SuccessfulStory_IoT_01

فناوری شارژ دستگاه های IoT با استفاده از منابع محیطی

در ۱۱ دقیقه این متن را بخوانید

با توجه به رشد چشمگیر سیستم‌های مبتنی بر ارتباط بی‌سیم، فناوری IoT (اینترنت اشیاء) معرفی شد تا تسهیل کننده ارتباط بین انسان، دستگاه ها و وسایل الکترونیکی محیط اطرافمان باشد.IoT  جایگاه قابل توجهی در صنعت، کاربردهای تجاری، حمل و نقل و حوزه سلامت دارد. اکنون می توان گفت که IoT  به سرعت نقش خود را در محل کار و زندگی ما پر رنگ تر خواهد کرد. بنابراین همواره باید به فکر بهبود و بهسازی ارتباط و انتقال اطلاعات در این فناوری بود. یکی از موارد مهم در IoT ها، انرژی لازم برای ارسال اطلاعات بصورت بی‌سیم در این دستگاه ها است. در ادامه مقاله در مورد شارژ انرژی توسط دستگاه ها جهت داشتن یک ارتباط بی سیم پایدار توضیحاتی ارائه خواهد شد.

برداشت انرژی فرآیندی است که از طریق آن انرژی از منابع خارجی به دست می آید و انرژی جذب شده از طریق دستگاه مشخصی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در جدول ۱ منابع مختلفی که می توان از آنها برای تبدیل به انرژی الکتریکی استفاده کرد، آورده شده است.

ردیف نوع انرژی منبع
۱  انرژی نور  انرژی خورشیدی از خورشید (فضای باز / داخلی)
۲  انرژی جنبشی  ارتعاش ، چرخش ، حرکت
۳  انرژی حرارتی  بدن انسان ، صنعت
۴  انرژی اتمسفر  فشار ، گرانش
۵  امواج رادیوفرکانسی  آنتن ها، طیف رادیوفرکانسی
۶  انرژی بیولوژیکی / شیمیایی  انتشار ، رادیو ایزوتوپ ها
۷  انرژی آبی  انرژی جنبشی از آب

جدول ۱- منابع مختلف جهت برداشت انرژی[۱]

اساساً، یک سیستم برداشت انرژی متشکل از سه جز اصلی شامل مبدل مخصوص، یک مدار رابط و گیرنده است. مبدل یا واحد برداشت انرژی ، انرژی را از منابع محیطی جمع می کند و آنها را به شکل الکتریکی تبدیل می کند. عملکرد واحد رابط این است که حداکثر مقدار انرژی را از واحد برداشت استخراج کند و این سطح انرژی را برای گیرنده خاص تنظیم کند. این امر با روشهای مختلف مدیریت توان، از جمله تنظیم یا اصلاح ولتاژ و غیره انجام می‌شود. همچنین در یک سیستم برداشت انرژی، گیرنده ممکن است شامل حسگرهای مختلف ، مبدل ها یا هر مدار الکترونیک دیگری باشد. در صورت وقفه زیاد در چرخه های برداشت، وجود واحد ذخیره سازی از تخلیه یا کاهش انرژی مورد نیاز جلوگیری می‌کند. شکل زیر بلوک اساسی واحد برداشت انرژی یک دستگاه اینترنت اشیا را نشان می دهد:

بلوک اساسی واحد برداشت انرژی یک دستگاه اینترنت اشیا

نیاز به برداشت انرژی در اینترنت اشیاء

برداشت انرژی یک راه حل نویدبخش برای تأمین انرژی اینترنت اشیا است به ویژه هنگامی که در مناطق غیرقابل دسترسی نصب شده و تعمیر و نگهداری منظم باتری امکان پذیر نباشد. رویکرد برداشت انرژی چرخه عمر دستگاه را افزایش می دهد و محدودیت باتری های شارژ ثابت را به عنوان منبع انرژی از بین می برد. برخی از فاکتورهای اصلی در زیر ذکر شده اند که الزامات مربوط به فناوری برداشت انرژی را در برنامه های اینترنت اشیاء برجسته می کنند.

توان تولیدی

جمع کننده انرژی برای پوشش دادن کاربردهای حوزه IoT ، باید حداقل درحدود چند میلی وات توان تولید کند. جدول ۲ “توان تولیدی بالقوه” را برای فناوری های مختلف برداشت انرژی نشان می دهد.

ردیف فناوری برداشت انرژی توان تولیدی بالقوه صنعتی سازی
۱ ترموالکتریک ۱۰ μW–۱kW تولید گسترده
۲ فتوولتائیک ۱μW–۱MW
۳ الکترودینامیک ۰.۱μW–۱MW
۴ پیزوالکتریک

۱۰ μW–۱۰۰ W

۵ الکترود خازنی( برداشت از طریق حرکت) ۰.۱μW–۱mW تحقیق
۶ پیروالکتریک
۷ خازن بدون الکترود ۰.۱μW–۱MW
۸ تریبو الکتریک
۹ امواج رادیو فرکانسی ۰.۱μW–۱mW تولید محدود
۱۰ مغناطیس ۱۰μW–۱MW آزمایشات عمده

جدول۲- تکنولوژی های مختلف برداشت انرژی و توان تولیدی بالقوه آنها

در رابطه با بررسی انجام گرفته در جدول ۲ ، یک نمای کلی از مصرف برق ماژول های مختلف الکترونیکی در جدول ۳ آورده شده است. این بررسی نشان می دهد که دامنه عملکرد دستگاه های مختلف IoT و سنسورها بین ۰.۱ میکرووات و ۱ وات است که می تواند به راحتی توسط دستگاه های جمع آوری انرژی اداره شود. از آنجا که منابع محیط ذاتاً تصادفی هستند ، ممکن است تأمین انرژی در یک زمان مشخص بیشتر یا کمتر از تقاضای انرژی از طرف دستگاه باشد. بنابراین برای تحویل به موقع برق از دستگاه برداشت به دستگاه های اینترنت اشیا، وجود تجهیزات ذخیره سازی و مدیریت انرژی موثر ضروری است.

ردیف ماژول الکترونیکی محدوده توان مصرفی
۱  ساعت/ماشین حساب ۱μW
۲  برچسب RFID  ۱۰μW
۳  سنسورها/ ریموت ها ۱۰۰μW
۴  حسگرهای بی‌سیم/ سمعک شنوایی ۱mW
۵  فرستنده و گیرنده بلوتوث ۱۰mW
۶  سیستم موقعیت یابی جهانی(GPS) ۱۰۰ mW

جدول۳- نگاهی کلی از مصرف انرژی در ماژولهای IoT و سنسورهای مختلف

مقیاس بندی

با پیشرفت های انجام گرفته در فناوری مدار مجتمع ، اندازه دستگاه های IoT مسئله مهمی ایجاد نمی‌کند زیرا چند ویژگی می‌تواند در یک تراشه واحد ادغام شود. باتری مورد استفاده در طراحی ماژول های معمولی به طور کلی یک سال طول عمر دارد و عامل اصلی در وزن و اندازه کلی ماژول است. اندازه واحد جمع آوری انرژی به عنوان یک واحد تعیین کننده (جایگزین باتری های شارژ ثابت) ، نباید بیشتر از واحد ذخیره سازی انرژی قبلی باشد. بنابراین مقیاس پذیری واحد برداشت انرژی با اندازه ماژول IoT باید متناسب باشد.

پتانسیل های روش برداشت انرژی

اگرچه هزینه اضافی مانعی برای تولید انبوه ماژول های برداشت است و نیاز به توان برخی از فناوری های خاص ممکن است در محدوده فناوری های برداشت نباشد، اما در انطباق گسترده فناوری برداشت انرژی، امکانات زیادی وجود دارد. تعداد کمی از آنها در زیر لیست می شوند:

  • طول عمر تخمینی ماژول برداشت انرژی بالای ۵ سال است. در یک بررسی، مشاهده شده است که برخی از واحدهای برداشت انرژی از ۱۵ سال گذشته بدون تخریب سخت افزار به راحتی کار می‌کنند. بنابراین ، خدمات سخت افزاری منظم در مکان های غیرقابل دسترسی مورد نیاز نیست.
  • سیر تکاملی سخت افزارهای الکترونیکی کم مصرف همراه با رایانش ابری برای پردازش داده ها ، مصرف انرژی در الکترونیک را بیشتر کاهش داده است و امکان برداشت انرژی را افزایش می دهد.
  • یک عامل بالای صرفه جویی در انرژی می تواند در اتوماسیون ساختمان باشد، که در آن سیم های مسی ، مواد ، هزینه نصب و نگهداری با روش برداشت انرژی کاهش می یابد.
  • با رشد صنعت اینترنت اشیاء ، ماژول های جمع آوری انرژی بیشتری پیاده سازی می شود که به نوبه خود هزینه را کاهش می دهد.[۱]

روش‌های کاربردی برداشت انرژی از منابع طبیعی در IoT

با بررسی مجدد جدول ۱ که منابع مختلف برداشت انرژی در آن گردآوری شده بود، می‌توان سه مورد زیر را به عنوان روشهای نوین و کاربردی برداشت انرژی درIoT  معرفی کرد:

  1. انرژی خورشیدی

امروزه مبحث صرفه‌جویی در مصرف انرژی به یکی از مهم‌ترین دغدغه های هر کشور و دولتی تبدیل شده است. در این بین استفاده از شارژر خورشیدی یکی از بهترین و پاک ترین انرژی های جایگزین برای سوخت‌های فسیلی است. در واقع می‌توان گفت شارژر خورشیدی و کاربرد آن در ارتباطات یکی از طرح های بزرگ در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است. انرژی تابشی خورشید در این شارژرها تبدیل به جریان برق شده و باعث شارژ شدن باتری ها و محفظه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی می شود. همانطور که از جدول۲ مشاهده می­شود، شارژرهای مبتنی بر انرژی خورشیدی نسبت به سایر منابع دریافتی انرژی، دارای قدرت شارژر قوی­تری خواهند بود. در دو دهه­ی اخیر استفاده از انرژی خورشیدی در کاربردهای بزرگ مقیاس به مانند تامین انرژی الکتریکی واحدهای خانگی شهرهای کوچک و اتومبیل­های برقی بسیار گسترده شده است. ایده‌ی استفاده از این انرژی پاک در دستگاه­های اینترنت اشیا، در سال‌های اخیر مورد توجه محققان و صاحبان صنایع قرار گرفته است. اگر چه در ابتدای این کار به دلیل مدارات بزرگ واحد برداشت و تبدیل انرژی، مشکلاتی را جهت تجاری‌سازی این تکنولوژی ایجاد کرده بود، اما به لطف پیشرفت مدارهای مجتمع در مقیاس‌های کوچک، پیاده‌سازی عملی این تکنولوژی در دستگاه‑های اینترنت اشیاء به سرعت در حال رشد می‌باشد. در ادامه به بررسی چند دستگاه IoT تجاری‌سازی شده بر مبنای شارژ خورشیدی را معرفی خواهیم کرد.

یکی از انواع شارژرهای خورشیدی که می‌تواند مورد استفاده کاربران قرار گیرد، شارژر خورشیدی برای لپ تاپ و موبایل است. پنل این شارژرها در کیف مربوط به خود گوشی یا بر روی کوله پشتی قرار می گیرد و با برداشت انرژی خورشیدی،کاربران می‌توانند در مواقع مورد نیاز در کوه ها، دشت ها، بیابان ها و جاده ها انرژی مورد نیاز گجت های خود را فراهم کنند. شرکت فناوری BigBlue با بهره­‌گیری از طرح یک کیف برای گوشی همراه، از آن به عنوان پنل‌های خورشیدی و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کند. برای مسافرت­‌های طولانی و گروه‌­های کوه‌نوردی این دستگاه IoT می‌تواند یک دستگاه جذاب باشد.

The Hiluckey solar phone charger spread out on a rock with its four solar panels on display.

شارژر خورشیدی تلفن همراه با پنل متحرک محصول شرکت BigBlue

شارژرهای خورشیدی عمومی

در برخی کشور ها در پارک ها و فضاهای باز از مدل های بزرگ شارژر خورشیدی موبایل استفاده شده است و کاربران می توانند به راحتی و به صورت رایگان گوشی های تلفن همراه خود را در این مکان ها شارژ نمایند. چنین محصولات IoT، تحت عنوان “درخت هوشمند” شناخته می­‌شود.  یکی از این محصولات درخت هوشمند، Strawberry Tree محصول شرکت فناوری Strawberry می‌­باشد.

شارژر عمومی (درخت هوشمند) تلفن همراه و دستگاه های IoT متعلق به شرکت Strawberry

ژاکت خورشیدی

طراحان لباس Tommy Hilfiger ، نوعی ژاکت خورشیدی طراحی کرده ‏اند که بدون در نظر گرفتن مکان، دستگاه های الکترونیکی را شارژ می‌کند. این شرکت به کمک کارخانه محصولات خورشیدی Pvilion  ژاکت‌های سبک ضدآب و پانل‏های خورشیدی منعطف در بالای ژاکت طراحی کرده ‏است. انرژی حاصل از پنل‏‌های خورشیدی نصب شده بر پشت لباس به‌طور مستقیم از طریق کابل USB به درون جیب شخص انتقال می‏یابد و قابلیت شارژ دستگاه میسر می‏شود. همچنین شرکت Baubax لباسی طراحی کرده است که می‌تواند، تلفن همراه، ساعت هوشمند یا هدست بلوتوث را در حالیکه درون لباس قرار دارند بصورت بی‌سیم شارژ کند. به گفته آنها این طراحی در عصر دیجیتال، انقلابی را در سفر کردن ایجاد می‌کند.[۲]

charging jacket iphone

ژاکت خورشیدی طراحی شده توسط شرکت Baubax جهت شارژ بی‌سیم

  • ساعت‌های سولار

همان طور که از نامش پیدا است ساعت‌های سولار انرژی خود را از نور محیط تأمین می‌کنند. در دستور کار این موتورها آمده که منبع اصلی تغذیه آن‌ها نور خورشید است اما منابع دیگری هم مانند لامپ‌های فلورسنت به دلیل اینکه طیف نوری آن‌ها مانند خورشید است، می‌توانند به خوبی وظیفه شارژ کردن را انجام بدهند برای همین ساعت‌های سولار با نور محیط‌های داخلی هم قابل شارژ شدن هستند و حتماً نیاز به نور خورشید ندارند اما با نور خورشید بهتر و سریع‌تر شارژ می‌شوند. نوع عملکرد ساعت‌های سولار معمولاً به این شکل است که زیر صفحه ساعت، سلول‌های خورشیدی کار گذاشته می‌شود تا باهر بازتاب نور خورشید یا منبع نوری دیگری به صفحه، این انرژی تبدیل به الکتریسیته و باتری داخل موتور از این طریق شارژ شود. آقای راجر ریل اولین نفری بود که در سال ۱۹۶۸ ساعت‌های سولار را اختراع کرد و اولین نمونه تجاری خود را به نام سینکورنار در سال ۱۹۷۲ به بازار عرضه کرد.

نمای کلی از مکانیزم برداشت نور و ذخیره سازی در یک ساعت سولار ساخته ی شرکت Citizen

همچنین با پیشرفت های صورت گرفته، ساعت های جدید مجهز به انرژی خورشیدی با نام Solar Instinct توسط شرکت Garmin  تولید شده اند که در صورت دریافت نور کافی خورشید می تواند برای مدت زمان “نامحدود” کار کند. این دستگاه انرژی خورشیدی را هم از طریق نمایشگر خود و هم از طریق یک حلقه فتوولتائیک در اطراف خود برداشت می کند.[۳]

دوربین مداربسته خورشیدی

دوربین خورشیدی در واقع روشی مناسب برای تأمین امنیت محل زندگی خانواده ها ، محل کار ، مزارع و انبارها به شمار می‌رود. در این دوربین ها نیازی به اتصال کابل نیست، چون انرژی خود را از طریق نور خورشید تأمین می‌کنند و اطلاعات را بصورت بی‌سیم برای دستگاه ارسال می‌کنند.

دوربین مداربسته خورشیدی مجهز به ارتباط WiFi و ۴G

این دوربین ها می‌توانند با یک صفحه خورشیدی یکپارچه یا در یک واحد جداگانه ارائه شوند. براساس همین موارد، شرکت KKMoon نوعی دوربین خورشیدی طراحی کرده است که به لطف پنل PV (فتوولتائیک) و اتصال Wi-Fi داخلی، بدون نیاز به هیچگونه کابلی بتوان تصاویر را در هر زمان و هر مکانی از راه دور کنترل کرد و امنیت محیط مورد نظر را افزایش داد. [۴]

این دوربین ها به باتری داخلی قدرتمندی مجهز شده اند تا انرژی را از صفحه های خورشیدی برداشت و ذخیره کنند. به این ترتیب آنها قادر هستند ساعتهای طولانی بدون توجه به آسمان ابری برای چند روز نظارت هوشمند داشته باشند و تصاویر زنده را بصورت بی‌سیم به کاربر ارائه دهند.

  1. انرژی جنبشی

امروزه توسعه صنعت الکترونیک، گجت‌های همراه (موبایل، ساعت هوشمند، آی پاد) با انرژی مصرفی کمی را در اختیار ما قرار داده است، اما اتمام سریع شارژ وسایل الکترونیکی مشکل مشترک تمام گجت‌های همراه است. بنابراین حذف باتری و دسترسی به منبع انرژی دائمی و پاک که همیشه همراه ما باشد ایده وسوسه‌کننده‌ای برای دانشمندان به شمار می‌رود. این ایده باعث ظهور تکنولوژی برداشت‌کننده‌های انرژی پوشیدنی شده است. به زبان ساده این برداشت‌کننده‌های انرژی در لباس یا کفشی که می‌پوشیم یا حتی در داخل بدن کار گذاشته می‌شوند و می‌توانند انرژی تلف‌شده بدن ما را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند، بنابراین مواردی از قبیل انرژی راه رفتن، انرژی حرکت دست‌ها، حتی تپش قلب و حرکت شش‌ها را میتوان به عنوان منابع جنبشی برای برداشت و تبدیل به انرژی الکتریکی درنظر گرفت.  به عبارت دیگر بدن ما باتری‌های نسل آینده خواهند بود. برای مثال برند ژاپنی و مطرح سیکو(Seiko) برای اولین بار از فناوری به نام Kinetic برای تولید ساعت رونمایی کرد. در این فناوری موتورهای کنتیک انرژی حرکت دست را در خازن خاصی ذخیره می‌کنند و این انرژی به موتور ساعت انتقال پیدا می‌کند. با اینکار انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، همچنین با توجه به اینکه مصرف موتورهای کنتیک کم می باشد انرژی خود را از خازن تامین میکنند و قابلیت ذخیره بلند مدت شارژ را دارند.

همانطورکه در جداول ۱ و ۲ اشاره شد، نانوژنراتورهای پیزوالکتریک یکی از انواع برداشت‌کننده‌های انرژی هستند که برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی در سال‌های اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته اند.
حال به تازگی یک استارتاپ دانش بنیان به نام SolePower  با استفاده از این فناوری و از طریق راه رفتن انرژی مورد نیاز برای شارژ باتری دستگاه های مختلف را تأمین کرده است.

بر اساس گزارشات منتشر شده در این روش، یک تراشه بسیار نازک کریستالی اختراع شده و زمانی که تحت فشار قرار گیرد، می تواند انرژی تولید کند و این یعنی اگر این تراشه در حفره های کفش تعبیه شود، با هر قدمی که برمی داریم انرژی الکتریکی توسط تراشۀ تعبیه شده در کفش تولید می‌شود که این انرژی به گجت همراه منتقل می‌شود و آن را شارژ می کند.

شارژ گجت همراه با راه رفتن، توسط تراشه بکار رفته در کفش

این فناوری می‌ تواند به ازای هر متر مربع پیاده روی انرژی معادل ۱۰ وات تولید کند و خالقان آن معتقدند این نیرو می تواند به ۱۰ کیلووات افزایش پیدا کند.[۵]

  1. امواج رادیو فرکانسی

همانطورکه در این مقاله اشاره شد، اخیراً توجه زیادی به فناوری های برداشت انرژی در شبکه های ارتباطی شده است و برخی مطالعات، برداشت انرژی از منابع تجدیدپذیر طبیعی مانند انرژی خورشیدی، باد و… را بررسی کرده اند. با این حال به خاطر 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. برای غلبه بر محدودیت‌های ذکرشده، فناوری انتقال انرژی بی سیم معرفی شده است.

فناوری های انتقال انرژی بی‌سیم براساس مکانیزم فیزیکی که درآن ها بکار برده شده است، به سه دسته جفت القایی، جفت رزونانس مغناطیسی و تابش الکترومغناطیسی  قابل طبقه بندی هستند.

که در میان آن ها، دو نوع جفت القایی وجفت رزونانس مغناطیسی از خاصیت میدان نزدیک و غیرتابشی الکترومغناطیسی، که مجهز به آنتنی برای انتقال برد نزدیک و توان بالا هستند، استفاده می‌کنند. برای جفت القایی می‌توان کاربردی مانند شارژ موبایل های هوشمند را بیان کرد، شرکت های مطرحی از قبیل سامسونگ، Google ، سونی و … در سال‌های اخیر از این فناوری برای شارژ تلفن های همراه به خوبی استفاده کرده اند. برای روش جفت رزونانس مغناطیسی هم می‌توان شارژ خودروهای جدید برقی را مثال زد، در این روش برد عملیاتی می‌تواند در حد چند متر بزرگتر باشد.

با توجه به محدودیت هایی که در دو روش قبل وجود دارد و همچنین درنظر گرفتن خاصیت تابشی میدان دور امواج الکترو مغناطیسی، روش رادیوفرکانسی برای انتقال انرژی بی‌سیم معرفی شد. در این روش از سیگنال های RF برای انتقال شارژ استفاده می‌شود که درآن می‌توان در محیطی گسترده تر با یک هزینه تولید پایین، انرژی را با بهره خوبی انتقال داد. از جمله کاربردهای مختلف این روش را می‌توان خانه های هوشمند، RFID ها، نظارت امنیتی، مدیریت انبارها، تشخیص آتش سوزی جنگل‌ها و شبکه های حسگر بی‌سیم نام برد. گیرنده های انرژی رادیو فرکانسی در کاربردهای عملی ارزان قیمت هستند و از لحاظ مکان قرارگیری دارای انعطاف می‌باشند همچنین به صورت خیلی کوچک ساخته می‌شوند تا مناسب دستگاه های تجاری باشند. علاوه براین انتقال انرژی به چندین گیرنده به خاطر خاصیت انتشار مایکروویو به سادگی امکانپذیر است و محدودیت روشهای قبلی را ندارد. بنابراین این روش را می‌توان یک راه حل جدید و موثر برای تأمین انرژی دستگاه های بی‌سیم و IoT درنظر گرفت.[۶]

RFID E-ZPass، که برای کنترل ترافیک به میله متصل شده است

منابع:

[۱] https://www.Intechopen.com/

[۲] https://www.Pvilion.com/

[۳] https://www.Popsci.com/

[۴] http://offgridpowerboom.com/

[۵] https://crunchwear.com/

[۶] S. 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