الأكثر شيوعاً في هذا العصر هي أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المحمولة باليد كـالهواتف الذكية والساعات الذكية.
لقد أصبح من المستحيل تخيُّل وقيادة حياة بدون مساعدة الحوسبة البرّاعة. وأفضل ما في الأمر هو أننا ما زلنا نتخلص من سطح إمكانات الحوسبة الهائلة الكامنة في سبات داخل مثل هذه الآلات التي تبدو ذكية.
مع ظهور إنترنت الأشياء (IoT) الذي نقل تكنولوجيا الحوسبة إلى مستوىً جديد وأعاد تعريف كلمة "ذكية" (كيف يمكن للمدن الذكية أن تساعد في بناء عالم أفضل في مرحلة ما بعد الوباء)، من الإنصاف القول أن الإثارة قد بدأت للتو.
في هذه المقالة ستتم الإجابة عن سؤالاً مُثيراً: "كيف يشعر المستشعر؟" ونُركز على فيزياء عمل المستشعر.
ما هو إنترنت الأشياء (IoT)؟
كما يوحي الاسم، فإن إنترنت الأشياء مظلّة تشمل جميع أنواع الأجهزة. إما أنهُ مُدمج في نظام أو موجود ككيان فردي. في كلتا الحالتين فإن المِفتاح هو أنهم يتواصلون (أو يتحدثون) مع بعضهم البعض عبر الإنترنت. يحتوي كل جهاز من هذه الأجهزة على جهاز إرسال واستقبال مضمن يعمل على تنفيذ عملية الاتصال باستخدام الإنترنت.
ولكن تختلف أنظمة إنترنت الأشياء وليس بالضرورة أن يكون مناسباً لجميع التطبيقات ففي الواقع هم أقرب إلى البشر حيث إنَّ كُلَّ إنساناً يمتلك البراعة بشيءٍ ليس بالضرورة مشابهاً للآخرين
ومع ذلك، فإن كل نظام إنترنت الأشياء ليس هو نفسه وليس بالضرورة مناسبًا لجميع التطبيقات. في الواقع، هُم أقرب إلى البشر. كل فرد رائع ومُبهر في شيء ما. لا يمكنك أن تتوقع من ممثل يقود طائرة وأن يقوم الطيار بدور في فيلم! وبالمثل، لا يمكنك توقع قيام نظام إنترنت الأشياء (وجهاز) واحد بعمل كل شيء. ومن ثم يصمم المهندسون أنظمة مختلفة لأداء مهام مختلفة لتقديم أفضل النتائج الممكنة.
في الأعمال التجارية الحديثة، يعتبر العميل ملكاً وهذا صحيح في جميع الصناعات. ومن ثم، يقوم مصممو النظام دائمًا بتصميم وإنتاج وشحن أنظمة إنترنت الأشياء لتوفير تجربة مستخدم سلسة.
قبل استكشاف الأجزاء الداخلية لجهاز إنترنت الأشياء، من المهم التمييز بين الجهاز والنظام.
الجهاز يشبه العضو الفردي، بينما النظام يشبه الفريق الذي يشمل الفرد. وبالتالي، فإن الجهاز هو جزء من النظام، والعكس صحيح.
مكونات نظام إنترنت الأشياء
يشتمل أي نظام على عدّة مكونات فردية (ومكونات فرعية) تعمل بشكل جماعي نحو تحقيق هدف مشترك. وكونك جزءًا من نظام (فريق) يضمن لك إنتاجية أعلى ويحقق نتائج أفضل. المكونات الرئيسية لنظام إنترنت الأشياء هي:
- أجهزة الاستشعار لاستشعار الكميات المادية.
- وحدة تحكم دقيقة مركزية في الموقع تتحكم في جميع الإجراءات التي تقوم بها أجهزة الاستشعار والمكونات الأخرى.
- السحابة وتحليل البيانات ومعالجتها لتحليل ومعالجة البيانات المستلمة.
- جهاز الإرسال والاستقبال لإنشاء اتصال بين مختلف أجهزة الاستشعار ووحدة التحكم الدقيقة وخادم السحابة المركزية عبر الإنترنت.
- واجهة مستخدم للتواصل مع المهام التي يطلبها المستخدم وتنفيذها.
مستشعرات إنترنت الأشياء: الجسر إلى العالم الحقيقي
- وحدة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحديد الموقع.
- مستشعر درجة الحرارة لاستشعار درجة الحرارة المحيطة.
- ميكروفون لاستشعار صوت المستخدم.
- مستشعر القرب لاستشعار مسافة المستخدم من الهاتف وقفله أثناء المكالمة.
تستخدم التطبيقات المختلفة على الهاتف الذكي مستشعرات مختلفة. على سبيل المثال ، تحتوي خرائط جوجل (Google Maps) على واجهة مستخدم (تطبيق) للتفاعل مع وحدة GPS وجمع إحداثيات الموقع. يقوم التطبيق بمعالجة البيانات عبر اتصال بالإنترنت لمساعدة المستخدم على التوجيه إلى وجهته/وجهتها.
نظام إدارة البطارية (BMS) هو مثال آخر لنظام إنترنت الأشياء الذي يستخدم أجهزة استشعار متعددة. نظام إدارة البطارية هو نظام إلكتروني يحمي ويدير عمليات البطارية. باختصار: هو المسؤول الشخصي عن البطارية.
يعمل المستشعر كبوابة بين عالم الحوسبة والعالم الحقيقي. وبالتالي، يحتاج المستشعر إلى تحويل كل ما يستشعره في العالم الحقيقي إلى شيء خاص تفهمه آلة الحوسبة.
الحمد لله، الرابط المشترك بين العالمين هو الطاقة الكهربائية!
ومن ثم، نصل إلى التعريف الفني للمستشعر: مستشعر في نظام إنترنت الأشياء يستشعر الكمية المادية المطلوبة ويحولها إلى إشارة كهربائية يتم إرسالها إلى الخادم المركزي المستند إلى السحابة مباشرةً أو عبر وحدة تحكم دقيقة في الموقع..
الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وآلية الاستشعار لمستشعرات إنترنت الأشياء
الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (أو MEMS) هي تقنية أنظمة ميكروية (MST) تتكون من مكونات دقيقة تتكون من مادة شبه موصلة مثل السيليكون بحجم يكمن في نطاق الميكرومتر.
إمعظم المستشعرات التي تكتشف الطاقة الميكانيكية تستخدم تقنية MEMS بطريقة أو بأخرى.
نظرًا لأن مادة التصنيع الخاصة بتكنولوجيا MEMS هي أشباه موصلات، فإن الميزة الأساسية هي أنه يمكن دمجها في دائرة متكاملة (IC). تتضمن الدائرة المتكاملة مكونات حوسبة أخرى (تتكون أيضًا من مادة شبه موصلة) تعمل على البيانات الواردة من المستشعرات.
الحجم الصغير وتكامل الرقائق يقللان التكلفة بشكل كبير. يمكنك حرفياً شراء مقياس تسارع قائم على تقنية MEMS بأقل من 3.34 دولار. وتتميز المستشعرات القائمة على MEMS بحساسية عالية وتكتشف التغييرات الدقيقة والتي لم يكن من الممكن تصورها مع سابقاتها.
أنواع آليات الاستشعار ومبدأ العمل
اعتمادًا على التطبيق، قد يشتمل النظام على جهاز استشعار واحد أو أكثر يستشعر كمية مادية مختلفة، وبالتالي يكون له آلية استشعار فريدة. أكثر آليات الاستشعار شيوعًا في تقنية النظم الكهروميكانيكية الصغرى والتي تحول التغيير المادي إلى إشارة كهربائية هما:
- الاستشعار القائم على المقاومة
- الاستشعار القائم على السعويّة
تستخدم آلية الاستشعار في كلا النوعين مبدأً بسيطاً: أي تغيير في الكمية المادية يتم التقاطها من خلال تغيير المقاومة الكهربائية أو سعة المادة المستخدمة في المستشعر. وبالتالي، فإنَّ التغيير الأكبر في الكمية المادية يظهر تغيراً أكبر في مقاومة أو سعة المادة والعكس صحيح.
الفرق الرئيسي بين النوعين هو عمل الآليتين. يستخدم نظام الاستشعار القائم على المقاومة، مقاومًا بينما يستخدم نظام الاستشعار القائم على السعوية مكثفًا.
آلية الاستشعار القائمة على المقاومة (باستخدام تقنية MEMS)
تستخدم مقاومات المقاومة لقياس وتحليل ومراقبة ومتابعة الكميات الفيزيائية المختلفة، وكلما تغيرت كمية مادية (مثل الضغط)، فإن مقدار التغيير في المقاومة الكهربائية يحدد مقدار تغير الكمية.
يخضع التغيير في المقاومة الكهربائية لمبادئ فيزيائية مثل تأثير موصل ضوئي وتأثير مقاوم للحرارة لأشباه الموصلات وتأثير مقاومة بيزو.
الاستشعار عن طريق التغييرات في الهندسة الفيزيائية: تعتمد المقاومة الكهربائية للمادة على هندسة المادة وطولها ومنطقة المقطع العرضي. أي تغيير في الطول و/أو منطقة المقطع العرضي سيؤثر بشكل مباشر على مقاومة المادة.
تأثير مقاومة الضغط: المادة المقاومة للانضغاط هي مادة خاصة تتغير مقاومتها الكهربائية عندما تتعرض المادة لتشوه ميكانيكي مثل الدفع أو السحب أو الانضغاط. ومن ثم فإن أجهزة استشعار الضغط والاهتزاز والتسارع التي تقيس إنترنت الأشياء تستخدم عادة مواد مقاومة للضغط.
آليات الاستشعار الأخرى القائمة على المقاومة المستخدمة في مستشعرات إنترنت الأشياء
على الرغم من أن مستشعرات إنترنت الأشياء القائمة على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) فعَّالة للغاية بالنسبة للكميات الميكانيكية والفيزيائية، إلا أن عملية أجهزة الاستشعار المقاومة التي تكشف عن الكميات غير الميكانيكية مثل الضوء ودرجة الحرارة ليست هي نفسها. وبالتالي، تتغير آلية الاستشعار.
- استشعار الضوء: لاكتشاف الضوء، يلزم استخدام مادة خاصة حساسة للضوء. تكتشف النباتات الضوء بمساعدة جزيئات خاصة تسمى المستقبلات الضوئية. وبالمثل، فإن أيّ مستشعر حساس للضوء يستخدم مقاومات الضوء - وهي مادة تقل مقاومتها الكهربائية مع زيادة شدة الضوء. المقاوم المعتمد على الضوء أو المعروف باسم LDR هو مستشعر إنترنت الأشياء شائع الاستخدام للكشف عن الضوء.
- استشعار درجة الحرارة: على غرار استشعار الضوء، يتطلب استشعار درجة الحرارة أيضًا مواد تستجيب للتغيرات في درجة الحرارة المحيطة. تتكون معظم أجهزة استشعار درجة الحرارة من ثرمستور - وهي مادة تقل مقاومتها الكهربائية مع زيادة درجة الحرارة. على سبيل المثال، أحد المعايير المستخدمة لمنع الشحن الزائد لبطاريات الليثيوم أيون الحديثة هو اكتشاف درجة حرارة البطارية بمساعدة الثرمستورات.
- أجهزة الاستشعار الكيميائية: تستخدم هذه المستشعرات لاكتشاف مادة كيميائية معينة. يحتوي المستشعر على طبقة استشعار مكونة من مادة تتغير مقاومتها كلما تفاعلت مع المادة الكيميائية. على سبيل المثال، تستخدم العديد من أنظمة إنترنت الأشياء مستشعر الغاز من سلسلة (MQ - (MQ9 ،MQ2 ،MQ7، إلخ. يكتشف وجود أنواع مختلفة من الغازات مثل أول أكسيد الكربون وغاز البترول المسال والميثان.
 |
| مستشعرات مقاومة |
التحويل إلى الإشارات الكهربائية
يمكن القول إن ثاني أكثر المعادلات العلمية شيوعًا، قانون أوم (V = IR)، الذي يؤسس علاقة مباشرة بين التيار الكهربائي والجهد والمقاومة. يكمن جمال هذا القانون في أنه يمكن تحويل أي تغيير طفيف في المقاومة إلى إشارة كهربائية (جهد أو تيار) في لمح البصر.
 |
| تحويل التغيير المادي في الاستشعار المقاوم إلى إشارات كهربائية |
ومن ثم، فإن كل مستشعر الإنترنت الأشياء يعتمد على المقاومة (بما في ذلك تقنية MEMS) يستخدم قانون أوم بشكل مباشر أو غير مباشر.
آلية الاستشعار القائمة على السعويّة في مستشعرات إنترنت الأشياء
تلتقط آلية الاستشعار القائمة على السعوية التغير في الكمية المادية عن طريق تغيير سعة المادة، وتعتمد (مثل المقاومة) على الهندسة الفيزيائية للمادة.
تعتمد جميع أنظمة الاستشعار القائمة على السعوية في الغالب بشكل أساسي على التغييرات في الهندسة الفيزيائية - المساحة والمسافة، والقدرة السعوية للمادة الموصوفة بكمية الشحنة التي يمكن تخزينها.
يُعد مستشعر اللمس أحد أكثر أجهزة الاستشعار القائمة على السعويّة شيوعًا في نظام إنترنت الأشياء. يستخدم الهاتف الذكي شاشة تعمل باللمس تتكون من العديد من أجهزة استشعار اللمس. وفي الأساس، هو مستشعر ضغط يكتشف الضغط / القوة من اللمس الجسدي.
عندما يتم تحفيز الشاشة عن طريق اللمس المادي، فإن الضغط الذي يمارسه يغير المنطقة والمسافة، مما يؤدي إلى تغيير في قيمة السعة تحت الشاشة.
يعمل هذا التغيير في السعة كمفتاح كهربائي يقود الإشارة الكهربائية إلى المرحلة التالية.
 |
| عمل مستشعر اللمس بالسعة ثنائي وثلاثي الأبعاد |
على غرار أنظمة الاستشعار القائمة على المقاومة التي تستخدم قانون أوم، فإن الأنظمة القائمة على السعويّة لها علاقة فريدة خاصة بها تحدد التغيير في السعة الكهربائية إلى الجهد والتيار.
الاستشعار بالسعة مقابل الاستشعار المقاوم
في الاستشعار المقاوم، تتطلب بعض الكميات الفيزيائية مثل الضوء ودرجة الحرارة نوعًا خاصًا من المواد. هذه نعمة ونقمة! من ناحية، يكون تباين المقاومة فريدًا للكمية التي يتم قياسها. ولكن على الجانب الآخر، يتطلب هذا التفرد إجراء قياس / استشعار مختلف تمامًا.
بينما تحافظ معظم أنظمة الاستشعار القائمة على السعوية على إجراء استشعار موحد حيث أن التغيير يرجع في المقام الأول إلى الاختلافات في الهندسة الفيزيائية. وهي جديدة نسبيًا مقارنة بنظيرتها المقاومة وتقتصر حاليًا على أنظمة الاستشعار الميكانيكية باستخدام تقنية MEMS.
يعتبر تصنيع تصميم المستشعر جزءًا واحدًا فقط من إنترنت الأشياء. فيجب على النظام معالجة البيانات الواردة بشكل فعّال وتقديم نتائج تتمحور حول التطبيق من خلال تلبية متطلبات المستخدم.
اخترقت مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعة التحويلية وأتمت معظم العمليات اليدوية مما أدى إلى فرع جديد تمامًا يسمى إنترنت الأشياء الصناعي (IIOT).
على عكس أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية، فإن تقنية إنترنت الأشياء لم تفرض بعد تحولًا جذريًا في حياتنا. حتى ذلك الحين، يحتاج النظام البيئي لإنترنت الأشياء بأكمله إلى مواصلة التطور.