لقد أثر إنترنت الأشياء (IoT) على حياة وعمل الجميع تقريبًا في الآونة الأخيرة. بالنسبة للبعض، يعد تفاعلهم مع إنترنت الأشياء بسيطًا مثل استخدام ساعة ذكية لتتبع عاداتهم في الأكل أو ممارسة الرياضة. يمكنهم أيضًا الاستفادة من العداد الذكي لشركة المرافق لتوفير الطاقة والحفاظ على الفواتير تحت السيطرة. تؤكد هذه المشاركات على أهمية اختيار اللاسلكي والهوائي في تطبيقات إنترنت الأشياء.
وعلى الجانب الآخر، أصبح من الممكن توصيل كل شيء، بما في ذلك الأجهزة والإضاءة والتدفئة وأقفال الأبواب والأمن والألواح الشمسية، والتي يتم التحكم فيها وإدارتها من خلال مساعد رقمي منزلي.
خارج البيئات المحلية، عادة ما تكون حالات الاستخدام الصناعي والتجاري أكثر تنوعًا. وتهدف هذه إلى أتمتة أنظمة البناء لتحسين الكفاءة وتقليل البصمة الكربونية. كما أنها تنطوي على جمع كميات هائلة من البيانات لتعزيز التحكم في العمليات، وتخطيط الأعمال، وإدارة الأصول، وصيانة المعدات، والمزيد. تساعد هذه البيانات في تحسين إدارة الطاقة والنفايات وحتى تصور وتصميم المنتجات الجديدة.
أحدث البروتوكولات اللاسلكية
توفر التقنيات اللاسلكية العديد من نقاط القوة الكامنة لتوصيل أجهزة إنترنت الأشياء. تبرز المرونة كميزة رئيسية، مما يتيح نشر الأجهزة في مواقع مختلفة، دون تقييد الكابلات المادية. قد يكون تركيب أسلاك جديدة في المنزل أو المكتب أو المصنع أمرًا مزعجًا. غالبًا ما يكون اختيار الاتصال اللاسلكي والهوائي فعالاً من حيث التكلفة، خاصة بالنسبة لعمليات نشر إنترنت الأشياء على نطاق واسع، ويتيح إمكانية التوسع بسهولة وغير مكلفة.
تعد إمكانية التنقل ميزة أخرى، حيث توفر عامل تمكين قويًا في تطبيقات مثل الأجهزة القابلة للارتداء وتتبع الأصول. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون كفاءة استخدام الطاقة في التقنيات اللاسلكية مهمة في أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات.
التحديدات اللاسلكية
تشمل التقنيات اللاسلكية القياسية المستخدمة بشكل شائع في تطبيقات إنترنت الأشياء تقنية NFC، والتي تعتبر مثالية لتبادل البيانات لمدة قصيرة عبر مسافات تبلغ بضعة سنتيمترات. يمكن أن تكون الطاقة الموجودة في مجال التردد اللاسلكي المنبعثة من جهاز قارئ NFC كافية لتشغيل دوائر جهاز الاستقبال لاسترداد البيانات المحفوظة ونقلها حسب الطلب.
يوفر اتصال Bluetooth إمكانية التنقل ويسمح بالمرونة في هندسة معدل البيانات والمدى واستهلاك الطاقة لتلبية متطلبات تطبيق معين. فهو يسمح بالاتصالات من نقطة إلى نقطة وشبكة، كما تدعم أحدث الإصدارات أيضًا تحديد الاتجاه واستشعار الموقع. تم تصميم Zigbee منذ البداية كشبكات شبكية، وهي تتمتع بخصائص مماثلة.
قد يفضل المستخدمون شبكة Wi-Fi في الحالات التي تتطلب نطاقًا أطول أو معدلات بيانات أعلى أو سعات اتصال أكبر. تظل العديد من أجيال Wi-Fi في الخدمة، حتى Wi-Fi 6، الذي يبلغ الحد الأقصى لمعدل البيانات النظري 9.6 جيجابت في الثانية. تتميز شبكة Wi-Fi 6 أيضًا بتخصيص قناة مرن وتقنيات لتقليل التداخل وأوقات الانتظار للاتصال بالشبكة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تشكيل الشعاع إلى تحسين كفاءة نقل البيانات وتعزيز أمان WPA3.
In تطبيقات تقنيات عمليات التي تحتاج إلى مدى أطول وقدر أكبر من الحركة، وتشمل الخيارات الخلوية ومنخفضة الطاقة تقنيات الشبكات واسعة النطاق (LPWAN) مثل LoRa وSigfox. مع إيقاف تشغيل الشبكات القديمة، تفسح اتصالات البيانات القديمة 2.5G و3G المجال لمعايير مثل LTE-M وNB-IoT التي تستخدم أحدث شبكات LTE و5G. وقد تم تحسينها لتلبية احتياجات تطبيقات إنترنت الأشياء، والتي تتطلب عادةً عمليات تبادل متكررة تشتمل على كميات صغيرة من البيانات.
يمكن لأجهزة مثل أجهزة تتبع الأصول الاعتماد على مجموعات الملاحة عبر الأقمار الصناعية (التي يطلق عليها بشكل عام أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية، أو GNSS). تشمل الأمثلة GPS وGalileo وGLONASS وBeiDou. يمكن لأجهزة الاستقبال متعددة الكوكبات الاستفادة من توفر بيانات الموقع بشكل أكثر قوة وقوة.
يمكن لبعض أجهزة الاستقبال توفير الوصول إلى خدمات خاصة عالية الدقة يقدمها مشغلو الأقمار الصناعية. يمكن للمتتبع حساب الموقع باستخدام النظام الفرعي GNSS المضمن ومشاركة هذه المعلومات مع تطبيق IoT المضيف عبر اتصال لاسلكي مثل LPWAN أو الاتصال الخلوي.
اختيار اللاسلكي والهوائي
أساسا، هوائي ينقل الإشارات بين المجالين الكهرومغناطيسي والكهربائي، مع الاستفادة من الرنين عند تردد حامل التردد اللاسلكي. يتطلب ذلك أن يكون الطول الفعال للهوائي جزءًا محددًا من الطول الموجي للإشارة الحاملة.
ومن ثم، فإن الحجم مهم عند التفكير في اختيار اللاسلكي والهوائي. ويرتبط الحجم مباشرة بنطاق التردد الذي يعمل فيه الهوائي. يعتمد هذا على التقنية اللاسلكية المختارة وتردد التشغيل المرتبط بها.
بالإضافة إلى ذلك، تعد تعبئة الهوائي مشكلة بالغة الأهمية تؤثر على اختيار المكونات. يمكن أن تخضع أجهزة إنترنت الأشياء لقيود صارمة على الحجم. وهذا يستدعي أن تكون الهوائيات صغيرة الحجم مع تقديم أداء عالٍ. غالبًا ما يكون الختم مطلوبًا، خاصة في عناصر مثل أجهزة الاستشعار عن بعد والعدادات الذكية، والتي يمكن أن تتعرض لظروف قاسية ومن المتوقع أن تظل في الخدمة لفترات طويلة.
يمكن للمحفظة التي توفر خيارًا للهوائيات المثبتة على PCB، والمثبتة داخليًا، والخارجية، والمُحسّنة لنطاقات تردد معينة وتقنيات لاسلكية تستخدم غالبًا في تطبيقات إنترنت الأشياء، أن تساعد المصممين على اختيار أفضل نوع لتطبيقاتهم. توفر هذه المحافظ أنواعًا وأحجامًا مختلفة، وخيارات مثل التوصيلات الملحومة أو المحورية، والأجزاء المحسنة لتقنيات محددة مثل هوائيات NFC وGNSS.
هوائيات NFC
هناك عدة عوامل تؤثر على اختيار الاتصال اللاسلكي والهوائي لتطبيقات NFC. يعمل NFC بسرعة 13.56 ميجاهرتز، لذلك يجب تصميم الهوائي بحيث يتردد صداه عند هذا التردد المحدد لضمان الاتصال الأمثل. تتوفر عادةً الهوائيات السلكية والهوائيات الحلقية كمكونات جاهزة للاستخدام.
في حين أن طول الهوائي الفعال يرتبط بتردد التشغيل، فإن هوائيات NFC لها أيضًا دور في تجميع الطاقة من مجال التردد اللاسلكي المنبعث من أجهزة القراءة لتشغيل وحدة التحكم الدقيقة المدمجة في جهاز إنترنت الأشياء والذاكرة والأجهزة الإضافية التي قد تتضمن IC للأمان، لجمع ونقل البيانات التي يطلبها القارئ.
يمكن أن يعتمد الاختيار النهائي على متغيرات مثل عامل شكل الجهاز ونطاق القراءة المطلوب. عادةً ما تكون الهوائيات الأصغر حجمًا مدمجة ولكنها توفر نطاقات قراءة أقصر، بينما توفر الهوائيات الأكبر نطاقات قراءة أطول. ستحدد المساحة المتوفرة داخل الجهاز أو التطبيق حجم الهوائي.
بشكل عام، يمكن أن تكون بعض هوائيات NFC أكثر حساسية للاتجاه من غيرها، الأمر الذي قد يتطلب عناية إضافية عند اختيار طراز معين وتحديد موضعه الأمثل في الجهاز. يمكن دمجها في لوحة الدائرة أو لصقها على العلبة.
يمكن أن تؤثر الأجسام المعدنية والتداخل الكهربائي والعوامل البيئية الأخرى على أداء الهوائي. قد يكون من الضروري التدريع أو الموضع المناسب. تعد مطابقة المعاوقة المناسبة بين شريحة/وحدة NFC والهوائي أمرًا ضروريًا لزيادة نقل الطاقة إلى الحد الأقصى وتقليل فقدان الإشارة.
هوائيات للتكنولوجيات شائعة الاستخدام
بالنسبة للتقنيات اللاسلكية مثل Bluetooth وWi-Fi التي تعمل بسرعة 2.4 جيجا هرتز، بالإضافة إلى التقنيات الخلوية وLPWAN، هناك مجموعة واسعة من الهوائيات المثبتة على PCB والهوائيات الداخلية والخارجية. يعتمد الاختيار على عوامل مثل عامل شكل الجهاز وقيود الحجم ونطاق الاتصال المطلوب.
تتوفر هوائيات بحجم الشريحة لتطبيقات Bluetooth وWi-Fi 2/3/4 في نطاقات التردد 2.4 جيجا هرتز للتطبيقات الصناعية والعلمية والطبية (المعروفة باسم نطاقات ISM).
تميل الهوائيات الخارجية إلى أن تكون ذات تصميم أحادي القطب أو ثنائي القطب. يتكون النوع أحادي القطب من سلك واحد يتطلب مستوى أرضيًا لعكس موجات الراديو والمساعدة في تشكيل نمط الإشعاع. النمط متعدد الاتجاهات.
يحتوي النوع ثنائي القطب على عنصرين موصلين تفصل بينهما فجوة. غالبًا ما تكون هذه الهوائيات نصف طول الموجة، وعادةً ما تكون أطول من الهوائيات أحادية القطب، على الرغم من أن الكسب عادة ما يكون أكبر، ومخطط الإشعاع ثنائي الاتجاه. يؤثر كسب الهوائي بشكل مباشر على نطاق الجهاز وتغطيته. يمكن للهوائيات ذات الكسب الأعلى أن توفر نطاق اتصال أطول.
يختار الكثيرون الاتصال الخلوي للأجهزة الصغيرة مثل أجهزة التتبع المثبتة على الأصول المنقولة مثل السيارات أو الشاحنات الصغيرة أو مركبات البناء. في هذه التطبيقات، قد يكون الهوائي الداخلي مناسبًا للسماح بتركيب أقل إزعاجًا أو لإبقاء الأجزاء الهشة بعيدًا عن الأذى. من ناحية أخرى، قد يكون الهوائي الخارجي الأكبر حجمًا مناسبًا لجهاز مثل البوابة المصممة لتوجيه البيانات من نقاط نهاية إنترنت الأشياء المتعددة إلى السحابة عبر اتصال خلوي.
هوائيات GNSS
تأتي هوائيات GNSS بأنماط مختلفة، مثل هوائيات التصحيح الخزفية. كنوع، فهي تتميز باستقطاب دائري يضمن حساسية عالية لإشارات الأقمار الصناعية. عند تصميم معدات مثل أجهزة تتبع الأصول مع مواقع الأقمار الصناعية، يجب على المصممين التأكد من أن الهوائي المختار يدعم الأبراج ذات الصلة.
وفي الختام
يعد الحجم والتعبئة من القضايا الحاسمة التي يجب مراعاتها عند اختيار هوائي لتطبيق إنترنت الأشياء. تميل الهوائيات الخارجية الكبيرة إلى تقديم أفضل أداء للتردد اللاسلكي. من ناحية أخرى، غالبًا ما يُفضل التركيب الداخلي لمقاومة التحديات البيئية والسماح بسهولة الاستخدام وسهولة الحمل، في حين يمكن للهوائيات المثبتة على السطح أن تقدم حلاً عندما تكون قيود الحجم شديدة. الاختيار هو صديق المصمم في البحث عن أفضل مزيج من الخصائص الكهربائية والفيزيائية.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications
