81d7ae20a49cae5

شارژ بی­ سیم، یک فناوری مهم برای اینترنت اشیا

هر ساله دستگاه های بیشتری از طریق اتصال به اینترنت به یک دستگاه هوشمند تبدیل می‌شوند، از ترموستات­ های هوشمند در خانه ها گرفته تا حسگرها در محیط های بزرگ صنعتی. همانطور که ما به سمت دنیای جدیدی مانند شهرهای هوشمند، وسایل نقلیه خودکار، سلامت از راه دور، اتوماسیون ساختمان و بطور کلی اینترنت اشیا (IoT) حرکت می کنیم، این روند در حال تسریع است.

پیش بینی می شود تعداد دستگاه های متصل که در سال ۲۰۱۶، ۴/۷ میلیارد دستگاه بود، به حدود ۱۱/۶ میلیارد دستگاه در سال ۲۰۲۱ و به بیش از ۲۱ میلیارد دستگاه تا سال ۲۰۲۵ برسد. اما متأسفانه، مقدار برق مصرفی این دستگاه ها می تواند مزایای آن را از بین ببرد. به طور کلی عمر محدود باتری دستگاه ها همیشه به عنوان یکی از ملاحظات کلیدی در طراحی فناوری های اینترنت اشیاء بوده است. تعویض باتری یا شارژ مجدد آن، هزینه ی زیادی را مخصوصا در کاربردهایی که تعداد دستگاه ها زیاد است منجر می‌شود و حتی در برخی کاربردهای مهم (مانند دستگاه های IoT پزشکی تعبیه­ شده در بدن انسان، تونل های معادن و کاربردهای زیرزمینی) این کار به سختی شدنی است. تاکنون راه­ حل ­های زیادی برای حل این چالش پیشنهاد شده است، اما یکی از راه­ حل­ های نوید دهنده که از سال ۲۰۱۷،مورد اقبال محققان و شرکت­های بزرگ IoT قرار گرفته است، استفاده از امواج الکترومغناطیسی برای شارژ دو باره ­ی دستگاه­ های مبتنی بر IoT می­ باشد.

ایده ­ی شارژ از راه دور برای اولین بار توسط تسلا، نابغه­ ی مهندسی برق در سال ۱۸۹۹ مطرح شد. تسلا عقیده داشت می­ توان از هوا و زمین به عنوان رسانا برای انتقال توان الکتریکی به کارخانه ­ها و محیط ­های شهری استفاده کرد. تسلا پس از موفقیتش در توسعه­ ی جریان متناوب، برای برآوردن آرزویش که انتقال نیرو خارج از خطوط انتقال سیمی بود، تلاش­های بسیاری انجام داد. یکی از مشهورترین آزمایش­های تسلا، استفاده از برجی بود که به عنوان مولد الکتریکی مشابه به مولد واندوگراف از آن برای انتقال انرژی الکتریکی بهره برده می­شد. این برج که بعدها به نام “برج تسلا”و یا ” برج واردنکلیف” مشهور گردید، از قله‌ای سیم‌کشی شده به همراه ریشه‌ای فلزی تشکیل شده بود که تا عمق حدود ۹۰ متری در زمین ادامه داشت. او آزمایش‌هایش را با این هدف ادامه داد که اولین رعد و برق که تا آن روز توسط انسان ساخته نشده بود را ایجاد کند. برای این منظور تسلا یک کره مسی را در ارتفاع ۱۴۲ فوتی در سقف آزمایشگاه خود، بالای یک دکل قرار داد. سیم‌کشی قابل توجه در برج از طریق یک سیم پیچ تسلا با ولتاژ بسیار بالا به آزمایشگاه متصل می‌شد. در شبِ آزمایش، آسمان با وصل شدن برق، با نور آبی به کلی روشن شد. بزرگی این رعد و برق مصنوعی چندین میلیون ولتی تا ۱۳۵ فوت می‌رسید. مشاهداتی که تسلا در مورد فعل و انفعالات الکترونیکی رعد و برق انجام داد، باعث شد که او به اشتباه نتیجه بگیرد که می‌تواند از کل کره زمین برای هدایت انرژی الکتریکی از مکانی به مکان دیگر استفاده کند.

blank

برج تسلا و اولین رعده برق مصنوعی ساخته شده دست بشر [۳]

این اولین تلاش برای انتقال انرژی الکتریکی به صورت بی­سیم بوده است. اگر چه هرگز آرزوی انتقال انرژی حجیم بدون خطوط انتقال محقق نشد. اما با پیشرفت در حوزه ­ی میکروالکترونیک و مدارات مجتمع در یک دهه­ ی اخیر، این امکان فراهم گردید که بتوان از خود امواج الکترومغناطیسی به عنوان منابع انرژی استفاده کرد. در واقع در طرح انتقال شارژ بی ­سیم، امواج الکترومغناطیسی که تاکنون به عنوان سیگنال اطلاعاتی توسط گیرنده­ های مخابراتی دریافت می­ شدند، این بار آنها را به عنوان منابع انرژی دریافت می ­کنند.

تجاری سازی دستگاه های اینترنت اشیا مجهز به شارژ بی سیم

ایده­ ی شارژ بی­ سیم با سرعت بسیار زیادی در حال پیاده ­سازی و تجاری سازی می­ باشد. از سال ۲۰۱۵، استفاده از پدهای شارژ بی ­سیم برای شارژ تلفن­ های همراه هوشمند به شدت مورد علاقه ­ی کمپانی­ های بزرگ قرار گرفت. پس از آغاز فرایند تجاری­ سازی پدهای شارژ بی­ سیم در صنعت تلفن همراه، در حدود کمتر از یکسال تا اواخر سال ۲۰۱۶، تقریباً بیش از ۲۰۰ میلیون دستگاه مجهز به شارژ بی سیم شده بودند، که همگی آنها از طراحی نوع شارژ القایی (پد شارژ) استفاده می کردند. از آن زمان تاکنون، بسیاری از کمپانی­ های فعال در زمینه­ی اینترنت اشیاء، تجهیزات، استانداردها و پروتکل­ های شارژ بی­ سیم مختص خود را گسترش دادند. برای نمونه شرکت سامسونگ به عنوان یکی از پیشتازان حوزه ­ی تلفن ­همراه و اینترنت اشیاء، از تکنولوژی شارژ بی­ سیم در گوشی گلکسی A90 بهره برده است.

blank

استفاده از تکنولوژی شارژ بی سیم در گوشی­ های همراه سامسونگ [۴]

 

شرکت بریتانیایی سازنده اتوبوس­ های برقی Optare و رهبر شارژ بی­ سیم Aircharge (شارژ بی ­سیم در حمل ونقل) در جهان، از سال ۲۰۱۸ اتوبوس ­های درون شهری خود را به تدریج مجهز به ایستگاه شارژ بی ­سیم کرده است. شکل زیر پنل شارژ بی ­سیمی که در اتوبوس مدل Versa این شرکت بکار گرفته شده است را نشان می­ دهد. تصور کنید که در اتوبوس­ های Versa نشسته ­اید، اگر ساعت IoT هوشمند یا تلفن همراه شما در حین کار کردن خاموش شده باشد یا شارژ کمی داشته باشد، تا زمانی که مسافر این اتوبوس هستید، نگرانی بابت شارژ مجدد ساعت هوشمند خود نخواهید داشت.

blank

پنل نصب شده­ ی شارژ بی­ سیم AirCharge در اتوبوس Versa متعلق Optare در ایالات کالیفرنیا آمریکا [۵]

 

اخیراً برند I-box، محصول IoT به بازار عرضه کرده است که با کمک آن، دیگر نگران خواب ماندن و دیر رسیدن به محل کار خود نخواهید بود. محصول طراحی شده توسط این شرکت، یک ساعت دیجیتالی بیدار باش است. در این محصول فناورانه از یک اسپیکر بلوتوث استریو قدرتمند برای پخش صدای موزیک بیدار باش بهره گرفته شده است. این محصول IoT به طور کامل با تمام گوشی های هوشمند هماهنگ (سینک) شده و قابلیت شارژ بی سیم آن را دارد. تنها کافی است که شما آلارم گوشی همراه تان را تنظیم کنید، بعد از آن خواهید دید که ساعت  بیدار باش I-box، نه تنها شمار را با موزیک دلخواه تان بیدار می کند، بلکه در مدت زمانی که خواب هستید، گوشی تان را شارژ هم می کند. این محصول علاوه بر پخش موزیک از روی گوشی، مجهز به یک فرستنده FM، برای پخش برنامه رادیویی در زمان بیدار باش نیز می باشد.

blank

ساعت دیجیتالی بیدار باش چند منظوره محصول شرکت I-box مجهز به شارژر بی سیم [۶]

 

قطعاً پشت هر فناوری، مجموعه­ ای از جزئیات و سازوکارهای مهندسی نهفته است. ما در ادامه این مقاله سعی خواهیم کرد، شما را با مفاهیم ابتدایی مکانیزم و معماری فناوری شارژ بی­ سیم آشنا کنیم.

مکانیزم شارژ بی­ سیم در شبکه­ های IoT

اگر چه برداشت انرژی از منابع تجدیدپذیر طبیعی مانند انرژی خورشیدی، باد و غیره نیز می­ تواند امکان­پذیر باشد، اما به دلیل ماهیت متناوب و غیر قابل پیش بینی که این منابع دارند، مقدار انرژی دریافت شده ممکن است کافی نباشد و این یک موضوع مهم و بحرانی برای کاربردهایی است که کیفیت خدمات در آن ها اهمیت ویژه ای دارد. همچنین این فناوری های برداشت انرژی فقط در بعضی از محیط ها قابل پیاده سازی هستند. خوشبختانه فناوری انتقال انرژی بی سیم(WET) بسیاری از این مجدودیت­ ها را ندارند. فناوری هایWET موجود، براساس مکانیزم فیزیکی که درآن ها بکار برده شده است، به سه کلاس مختلف زیر قابل طبقه بندی هستند:

  • جفت القایی (Inductive Coupling)
  • جفت رزونانس مغناطیسی (Magnetic Resonant Coupling)
  • تابش الکترومغناطیسی (EM Radiation)

که در میان آن ها، دو نوع جفت القایی و جفت رزونانس مغناطیسی از خاصیت میدان نزدیک و غیرتابشی الکترومغناطیسی، که مجهز به آنتنی برای انتقال برد نزدیک و توان بالا هستند، استفاده می‌کنند. در حال حاضر WET از نوع جفت القایی، برای کاربردهایی مانند شارژ تلفن های همراه و دستگاه های پزشکی ایمپلنت شده به خوبی مورد استفاده قرار گرفته است. مکانیزم فیزیکی کار بدین صورت است که از یک آنتن حلقه مغناطیسی (سیم پیچ مسی) برای ایجاد یک میدان مغناطیسی نوسانی استفاده می شود، که می تواند در یک یا چند آنتن گیرنده جریان ایجاد کند. اگر خازن مناسب اضافه شود تا حلقه­ ها در همان فرکانس تشدید (Resonance) شوند، می­توان میزان جریان القایی در گیرنده ها را افزایش داد. این شارژ القایی رزونانسی یا تشدید مغناطیسی است. این نوع شارژ القایی امکان انتقال توان را در فواصل بیشتر بین فرستنده و گیرنده فراهم  می کند و راندمان را افزایش می دهد. در این نوع شارژ بی­سیم، اندازه سیم پیچ همچنین بر فاصله انتقال توان تأثیر می گذارد. هرچه سیم پیچ بزرگتر باشد یا تعداد سیم پیچ بیشتر باشد، مسافتی که یک شارژ می تواند طی کند بیشتر است!

به عنوان مثال ، در مورد پدهای شارژ بی سیم تلفن های هوشمند، قطر سیم پیچ­های مسی تنها چند اینچ است و مسیری که جریان الکتریکی می تواند به طور موثر حرکت کند را به شدت محدود می کند. اما وقتی سیم پیچ ها بزرگتر باشند، می توان انرژی بیشتری را به صورت بی سیم منتقل کرد. این تاکتیکی است که در شرکت WiTricity بکار گرفته شده است. شرکتی که تحقیقاتش را از یک دهه قبل و در دانشگاه MIT آغاز و اکنون به عنوان یکی از پیشگامان این حوزه می­ باشد. به طور کلی از تکنولوژی تشدید جفت القایی مغناطیسی برای همه چیز، از اتومبیل و توربین بادی گرفته تا رباتیک بهره می­توان برد.

در سال ۲۰۰۷ ، استاد فیزیک MIT ، مارین سولاچیچ ثابت کرد که می تواند الکتریسیته را به فاصله دو متری منتقل کند. در آن زمان ، انتقال توان در آن فاصله فقط ۴۰٪ راندمان (بازده) داشت، به این معنی که ۶۰٪ الکتریسیته (توان) در این حرکت انتقالی از بین می رفت. مارین سولاچیچ شرکت دانش بنیان WiTricity را بعداً در همان سال بنا کرد تا این فناوری را تجاری کند. از آن زمان تاکنون بازده انتقال انرژی بسیار افزایش یافته است.

در سیستم شارژ اتومبیل شرکت WiTricity، کویل های (سیم ­پیچ ­های احتراقی) بزرگ مسی – قطری با بیش از ۲۵ سانتیمتر برای گیرنده ها- امکان انتقال توان را در مسافت های حداکثر ۲۵ سانتیمتر فراهم می­کنند. طبق گفته­ی موریس کسلر مدیر ارشد فناوری شرکت WiTricity، استفاده از رزونانس امکان انتقال توان (تا ۱۱ کیلووات) و بازده بالا (بیش از ۹۲٪ انتها به انتها) را فراهم می کند. WiTricity همچنین خازن هایی را به حلقه رسانایی اضافه می کند که باعث افزایش انرژی قابل ذخیره ­سازی و استفاده برای شارژ باتری می شود. این سیستم فقط مخصوص اتومبیل نیست: در سال ۲۰۱۷، شرکت Daihen که یک شرکت فناورانه رباتیک مستقر در ژاپن می­ باشد، در حوزه ­ی حمل و نقل عمومی، سیستم انتقال توان بی سیم را بر اساس طرح فناوری WiTricity برای وسایل نقلیه هدایت شده خودکار هوشمند (AGV) آغاز کرد. AGV ها مجهز به سیستم شارژ بی سیم D-Broad ساخت شرکت Daihen می­ باشند که می توانند به راحتی به یک منطقه شارژ برسند تا به اندازه کافی شارژ شود و سپس به وظایف از قبل تعیین شده خود ادامه دهند.

blank

شارژ بی ­سیم خودروهای برقی با استفاده از روش جفت رزونانس مغناطیسی [۷]

 

با این حال با توجه به افت شدیدی که در القای مغناطیسی با افزایش فاصله ایجاد می‌شود، روش جفت القایی معمولاً فقط در بردهای حدوداً چند سانتی متر عمل می‌کند. برد عملیاتی در روش جفت رزونانس مغناطیسی می‌تواند در حد چند متر بزرگتر باشد. اما برای اینکه جفت رزونانسی حفظ شود، گیرنده از لحاظ مکان قرارگیری نمی‌تواند منعطف باشد و برای بعضی فواصل ثابت و تنظیمات مداری خاصی بهینه شده است. علاوه بر آن در این روش باتوجه به اینکه برای اجتناب از تداخل به خاطر اثر جفت متقابل، نیاز به تنظیمات دقیقی می‌باشد، انتقال انرژی به چندین گیرنده یک چالش محسوب می‌شود. از سوی دیگر WET با روش رادیوفرکانسی از خاصیت تابشی میدان دور امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌کند تا به دستگاه های بی سیم در فواصل متوسط تا طولانی توان ارائه دهد.

 با استفاده از خاصیت تابشی میدان دور امواج الکترومغناطیسی(EM)، گیرنده های بی‌سیم می‌توانند انرژی را از طریق سیگنال هایRF به وسیله‌ی فرستنده‌ی انرژی از راه دور دریافت کنند. همچنین این نوع از WET باتوجه به ماهیت انتشار امواج الکترومغناطیسی از لحاظ عملی فوایدی از جمله، برد عملیاتی گسترده، هزینه تولید پایین و پخش انرژی کارا دارند.

به خاطر تضعیف زیاد انرژی مایکروویو نسبت به افزایش فاصله،WET معمولاً برای کاربردهایی که دستگاه ها توان پایینی نیاز دارند استفاده می‌شود، از جمله IoT و حسگرهای بی سیم. با این حال به دلیل پیشرفت های اخیر در فناوری آنتن و مدارهای دریافت انرژی رادیو فرکانسی، و همچنین با ادامه پیدا کردن کاهش توان عملیاتی دستگاه ها (درحدود چند میکرووات برای برخی برچسب های RFID) ارسال و دریافت بهینه انرژی بی سیم برای دستگاه ها فراهم شده است.

Fig. 1. Example applications of WPC in IoT/IoE systems, WSNs for environment monitoring, and smart power grid. The green nodes denote the wireless power nodes (WPNs), which transmit RF energy to the wireless powered devices denoted by red nodes in the figure.

کاربرد انتقال انرژی بی سیم در یک شبکه ­ی IoT خانگی، خطوط انتقال قدرت و حسگرهای بی سیم [۹]

 

معماری­ های رایج شارژ بی ­سیم در IoT

در بخش ­های قبل با ضرورت استفاده از فناوری نوین شارژ بی­ سیم و مکانیزم فیزیکی آن ها تا حد زیادی آشنا شدیم. در پشت ساختارهای سخت ­افزاری برای پیاده­ سازی هر فناوری، پروتکل­ هایی وجود دارد که این پروتکل­ ها، جهت ­دهنده­ ی اصلی هر فناوری می ­باشند. به طور کلی معماری­ های رایج در فناوری WET بکار گرفته شده در دستگاه­ های مبتنی بر اینترنت اشیاء در دو دسته کلی زیر قرار می­ گیرند:

  • بحث اول تمرکز روی انتقال توان و اطلاعات بی‌سیم بصورت همزمان دارد (SWIPT) که دستگاه های بی سیم می‌توانند سیگنال­ های دریافتی خود را به دو قسمت تقسیم کنند یکی برای رمزگشایی اطلاعات و دیگری برای برداشت انرژی. از ابزارهایی که بر پایه ­ی این معماری و تکنولوژی ساخته شده است، می ­توان سنسورهای IoT کنترل خط قدرت نام برد.

blank

حسگرهای IoT خط قدرت با قابلیت برداشت انرژی بی ­سیم [۸]

  • معماری دیگری که در مورد شبکه­ های IoT مطرح می باشد، این است که از انرژی دریافت شده را برای ارسال اطلاعات به ایستگاه گیرنده اطلاعات استفاده می‌‌کنند(WPCN). از جمله ابزارهای کاربردی که بر پایه­ ی این معماری ساخته شده است، می ­توان به همان پنل­ های شارژر بی-سیم شرکت Optare اشاره کرد.

این مقاله به طور خلاصه به معرفی فناوری شارژ بی سیم در شبکه­ های اینترنت اشیاء اختصاص داشت. در سال های اخیر، با توجه مزایای فوق العاده این فناوری، محصولات اینترنت اشیاء متعددی بر اساس این تکنولوژی نوظهور ساخته شده است. ورود این فناوری در کشور ما، تنها به پنل های شارژر بی سیم تلفن های همراه هوشمند خلاصه شده است. این در حالی هست که شارژ بی سیم، به طور گسترده وارد زندگی دیجیتالی بسیاری از کشورهای پیشتاز در حوزه ی اینترنت اشیا شده است. محصولات IoT معرفی شده در این مقاله همگی بر اساس مکانیزم شارژ RF بوده اند. در نوشته ی بعدی، بحث شارژ بی سیم را در خصوص نوع دیگری از شارژرها که مبتنی بر نورخورشید و منابع طبیعی هستند، دنبال خواهیم کرد.

منابع:

[۱] Https://www.forbes.com

[۲] Http://www.powercastco.com

[۳] Https://www.damninteresting.com

[۴] Https://www.theverge.com

[۵] https://www.air-charge.com

[۶] http://www.home-designing.com

[۷] Https://www.witricity.com

[۸] Https://www.wikipedia.org

[۹] Bi, C. K. Ho, and R. Zhang, “Wireless powered communication: Opportunities and Challenges,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 4, pp. 117–۱۲۵, ۲۰۱۵

این مطلب را به اشتراک بگذارید

اشتراک گذاری در print
اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در telegram