فتتحددها

تطوير التطبيقات أو المستعملين

وعلى الجانب المتحكم، يمكن للمطورين أن يخلقوا أجهزة محلية للأندرويد (يستخدمها كوتلين/جفا وجهاز الأندرويد بلوتوث أو جهازاً إيوس (يستخدم نظام سويفت وشركة كوربلويتووث) - يمكن للأطر المشابهة مثل شركة فلاتر أو شركة ريك أن تخفض وقت التنمية، ويضم المستخدم عادة مقياساً للمتعة أو أزراراً للتحكم في الاتجاهات، وتربط بينات من أجل سرعة الإبلاغ، والمقاييس.

وثمة بديل آخر هو استخدام جهاز مراقبة على شبكة الإنترنت عن طريق جهاز تسجيل الدخول على الإنترنت الذي يعمل في كلروم على الحاسوب المكتبي وأندرويد، وهو ما يزيل الحاجة إلى نشر مستودعات التأشيرات ويبلوتس، ويب بلوتون، الذي لديه دعم محدود في نظام iOS (Safari only) ويفتقر إلى بعض الملامح المتقدمة، وبالنسبة للعديد من مشاريع الروبوتات، يظل جهاز هاتف ذكي هو الخيار الأكثر موثوقية وثراء السمات.

التغذية الرجعية والتلفي

فالتواصل الثنائي الاتجاه هو ميزة رئيسية في بلويتووث على الرنين الرئوي التقليدي. ويمكن للروبوت أن يرسل رسائل دورية عن الحالة تتضمن مستوى البطاريات، وأجهزة التيار، ودرجات الحرارة، وأجهزة الاستشعار، ويمكن للجهاز تسجيل هذه البيانات لتحليلها أو عرضها في الوقت الحقيقي، ويمكنه، لأغراض التشغيل عن بعد، والطوابع الزمنية، وقوام الإشارة، أن يساعد المشغل على رصد نوعية الرابط، وإذا ما انخفضت درجة الحرارة المتحركة، فإن الجهاز قد يُحِرِبَّت.

تطبيقات التعليم والصناعة والرعاية الصحية

الأجهزة التعليمية

وقد أصبح الروبوتات التي تحمل بلوتوناً من الطراز الأول في التعليم العالي، كما أن منابر مثل ] Arduino Education Kit] و " LEGO EV3 " (التي تشمل الدعم بلوتون) تتيح للطلاب برامج الروبوتات دون سلك من الحواسيب المحمولة أو الأقراص، ويعني تبسيط نموذج HC-05 أن حتى طلاب التعليم المتوسط يمكن أن يجيبوا على هذا.

وتتزايد عمليات المنافسة مثل FIRST LEGO League التي تدمج مراقبة بلوتون للبعثات التي تتطلب الملاحة الدقيقة، وتوفّر القدرة على تحميل برامج جديدة دون تليفزيون الوقت وتتيح إجراء اختبارات متكررة، وفي التعليم العالي تستخدم أفرقة البحوث روبوتات بلوتوث في تجارب الحرق، حيث يتواصل كل آلي مع خادم مركزي عبر BLE.

التفتيش الصناعي عن بعد

وفي البيئات الخطرة مثل النباتات الكيميائية أو الألغام أو الأماكن المحصورة - الآليون المتحكمون في البلوتوث يوفرون قدرات تفتيش عن بعد آمنة، ويمكن أن يُدفع آلي متعقب مجهز بمجسات للكاميرات والغاز إلى منطقة سمية بينما يبقى المشغل على مسافة آمنة، ويكفي نطاق المتر يتراوح بين 10 و 100 متر للعديد من التطبيقات الداخلية، وبالنسبة للمسافات الطويلة، يمكن أن يمتد نطاق الترددات أو شبكة الميوش.

إن استخدام جهاز (بلوتون 5) يُزيد من نطاق وموثوقية في بيئات الراديو المزعجة، يمكن تصميم الروبوت لإرسال رسائل دورية مُستمرة، وإذا ما ماتت الرابط، فإن الآلي يمكنه إيقاف محركاته ودخول دولة آمنة، وبعض الصانعين يدمجون (بلوتوث) مع وصلة ثانوية في الشبكة للمهام ذات التردد العالي مثل بث الفيديو.

الرعاية الصحية والأجهزة المساعدة

(بلوتون) يلعب دوراً رئيسياً في تطوير الروبوتات المساعدة للأشخاص ذوي الإعاقة، على سبيل المثال، يمكن التحكم في كرسي متحرك بالطاقة بواسطة جهاز هاتف ذكي يستخدم (بي لي) ويسمح بالوصلات البينية المصممة خصيصاً للمستخدمين ذوي التحكم في اليد، والأسلحة الآلية المستخدمة في العلاج النفسي، غالباً ما تشمل (بلوتوث) لتعديل البارامترات من لوحة عيادة، ويضمن انخفاض استهلاك الطاقة الكهربائية لـ(بليو) أن البطارية الرئيسية لا تُستنزُبُهُ بدون أيّ.

وفي مجال المستهلك، تستخدم منظفات الفراغ الآلي ومروجات العشب بلو توث في مرحلة الإنشاء الأولي، ورسم الخرائط، والتجاوز اليدوي، ويتجه الاتجاه نحو استخدام BLE في التحكم القصير المدى مع الاعتماد على شبكة وي-فاي في الربط السحابي، ويجمع هذا النهج الهجين بين تدني درجة وبساطة بلوتون وبين نطاق وزوارق الشبكة العالمية.

التحديات والحلول

التدخل والاعتماد

ولا يمكن أن تؤدي فرقة GHz المشتركة مع شبكة وي-فاي وأفران الموجات الدقيقة وغيرها من أجهزة بلوتوث، وفي البيئات التي توجد بها إشارات لاسلكية كثيرة، وعمليات اصطدام الحزم وإعادة نقلها إلى زيادة الرطوبة وقطع الاتصالات من حين لآخر، كما أن استخدام قفزات الترددات التكيّفية، التي تُوقف كلاسيكية من البلوتوثية وكلاهما، يساعدها على تجنب القنوات المزوعة.

مضيق الطوارىء

في حالة التحكم في الوقت الحقيقي، خصوصاً في سرعة الحركة أو التوازن بين الروبوتات وبطانة البلوتوث يمكن أن تصبح مشكلة،

الاعتبارات الأمنية

أما فيما يتعلق بالآليات السائلة، فإن استخدام نظام العدالة لا يوفر حماية التنقيب، بل ويضع بدلا من ذلك تطبيقاً بسيطاً لطبقات التعبئة (OOB) يقترن بـ (BB) أو يستخدمها بـ (Blutooth 4.2+) مع عمليات الضبط الذاتي واستبدال البيانات الرئيسية بـ (Ciffie-Hellman)

الاتجاهات المستقبلية

ويواصل فريق بلوتوث سيغي تطوير المعيار، حيث أدخل بلويتووث 5-2 نظاماً للصوت يمكن أن يتيح مراقبة الصوت للآليات دون أن ينطوي على هاتف ذكي، ويركز نظام بلوتون 5.3 ونسخ لاحقة على تحسين الموثوقية من خلال تصنيف أفضل للقناة، ويقلل من التدخل، وبالنسبة للآليين، فإن التطور الأكثر إثارة هو تزايد معدلات البيانات - بلوتوث 6، المتوقع في عام 2024، قد يرتفع من خلال الإنتاج إلى 10 ميغابسات مع الحفاظ على استهلاك منخفض للطاقة.

وسيسمح التكامل مع 5 ج وحواسيب حافة لآلات بلوتون بتفريغ التجهيزات الثقيلة إلى خادم نائي مع الاحتفاظ بالتحكم المحلي عن طريق بلوتون، وبالنسبة للأحزام والآليات التعاونية، فإن بلوتون ميش يتيح الاتصالات بين العديد من الرجال بدون مركزي، مما قد يؤدي إلى ثورة التشغيل الآلي للمستودعات، حيث يقوم العشرات من الروبوتات بتنسيق مهامهم.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في استخدام بلو توث في الاتصال المباشر بالروبوتات في الأماكن المشتركة، ومن خلال تنفيذ بروتوكول تطبيقي مخصص على أعلى مستوى BLE أو Mesh، يمكن للآليات أن تتبادل بيانات المواقع، وأن تتفاوض على الحيز الأرضي، وأن تتجنب الاصطدامات، وينشئ هذا النظام، مع أجهزة الاستشعار الموجودة على متن الطائرة، نظاما قويا لا يعتمد على نقطة واحدة من نقاط الفشل.

خاتمة

ويتطلب تصميم الروبوتات التي تستخدم بلوتون النظر بعناية في مكونات المعدات، وبروتوكولات الاتصالات، وهيكل البرامجيات لتحقيق رقابة لاسلكية موثوقة، ويتوقف الاختيار بين البلوتوث الكلاسيكي والكليات على توازن معدل البيانات، والنطاق، واستهلاك الطاقة، والتساهل، وتستفيد المشاريع التعليمية من انخفاض تكلفة الوحدات وبساطة مثل HC-05، بينما تتطلب التطبيقات الصناعية أمنا قويا وطولا.

ومع تقدم تكنولوجيا بلوتون مع ارتفاع الناتج، وتحسين الربط الشبكي بين الميكنة، وزيادة التكامل مع الحوسبة الخلوية والحواف، سيصبح الآليون أكثر قدرة واستجابة، وسيتمكن المهندسون الذين يتقنون دمج بلوتون اليوم من بناء الجيل القادم من النظم التي تسيطر عليها المناطق النائية - سواء فيما يتعلق بالدروس الدراسية أو بيئات العمل الخطرة أو الأجهزة المساعدة التي تحسن نوعية الحياة، وستظل الثورات اللاسلكية في مجال الروبوتات الزرقاء في بدايتها.