كيف تعمل 13 مستشعرًا للمنزل الذكي

مجلة "فوربس": في الوقت الحاضر، وحتى في العقود القليلة القادمة، من بين أفضل 10 منتجات تكنولوجية تؤثر على الهيكل الاقتصادي العالمي وأسلوب حياة الناس وتغيره، تم إدراج أجهزة الاستشعار ضمن أفضل 10 منتجات تكنولوجية، مما يشير إلى أن ربيع أجهزة الاستشعار قد حل!

إنترنت الأشياء عبارة عن شبكة ضخمة تتكون من دمج أجهزة استشعار المعلومات المختلفة مع الإنترنت. ويتطلب تطوير إنترنت الأشياء دعمًا تقنيًا يشمل الاستشعار الذكي والتعرف والتواصل، ويكمن مفتاح الاستشعار في أجهزة الاستشعار والتقنيات المرتبطة بها. يُعد نظام التحكم في المنزل الذكي بمثابة "القلب النابض"، بينما يُمثل جهاز الاستشعار "السياق" لنظام التحكم بأكمله، فهو بمثابة "الجهاز العصبي المركزي" للنظام. ويلعب تطوير تقنية أجهزة الاستشعار دورًا هامًا في التطور السريع للمنازل الذكية.

من منظور السلسلة الصناعية، فإن الجزء العلوي من المستشعر يتكون أساسًا من مكونات مختلفة لدعم طبقة الإدراك؛ أما الجزء الأوسط فهو طبقة الإرسال التي تتكون من الإرسال البصري ومعدات الاتصالات ومعدات الشبكة وما إلى ذلك؛ ويعتمد ذلك بشكل أساسي على التطبيقات، والتي يعد المنزل الذكي أحد أهم قطاعاتها.

تعتبر أجهزة الاستشعار المنزلية الذكية بمثابة "العيون والأنوف والآذان" في المنزل، لأن المنزل الذكي لا ينفصل عن جمع البيانات "المؤنسن" للبيئة المعيشية، أي أن الكميات الفيزيائية والكيميائية والكتلة الحيوية المختلفة في البيئة المنزلية يتم تحويلها إلى أجهزة ومكونات إشارات كهربائية قابلة للقياس.

يتطلب مجال المنازل الذكية استخدام أجهزة استشعار لقياس وتحليل والتحكم في إعدادات النظام. وتشمل الأجهزة الذكية المستخدمة في المنزل تقنيات مثل أجهزة استشعار الموقع، وأجهزة استشعار القرب، وأجهزة استشعار مستوى السوائل، والتحكم في التدفق والسرعة، ومراقبة البيئة، والاستشعار الأمني.

مبادئ أجهزة الاستشعار المنزلية الاستهلاكية

مستشعر درجة الحرارة

يحوّل مستشعر درجة الحرارة درجة الحرارة إلى إشارة خرج قابلة للاستخدام، وذلك بالاعتماد على قوانين الخصائص الفيزيائية المختلفة للمواد التي تتغير بتغير درجة الحرارة. يُعدّ مستشعر درجة الحرارة الجزء الأساسي في أجهزة قياس درجة الحرارة، وهو متوفر بأنواع عديدة. وبحسب طريقة القياس، يُصنّف إلى نوعين: مستشعر تلامسي ومستشعر غير تلامسي. أما بحسب خصائص مواد المستشعر ومكوناته الإلكترونية، فيُصنّف إلى نوعين: مستشعر مقاومة حرارية ومستشعر مزدوج حراري.

على الرغم من وجود أنواع عديدة من أجهزة استشعار درجة الحرارة، فإن المبدأ العام هو استشعار تغير درجة الحرارة، بحيث تتغير مقاومة المكونات الحساسة مثل الثرمستور، والمزدوجة الحرارية، وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى تغير جهد الخرج في الدائرة.

يتم توصيل موصلين مختلفي التركيب (يُطلق عليهما أسلاك المزدوجة الحرارية أو الثرمودات) لتشكيل حلقة من كلا الطرفين. عندما تختلف درجة حرارة نقطتي التوصيل، تتولد قوة دافعة كهربائية في الحلقة. تُعرف هذه الظاهرة بالتأثير الكهروحراري، وتُسمى هذه القوة الدافعة الكهربائية بالجهد الكهروحراري. تستخدم المزدوجات الحرارية هذا المبدأ لقياس درجة الحرارة. يُسمى أحد طرفي السلك، المستخدم مباشرةً لقياس درجة حرارة الوسط، بالطرف العامل، ويُعرف أيضًا بطرف القياس، بينما يُسمى الطرف الآخر بالطرف البارد، ويُعرف أيضًا بطرف التعويض. يُوصل الطرف البارد بجهاز العرض أو جهاز مساعد، حيث يُشير جهاز العرض إلى الجهد الكهروحراري الناتج عن المزدوجة الحرارية.

مستشعر الرطوبة

في مجال التحكم بالمنازل الذكية، يُسهم التحكم في الرطوبة في تحسين جودة حياة المستخدمين وتوفير بيئة معيشية مثالية. ويتم التحكم في الرطوبة في المنازل الذكية بشكل أساسي من خلال أجهزة استشعار الرطوبة.

يستطيع مستشعر الرطوبة عرض التغيرات المحددة في رطوبة الهواء. يحتوي النظام المتكامل على مستشعرات رطوبة ودوائر تضخيم، تقوم بتحويل معلومات الرطوبة إلى إشارات جهد كهربائي وإرسالها إلى جهاز الترطيب.

مستشعر درجة الحرارة والرطوبة

في مجال التحكم بالمنازل الذكية، يُعدّ التحكم في درجة الحرارة والرطوبة مؤشرًا هامًا للتحكم البيئي، إلا أن الاكتفاء بالتحكم في مؤشر واحد فقط يُهدر موارد كثيرة ويُطيل وقت الحساب، مما يستدعي تحليل البيانات باستخدام الحاسوب. لذا، من الضروري استكشاف طرق جديدة لتطبيق أجهزة الاستشعار.

يُتيح مستشعر درجة الحرارة والرطوبة ضبط درجة الحرارة والرطوبة في آنٍ واحد، بما يتماشى مع مفهوم المنزل الذكي، ويتميز بصغر حجمه وانخفاض استهلاكه للطاقة. يُستخدم هذا المستشعر للتحكم في درجة الحرارة والرطوبة داخل المنزل. تقوم شريحة المستشعر بجمع بيانات درجة الحرارة والرطوبة في الوقت نفسه، ثم تحسب كل متغير فيزيائي على حدة ضمن نظام مستقل، وتحولها إلى إشارات كهربائية، وترسلها إلى محطات التحكم المناسبة لتحقيق غرض التحكم في المنزل الذكي.

مستشعر الضوء المرئي: هو مكون يحول تغير شدة الضوء المرئي إلى تغير في التيار أو الجهد، أما المستشعر الكهروضوئي فهو مستشعر يستخدم عنصرًا كهروضوئيًا كعنصر للكشف. يقوم أولًا بتحويل التغيرات المقاسة إلى تغيرات في الإشارات الضوئية، ثم يحول هذه الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية بمساعدة العناصر الكهروضوئية. تتكون المستشعرات الكهروضوئية عمومًا من ثلاثة أجزاء: مصدر الضوء، والمسار الضوئي، والعنصر الكهروضوئي.

مستشعر الصوت

مبدأ عمل مستشعر الصوت بسيط للغاية، إذ يعتمد أساسًا على ميكروفون كهربائي ذي استجابة ترددية مشابهة للأذن البشرية. تقوم الدائرة بتضخيم الإشارة ونقلها إلى واجهة الاتصالات. يعمل مستشعر الصوت كميكروفون، حيث يستقبل الموجات الصوتية ويعرض صورة اهتزازية للصوت، لكنه لا يستطيع قياس شدة الضوضاء.

في الواقع، تُرسل الإشارة إلى مُجمِّع البيانات عبر خطين منفصلين. يشتمل مستشعر الصوت على ميكروفون مكثف إلكتروني حساس للصوت. تُهتزّ طبقة الإلكترونيت داخل الميكروفون بفعل الموجات الصوتية، مما يُحدث تغييرًا في السعة الكهربائية وجهدًا ضئيلاً يتناسب مع هذا التغيير. يُحوَّل هذا الجهد بعد ذلك إلى جهد يتراوح بين 0 و5 فولت، ويستقبله مُجمِّع البيانات عبر تحويل تناظري رقمي، ثم يُرسله إلى الحاسوب.

مستشعر الغاز

تُستخدم مستشعرات الغاز لقياس نوع الغاز وتركيزه وتركيبه، كما يمكنها الكشف عن مكونات محددة فيه وتحويل خصائص هذه المكونات إلى إشارات كهربائية. وتُعرف أيضًا باسم مستشعرات الغاز. وتشمل بشكل رئيسي مستشعرات الغاز شبه الموصلة، ومستشعرات الغاز بالاحتراق التلامسي، ومستشعرات الغاز الكهروكيميائية، وتُعد مستشعرات الغاز شبه الموصلة الأكثر استخدامًا.

تشمل أجهزة استشعار الغاز أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية، وأجهزة استشعار غاز الاحتراق التحفيزي، وأجهزة استشعار غاز أشباه الموصلات، وأجهزة استشعار غاز الأشعة تحت الحمراء، وأجهزة استشعار غاز التأين الضوئي، والتي يمكنها الكشف عن الغازات السامة (الفورمالديهايد، ثاني أكسيد الكربون، أول أكسيد الكربون، إلخ)، والغازات القابلة للاحتراق (غاز الميثان الطبيعي)، والمركبات العضوية المتطايرة.

يعتمد مبدأ عمل مستشعر الغاز على تغير سرعة الموجة وترددها على سطح جهاز الموجات الصوتية بتغير البيئة الخارجية. يستغل المستشعر هذه الخاصية بتغطية سطح البلورة الكهروإجهادية بغشاء حساس للغاز، والذي يمتص غازًا معينًا بشكل انتقائي. عند تفاعل هذا الغشاء مع الغاز المراد قياسه (تفاعل كيميائي أو بيولوجي، أو امتصاص فيزيائي)، يتغير تردد الموجة الصوتية السطحية للبلورة الكهروإجهادية تبعًا لتغير جودة الغشاء وموصليته. وبالتالي، يتغير تردد الموجة الصوتية السطحية تبعًا لتغير تركيز الغاز. ومن خلال قياس هذا التغير، يمكن الحصول على قيمة دقيقة لتغير تركيز الغاز المتفاعل.

تشمل معلمات مستشعر الغاز بشكل أساسي جهد التسخين والتيار وجهد حلقة القياس والحساسية ووقت الاستجابة ووقت الاسترداد والجهد في غاز المعايرة (غاز البيوتان بنسبة 0.1٪) وقيمة مقاومة الحمل وما إلى ذلك.

مبدأ عمل مستشعر جودة الهواء

المبادئ الكيميائية

يلتصق الغاز الملوث الموجود في الهواء بسطح أكسيد المعدن، مما يقلل من مقاومته، ويتناسب تغير قيمة المقاومة طرديًا مع تركيز الغاز الملوث. يختلف أكسيد المعدن المستخدم في مستشعر جودة الهواء باختلاف درجة حرارة التشغيل. يتأكسد أكسيد المعدن في هذا المستشعر، مما يجعله ضعيف الانتقائية الكيميائية، ويتفاعل مع العديد من الغازات الملوثة (مثل الفورمالديهايد، والبنزين، والأمونيا، ودخان السجائر، والعطور)، ويُستخدم هذا التفاعل الشامل لتحديد جودة الهواء.

مبدأ الأشعة تحت الحمراء

مستشعر الغاز بالأشعة تحت الحمراء هو نوع من أجهزة استشعار الغاز يعتمد على خصائص الامتصاص الانتقائي لطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة لجزيئات الغاز المختلفة، مستخدمًا العلاقة بين تركيز الغاز وشدة الامتصاص (قانون لامبرت-بير) لتحديد مكونات الغاز وقياس تركيزها. عندما يتطابق طول موجة الأشعة تحت الحمراء مع طيف امتصاص الغاز المراد قياسه، يتم امتصاص طاقة الأشعة تحت الحمراء. ويخضع انخفاض شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء بعد مروره عبر الغاز المراد قياسه لقانون لامبرت-بير.

كلما زاد تركيز الغاز، زاد امتصاص الضوء. لذا، يُمكن قياس تركيز الغاز بقياس امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة الغاز. ولضمان علاقة خطية بين القراءات، يكون طول حجرة القياس في المحلل أقصر عند ارتفاع تركيز المكون المراد قياسه، ويبلغ أقصر طول لها 0.3 مم؛ بينما يكون طولها أطول عند انخفاض التركيز، ويتجاوز 200 مم. ويتم الكشف عن طاقة الضوء المتبقية بعد الامتصاص بواسطة كاشف الأشعة تحت الحمراء.

مستشعر جسيمات الليزر

يتم تحويل المحول الكهروضوئي إلى إشارة كهربائية لقياس كمية الجسيمات، وهو أكثر دقة من قياسات الأشعة تحت الحمراء العادية الأخرى، ويمكنه قياس بيانات PM2.5 وPM1.0 وPM10 في الوقت الحقيقي.

مستشعر غمر الماء

يعتمد مستشعر غمر الماء على مبدأ التوصيل الحراري في السوائل. يُستخدم قطب كهربائي للكشف عن وجود الماء، ثم يُحوّل المستشعر إشارة خرج جافة. يحتوي هذا المستشعر، الذي يعتمد بدوره على مبدأ التوصيل الحراري في السوائل، على حالتين للخرج: مفتوحة عادةً ومغلقة عادةً.

تنقسم أجهزة استشعار الغمر إلى أجهزة استشعار غمر المياه بالتلامس وأجهزة استشعار غمر المياه بدون تلامس.

كاشف غمر مائي يعمل بتقنية التلامس، ويعتمد على مبدأ التوصيل الحراري في السوائل. في الوضع الطبيعي، يكون المسبار ثنائي القطب معزولاً بالهواء؛ وعند غمره في الماء، يُفعّل المسبار، ويُصدر المستشعر إشارة تلامس جافة. وعندما يُغمر المسبار في الماء على عمق حوالي 1 مم، تُصدر إشارة إنذار.

يستخدم كاشف الغمر المائي غير التلامسي مبدأ انكسار وانعكاس الضوء في أوساط مختلفة للكشف. توضع مصابيح LED ومستقبلات كهروضوئية داخل نصف كرة بلاستيكية. عند وضع الكاشف في الهواء، يستقبل المستقبل الكهروضوئي معظم فوتونات LED نتيجة الانعكاس الكلي، مما يقلل من عدد فوتونات LED الواردة، وبالتالي يتغير خرج الكاشف. يُناسب هذا الكاشف الاستخدام في مواقع تسرب السوائل الموصلة المسببة للتآكل.

مستشعر الباب

يتكون مستشعر الباب اللاسلكي من وحدة إرسال لاسلكية ووحدة مغناطيسية. يوجد في وحدة الإرسال اللاسلكية أنبوب معدني رفيع عند السهمين. عندما تكون المسافة بين المغناطيس والأنبوب المعدني الرفيع أقل من 1.5 سم، يكون الأنبوب في حالة فصل. أما إذا تجاوزت هذه المسافة، فيُغلق الأنبوب، مما يُسبب ماسًا كهربائيًا، ويضيء مؤشر الإنذار، وتُرسل إشارة تنبيه إلى الجهاز الرئيسي. يصل مدى إشارة الإنذار اللاسلكية لمستشعر الباب إلى 200 متر في المناطق المفتوحة و20 مترًا في المنازل، وهو ما يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالبيئة المحيطة.

مستشعر الصورة

في المنازل الذكية، يُعدّ مستشعر الصور أحد أهمّ مكونات التطبيقات. ويرجع ذلك أساسًا إلى ضرورة استخدام أجهزة المراقبة في المباني الحديثة لتحقيق المراقبة الداخلية ومراقبة المناطق السكنية المحيطة. أما في طرق المراقبة التقليدية، فتُستخدم الكاميرات بشكل رئيسي، ولا يمكن نقل المعلومات إلى المستخدمين، ما يُعرّضهم لخسائر فادحة في حال تلفها.

في نظام المنزل الذكي، يمكن إرسال المعلومات إلى هاتف المستخدم أو حاسوبه عبر جهاز الكمبيوتر، مما يتيح المراقبة عن بُعد. في هذه المراقبة الذكية، يُستخدم مستشعر الصورة لتحويل الإشارة الكهروضوئية، ويتكون أساسًا من مستشعرات CCD وCMOS، مما يسمح بتركيب كاميرات رقمية للتحكم الكامل في المنزل الذكي.

مستشعر الأشعة تحت الحمراء

يعتمد مستشعر الأشعة تحت الحمراء على مبدأ انعكاس الأشعة تحت الحمراء. فعندما يكون جزء معين من جسم الإنسان في منطقة الأشعة تحت الحمراء، ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث من أنبوب الإرسال إلى أنبوب الاستقبال نتيجةً لحجب الجسم له، ثم تُرسل الإشارة إلى صمام الملف اللولبي النبضي عبر الدائرة المتكاملة، حيث يستقبل الصمام الإشارة ويتحكم في البكرة وفقًا للأمر المحدد.

يتكون مستشعر الأشعة تحت الحمراء من ثلاثة أجزاء: النظام البصري، وعنصر الكشف، ودائرة التحويل. يمكن تقسيم الأنظمة البصرية إلى نوعين: نظام الإرسال ونظام الانعكاس، وذلك حسب بنيتها. أما عنصر الكشف، فيمكن تقسيمه إلى عنصر كشف حراري وعنصر كشف كهروضوئي، وذلك حسب مبدأ عمله. يُعد الثرمستور أكثر عناصر الكشف الحراري شيوعًا. فعند تعرض الثرمستور للأشعة تحت الحمراء، ترتفع درجة حرارته، وتتغير مقاومته، مما يحول هذه المقاومة إلى إشارة كهربائية عبر دائرة التحويل.

مستشعر الدخان

تُحقق الوقاية من الحرائق من خلال مراقبة تركيز الدخان. يعتمد جهاز إنذار الدخان على تقنية استشعار الدخان الأيوني. يُعد مستشعر الدخان الأيوني تقنية متطورة، فهو مستشعر مستقر وموثوق، ويُستخدم على نطاق واسع في أنظمة إنذار الحريق المختلفة. وهو أفضل بكثير من أجهزة إنذار الحريق المقاومة التي تعتمد على استشعار الغاز.

مستشعر وجود الإنسان

باستخدام قانون إشعاع الجسم الأسود، أي أن جميع الأجسام التي تزيد درجة حرارتها عن الصفر المطلق تشع طاقة باستمرار إلى الخارج، فإن مقدار الطاقة المشعة وتوزيعها حسب الطول الموجي يرتبطان ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة سطح الجسم. فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت قوة الإشعاع تحت الأحمر المنبعث. وللكشف السريع والموثوق عن دخول جسم الإنسان إلى المنطقة الفعالة، يدعم المستشعر بروتوكولات الاتصال الشائعة لتحقيق ربط الأجهزة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام على نطاق واسع في المباني الذكية والفنادق، وفي ترشيد استهلاك الطاقة وخفض الانبعاثات، وفي مراقبة أمن المنازل الذكية.