تخيل أن ساعتك الذكية تنفد بطاريتها قبل العشاء. ستفوتك التنبيهات، وعدد الخطوات، ومعلومات معدل ضربات القلب. عمر البطارية القصير يُسبب استياء المستخدمين.
أول ما يلاحظه المستخدمون هو البطارية. قصر عمر البطارية والحاجة المستمرة للشحن تجعل المستخدمين غير راضين.
يواجه المصممون تحديًا كبيرًا. إذ يتعين عليهم إضافة المزيد من الميزات إلى الأجهزة القابلة للارتداء الصغيرة دون استهلاكها المفرط للطاقة. لذا، يجب عليهم مراقبة استهلاك الطاقة بدقة. فالأساليب القديمة والثابتة لتوليد الطاقة لا تستطيع مواكبة تغير عادات المستخدمين، مما يؤدي إلى هدر الطاقة. وهذا بدوره يؤدي إلى الشحن المتكرر ونفاد البطارية فجأة.
تشرح هذه المقالة كيفية تحسين استهلاك الطاقة في تصميم الأجهزة القابلة للارتداء. وتقدم خطة واضحة لتحقيق التوازن بين الأداء واستهلاك الطاقة وتجربة المستخدم. ستتعرف على المشكلة، وتستعرض خيارات الطاقة، وتتعلم كيفية اتخاذ قرارات ذكية.
الوجبات السريعة الرئيسية
اختر مكونات منخفضة الطاقة مثل MSP430 أو ARM Cortex-M0+ لجعل البطارية تدوم لفترة أطول.
استخدم دورة التشغيل لتشغيل وإيقاف المستشعرات على شكل نبضات، مما يقلل من استهلاك الطاقة بأكثر من النصف.
استخدم الاستشعار الواعي بالسياق لتغيير استخدام الطاقة بناءً على ما يفعله المستخدم، مما يوفر البطارية عندما يكون في حالة راحة.
استخدم تقنيات حصاد الطاقة وإدارة الطاقة القائمة على الذكاء الاصطناعي لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.
حقق التوازن بين الأداء والكفاءة من خلال إرسال المهام الثقيلة إلى جهاز مرافق واستخدام بروتوكولات لاسلكية منخفضة الطاقة مثل BLE.
استهلاك الطاقة في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء
كل جهاز قابل للارتداء تصنعه يعاني من نفس المشكلة: استهلاك طاقة محدود في حجم صغير. عليك معرفة أين تُستهلك هذه الطاقة قبل أن تتمكن من تحسين أي شيء. تستهلك المستشعرات والمعالجات وأجهزة الراديو اللاسلكية والشاشات الطاقة بشكل رئيسي . كل جزء منها يستهلك جزءًا من البطارية، وتحدد هذه الأجزاء مجتمعةً مدة عمل جهازك.
استهلاك الطاقة الأساسي في الأجهزة القابلة للارتداء
تستمر أجهزة الاستشعار في جمع البيانات. تقوم المعالجات بتحويل هذه البيانات إلى معلومات مفيدة. ترسل أجهزة الراديو اللاسلكية النتائج إلى الهاتف أو السحابة. تعرض الشاشات للمستخدمين المعلومات المهمة. يستهلك كل جزء الطاقة بطريقته الخاصة، ومن الضروري معرفة الأرقام.
فئة المكونات | مكون محدد | استهلاك الطاقة |
|---|---|---|
مستشعر (قياس معدل ضربات القلب) | مستشعر الوشم الإلكتروني | 3 ميغاواط |
مصفوفة OLED قابلة للتمدد مزودة بمستشعر PPG | 16.5 ميغاواط | |
دائرة متكاملة لقياس إشارة PPG باستخدام الاستشعار المضغوط | 1.66 ميغاواط | |
نظام ذو معدل أخذ عينات عالٍ | 13.468 ميغاواط | |
المعالج (حساب معدل ضربات القلب) | معالج BioAIP | 46.8 ميكرون |
معالج الشبكة العصبية الثلاثية | 746 نو | |
تحويل فورييه الإحصائي منخفض الطاقة | 2.4 ميغاواط | |
لاسلكي (إرسال) | رقعة استشعار لاسلكية بتقنية البلوتوث | أقل من 3 ميلي واط |
خوارزمية ضغط DCT-IV | أقل من 5 ميلي واط | |
تعديل تكيفي للتغذية الراجعة الديناميكية | 60 ميغاواط | |
نظام مراقبة معدل ضربات القلب مع نقل لاسلكي | 44.57 ميغاواط | |
نظام إرسال لاسلكي محمول ثلاثي الأسلاك |
الفرق مذهل. معالج شبكة عصبية صغير يستهلك 746 نانوواط فقط، بينما يستهلك نظام نقل لاسلكي كامل 72.6 ميلي واط. هذا الفرق هائل. اختيارك للمكونات يؤثر بشكل مباشر على استهلاكك للطاقة.
دور عامل الشكل في عمر البطارية
يُحدِّد حجم جهازك القابل للارتداء سعة بطاريته. فكلما صغر حجم البطارية، قلت قدرتها على تخزين الطاقة . على سبيل المثال، يتميز الخاتم الذكي بمساحة أصغر بكثير من الساعة الذكية، لذا فإن بطاريته تخزن طاقة أقل. هذا القيد يدفعك للتفكير في كفاءة الطاقة منذ البداية.
يُساهم شراء قطع غيار تستهلك طاقة أقل في إطالة عمر البطارية. لذا، تُصبح خطط إدارة الطاقة بالغة الأهمية. لا يكفي مجرد إضافة بطارية أكبر، بل يجب خفض استهلاك الطاقة.
فكّر في الاتصالات اللاسلكية. يستهلك بثّ بيانات البلوتوث منخفض الطاقة (BLE) في الوضع السريع حوالي 0.48 مللي أمبير ، وفي الوضع المتوسط حوالي 0.078 مللي أمبير، بينما يستهلك الوضع البطيء 18 ميكرو أمبير فقط. يعمل المتحكم الدقيق لديك بحوالي 4 مللي أمبير عند التشغيل، في حين يستهلك مستشعر وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) أقل من 5 ميكرو أمبير. تُظهر هذه الأرقام مدى أهمية خطة الاتصالات لديك.
يجب أن يوازن نظام إدارة الطاقة لديك بين كل هذه الجوانب. عليك تحديد الأجزاء التي تبقى قيد التشغيل وتلك التي تتوقف عن العمل. عليك اختيار وقت إرسال البيانات ووقت حفظها محليًا. كل خيار يؤثر على عمر البطارية وتجربة المستخدم.
تصميم الأجهزة لتحسين استهلاك الطاقة المنخفضة
يبدأ اختيار المكونات المناسبة بمعرفة ميزانية الطاقة لديك. أنت بحاجة إلى معالجات قادرة على العمل في وضع السكون العميق، ومستشعرات تستهلك كميات ضئيلة من الطاقة. يستخدم معالج GPX10 من شركة Ambient Scientific تصميمًا خاصًا للحوسبة التناظرية داخل الذاكرة، مما يُمكّن الأجهزة الطبية القابلة للارتداء من تشغيل الذكاء الاصطناعي لأشهر باستخدام بطاريات صغيرة. تُعدّ هذه خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا الرقائق فائقة الكفاءة في استهلاك الطاقة.
تُحدد خيارات مكونات جهازك خطة استهلاك الطاقة. اختر نظامًا متكاملًا على شريحة واحدة (SoC) مزودًا بعدة أوضاع لتوفير الطاقة. اجعل المعالج الرئيسي في وضع السكون معظم الوقت. استخدم وحدة تحكم منخفضة الطاقة للغاية لجمع البيانات باستمرار، حيث تُفعّل هذه الوحدة المعالج الرئيسي فقط عند الحاجة. يُوفر هذا التصميم المنفصل الكثير من الطاقة.
فكّر ملياً قبل اختيار شاشتك. شاشات AMOLED، التي تُتيح إطفاء كل بكسل على حدة، تستهلك طاقة أقل بنسبة تصل إلى 40% مقارنةً بشاشات LCD. هذا الفرق مهم في الأجهزة الصغيرة. يبقى حجم البطارية كما هو، لذا فإن كل ميلي واط توفره يُطيل عمرها.
اختيار المكونات الموفرة للطاقة
ابدأ بالمعالج. ابحث عن رقائق تستهلك طاقة منخفضة بطبيعتها. لا تزال عائلة MSP430 خيارًا جيدًا للمهام البسيطة. أما للمهام الأكثر تعقيدًا، فابحث عن معالجات مزودة بتقنية تغيير الجهد والتردد الديناميكي (DVFS) . تُغير هذه التقنية الجهد والسرعة بناءً على احتياجات النظام في تلك اللحظة. أثناء المهام البسيطة، يعمل النظام بسرعة أقل . وعندما يحتاج المستخدم إلى استجابة سريعة، تزداد سرعة المعالج. تُشير الدراسات إلى أن تقنية DVFS تُوفر ما بين 27.74% و47.74% من الطاقة في تصميمات VLSI منخفضة الطاقة. يُظهر هذا النطاق توفيرًا حقيقيًا وقابلًا للقياس في استهلاك الطاقة.
يُعد اختيارك للاتصال اللاسلكي مهمًا أيضًا. لا تزال تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة (BLE) هي المعيار للأجهزة القابلة للارتداء، فهي تعمل بكفاءة عالية مع دورات التشغيل المنخفضة. أما تقنية NFC، فتستهلك طاقة أقل بكثير للمسافات القصيرة جدًا. احتفظ بشبكة Wi-Fi أو بيانات الهاتف المحمول لعمليات نقل البيانات النادرة وعالية السرعة.
تتطور تقنيات البطاريات باستمرار. تعمل الأنودات المركبة من السيليكون والكربون على زيادة كثافة الطاقة بنحو 25% دون زيادة حجم الجهاز، مما يعني طاقة أكبر في نفس الحجم. كما تُضيف تقنية حصاد الطاقة خيارًا آخر. إذ تقوم شريحة bq25570 المتكاملة من شركة Texas Instruments باستخلاص الطاقة الضعيفة من حرارة الجسم أو الحركة أو الضوء، ثم ترفع جهد الإدخال من 300-400 مللي فولت إلى 3-5 فولت لشحن البطارية. صحيح أن الطاقة المحصودة وحدها لا تكفي لتشغيل ساعة ذكية، إلا أنها تُحسّن أداء البطارية وتُطيل مدة تشغيلها.
تصميم لوحة الدوائر المطبوعة وتقنيات التحكم في الطاقة
يؤثر تصميم لوحة الدوائر بشكل مباشر على إدارة الطاقة. استخدم تقنية التحكم في الطاقة لإيقاف تشغيل المكونات غير المستخدمة تمامًا، مما يقلل من تيار التسريب في الأجزاء الخاملة. يعمل تغيير الجهد الديناميكي بالتزامن مع التحكم في الطاقة، ليشكلا معًا خطة شاملة لخفض استهلاك الطاقة.
صمم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الخاصة بك باستخدام مسارات طاقة متعددة. تتحكم دائرة إدارة الطاقة المتكاملة (PMIC) في الطاقة وتوزعها عبر هذه المسارات. تتولى دائرة إدارة الطاقة المتكاملة (PMIC) عملية الشحن وتضيف ميزات أمان. كما أنها توفر مستويات جهد مختلفة للمكونات المختلفة. على سبيل المثال، قد يعمل مسار المستشعر بجهد 1.2 فولت بينما يحتاج مسار الراديو إلى 1.8 فولت.
تُعدّ إدارة الحرارة مهمة أيضاً. فزيادة استهلاك الطاقة تُولّد حرارةً أكبر، وهذه الحرارة قد تُسبّب عدم الراحة أو مشاكل تتعلق بالسلامة للأجهزة التي تُرتدى على الرأس أو المعصم. لذا، يُنصح باستخدام لوحات دوائر مطبوعة ذات مقاومة حرارية منخفضة لتوزيع الحرارة بشكل جيد. كما تُقلّل المكونات عالية الكفاءة من النقاط الساخنة قبل ظهورها.
أوقف تشغيل الساعات الطرفية غير المستخدمة داخل النظام على شريحة واحدة (SoC). كل ساعة نشطة تستهلك طاقة. اضبط تنسيقات إطارات البيانات المُحسّنة لتقليل حجم الحمولة. الحمولة الأصغر تعني أوقات إرسال أقصر، وبالتالي أوقات إرسال أقصر تعني طاقة لاسلكية أقل.
قم بتوصيل أجزاء تنبيه المريض، مثل أجهزة الاهتزاز ومصابيح LED والشاشات، بوحدة التحكم فائقة الكفاءة في استهلاك الطاقة. يتيح هذا الإعداد للمعالج الرئيسي البقاء في وضع السكون، حيث تتولى وحدة التحكم منخفضة الطاقة المهام البسيطة، ولا تُفعّل المعالج الرئيسي إلا لإجراء التحليلات المعقدة. يساهم هذا التصميم في زيادة وقت السكون وتقليل استهلاك الطاقة.
يجب أن تراعي خطة إدارة الطاقة كل جزء، فكل خيار يؤثر على النظام بأكمله. تساهم الإدارة الجيدة للطاقة في إطالة عمر البطارية، ويوازن التصميم المدروس بين الأداء والكفاءة. والنتيجة هي جهاز يدوم طوال اليوم ويضمن رضا المستخدمين. في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء، كل قرار مهم، لذا فهي تتطلب نهجًا شاملًا للنظام. تبدأ كفاءة الطاقة من مستوى المكونات، ويتجاوز هذا التحسين مجرد تحسين الأجزاء الفردية.
استراتيجيات البرمجيات والاتصالات لإدارة الطاقة
تُحدد خياراتك من المكونات الأساسية، بينما يُحدد نظام التشغيل مدى كفاءة استخدامك لهذه الطاقة. يُمكن للبرامج الذكية أن تُطيل عمر البطارية بشكل كبير دون الحاجة إلى تغيير أي مكونات. الفكرة الرئيسية هي معرفة متى يجب أن يكون جهازك نشطًا ومتى يُمكنه الدخول في وضع السكون بأمان.
تحسين البرامج الثابتة ودورة التشغيل
يُعدّ نظام التشغيل الدوري أحد أقوى أدوات إدارة الطاقة. فبدلاً من تشغيل الحساسات باستمرار، يتم تشغيلها بنبضات منخفضة خلال فترات الخمول. على سبيل المثال، حساس غاز مزود بسخان يستهلك 34 مللي أمبير بشكل مستمر. بتشغيل هذا السخان بنبضات بنسبة 40%، ينخفض متوسط التيار إلى 15.65 مللي أمبير، وينخفض استهلاك الطاقة من 102 مللي واط إلى 46.95 مللي واط . يبقى الحساس دافئًا بما يكفي للاستجابة السريعة، ومع ذلك يتم توفير أكثر من نصف الطاقة.
تتبع العملية نمطًا بسيطًا. أولًا، سخّن المستشعر مسبقًا بتيار نبضي بتردد 2 كيلوهرتز. لا يؤدي استخدام دورة تشغيل أعلى من 40% إلى تقليل وقت التسخين بشكل ملحوظ. ثانيًا، انتقل إلى وضع الخمول، مع الحفاظ على نبضة التيار بنسبة 40% للحفاظ على الحرارة. أخيرًا، عند الحاجة إلى قراءة، طبّق تيارًا مستمرًا كاملًا. تعمل الحرارة المخزنة على رفع درجة حرارة المستشعر بسرعة إلى درجة حرارة التشغيل، مما يقلل من هدر الطاقة أثناء الانتظار.
يُعزز استخدام البرامج الثابتة المُعتمدة على الأحداث هذه الوفورات. استبدل حلقات الاستقصاء بمنطق يعتمد على المقاطعات . قم بتجميع المهام بحيث تُنفذ في دورة تنبيه واحدة. أوقف تشغيل الأجهزة الطرفية والساعات غير المُستخدمة. استخدم الوصول المباشر إلى الذاكرة لنقل البيانات. كل طريقة من هذه الطرق تُقلل وقت التشغيل، ووقت التشغيل يستهلك طاقة.
يُعزز التعلم الآلي المدمج هذا المفهوم. إذ يتكيف التعلم العميق المعزز مع عادات كل مستخدم في الوقت الفعلي. ويتحكم نظام متعدد العوامل بكل جزء على حدة. كما يُسرّع التعلم النقل عملية الإعداد للمستخدمين الجدد. يُطيل هذا النهج عمر البطارية بنسبة 36% ويرفع مستوى رضا المستخدم بنسبة 25% . يتعلم جهازك متى تنام، ومتى تمارس الرياضة، ومتى تتفقد التنبيهات، ويُعدّل عملياته وفقًا لذلك.
الاستفادة من بروتوكولات لاسلكية منخفضة الطاقة
يُحدد اختيارك للاتصال اللاسلكي ميزانية الطاقة الإجمالية. لا تزال تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة (BLE) هي المعيار للأجهزة القابلة للارتداء، حيث توفر عمر بطارية يتراوح بين 3 و5 سنوات . أما بروتوكولات LPWAN، فيمتد عمرها إلى 10-15 عامًا، لكنها تُناسب استخدامات "التثبيت والتشغيل" بشكل أفضل من الأجهزة القابلة للارتداء التفاعلية. ويكمن الفرق في زمن الاستجابة ومعدل نقل البيانات. تتعامل تقنية BLE بكفاءة مع عمليات الإرسال المتكررة والصغيرة، بينما تتألق تقنية LPWAN في نقل التحديثات النادرة والصغيرة عبر مسافات طويلة.
يُقلل تفويض العمليات الحسابية إلى جهاز مُصاحب من استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 20%. يقوم جهازك القابل للارتداء بجمع البيانات الأولية، وإرسالها إلى الهاتف، ثم يستقبل النتائج المُعالجة. هذا يُخفف العبء عن البطارية الصغيرة ويُقلل من عبء المعالجة الثقيلة. يجب أن يُراعي نظام إدارة الطاقة لديك هذا النهج الهجين.
تُعدّ خيارات التصميم في جدولة الاتصالات مهمة أيضاً. أرسل البيانات على فترات منتظمة. اضغط البيانات المُرسلة. فعّل الراديو عند الحاجة فقط. هذه الخيارات البسيطة تُساهم في توفير كبير للطاقة على مدار عمر جهازك.
الموازنة بين الأداء والكفاءة في الأجهزة القابلة للارتداء
عند تصميم جهاز قابل للارتداء، ستواجه خيارات لا حصر لها. فكل ميزة تضيفها تستهلك طاقة، وكل مستشعر تُضمّنه يُستنزف البطارية. يكمن الحل في معرفة احتياجات المستخدمين الحقيقية ومتى يحتاجونها.
إدارة المفاضلات في تجربة المستخدم
ابدأ باختيار وحدة التحكم الدقيقة. يوفر معالج ARM Cortex-M0+ أفضل مزيج من الأداء واستهلاك الطاقة المنخفض. تعمل امتدادات معالجة الإشارات الرقمية (DSP) في معالج M4 على تسريع مهام مثل ترشيح كالمان. تتيح أوقات الاستيقاظ السريعة والأجهزة الطرفية ذاتية التشغيل لوحدة التحكم الدقيقة البقاء في وضع السكون حتى يتم تفعيل عتبات المستشعر. يقلل هذا التصميم من استهلاك الطاقة بشكل كبير.
تفرض تقنية البطاريات مفاضلة أخرى. فالبطاريات غير القابلة لإعادة الشحن تخزن طاقة أكبر، لكنها تُصعّب التصميم. أما البطاريات القابلة لإعادة الشحن فتتيح تصميمات أنحف. وتُعدّ البطاريات ذات الأشكال المُخصصة هي الأمثل لاستغلال المساحة. ويُحدّ صغر حجم جهازك من سعة البطارية، لذا يجب مراعاة هذا القيد في التخطيط.
يُطرح دمج المستشعرات تحديات مماثلة. تُتيح المستشعرات القائمة على تقنية CMOS ميزات غنية، لكنها تتطلب اختيارات دقيقة. أما المستشعرات البصرية، فتحتاج إلى مواد نافذة للضوء. ويمنع نظام التحكم في الطاقة استنزاف البطارية، ولكنه يزيد من تعقيد التصميم. يعتمد مستوى التكامل الأمثل على تجربة المستخدم والتكلفة وحالات الاستخدام. ويُحدد هذا الاختيار خطة الطاقة بأكملها.
تستهلك الاتصالات اللاسلكية معظم طاقة جهازك. ويظل بلوتوث الذكي الخيار الأمثل لتوفير الطاقة. يؤثر معدل إرسال البيانات وحجمها بشكل كبير على عمر البطارية. قد يؤدي إرسال كميات كبيرة من البيانات إلى استنزاف البطارية في غضون ساعات. بينما يمكن إطالة عمرها لأسابيع أو شهور باتباع أساليب مدروسة. عليك تحديد عدد مرات مزامنة جهازك القابل للارتداء مع هاتفك. يُعد هذا الجدول الزمني جزءًا أساسيًا من خطة استهلاك الطاقة.
تعمل تقنية الاستشعار الواعي بالسياق على تقليل عمليات الاستشعار عند عدم الحاجة إليها. قد يقلل جهازك القابل للارتداء من عمليات فحص معدل ضربات القلب أثناء راحة المستخدم، ويزيدها أثناء التمرين. هذا يوفر الطاقة خلال فترات الراحة مع الحفاظ على الأداء الكامل أثناء الاستخدام النشط.
تعمل خاصية الاستشعار الواعي بالسياق على توفير طاقة البطارية خلال فترات الهدوء مع الحفاظ على الأداء الكامل أثناء الاستخدام النشط.
أمثلة واقعية على التوازن الناجح
تُوزّع الأجهزة القابلة للارتداء الحديثة المهام على عدة معالجات. إذ يقترن معالج مركزي رئيسي عالي الأداء بوحدات استشعار مخصصة ومعالجات مساعدة تعمل باستمرار. وفي وضع الخمول، يدخل المعالج الرئيسي في وضع السكون العميق مستهلكًا طاقة ضئيلة جدًا. وتتولى وحدة استشعار صغيرة تعمل باستهلاك منخفض للطاقة مهامًا بسيطة مثل عدّ الخطوات. ولا يستيقظ المعالج الرئيسي إلا للمهام المعقدة مثل الرسومات أو المكالمات.
يُظهر ضغط الذاكرة التكيفي نتائج ملموسة. تُقلل هذه الطريقة من احتياجات الوصول الفعلية للذاكرة مع الحفاظ على الأداء. تُشير الدراسات إلى توفير في الطاقة بنسبة 20-25% . يعمل جدولة الذاكرة المُراعية للطاقة على تشغيل ذاكرة إضافية فقط خلال أوقات الذروة المتوقعة، مما يُحسّن كفاءة البطارية بنسبة تصل إلى 30%.
الأسلوب | التأثير الكمي على المفاضلة |
|---|---|
أخذ العينات التكيفي (دراسة مؤسسة العلوم الوطنية) | يقلل حجم البيانات بنسبة تصل إلى 69% ويخفض استهلاك الطاقة للنظام الفرعي الأساسي بأكثر من 57% |
الذكاء الاصطناعي على الحافة / TinyML (أبحاث MDPI) | يحقق دقة تزيد عن 88% في تتبع الحركة مع تقليل إرسال البيانات الخام |
دمج البيانات الحسية مع دورة التشغيل | يوفر حوالي 35% من الطاقة مع عدم وجود أي فقدان تقريبًا في دقة القياس |
تتشارك الأجهزة القابلة للارتداء الجيدة للمستهلكين دروسًا تصميمية مشتركة. فهي تُضفي متعةً وإثارةً لتعزيز تجربة المستخدم، وتحافظ على شحنها لفترة طويلة، مما يقلل من الحاجة إلى إعادة شحنها بشكل متكرر، كما تُقدم عبارات الثناء والمكافآت والتنبيهات في الوقت المناسب، وتتيح للمستخدمين تخصيص واجهات المستخدم وأهدافهم، وتركز على سهولة القراءة من خلال استخدام خطوط واضحة وتباين جيد، وتبني الثقة من خلال تسجيل البيانات بشكل موثوق وحماية الخصوصية.
يُساهم نقل المهام عالية الطاقة إلى الأجهزة القابلة للارتداء في توفير طاقة البطارية. تُرسل عمليات المعالجة والعرض إلى هاتف ذكي مقترن باستخدام تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة. تعالج وحدات التحكم الدقيقة فائقة الكفاءة في استهلاك الطاقة، مثل ARM Cortex-M0 أو TI MSP430، البيانات بسرعة وتدخل في وضع السكون منخفض الطاقة عند عدم الاستخدام. كما يُقلل تكييف إشارات المستشعرات منخفضة الطاقة، مثل مضخم العمليات OA4NP من STMicro الذي يستهلك 580 نانو أمبير لكل قناة ، من استهلاك الطاقة للأجهزة الطرفية. تُظهر هذه الخيارات الاستخدام الأمثل للطاقة في الأجهزة القابلة للارتداء.
يواجه تغيير الجهد والتردد الديناميكي بعض القيود. فمنحنيات كفاءة منظم الجهد، وتكاليف التبديل، ومستويات الجهد الدنيا، كلها عوامل تُنشئ "مناطق ميتة". ولا يعني خفض التردد بالضرورة توفيرًا مماثلًا في الطاقة. وتتراوح فترات التأخير في الاستيقاظ من وضع السكون العميق من أجزاء من الثانية إلى أجزاء من الثانية. لذا، عليك الاختيار بين الاستجابة السريعة وتوفير الطاقة.
تُضيف إدارة الحرارة طبقةً أخرى. فالعمل عالي الأداء يُولّد حرارةً تُؤدي إلى خفض الأداء. وتُسرّع الحرارة المرتفعة من تلف البطارية وتُقلّل من سعتها الفعّالة. وتُظهر بطاريات الليثيوم أيون منحنيات تفريغ غير خطية. وقد تُؤدي حدود ذروة التيار إلى انخفاض الجهد أثناء فترات الأداء العالي المفاجئة. لذا، يجب أن تُراعي ميزانية الطاقة هذه الحقائق.
يتطلب تحسين استهلاك الطاقة رؤية شاملة. عليك الموازنة بين احتياجات المستخدم وحدود الطاقة. اختر المكونات التي تتناسب مع حالات الاستخدام. استخدم أساليب ذكية تتكيف مع السلوك الفعلي. هذا النهج يُنتج جهازًا قابلًا للارتداء يدوم طوال اليوم ويُرضي المستخدمين.
الاتجاهات الناشئة في تصميم الطاقة المنخفضة
يستمر تحسين استهلاك الطاقة المنخفض في التطور. تتيح لك التقنيات الجديدة تجاوز الحدود القديمة. يبرز اتجاهان رئيسيان: حصاد الطاقة وإدارة الطاقة المدعومة بالذكاء الاصطناعي.
حصاد الطاقة والبطاريات المتقدمة
تستمد تقنية حصاد الطاقة طاقتها من محيطك. تحوّل المواد الكهروإجهادية حركة الجسم إلى طاقة كهربائية. وقد قامت شركة Koninklijke Philips NV بدمج مواد كهروإجهادية مرنة في الملابس والإكسسوارات، حيث تولد منتجاتها طاقة تتراوح بين 5 و10 ميلي واط من الأنشطة اليومية. هذه الطاقة كافية لتشغيل أجهزة الاستشعار ووحدات الاتصال اللاسلكي.
ابتكر معهد KAIST هيكلاً هجيناً يجمع بين بوليمرات كهرضغطية مرنة وسيراميك صلب. ويعزز التصميم متعدد الطبقات التأثير الكهرضغطي. وتعمل نماذجهم الأولية على تشغيل أجهزة الاستشعار والإلكترونيات الصغيرة باستمرار باستخدام الطاقة المُستخرجة فقط.
تُوفر الخلايا الكهروضوئية خيارًا آخر. تتناسب خلايا السيليكون والبيروفسكايت الكهروضوئية المرنة مع الأساور أو المنسوجات، وتُستخدم لتشغيل أجهزة مثل الساعات الذكية وأجهزة قياس نسبة الأكسجين في الدم. تستخدم المولدات الكهروحرارية حرارة الجسم عند درجة حرارة تقارب 37 درجة مئوية لتشغيل الملابس الذكية. تستخدم المولدات النانوية الكهروإجهادية (TENGs) أنماط التلامس والانفصال لتشغيل أجهزة استشعار العرق القابلة للارتداء. توضع المولدات النانوية الكهروضغطية (PENGs) في نعال الأحذية أو أحزمة الساعات. تجمع الأنظمة الهجينة بين مصادر متعددة لتوفير إمداد طاقة أكثر استقرارًا.
لا يزال سوق حصاد الطاقة الكهروإجهادية في مراحله الأولى. وتساهم جهات فاعلة مثل معهد هونغ كونغ للبحوث التطبيقية في العلوم والتكنولوجيا، وشركة إنتل، وشركة أنالوج ديفايسز في دفع عجلة الابتكار. وتُقدم خلايا الوقود الحيوي خيارًا آخر، حيث تستخلص المواد الكيميائية من العرق. ويمكن تصنيع هذه الخلايا على شكل جلد إلكتروني مرن أو خلايا قابلة للطباعة مصنوعة من المنسوجات. كما تشهد الخلايا المتقدمة تطورًا مستمرًا، إذ تسمح الخلايا المرنة والمكونات فائقة الرقة بتصميم أشكال جديدة وزيادة مدة التشغيل. ويُعزز حصاد الطاقة من مصادر الطاقة، إذ يُطيل مدة التشغيل دون زيادة الحجم.
إدارة الطاقة المدعومة بالذكاء الاصطناعي
تتنبأ خوارزميات التعلم الآلي الآن بسلوك المستخدم. يتعلم جهازك القابل للارتداء متى تنام أو تمارس الرياضة، ويُعدّل عملياته لتحقيق أفضل كفاءة دون تدخل منك. هذا التحسين المدعوم بالذكاء الاصطناعي يقلل من استهلاك الطاقة. تتكيف الخوارزميات مع عاداتك بمرور الوقت، فتتعلم متى تفحص المستشعرات ومتى تبقى في وضع الخمول.
تُبقي الحوسبة الطرفية المعالجة محلية. وبحلول عام ٢٠٢٥، ستتجاوز المنتجات مجرد تتبع الصحة لتصبح عناصر أساسية في إنترنت الأشياء. فهي تتصل بأنظمة المنازل الذكية، ومنصات الواقع المعزز، والمركبات. وتُشغَّل تقنيات الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي مباشرةً على الأجهزة لمهام التعرف والتصنيف والتنبؤ. ويحدث هذا دون استهلاك كبير للطاقة أو تكاليف نقل بيانات باهظة. يتولى جهازك هذه المهام على الحافة، ولا يعتمد على خوادم الحوسبة السحابية في كل قرار.
تُقلل هذه الطريقة من الحاجة إلى إرسال البيانات إلى السحابة، مما يوفر موارد جهازك في عمليات الإرسال اللاسلكي. والنتيجة هي عمر بطارية أطول مع إدارة طاقة أكثر ذكاءً. تشير هذه التوجهات إلى مستقبل تعتمد فيه المنتجات بشكل أقل على بطاريات الطاقة الكبيرة. مهمتك هي دمج هذه التقنيات بعناية.
لا يعني تحسين استهلاك الطاقة التضحية بالأداء، بل اتخاذ خيارات ذكية ومدروسة في جميع مراحل التصميم. تشمل أدواتك مكونات مادية وبرمجية واستراتيجيات اتصال. يجب عليك دائمًا مراعاة النظام بأكمله، بدءًا من المستشعرات وصولًا إلى الحوسبة السحابية. يؤثر كل اختيار للمكونات على عمر البطارية، ويؤثر كل قرار يتعلق بالبرمجيات الثابتة على الكفاءة الإجمالية. اتبع نهجًا شاملًا في عملية التطوير. تعد الاتجاهات الناشئة، مثل تقنيات حصاد الطاقة والخوارزميات التكيفية، بتوفير أكبر للطاقة. يمكن لهذه الأجهزة العمل لفترات أطول بكثير دون أي تنازلات. واصل التعلم والتجربة بأفكار جديدة. يمكن لجهازك القابل للارتداء التالي تحقيق توازن فعال بين الأداء واستهلاك الطاقة. ابدأ التحسين اليوم.
الأسئلة الشائعة
ما مقدار الطاقة التي يستهلكها مكون نموذجي من مكونات الأجهزة القابلة للارتداء؟
يتفاوت استهلاك الطاقة بشكل كبير بين المكونات. فمعالج الشبكة العصبية الصغير يستهلك 746 نانوواط فقط، بينما قد يستهلك نظام الإرسال اللاسلكي الكامل 72.6 ميلي واط. تؤثر خياراتك بشكل مباشر على ميزانية الطاقة، لذا قيّم كل جزء بعناية قبل اعتماد التصميم.
ما هو نظام التناوب التشغيلي ولماذا هو مهم؟
تعتمد تقنية التشغيل الدوري على تشغيل وإيقاف المستشعرات بشكل متقطع بدلاً من تشغيلها باستمرار. على سبيل المثال، ينخفض استهلاك سخان مستشعر الغاز من 34 مللي أمبير بشكل مستمر إلى 15.65 مللي أمبير في المتوسط عند تشغيله بنسبة 40%. تقلل هذه التقنية استهلاك الطاقة بشكل كبير مع الحفاظ على استجابة المستشعرات عند الحاجة.
ما هو بروتوكول الاتصال اللاسلكي الذي يجب أن أختاره لجهازي القابل للارتداء؟
لا تزال تقنية بلوتوث منخفضة الطاقة الخيار الأمثل لمعظم الأجهزة القابلة للارتداء، حيث توفر عمر بطارية يتراوح بين 3 و5 سنوات. أما بروتوكولات الشبكات اللاسلكية واسعة النطاق منخفضة الطاقة (LPWAN) فتمتد إلى 10-15 سنة، لكنها تُناسب التطبيقات التي تُنشر وتُترك دون الحاجة إلى صيانة. لذا، ضع في اعتبارك احتياجاتك من حيث معدل نقل البيانات وزمن الاستجابة عند الاختيار بينهما.
كيف أوازن بين الأداء وعمر البطارية؟
ابدأ بالاستشعار المُراعي للسياق. خفّض معدل فحوصات نبضات القلب أثناء الراحة، وارفعها أثناء التمرين. استخدم وحدة تحكم منخفضة الطاقة للمهام البسيطة، ولا تُفعّل المعالج الرئيسي إلا للتحليلات المعقدة. يُوفّر هذا النهج الطاقة خلال فترات الهدوء، مع الحفاظ على الأداء الكامل عند حاجة المستخدمين إليه.
