وتُنشر نظم الرصد المستمر على نطاق واسع في مختلف الصناعات مثل النفط والغاز، ومعالجة المياه والمياه المستعملة، والتجهيز الكيميائي، والتصنيع، وتوفر هذه النظم بيانات آنية عن مستويات الصهاريج، والأعماق الاحتياطية، والمخزونات المادية، مما يتيح مراقبة العمليات بكفاءة والامتثال للأمان، غير أنه عندما يتم تركيبها في مواقع نائية أو غير حافدة، فإن عمليات قياس الأنابيب الزراعية، أو نظم الرصد البيئي، تصبح عوامل أساسية هامة.

فهم استهلاك السلطة في نظم الرصد المستمر على المستوى

ويتكون نظام الرصد المستمر النموذجي من عدة عناصر رئيسية: جهاز استشعار )أو صفيفة أجهزة الاستشعار(، ووحدة لاقتناء البيانات، ووحدة اتصالات )مستقطعة أو لاسلكية(، وإمدادات للطاقة )البعثات، والألوحة الشمسية، أو العناصر الرئيسية( وكل عنصر من هذه المكونات قد يسهم في ميزانية الطاقة العامة، ومن بينها، كثيرا ما تكون وحدة قياس الترددات اللاسلكية هي أرقام الاستهلاكية السائدة، وخاصة عندما تستخدم أجهزة الاستدلال الخلوية أو الاصطناعية.

كما أن القوة تستهلك خلال فترات متعطلة، إذ أن العديد من النظم تقوم بتنفيذ أخذ العينات الدورية مع فترات النوم الطويلة، ولكن ينبغي أن يظل المتحكمون في الميكرويون وساعات الوقت الحقيقي نشطين لإدارة تسلسل التوقيت والوقوف، بل إن التيارات الصغيرة للتسرب، والضوابط غير الفعالة للفولط يمكن أن تستنفد بصورة تراكمية بطاريات الصرف على مدى أشهر، كما أن مراجعة دقيقة لحسابات الطاقة تعمل في كل دولة عاملة (تخفيضات الإنتاج المستهدفة، والإنام، والإنام، والإرسال).

الاستراتيجيات الرئيسية لخفض استهلاك الطاقة

1 - اختيار أجهزة الاستشعار والمكونات ذات القوى المنخفضة

وتتمثل الطريقة الأكثر مباشرة للحد من استخدام الطاقة في اختيار أجهزة الاستشعار والإلكترونيات المصممة لتشغيل الطاقة المنخفضة، وتتيح عمليات شبه الموصل الحديثة للمتحكمين بالمايكرويين والمجسات التي تستهلك الميكروبات في طريقة النوم، وقلة المصابيح أثناء القياس النشط، وتنظر في أجهزة الاستشعار البسيط التي توفر دوارة عمل قابلة للتشكيل، مثل جهاز استشعار راداري يمكن أن يُطفأ تماما بين القراءات.

أما أجهزة الاستشعار على مستوى الرادارات فقد كانت عادةً تُستخدم في تخلف الطاقة، ولكن المستحدثات الحديثة تدعم الآن أساليب البطاريات المنخفضة القدرة على التطبيقات ذات الطاقة الكهربائية، ولا تزال أجهزة الاستشعار الصوتية تمثل خياراً شعبياً لقياس مستوى غير المتناهيج في ظروف متوسطة، حيث يكون استهلاك الطاقة منخفضاً إلى 20-30 متراً أثناء انفجار قياسي.

2 - نقل البيانات إلى الحد الأمثل

وعادة ما يكون نقل البيانات اللاسلكية هو أكبر مستهلك للطاقة في أي نظام للرصد عن بعد، إذ إن قدرة النقل ومعدل البيانات والبروتوكول تؤثر جميعها على مدى سرعة البث الجوي، وإن كان تخفيض تواتر عمليات النقل هو أكثر الأساليب فعالية: فبدلاً من تحميل البيانات كل دقيقة، فإن الإرسالات عبر الزمن كل ساعة، أو كل 6 ساعات، أو فقط عندما يتم اكتشاف تغيير كبير في المستوى، ولكن بالنسبة للعديد من التطبيقات، لا يلزم إيجاد حل زمني متطرف كبير؛

كما أن اختيار التكنولوجيا اللاسلكية المناسبة له نفس القدر من الأهمية، إذ أن " لوراواان " (شبكة المنطقة المتاخمة للشبكة) مصممة لتطبيقات منخفضة الطاقة، بعيدة المدى، مع وجود تيارات نقل نموذجية تقارب 20 إلى 50 مترا، وتيارات نوم في نطاق الميكرومتر، كما أن استخدامات الساتل " NB-IoT " و LTE-M " يتيح تغطية خلوية ذات قدرة أعلى نوعا ما، ولكن لا تزال أقل بكثير من وحدات السحب التقليدية من البوابات النجمية.

كما أن ضغط البيانات يقلل من حجم حمولة نقل العدوى، وبدلاً من إرسال قراءات الفولط الخام، تنقل القيم المحوسبة (المستوى في الأقدام أو العدادات، ودرجة الحرارة، وفولط البطاريات) وتستخدم الترميز الثنائي للتقليل إلى أدنى حد ممكن، وتدعم بعض البروتوكولات معدل البيانات التكييفية، الذي يقلل تلقائياً من عامل نقل الطاقة أو الانتشار استناداً إلى نوعية الإشارة، ويزيد من توفير الطاقة.

3 - تنفيذ الإدارة المتقدمة للطاقة

بعد عملية اختيار العناصر وإرسالها، يقوم برنامج النظام ببرمجة الحاسوب و تشغيله بدور كبير، تنفيذ نظام إدارة الطاقة الذي يضع النظام بأكمله في نوم عميق بين دورات القياس، استخدام ساعة زمنية حقيقية مع موقّع معايرة لإيقاظ المتحكم في الميكرومرات على فترات زمنية محددة، بالنسبة للعديد من المتحكمين في الطاقة الصغيرة، مثل سلسلة (STM32L) أو (الحدث الأول من برنامج تبادل المعلومات)

ويعد تناوب الواجب أسلوباً مشتركاً: إذا عين نظام كل ساعة ولكن يستغرق ثانية واحدة فقط لقياس وإحالة العمل، فإن دورة العمل تبلغ 0.0278 في المائة، وهذا يعني أن النظام يرسم كامل التيار بأقل من 0.03 في المائة من الوقت، ويستغرق الباقي من النوم، غير أنه يجب مراعاة استخدام الطاقة الكهربائية بشكل وثيق خلال فترات الانتقال إلى مرحلة الاستيقاظ وأي تأخير في البدء.

كما تشمل إدارة الطاقة المتقدمة تحقيق الاستخدام الأمثل لفولط الإمدادات، وباستخدام جهاز تنظيمي منخفض التحلل أو محول للبطاطس من DC-DC مع كفاءة عالية في حمولات خفيفة، يمكن أن يحول دون نفايات الطاقة من أجهزة تنظيم خطية تخفض الفائض من الفولط مثل الحرارة، حيث تستخدم العديد من التصميمات الحديثة ذات القدرة على إحداث الاحتراق جهازاً فعالاً للتحكم في المواد الكيميائية التي تحافظ على أعلى مستوى من حيث الكفاءة حتى مع التحميلات تحت 1 متر ألف.

For a comprehensive guide on power management in IoT systems, the Texas Instruments application note on power management for bat-powered sensors] provides practical circuit design advice.

٤ - تسخير مصادر الطاقة المتجددة

وفي العديد من عمليات النشر عن بعد، لا تتوفر الطاقة الرئيسية، كما أن استبدال البطاريات هو أمر ينطوي على تحديات باهظة أو سوقية، ويمكن أن يحافظ إدماج فريق صغير من أجهزة التحكم في الشحن على البطاريات المزروعة، مما يجعل النظام مكتفيا ذاتيا، كما أن من الممكن أن تدعم بطارية الطاقة تتراوح بين ٥ و ١٠ محركات كهربائية متطورة ذات مستوى ميكانيكي أو بطارية، رصدا لمستوى حرارة حرارة صغيرة غير محدودة.

وعند تصميم نظام للطاقة الشمسية، ينظر في متوسط حالات العزل اليومي في موقع النشر وحجم اللوحة والبطاريات وفقا لذلك، بما في ذلك جهاز التحكم في الشحنات من أعلى نقاط القوة يمكن أن يحسن عمليات الاستيلاء على الطاقة بنسبة تصل إلى 30 في المائة مقارنة بمواقع التحكم في الصهاريج غير المبسطة، كما يشمل تخفيضا منخفضا في البطاريات لمنع التسريح العميق، مما يضر ببطاريات الليثيوميوم التي تستخدم في استخدام الطاقة الكهربائية.

For an overview of solar-powered IoT design, the Mouser Electronics article on solar-powered IoT systems] offers practical design considerations.

5 - توفير البرمجيات الجاهزة والبرمجيات

ولا يقتصر استخدام الطاقة المثلى على البرمجيات؛ بل يكتسي أيضاً أهمية في مجال المعدات، واستخدام أجهزة التحكم الدقيقة ذات المقاييس المتكاملة (الإدارة العامة، والمراكز الفرعية، والمجمعات) للحد من الحاجة إلى عناصر خارجية، وتجنب استخدام عوامل الوصل المقاومة التي تتسرب باستمرار؛ وبدلاً من ذلك، استخدام شبكات مقاومة للتحول أو مقاييس رقمية لا يمكن استخدامها إلا أثناء القياس، وضمان أن تكون جميع المدخلات غير المستخدمة في أجهزة سحب المواد المجهرية قادرة على المسببات المتخلفة.

ومن ناحية البرمجيات، يكتب الرمز الذي يقلل من الوقت الفعلي، ويستخدم انقطاعات منخفضة القوة بدلا من حلقات الاقتراع، وإذا كان الطلب يتطلب معايرة منتظمة، فإنه يحدد موعدا لها أثناء حدث نقل البيانات بدلا من الاستيقاظ بشكل منفصل من أجل معايرة، واستخدام نظام إدارة المعلومات الإدارية (الولوج المباشر للذاكرة) لنقل البيانات بدلا من إشراك وحدة تحليل البرامج، وكل ثانية صغيرة يجري فيها استخدام الطاقة، مما يقلل من سرعة استخدام الترددات المتوسطة إلى الحد الأدنى.

الاعتبارات العالمية الحقيقية المتعلقة بالتركات عن بعد

وفي حين أن الاستراتيجيات المذكورة أعلاه توفر أساسا قويا، فإن عمليات النشر في العالم الحقيقي تفرض قيودا إضافية، إذ أن المتطرفات المتطرفة تؤثر على قدرة البطاريات ومعدلات التشريد الذاتي؛ كما أن البطاريات الكيمياء الليثيوم تؤدي أداء أفضل في البيئات الباردة من الطحالين أو الرصاص، وفي البيئات الرطبة أو التآكلية، فإن التغليف أو الارتطام بالأجهزة الإلكترونية قد يحول أيضا دون حدوث تسرب في البطاريات.

ومن الاعتبارات العملية الأخرى صيانة النظم، وحتى مع أفضل استخدام للكهرباء، ستحتاج البطاريات في نهاية المطاف إلى استبدالها، ويتيح رصد بطارية عن بعد للنظام الإبلاغ عن الوقت الذي تكون فيه الطاقة منخفضة، مما يؤدي إلى زيارة خدمات محددة الهدف بدلا من استبدالها، ويمكن لبعض النظم أن تقلل تلقائيا من تواتر القياس والإرسال مع انخفاض حجم البطاريات، بحيث تمتد الحياة التشغيلية إلى أن يتم استبدالها، وهذا التدهور الماهر يضمن استمرار تدفق البيانات فجأة بدلا من إغلاقها.

(ب) أنواع إضافية من الأدوات وأفضل الممارسات

فبعد الاستراتيجيات الأساسية، يمكن أن تزيد عدة ممارسات مساعدة من تخفيض الاستهلاك، إذ أن إعادة التحليل المنتظم للأجهزة الاسترجاعية تضمن بقاء القياسات دقيقة، مما يحول دون نقل النظام بيانات ثابتة عن طريق الانجراف، وإذا كانت البيئة مستقرة، فإن النظر في استخدام الاستقراء أو التقدير النموذجي لخفض تواتر القياس، فعلى سبيل المثال، إذا تغير مستوى الصهاريج ببطء، قد يكون القياس في اليوم كافيا لاتجاهات الاختلال.

استخدام جهاز مراقبة قوي للتعافي من حوادث التصادم؛ وجهاز مراقبة يستهلك طاقة أقل بكثير من نظام عالق في حلقة نشطة في انتظار إعادة تصميم يدوي، وضمان أن تكون جميع المكونات مفصَّلة بشكل سليم مع أجهزة الاستيقاظ التي تسببها الضوضاء، وأخيراً، تحاكي ميزانية الطاقة قبل النشر، وتوفر أدوات مثل بارامترات القوة العاملة في البطارية من أدوات تكساس أو من خلال نظام " لورا " .

خاتمة

ويمكن تحقيق تخفيض استهلاك الطاقة في نظم الرصد المستمر من خلال مجموعة من اختيار العناصر المتأنية، والانتقال الأمثل، وإدارة الطاقة المتقدمة، وتكامل الطاقة المتجددة، وتحسين المعدات/البرمجيات، وكل نظام فريد، ولكن من خلال تطبيق هذه الاستراتيجيات مع أكثر الأثر، مثل الحد من تواتر الانتقال واختيار أجهزة الاستشعار ذات الطاقة المنخفضة القدرة يمكن أن يمتد بشكل كبير إلى مراحل البطارية، وانخفاض التكاليف التشغيلية، وزيادة النظام في أي وقت.