Table of Contents
The Evolution of Wireless Sensor Networks: From Niche Technology to Ubiquitous Infrastructure
وقد أصبحت شبكات الاستشعار اللاسلكية بلا حدود، في هدوء، واحدة من أكثر التكنولوجيات تأثيرا في العصر الحديث، حيث إن ما بدأ كأداة بحث متخصصة للرصد العسكري والبيئي قد تطور إلى طبقة أساسية من شبكة الإنترنت من الأشياء، مما أدى إلى توليد الطاقة الذكية، والتشغيل الآلي الصناعي، ورصد الرعاية الصحية، والهياكل الأساسية الذكية، وما زال الهيكل الأساسي هو نفسه: توزيع السلاسل المجهزة بمجسات ومجهزات، وعناصرات تعاونية لاسلكية،
وقد تكون مواصفات الاستشعار المبكر هي حلول وسط هندسية، وقد تستهلك مليواط الطاقة حتى في حالة النوم، وتحتاج إلى بطاريات كبيرة من الخلايا النقدية أو مصادر طاقة خارجية، وتعاني من نطاقات محدودة لنقل الطاقة، وقد تكون عملية التحويل الناظري إلى الرقمي اختناقات معينة، وكانت البلدان المتقدمة النمو عناصر مفصولة ذات قدرة عالية على سحب الطاقة وتسويتها بصورة متواضعة، بحيث تختار مصممي النظم بين الدقة والكفاءة في استخدام الطاقة.
واليوم، تختلف المشهد اختلافاً جوهرياً، ومن المتوقع أن تنمو السوق العالمية للشبكة بمعدل نمو سنوي مركب يتجاوز 20 في المائة خلال العقد القادم، ويعود ذلك إلى انخفاض تكاليف المعدات وارتفاع الطلب على المعلومات البيئية في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تتضمن عقدات الاستشعار الحديثة طرائق متعددة للاستشعار، وقدرات حاسوبية حافة، وبروتوكولات اتصالات تكيفية - في إطار مجموعة لا تتجاوز الأظافر، وفي قلب هذا العنصر من عناصر الأداء الهادئة.
Understanding the Role of the ADC in Sensor Networks
فالحوارات المشابهة للديغال هي بمثابة واجهة حرجة بين العالم المادي والتجهيز الرقمي، إذ إن جميع الإشارات التي تحدث طبيعياً - الزمن، والضغط، والهز، والكثافة الخفيفة، وشعار الصوت - المشابه في الطبيعة، وترجمة هذه الكميات المادية إلى فولت كهربائي أو تيارات كهربائية، ولكن لا بد من تحويل إشارات القياس هذه إلى قيم رقمية متناقضة قبل أن تكون أجهزة إرسال صغيرة أو مصغرة.
في سياق شبكة المعلومات العالمية، يؤثر أداء شركة (ADC) تأثيراً مباشراً على ثلاث خصائص رئيسية: دقائق أمان ، ] استهلاك الطاقة ، و حجم السحب غير المقبول [و]
التقدم في مجال الهندسة المعمارية في البلدان الجزرية الصغيرة النامية
أما التطور الأكثر أهمية في البلدان النامية المنخفضة جداً بالنسبة للشبكة العالمية لسواتل الملاحة فقد كان هو صقل هيكل البحث العلمي مقترناً بمراجع الفول الصاخب والتصفية الرقمية، وقد حققت البلدان النامية المتقدمة الحديثة تسوية 16 طناً بمعدلات أخذ العينات لبضع مئات الكيلورتز بينما تستهلك أقل من 100 كيلو متر، مما يمثل انخفاضاً في الطاقة يزيد على طلبين من الحجم التشغيلي قبل عقدين من الزمن.
وثمة ابتكار حاسم آخر هو ظهور ] تصميم " ADC " الذي يُدرك الطاقة، والذي يمكن لهذه المحولات أن تُحدِّد دينامية معدل حلها وأخذ عينات استناداً إلى الطاقة المتاحة، وعندما يكون الضوء المحيط وافٍ، تعمل شركة ADC في وضع عالٍ من الاستبانة؛ وعندما تكون الطاقة شحيحة، فإنها تتراجع عن نهج أقل حلاً أو تُغيِّل الأداء.
How Miniature ADCs Enable next-Generation WSN Applications
وقد فتحت مجالات تطبيقية غير عملية أو مستحيلة في السابق، فيما يلي مجالات عديدة تؤدي فيها البلدان النامية المحدودة دوراً تحويلياً.
مرصد صحي مُساءل وغير متوقع
(أ) أن الرصد المستمر للصحة يتطلب أجهزة استشعار غير مجهزة بالبطاريات، ومريحة، وقادرة على العمل لفترات طويلة دون تغيير، وأن تكون أجهزة قياس الكهرومغناطيسية، ومستويات الأكسجين، ودرجة حرارة الجلد، والحركة، قادرة على تحديد أرقام قياسية ذات قدرة حيوية ذات درجة حرارة مصغرة، مع وضع حد أدنى من المعدلات الحالية.
الزراعة الدقيقة والاستشعار البيئي
(أ) أن تكون الزراعة الحديثة تعتمد بشكل متزايد على شبكات الاستشعار الموزعة لتحقيق الحد الأمثل للري، وتطبيق الأسمدة، وإدارة الآفات، وأن أجهزة الاستشعار لرطوبة التربة، مثلاً، تتطلب تحويلاً دقيقاً من حيث الكفاءات إلى المواد الخاملة، وأن يكون هناك تمييز بين مستويات رطوبة التربة عند مستوى 0.1 في المائة، مما يتيح لنظم الري الآلية أن تطبق على المياه.
رصد الصحة الهيكلية والهياكل الأساسية الذكية
وتزداد أجهزة الجسور والأنفاق والسدود والمباني صُنعها بأجهزة WSN التي ترصد الاهتزاز والإجهاد والنباتات ودرجات الحرارة لاكتشاف التدهور الهيكلي قبل أن يصبح حرجاً، وتطالب هذه التطبيقات البلدان ذات النطاق الدينامي الكبير باستيعاب كل من الأحداث الكبيرة (مثل الزلازل) والانجراف الطويل الأجل الذي تسببه عوامل التحلل المادي.
الصناعة والتألق الصناعي
وفي بيئات التصنيع، ترصد الشبكة العالمية للطاقة تهوية المعدات ودرجاتها وكهرباءها للتنبؤ باحتياجات الصيانة ومنع حدوث انخفاض غير مخطط لها، وتحتاج وحدات التكتل التي تعمل على الحافة إلى بيانات ذات كفاءة عالية لتحديد التوقيعات الخاطئة.
التحديات التقنية في مجال التعدين في البلدان النامية
ورغم التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك تحديات كبيرة في دفع البلدان الجزرية الصغيرة النامية إلى حدودها النظرية مع الوفاء بالمتطلبات الصارمة لتطبيقات الشبكة العالمية لسواتل الملاحة.
الضوضاء والبطانة في حجم الجراثيم الصغيرة
ومع تقلص عدد عمليات الأشعة تحت الحمراء إلى أقل من 65 مقياساً، وتقلصات المطابقة، وزيادات الضوضاء الحرارية، وانخفاض كميات الإمدادات، مما يجعل من الصعب تحقيق نسب عالية من الإشارة إلى الأرقام المطلوبة للاستشعار الدقيق، ويجب على مصممي المواد الكيميائية من البلدان النامية استخدام تقنيات مثل تطابق العناصر الدينامية، وأخذ عينات مزدوجة ذات صلة، وتحقيق استقرار مروحي لتخفيف هذه الآثار.
رفض إمدادات الطاقة والتدخل
وأجهزة الاستشعار الصغيرة التي تُرفض كثيراً ما تتقاسم سكة حديدية واحدة بين شركة ADC ومايكرويدرول وجهاز إرسال لاسلكي، ويمكن لعملية جهاز التحويل أن تُحوّل الضوضاء إلى العرض، وتفسد تحويلات شركة ADC، ويحتاج تحقيق نسبة عالية من رفض الإمداد بالطاقة في مركز صغير للتصنيف إلى تصميم دقيق لجهاز الوصل المرجعية وقاعدة التكاثر الناظري.
معايرة وقابلية الانتقال الطويلة الأجل
وفي شبكة عالمية النطاق تُنشر لمدة خمس إلى عشر سنوات، فإن بارامترات السحب من الأم إلى الطفل، مثل التعويض والكسب والستر، ستنحرف بسبب التقلبات في السن ودرجة الحرارة، وتستلزم أساليب المعايرة التقليدية فولتات مرجعية خارجية ودورات إعادة التأهيل الدورية، وهي غير عملية بالنسبة للثوابت التي تعمل بالبطارية البعيدة، كما أن الحلول الناشئة تشمل محركات ذاتية تعمل في إطار النطاق الترددي(40).
المسار المستقبلي: شركة ADC بوصفها جهاز الاستشعار
وفي المستقبل، سيستمر التمييز بين شركة التعمير والتنمية وبقية جهاز الاستشعار في الازدراء، ويظل الاتجاه نحو الاندماج المتجانس - الذي يؤدي إلى حدوث موتات أو شظايا متعددة في مجموعة واحدة - سيسمح بالاستشعارات من طرف واحد، وأجهزة تحديد البيانات، والمنطق الرقمي، والمرسلات اللاسلكية بأن تُصبح على الوجه الأمثل بصورة مستقلة، ثم تُجمع في عملية متجانسة مصممة على النظام.
وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في تطوير البلدان النامية ذات الحجم الزمني التي تمثل إشارات متماثلة على أنها أسلاك نبضية أو فترات زمنية بدلاً من مستويات الفولط.() ويمكن لمحوِّلات البيانات ذات النطاق القصير أن تستغل التوقيت الممتاز لشبكات المواد الكيميائية العميقة دون اشتراط إشارات عالية أو دقيقة إلى درجة الفولط.
Energy Harvesting and the Path to Self-Powered Nodes
والرؤية النهائية للشبكة العالمية للسواتل هي شبكة من العوارض تعمل إلى أجل غير مسمى دون استبدال البطاريات، وتضطلع البلدان الجزرية الصغيرة النامية بدور محوري في هذه الرؤية لأنها غالبا ما تكون مستهلكة للطاقة في سلسلة الإشارات المشابهة، ويسمح تخفيض استهلاك الطاقة من البيوت إلى مستوى الميكروات أو النانووات بأن يُستخدم كامل العقد بواسطة صغار محصولي الطاقة مثل المولدات الكهربائية للصور الحرارية، والفولطية.
كما يمكن لعمليات التثبيت ذات الكفاءة في استخدام الطاقة ] ]، حيث يستيقظ جهاز الاستشعار لفترة وجيزة من أجل القياس ثم يعود إلى حالة نوم عميقة، وفي تطبيق نموذجي لرصد طفرة التربة، يمكن أن يستيقظ العقد مرة في الساعة، ويحدث تحويلاً يتراوح بين 16 و5 ثواني صغيرة، ويحول النتيجة إلى ميغاواط، ثم ينفجر نصف ساعة
الأمن ونزاهة البيانات في شبكة المعلومات الإدارية - دارفين
ونظراً لأن هذه الشبكة تُنشر في البنية التحتية الحيوية وفي تطبيقات الرعاية الصحية، فإن أمن سلسلة اقتناء البيانات يصبح أمراً بالغ الأهمية، إذ إن المهاجم الذي يمكنه التلاعب بالفولط المرجعي أو الضوضاء بالحقن أثناء التحويل يمكن أن يتسبب في قيام جهاز الاستشعار بالإبلاغ عن القراءات الخاطئة، مما قد يؤدي إلى اتخاذ قرارات خاطئة في النظم الآلية، وقد ركزت البحوث الأخيرة على إضافة معلومات مفصّلة عن الوزن عند إنتاج شركة ADC، باستخدام وظائف ثابتة.
الاستنتاج: ثورة هادئة في الاستشعار
مستقبل شبكات الاستشعار اللاسلكية لن يتم تحديده من خلال فتحة واحدة ولكن من خلال التأثير التراكمي للتحسينات في الأداء على مستوى المكونات
إننا نتحرك نحو عالم تجسد فيه أجهزة الاستشعار في نسيج مدننا، وملابسنا، ومركباتنا، وبيئتنا، وسترصد الصحة الهيكلية، وتتتبع التغيرات البيئية، وتستهدف استخدام الطاقة على الوجه الأمثل، وتوفر الإنذار المبكر بالكوارث الطبيعية، أما شركة ADC الصغيرة، التي كثيرا ما تتجاهل في مناقشات التكنولوجيا اللاسلكية، فهي الجهة التمكينية الهادئة لهذا التحول.
وبالنسبة للمهتمين ببحث التفاصيل التقنية، نشرت الشبكة مبادئ توجيهية واسعة النطاق بشأن اختيار أجهزة الاستشعار اللاسلكية من أجل تطبيقات الاستشعار اللاسلكية (المرجع] ) وبالإضافة إلى ذلك، يحتفظ مشروع الأعمال المفتوحة بتصميمات مفتوحة المصدر للتصنيف يمكن تكييفها من أجل تطوير الشبكة العالمية لسواتل الملاحة، ومستقبل الاستشعار صغير وكفؤ ومتزاد ذكاء في مركزها ADC.