إن شبكة إنترنت الأشياء تطورت من مفهوم غير مجدي إلى واقع عملي، ولكن اعتمادها الواسع النطاق يتوقف على عنصر حاسم واحد: فالمجس هو أعين وآذان أجهزة الإيوت، وجمع البيانات البيئية التي تدفع التشغيل الآلي، والمحللين، وصنع القرار، ولكن بالنسبة للمستخدمين الذين يرتدون إلى قطاعات ذات تكلفة عالية، فإن الحساسيات الأساسية هي التي تصبح أكثر فعالية من غيرها من حيث التكلفة.

الطلب المتزايد على أجهزة الاستشعار المرخصة

ومن المتوقع أن تنمو سوق الاستشعار العالمي للآوتات بمعدل نمو سنوي مركب يزيد على ٢٠ في المائة حتى نهاية العقد، ويقوده تطبيقات تتراوح بين التشغيل الآلي الأذكى للمنازل وصيانتها الصناعية التنبؤية، ومع ذلك فإن العديد من حالات الاستخدام المحتملة لا تزال غير مستغلة لأن تكاليف أجهزة الاستشعار تجعل من نقاط أسعار أجهزة الايوت تخفض بالنسبة للأعمال التجارية الصغيرة والمستهلكين، ففي الزراعة الذكية، مثلا، يمكن أن يرتدى جهاز استشعار واحد لأجهزة الاستشعار لرطاب

كما أن أجهزة الاستشعار الفعالة من حيث التكلفة تدفع إلى الابتكار في المنتجات، وعندما لا تكلّف وحدة الاستشعار سوى بضع سنتات، يمكن للمهندسين أن يدمجوا التكاثر، والاستشعار المتعدد، والوصل اللاسلكي دون أن يفجروا فاتورة المواد، وهذا يفتح الباب أمام منتجات أكثر ذكاء وأكثر مرونة يمكن أن تتكيف بشكل مستقل مع الظروف المتغيرة، ومع نضج النظام الإيكولوجي في إيوت، والقدرة على إنتاج أجهزة استشعار موثوقة على نطاق يقل عن دولار واحد.

الاستراتيجيات الرئيسية لتطوير أجهزة الاستشعار الفعالة من حيث التكلفة

ويتطلب تطوير أجهزة الاستشعار الميسورة التكلفة اتباع نهج شامل يغذي علوم المواد، وهندسة التصميم، وعمليات التصنيع، والتكامل على مستوى المنظومة، وقد أثبتت الاستراتيجيات التالية فعاليتها في تخفيض تكاليف أجهزة الاستشعار دون التضحية بمقاييس الأداء الأساسية مثل الدقة والاستقرار والعمر.

اختيار المواد: من سيليكون إلى الإلكترونيات المطبوعة

ويمكن أن يكون اختيار المواد أثرا مباشرا على كل من تكلفة وقابلية تصنيع جهاز استشعار تقليدي يقوم على أساس النسيج، مع أن هذه الأجهزة ذات الدقة العالية، تنطوي على عمليات نسيج باهظة التكلفة مثل التصوير الفوتوغرافي وتشويه الأوعية، ولخفض التكاليف، يتحول الباحثون والمصنعون بصورة متزايدة إلى مواد بديلة.

وثمة نهج واعد آخر هو استخدام النواقل شبه العضوية ].() ويمكن أن تكون المترجمات العضوية ذات التأثير الميداني قادرة على إيجاد الحلول وتودع في المحطات الفرعية الكبيرة باستخدام تقنيات شبيهة بالطباعة الصحفية، وعلى الرغم من أن أجهزة الاستشعار العضوية لديها عموماً تقلل من قدرتها على التنقل والاستقرار مقارنة بالمواد غير العضوية، فإنها تتحسّن بسرعة وتُستخدم في آن واحد.

تبسيط التصميم: الهيكلات العسكرية

وتزيد من تكلفة تركيبات أجهزة الاستشعار المعقدة التي تحتوي على العديد من المكونات المتباينة، وخطوط السكك الحديدية المتعددة، وأجهزة قياس معايرة الضغط، وتزيد من وقت التجمّع، وتتمثل إحدى الاستراتيجيات الرئيسية في تبسيط هيكل أجهزة الاستشعار كلما أمكن، مثلاً باستخدام جهاز استشعار وحيد الحركة (مثل جهاز مقياس الحرارة) بدلاً من وحدة متعددة الترددات تزيل الحاجة إلى أجهزة قياس متعددة الترددات(أ)

(أ) زيادة تبسيط التصميم، حيث تُعد أجهزة الاستشعار التي تستخدم النظام في التغليف عدة أنواع من الأغذية مثل عنصر الاستشعار، ومنطق المعالجة، وأجهزة الاتصال اللاسلكية - داخل وحدة واحدة، مما يقلل من البصمات، وأجهزة تحديد المسارات، وبدلاً من ذلك، يخفض تكاليف التجميع بسبب الحاجة إلى عدد من الوحدات.

Manufacturing Scale and Process Innovations

وكانت وفورات الحجم دائماً بمثابة عامل موثوق به لخفض التكاليف، غير أنه بالنسبة لأنواع الاستشعار الجديدة - مثل أجهزة استشعار الغاز أو الحساسات الأحيائية - الطلب الأولي - قد تكون منخفضة، مما يجعل من الصعب تحقيق الحجم بسرعة، ومن أجل التغلب على ذلك، تعتمد الشركات ]] منابر التصنيع المتحركة [FLography:1] التي يمكن إعادة تشكيلها لإنتاج عوامل مختلفة من حيث الحرارة.

كما أن التصنيع الإضافي (الطباعة بواسطة الطبع) يبرز كطريقة فعالة من حيث التكلفة لرسم وإنتاج المساكن المستشعرة، والقنوات الفلورية، وحتى أجهزة الاستشعار بالكهرباء، وفي حين أن الطباعة ذات الحجم العالي لا تكفي بعد، فإن الطباعة 3D تتيح سرعة التكتل وتخفض تكاليف استخدام أجهزة التعبئة ذات الحجم الصغير إلى المتوسط.

Energy Harvesting and Ultra-Low-Power Design

وكثيراً ما تمثل البطاريات جزءاً كبيراً من التكلفة الإجمالية لنموذج استشعاري لليوت، لا سيما عندما تكون هناك حاجة إلى استبدالات متكررة أو دورات إعادة شحن، وبالتالي فإن تطوير أجهزة الاستشعار الفعالة من حيث التكلفة يسير جنباً إلى جنب مع ] تصميم فعال من حيث الطاقة و ، ويستخدم أجهزة جمع الطاقة .

فتقنيات جمع الطاقة - مثل الخلايا الفولطية الضوئية، ومولدات الطاقة الكهربائية الحرارية، وأجهزة استخلاص الفطائر - الطاقة الكهرمائية من الضوء أو الحرارة أو الاهتزاز - مثلاً، يمكن لجهاز استشعار للضوء الداخلي أن يجني طاقة كافية من الإضاءة الاصطناعية إلى الطاقة، وأجهزة استشعار الحرارة والرطوبة، ونقل البيانات كل بضع دقائق.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن البروتوكولات اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة ] مثل بلوتون منخفض الطاقة، ولو راوا، وزغبي، وضد الطاقة الخضراء، تمكن أجهزة الاستشعار من نقل البيانات على مسافات طويلة أو عبر الجدران، مع استهلاك الطاقة الدنيا، كما أن الجمع بين جمع الطاقة والاتصالات اللاسلكية الفعالة يمثل علامة بارزة على الجيل القادم من أجهزة الاستشعار الفعالة من حيث التكلفة.

التكامل والاستشعار المتعدد

وبدلاً من نشر أجهزة استشعار منفصلة لدرجات الحرارة والرطوبة والضوء المحيط والحركة، يقوم المصنعون بدمج عناصر الاستشعار المتعددة في شريحة واحدة أو وحدة واحدة، وهذا النهج للاستشعار عن بعد ، ويخفض عدد المكونات، ومنطقة PCB، وتكاليف التجميع، مثلاً، قد تحتوي وحدة الاستشعار الوحيدة على جهاز قياس متعدد الأطراف على رقم مركب،

ويمتد التكامل أيضا إلى طبقة التجهيز، إذ يمكن تجهيز البيانات الأولية محليا عن طريق إدخال مادة التعلّم الآلي مباشرة على جهاز الاستشعار (المعيار العمري)، مما يقلل من الحاجة إلى نقل كميات كبيرة إلى السحابة، مما يخفض استهلاك الطاقة وتكاليف الترددات، ويزيد من تخفيض تكلفة النظام الكلي، وتعترف الشركات مثل شبكة بوشينسينسورتكك وأجهزة الاستيكترونية المتكاملة الآن بمراكز للأجهزة الاستشعار

التغلب على التحديات: الموازنة بين التكلفة والأداء

وعلى الرغم من الوعد الذي قطعته أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة، لا تزال هناك تحديات كبيرة، وأوضحها هو المفاضلة بين السعر والأداء، ويمكن أن تؤدي المواد الكيماوية، والتصميمات المبسطة، والمعايير الأقل صرامة إلى الانجراف الحس، أو الهستيريز، أو قصر مدة التشغيل، وبالتالي فإن تطبيقات التحلل الصناعي التي تتطلب الدقة العالية (مثلا، رصد درجات الحرارة بالنسبة للسلاسل الباردة الصيدلانية، لا يمكن أن تلبي بدقة.

(ب) إن الموثوقية [(FLT:1]) هي شاغل آخر، إذ يجب أن تتحمل أجهزة الاستشعار المنتشرة في الهواء الطلق تقلبات درجات الحرارة الواسعة، والرطوبة، والغبار، والغازات التآكلية، وتواجه الإلكترونيات المطبوعة، على وجه الخصوص، تحديات مع العدم الضارب وتدهور الاتصال بمرور الوقت، ويجب أن توازن طبقات العزل الواقية، مع إضافة التكاليف، بحيث يتعين على الجهات المصنعة أن توازن بين الحماية.

كما أن الامتثال التنظيمي يؤثر على التكلفة، كما أن أجهزة الاستشعار التي تستخدم في السوق الأوروبية يجب أن تمتثل لفرض قيود على المواد الخطرة (RoHS) وتسجيل وتقييم وترخيص المواد الكيميائية ووقفها، في حين أن أجهزة الاستشعار الطبية التي تستخدم في مادة الأيوتات يجب أن تستوفي معايير صارمة مثل الإيزو 13485 أو وحدات إزالة الأحجار غير المادية.

وأخيراً، فإن ] ] هو عامل مخفي للتكاليف، ويجب أن تُعيَّن كل وحدة استشعار منفردة على أساس الإشارة إلى الدقة في ضمانها، ولا سيما بالنسبة لمستشعرات الغاز أو الضغط، ويشمل معايرة تقليدية محطات اختبار مكلفة وتعديلات يدوية.() وتُستخدم تقنيات متنوعة مثل ] معدات اختبار ذاتية تستخدم معايرة إحصائية متكاملة

Emerging Technologies Shaping the Future of Low-Cost Sensors

وتعود عدة اتجاهات تكنولوجية إلى زيادة دفع تكاليف أجهزة الاستشعار مع توسيع نطاق القدرة الوظيفية.

نانشاتولوجيا

وتظهر المواد المجهزة ببنات مجهزة بالهيكلات الكربونية والغرافيني وأكسيد النانوويريس المعدني حساسية غير عادية للتغييرات البيئية بسبب ارتفاع نسبة سطح إلى الحجم، ويمكن لمستشعر الغازات الذي يتم إنتاجه من الرسم البياني أن يكشف تركيزات النيتروجين من القاع إلى البليون مع استهلاك أقل من ميكرويات من طباعة الطاقة، ويمكن أن تُودع هذه المواد باستخدام أساليب متوافقة مع الحلول.

الإلكترونيات المرنة والثابتة

ويمكن وضع أجهزة الاستشعار المرنة على السطح المكشوف، بما في ذلك الجسم البشري، والأنابيب الصناعية، والداخلية للمركبات، وهذا العامل يفتح حالات استخدام جديدة يتعذر استخدامها مع الصلصال الصلب، مثل الصقوف الصحية القابلة للارتداء التي ترصد باستمرار الكمود الكهربائي ودرجة حرارة الجلد، وتفتح أجهزة الاستشعار القابلة للطباعة من طبقات الفول السوداني، وتحسن كذلك عوامل الارتفاع في الارتفاع.

Edge AI and Neuromorphic Sensing

ويمكن أن يؤدي دمج الاستخبارات الاصطناعية مباشرة في خط بيانات أجهزة الاستشعار إلى خفض كبير في تكاليف النظام، وبدلاً من تبليغ البيانات الخام إلى خادم غيوم لأغراض التحليل، فإن جهاز الاستشعار الذي يمكن تشغيله بواسطة أجهزة الاستشعار بالأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يصنف الأحداث محلياً مثل فتح الباب، أو نمط الاهتزاز الآلي، أو إرسال إنذار بسيط فقط، مما يقلل من متطلبات الكشف عن النطاق الترددي، أو رسوم قياسية، أو استهلاك الطاقة الكهربائية.

التطبيقات والآثار العالمية الحقيقية

In-effective sensors are already transforming industries. In smart agriculture, low-cost soil moisture and nutrient sensors (~$10 per node) are being deployed in dense array to enable precision alert, reducing water usage by up to 40%.

وربما كان أكثر الأمثلة إلحاحا هو [(FLT:0]) رصد الجودة .() وتكلف المحطات المرجعية التقليدية عشرات الآلاف من الدولارات وتوضع بشكل متقطع، ويمكن نشر أجهزة الاستشعار ذات الجزأين المنخفض التكلفة (دون 50 دولارا) في الأحياء لتوفير بيانات التلوث الجوي فوق الصوت، وتمكين المواطنين ومخططي المدن من اتخاذ قرارات مستنيرة.() وفي حين أن هذه أجهزة الاستشعار قد لا تضاهي أدوات القياس المكانية.

خاتمة

إن تطوير أجهزة الاستشعار الفعالة من حيث التكلفة هو تحد متعدد الجوانب يتطلب الابتكار عبر المواد والتصميم والتصنيع وإدارة الطاقة، ومن خلال استخدام الإلكترونيات المطبوعة، والهيكلات المبسطة، والتكامل، وجمع الطاقة، فإن الجهات المصنعة ستخفض بشكل مطرد تكاليف أجهزة الاستشعار، مع الحفاظ على مستويات مقبولة من الأداء، مما يزيد من حدة الآثار المترتبة على المتاجرة مقابل التكلفة، والموثوقية مقابل السعر، والامتثال للعلامات المتواضعة.

External references for further reading:]
McKinsey Global Institute - The Internet: Mapping the Value beyond the Hype