Table of Contents
وبالنسبة للمهندسين والمصممين النظاميين الذين ينشرون شبكات الاستشعار اللاسلكية أو أجهزة الترميز في البيئات النائية، كثيرا ما تحدد صورة الطاقة في إطار نظام الاتصالات الفرعي مدى صلاحية المشروع عموما، ويظل مرسلو النفايات الجاهزة خيارا شعبيا نظرا للبساطة والقياس القوي وسجل المسار المثبت في التطبيقات المنخفضة القدرة على توليد الطاقة.
Understanding FSK Transceivers and their Role in Low-Power IoT
كيف يعمل هذا
ويورد نظام تحديد المسارات الرقمية الترددية بيانات رقمية عن طريق تحويل تواتر الناقل بين قيمتين محددتين سلفاً، ويمثل المقياس الثنائي (0) بتواتر واحد (العلامة)، ورقم ثنائي (1) من جانب آخر (الحيز)، ويُعتبر هذا التناوب المستمر للقدرات غير المُستشفى نسبياً للضوضاء على السعة، مما يجعل من المثل الأعلى للتنوع في البيئة التي تتدخل فيها.
التطبيقات النموذجية في مجال النشر عن بعد
أجهزة إرسالية من طراز FSK هي العمود الفقري للعديد من النظم اللاسلكية الطويلة الأجل، بما في ذلك:
- Agricultural soil moisture sensors that transmit data once or twice per day from solar-powered nodes.
- ]Industrial pipeline monitors] in hazardous areas where bat replacement is costly.
- Wildlife tracking collars] requiring years of autonomous operation.
- Smart metering] for utilities, where millions of endpoints must operate for a decade or more.
وتتقاسم هذه النشرات شرطا مشتركا: الاستهلاك المنخفض للغاية من الطاقة، الذي يقل غالبا عن 100 ميكروغرام، حسب دورة العمل، ويعتبر فهم توزيع ذلك الاستهلاك عبر أجهزة النقل، وتلقيه، وولاية النوم أمرا أساسيا للتنبؤ الدقيق بحياة البطاريات.
العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى استهلاك الطاقة في النشرات الطويلة الأجل
إن استهلاك الطاقة الكلي على دورة حياة النشر هو جزء لا يتجزأ من الطاقة عبر الزمن، إذ أن المساهمين الرئيسيين فهموا جيدا، ولكن تفاعلاتهم يمكن أن تكون خفية.
قوة نقل الطاقة وكفاءة الهوائيات
وأوضح العوامل هي قدرة الإنتاج الإذاعي، التي يمكن تعديلها عادة من حوالي - 20 دبلومتر إلى 20 × م د (0.01 ميغاواط إلى 100 ميغاواط).() ويزيد ضعف الطاقة الإنتاجية من السحب الحالي في مضخم الطاقة بنفس العامل تقريبا، ولكن الأثر على الطاقة الإجمالية يتوقف أيضا على كفاءة الهوائي ومطابقة الكمائن، ويمكن أن يؤدي الخطأ المطابق تماما إلى خفض الحاجة إلى زيادة الطاقة.
نظام معدل البيانات والتعديل
أما ارتفاع معدلات البيانات فيتيح حدوث انفجارات أقل في مجال النقل، مما يمكن أن يقلل الوقت الذي يعمل فيه جهاز النقل، غير أن زيادة معدل البيانات قد تتطلب توسيع نطاق الترددات الرقمية في إطار الاتحاد، وسرعة التجهيز الرقمي، مما قد يزيد من قدرة أجهزة الاستلام أثناء عملية تخفيض الحجم، أما بالنسبة لمؤسسة FSK، فإن العلاقة ليست خطية، إذ أن العديد من أجهزة إرسال الأجهزة الكهربائية المنخفضة القدرة قد تدعم معدلات بيانات متعددة (مثلاً، 1-2 كيلو متراً) مع زيادة في عدد السعة النطاقات في عدد السعة النطاقات الحالية.
الواجبات و النائمة
* في عمليات النشر الطويلة الأجل، يمضي جهاز النقل المتنقل معظم الوقت في حالة النوم المنخفضة القوة، كما أن نسبة الوقت الفعلي إلى مجموع الوقت هي أكثر البارامترات تأثراً في التصميم، إذ أن دورة قياسية من حيث الطاقة تكون في الساعة 0.1 في المائة أو أقل، وحتى في حالة النوم، فإن جهاز الاستنشاق يرسم حالياً (من 1 إلى 10 ميكروغرام)
Receiver Power and listen-Before-Talk
وكثيرا ما تقل قيمة الطاقة الاستلامية، إذ يستهلك العديد من مرسلي الحاسب الآلي قوة مماثلة في أجهزة الاستلام والإحالة (من 10 إلى 20 ميغاواط) وبالنسبة للنظم التي تستخدم نظاما للاستماع على أساس إشعاعي أو نظاما للاستماع الدوري، فإن جهاز الاستلام يمكن أن يكون على مدار ثوانٍ عديدة في اليوم، ويستهلك طاقة أكبر من جهاز الإرسال.
الهندسة المعمارية واختيار العناصر
ويلعب اختيار مترجمي المعلومات IC وأجهزة النعام الكريستالي والعناصر السلبية دورا حاسما، إذ أن مترجمي البيانات الجديدة من طراز CMOS يدمجون أجهزة تنظيم فولتية، ومضخات كهربائية، وحتى تجهيز النطاقات الأساسية، ويخفضون عدد المكونات الخارجية والخسائر الطفيلية، على سبيل المثال، فإن شبكات النموم ذات النطاق المنخفض التي تستخدم الترددي (C1120) و(SX127x) تقدم أحدث القيم الدنيا.
منهجيات التقييم الدقيق لاستهلاك الطاقة
وتقاس المواصفات الحالية لصحيفة البيانات عادة في ظروف مثالية ذات حجم واحد من الإمدادات ونقلها المستمر، وتشمل عمليات النشر في العالم الحقيقي درجات حرارة مختلفة، وأجهزة كهرباء الإمدادات، والتشغيل المتقطع، ويسفر نهج متعدد المستويات عن التنبؤات الأكثر موثوقية.
موجز مختبري للكهرباء
(أ) استخدام جهاز اختبار عالي الاستبانة أو وحدة قياس مرجعية دقيقة (SMU) لالتقاط الموجة الحالية الحالية للمرسل خلال دورة كاملة لنقل/استلام، وربط وحدة التحكم بالغاز المحتوي على جهاز الموجات المتوسطة (NMU) وحيازة الزوايا المتصاعدة من بداية التعبئة (+)، وتكشف الآثار الناتجة عن ارتفاع فترة الإرسال الحالية، وارتفاع سرعة النم وطوله(85)
تقنيات المحاكاة والنمذجة
:: وضع نموذج للطاقة على مستوى المنظومة في بيتون أو ماتي لاب، يأخذ كمدخلات: النقل الحالي (من التنميط)، ويتلقى حجماً مناديل النوم الحالية، ومعدل البيانات، ودورة العمل، وخصائص البطاريات، ويُمكن أن يُحدَّد خلال العمر المتوقع من تفكك البطاريات، ويشمل ذلك أثر أجهزة تنظيم الفولط (مثلاً، أجهزة الاستقراء التي تؤدي كفاءة أعلى في بعض الحالات) لتجنب التفاؤل.
رصد الانتشار الميداني على المدى الطويل
ويكمن معيار الذهب في تشكيل عدد صغير من وحدات الإنتاج التي لديها سجل لضخ البطاريات أو جهاز رصد حالي مغطى بالبطارية مرة في الدقيقة، وفي تسجيل الأحداث (النقلات، والتغليفات المتلقاة) وعلى مدى عدة أشهر، يوفر منحنى التحلل الكهربائي الحقيقي لتصريف الطاقة، ويستخدم البطاريات ذات الظروف البيئية (الدرجة المتوسطة، الرطوبة) لتحديد عوامل إضافية مثل زيادة التسرب في الطقس الساخن أو انخفاض درجة الحرارة.
استراتيجيات تحقيق أفضل استفادة من أجل حياة البطاريات الموسعة
الحد الأمثل من القوة الشرائية وربط الميزانية
(ج) تنفيذ خوارزمية لمراقبة الطاقة مغلقة التي تُستَلَدُ من محطة الأساس قيماً لمؤشر قوة الإشارة، ويُعدِّل جهاز النقل قدرته على نقل الطاقة إلى الحد الأدنى الذي لا يزال يحقق عملية مقبولة (أي 1 في المائة)، ويمكن أن يقلل ذلك من طاقة النقل بنسبة تصل إلى 60 في المائة في ظروف الإشارة القوية، أما بالنسبة لنظم الترددات الكهربائية، فإن حجماً نموذجياً قدره 3 دي بيسترات يكفي.
استراتيجيات النوم والوقوف
لا تُستخدمي مُقاطعة ساعات العمل في الوقت الحقيقي لتُوقِف المُراقبة الدقيقة بشكل دوري، تسلسل الاستيقاظ سيكون قصيراً قدر الإمكان، وحدة التحكم في الأمراض العقلية يمكنها أن تستيقظ في ثوانٍ صغيرة، لكن جهاز التحكم في المكالمات اللاسلكية يحتاج إلى وقت قفل (في الغالب 0.5 إلى 1 متر)، وإذا كان النظام مُوجّهًاً نحو الحدث (مثلاً، جهاز تزامن الحركة)
التعظيم الأمثل لجمع البيانات
وبدلاً من نقل قراءات أجهزة الاستشعار الخام كل دقيقة، تُجمع البيانات محلياً (مثل متوسط المقاييس وماكس أكثر من 10 دقائق) وترسل عبوة واحدة أكبر من 100 بيت محمولة مرة كل 10 دقائق في 50 كيلوبتر تستخدم طاقة أقل من 10 دولارات من الحزمة المُرسلة كل دقيقة، لأن الرؤوس الزائدة من PL startup والديباجة تُتجنب كل مرة.
اختيار العناصر الفعالة للطاقة والطرق التشغيلية
بعد مُرور المُتَوَلِّق، يُعتبرُ طريقةَ المُتَوَرَّدَة منخفضةُ الطاقةِ الكثير مِنْ وحداتِ التكتلِ المُتَرَخَّرةِ، مثل سلسلةِ SM32L،
المقايضة والاعتبارات
"الرانج" ضد "الطاقة"
وكل زيادة في الطاقة الإنتاجية تبلغ 6 ميغاواط تضاعف النطاق (في الفضاء الحر) ولكنها تضاعف أيضاً حجم النقل الحالي، وبالنسبة للعديد من التطبيقات، يوفر ناتجاً قدره 15 ميغاواط (+12 ميغاواط) مجالاً كافياً للبيئات الحضرية يصل إلى 500 متر، في حين أن وحدة 100 ميغاواط (+ دي بيم) قد تمتد إلى 1.5 كيلومتراً، وقد لا تبرر تكلفة البطارية الإضافية الربح الهامشي.
Data Throughput vs. Energy per Bit
فمعدلات البيانات المرتفعة تقلل الوقت الذي يبدأ فيه النقل، ولكن الطاقة الإجمالية قد لا تنخفض بشكل متكرر بسبب النفقات العامة الثابتة )الديباجة، المتزامنة، لجنة حقوق الطفل(.
التكلفة مقابل الكفاءة
وكثيرا ما يكون جهاز نقل الطاقة الكهربائية المنخفض أعلى من ذلك، إذ أن جزءاً قدره ٢ مستهلكاً من ١,١ ميكروناً مقابل جزء واحد من المكروبات الواحد قد يوفر ٩,٠ ميكروناً، أي ما يزيد على ٠١ سنوات عن ٠٨ متراً - غير هام بالنسبة لبطارية كبيرة، ولكن حاسم بالنسبة لخلية صغيرة من الفحم، وينبغي للمهندسين حساب التكلفة الإجمالية للملكية، بما في ذلك العمل البديل للبطارية والنشر في فترات زمنية مرتفعة.
دراسة حالة: النشر الحقيقي لمؤسسة FSK في مجال الرصد الزراعي
و شبكة إستشعار رطوبة التربة في منتصف غرب الولايات المتحدة الأمريكية لم تستخدم ممرات التكتل الحرارية في 433 ميغاهيرتز مع قدرة إنتاجية رمزية تبلغ +14 دي بيم، وكان التصميم الأولي هو 0.3 في المائة (إرسال واحد في الساعة) وتوقعت حياة البطارية لمدة 1.5 سنة باستخدام قيم أوراق النوم
الاتجاهات المستقبلية في ممرات النقل من طراز Ultra-Low-Power
إن الجيل القادم من محركات الطاقة الكهربائية سوف يدمج بينات جمع الطاقة، مثل إدارة الطاقة الآلية من الخلايا الشمسية أو مصادر الطاقة الفائقة، والطريقة التي يتم بها تشغيل العجلات الطويلة (LoRa) والتي تستخدم شكلا من أشكال الترددات المتحركة، هي بالفعل تحقق تيارات نوم فرعية من ميكروات، وتلقي التوائم تحت 10 ميغاواط مع تغطية عشرات من أجهزة الكيمياء المشعة)
خاتمة
(أ) تقييم استهلاك الطاقة في أجهزة إرسال الترددات الأجنبية يتطلب نهجاً صارماً يجمع بين السمات المختبرية، ونمذجة النظام، والتحقق الميداني، بالتركيز على التفاعل بين نظم النوم ودورة العمل، وكهرباء النقل، والرأس العلوي للمستقبل، يمكن للمهندسين تصميم شبكات الاستشعار اللاسلكية التي تعمل لسنوات على بطارية واحدة، والاستراتيجيات المحددة في هذه المادة - التحكم في الطاقة المعمارية، وطريقة اختيار الأحذية المثلى،