1. المقدمة والنظرة العامة

تقدم هذه الورقة تصميمًا جديدًا لمستشعر بصري لإنترنت الأشياء (IoT) يعتمد على مصابيح LED حمراء وخضراء وزرقاء (RGB) متصلة على التوالي. يكمن الابتكار الأساسي في سلوكه الشبيه بالضوئي الترانزستور، حيث يمكن التحكم في استجابة المستشعر الكهرضوئية أو "برمجتها" بواسطة الضوء الساقط بألوان مختلفة. يعمل هذا الجهاز بشكل مزدوج كمرسل ومستقبل في أنظمة الاتصالات بالضوء المرئي (VLC)، مما قد يقلل من تعقيد النظام وتكلفته لشبكات إنترنت الأشياء.

الاستجابة القصوى

الضوء البنفسجي (أزرق+أحمر)

ذروة الاستجابة للتيار المتردد/المستمر

الميزة الرئيسية

قابل للبرمجة بالضوء

يتم التحكم في الاستجابة بلون الضوء الساقط

التطبيق الأساسي

الاتصالات بالضوء المرئي لإنترنت الأشياء

وظيفة المرسل-المستقبل

2. نموذج المستشعر RGB والإعداد التجريبي

يتم بناء المستشعر عن طريق توصيل مصباح LED أحمر من نوع AlInGaP، ومصباح LED أخضر من نوع InGaN، ومصباح LED أزرق من نوع GaN على التوالي (سلسلة LumiLEDs rebel). يتم إضاءة جميع مصابيح LED بشكل موحد أثناء التجارب.

2.1 التكوين التجريبي

يتم توصيل مخرج مستشعر RGB براسم الذبذبات Keysight MSOX6004A بحمل إدخال 1 ميجا أوم. يسمح الإعداد بقياس دقيق لاستجابة المستشعر لمختلف مدخلات الضوء الملون (أحمر، أخضر، أزرق، ومخاليط).

2.2 خصائص LED والأطياف

يوضح الشكل 1(ب) في الورقة طيف الانبعاث المقاس وتوزيعات الأطياف النسبية للاستجابة الكهرضوئية لكل مصباح LED من نوع RGB عند انحياز صفري. هذه البيانات حاسمة لفهم السلوك المعتمد على الطول الموجي لكل مكون داخل الدائرة المتسلسلة.

3. المبدأ التقني الأساسي والنموذج

يتم تفسير عمل المستشعر من خلال نموذج المعاوقة المعتمدة على الضوء. يغير الضوء الساقط المعاوقة الفعالة لمصابيح LED الفردية في السلسلة المتصلة، مما يعدل تدفق التيار الكلي وجهد الخرج للمستشعر.

3.1 نموذج المعاوقة المعتمدة على الضوء

الاستجابة الكهرضوئية معقدة، وتشمل أوضاعًا ضوئية موصلة وضوئية جهدية، بالإضافة إلى توليد تيار ضوئي من تفكيك الإكسيتونات. يعامل النموذج مستقبل LED كمصدر تيار عندما تكون معاوقة الحمل صغيرة بما يكفي.

3.2 الوضع الضوئي الجهدي مقابل الوضع الضوئي الموصل

من المرجح أن المستشعر يستغل كلا الوضعين: يولد التأثير الضوئي الجهدي جهدًا/تيارًا من الفوتونات الممتصة، بينما يغير التأثير الضوئي الموصل موصلية أشباه الموصلات. يخلق الاتصال التسلسلي علاقات تبادلية بين هذه التأثيرات عبر قنوات الألوان المختلفة.

4. النتائج التجريبية والأداء

4.1 قياسات الاستجابة للتيار المتردد/المستمر

يظهر المستشعر أقصى استجابة للتيار المتردد والمستمر للضوء البنفسجي، الناتج عن خلط الضوء الأزرق والأحمر. يشير هذا إلى تأثير تآزري عند تنشيط عدة وصلات في وقت واحد.

4.2 الاستجابة القابلة للبرمجة بالألوان

هذه هي السمة المميزة:

  • يمكن تحسين استجابة المستشعر للضوء المتردد الأزرق عن طريق تسليط ضوء مستمر أحمر أو أخضر.
  • يمكن كبت الاستجابة للإشارة المترددة الحمراء بواسطة الضوء المستمر الأخضر.
  • يمكن كبت الاستجابة للإشارة المترددة الخضراء بواسطة الضوء المستمر الأحمر.
وهذا يخلق شكلًا من أشكال البوابات الضوئية أو التحكم في الكسب، يشبه التيار الأساسي الذي يتحكم في تيار المجمع في الترانزستور ثنائي القطب.

4.3 مقاييس الأداء الرئيسية

تسلط الورقة الضوء على ملاءمته لاتصالات الضوء المرئي باستخدام مصابيح LED بيضاء مطلية بالفوسفور. لا يسبب انبعاث الفوسفور الأصفر البطيء تداخلًا كبيرًا ولكنه يمكن أن يعزز الاستجابة لإشارة الضوء الأزرق المضخة عالية السرعة، مما يوفر ميزة تصفية مدمجة.

5. منظور المحلل: الفكرة الأساسية والنقد

الفكرة الأساسية: هذا ليس مجرد خدعة ذكية في الدائرة؛ إنه إعادة تفكير جذرية في LED كخلية وحدة كهرضوئية متعددة الوظائف. لقد أنشأ المؤلفون بشكل فعال "ترانزستورًا كهرضوئيًا مشفرًا بالألوان" من خلال الاستفادة من الخصائص الضوئية الجهدية الجوهرية والحساسيات الطيفية لمصابيح LED التجارية RGB المتصلة على التوالي. العبقرية الحقيقية تكمن في استخدام لون الضوء نفسه كمتغير تحكم، متجاوزًا الانحياز الكهربائي التقليدي. يتوافق هذا مع اتجاه أوسع في الحوسبة العصبية والحوسبة داخل المستشعر، حيث تقوم الأجهزة بمعالجة تناظرية في نقطة الاستشعار، كما هو الحال في الأبحاث من معاهد مثل مختبرات تكنولوجيا الأنظمة الدقيقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حول مستشعرات الرؤية.

التسلسل المنطقي: المنطق أنيق: 1) الاتصال التسلسلي يجبر استمرارية التيار، 2) معاوقة كل LED هي دالة لتدفق الفوتونات الساقط عند فجوة النطاق المحددة لها، 3) لذلك، يصبح جهد/تيار الخرج الكلي دالة غير خطية للتركيب الطيفي للضوء الداخل. وهذا يخلق دالة النقل القابلة للبرمجة. إنه تنفيز عتادي لوظيفة تتطلب عادةً أجهزة استشعار ومنقيات ومعالجًا دقيقًا منفصلين.

نقاط القوة والضعف: تكمن القوة في البساطة العميقة والفعالية من حيث التكلفة، باستخدام مكونات جاهزة بالكامل لتحقيق وظائف جديدة. قدرة المرسل-المستقبل المزدوجة هي مكسب كبير لتقليص حجم عقد إنترنت الأشياء وميزانية الطاقة. ومع ذلك، فإن العيب الصارخ هو صمت الورقة حول السرعة وعرض النطاق الترددي. تتنازل الضوئية الترانزستورات، مثل تلك القائمة على InGaAs (كما ورد في أعمال IEEE Journal of Quantum Electronics)، عن الكسب مقابل عرض النطاق الترددي. ما هو عرض النطاق الترددي للتعديل -3dB لهذا المستشعر RGB تحت ظروف ضوء تحكم مختلفة؟ بالنسبة لاتصالات الضوء المرئي، هذا أمر بالغ الأهمية. علاوة على ذلك، فإن خطية ونطاق الديناميكية لتحكم "الكسب" عبر الضوء المستمر غير مستكشفين ولكنهما حاسمان لأنظمة الاتصالات العملية.

رؤى قابلة للتنفيذ: للباحثين: تحقق من الاستجابة العابرة وخصائص الضوضاء على الفور. يحتاج نموذج المعاوقة إلى تحسين للتنبؤ بسلوك التيار المتردد. لمطوري المنتجات: هذه فرصة ذهبية لمستشعرات الضوء المحيط الذكية منخفضة التكلفة التي يمكنها التمييز ليس فقط في الشدة ولكن في السياق الطيفي (مثلًا، هل هذا الضوء الأزرق من شاشة أم من السماء؟). تعاون مع مجموعات معايير اتصالات الضوء المرئي (مثل IEEE 802.15.7) لتحديد بروتوكولات قناة التحكم باستخدام ميزة البوابة اللونية هذه. المستقبل ليس فقط في صنع المستشعر، ولكن في تحديد "لغة الألوان" التي يستخدمها للتواصل والحوسبة.

6. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

تطور الورقة نموذجًا نظريًا يعتمد على المعاوقة المعتمدة على الضوء. يمكن تمثيل المعاوقة الفعالة لـ LED تحت الإضاءة كدالة للتيار الضوئي المتولد. لنموذج مبسط، يمكن التعبير عن التيار عبر الدائرة التسلسلية على النحو التالي: $$I = \frac{V_{bias} + \sum_{i=R,G,B} V_{ph,i}}{R_{load} + \sum_{i=R,G,B} Z_i(I_{ph,i})}$$ حيث:

  • $V_{bias}$ هو أي جهد انحياز مطبق (غالبًا صفر في الوضع الضوئي الجهدي).
  • $V_{ph,i}$ هو الجهد الضوئي المتولد بواسطة مصباح LED رقم i (أحمر، أخضر، أزرق).
  • $R_{load}$ هي مقاومة الحمل (1 ميجا أوم).
  • $Z_i(I_{ph,i})$ هي المعاوقة المركبة لمصباح LED رقم i، وهي دالة لتياره الضوئي المتولد $I_{ph,i}$. $I_{ph,i}$ نفسه يعتمد على القدرة الضوئية الساقطة عند الأطوال الموجية ضمن نطاق امتصاص ذلك الـ LED.
تنشأ الاستجابة "القابلة للبرمجة" لأن ضوء التحكم المستمر (مثل الأحمر) يؤثر بشكل أساسي على $Z_R$ و $I_{ph,R}$، وبالتالي يغير المقام ويعدل حساسية الدائرة لإشارة مترددة (مثل الزرقاء) تؤثر على $Z_B$ و $I_{ph,B}$.

7. إطار التحليل ودراسة الحالة المفاهيمية

إطار لتقييم تعدد الوظائف الكهرضوئية:

  1. تكامل الوظائف: هل يجمع الجهاز بين الاستشعار والتعديل والتحكم في كيان مادي واحد؟ (هذا المستشعر يحقق درجة عالية).
  2. بُعد التحكم: ما هو المتغير المستقل للتحكم في الاستجابة؟ (الانحياز الكهربائي، الطول الموجي، الشدة، الاستقطاب). هنا، إنه الطول الموجي/اللون.
  3. اللاخطية والكسب: هل علاقة الإدخال-الإخراج خطية؟ ما هو الكسب الفعال؟ (يظهر هذا الجهاز كسبًا غير خطي واضحًا وقابلًا للضبط).
  4. التأثير على مستوى النظام: كيف يقلل من المكونات الخارجية (المرشحات، المضخمات، أجهزة الإرسال والاستقبال المنفصلة)؟
دراسة حالة مفاهيمية: عقدة إنترنت الأشياء في مستودع ذكي
تخيل عقدة تستخدم هذا المستشعر RGB:
  • الدور 1 (المستقبل): تستقبل بيانات زرقاء عالية السرعة من مصباح LED علوي (رابط هابط لاتصالات الضوء المرئي). يوجد في نفس الوقت ضوء أحمر بيئي ثابت (من منارة أمان)، والذي تظهر الورقة أنه يمكن أن يعزز استقبال الإشارة الزرقاء.
  • الدور 2 (المرسل): تقوم نفس العقدة بتعديل مصباح LED الأحمر الخاص بها لإرسال بيانات الحالة مرة أخرى (رابط صاعد). يمكن استخدام الضوء الأخضر المستلم (من لافتة خروج) لكبت التداخل من إشارات العقد الأخرى الحمراء.
  • الدور 3 (المستشعر): توفر مستويات التيار المستمر للضوء الأحمر والأخضر والأزرق المستلم بيانات درجة حرارة اللون المحيطة لمراقبة البيئة.
تقوم وحدة عتاد واحدة بثلاث وظائف متميزة، تفسر وتستخدم طيف ألوان بيئتها بذكاء.

8. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية

التطبيقات الفورية:

  • عقد إنترنت الأشياء مبسطة لاتصالات الضوء المرئي: تتيح أجهزة إرسال واستقبال فائقة الصغر ومنخفضة التكلفة لشبكات الاستشعار في المباني الذكية وإنترنت الأشياء الصناعي والاتصالات تحت الماء.
  • مستشعرات الضوء المميزة للألوان: تتجاوز مجرد الشدة، لأنظمة الإضاءة التكيفية، ومعايرة الشاشات، أو المراقبة الزراعية.
اتجاهات البحث المستقبلية:
  • تحسين عرض النطاق الترددي: توصيف وهندسة الاستجابة العابرة. استكشاف مواد أشباه موصلات مختلفة (مثل البيروفسكايت) لأوقات استجابة أسرع.
  • التصميم المتكامل: الانتقال من مصابيح LED RGB منفصلة إلى شريحة أحادية البلورة متعددة الوصلات مع مرشحات طيفية ووصلات بينية محسنة.
  • الاستشعار العصبي الشكل: سلوك البوابة اللونية يذكر بالترجيح المشبكي. هل يمكن لمجموعات من هذه المستشعرات إجراء معالجة طيفية أولية أو التعرف على الأنماط عند الحافة؟
  • التوحيد القياسي: تطوير مخططات تعديل وتشفير تستفيد صراحة من تحكم الكسب المعتمد على اللون للاتصالات الآمنة أو متعددة القنوات، كما اقترحته أعمال حديثة في الوصول المتعدد في المجال الضوئي.
  • تكامل حصاد الطاقة: الجمع بين قدرة حصاد الطاقة الضوئية الجهدية ووظيفة الاتصال لعقد إنترنت الأشياء ذاتية الطاقة حقًا، على نهج الأبحاث المقدمة في مؤتمرات مثل ISSCC حول مستشعرات حصاد الطاقة CMOS.
يشير تقارب الاستشعار والاتصال والحوسبة في جهاز واحد بسيط نحو مستقبل الذكاء الضوئي المضمن بعمق والواعي بالسياق.

9. المراجع

  1. Li, S., Liang, S., & Xu, Z. (2018). Phototransistor-like Light Controllable IoT Sensor based on Series-connected RGB LEDs. arXiv:1810.08789.
  2. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2018.
  3. Ismail, T., et al. (2021). CMOS Image Sensors as Multi-Functional Devices for IoT: A Review. IEEE Transactions on Circuits and Systems I.
  4. Zhu, J., et al. (2017). InGaAs/InP Phototransistors for High-Speed Lightwave Communication. IEEE Journal of Quantum Electronics.
  5. MIT Microsystems Technology Laboratories. (2023). Research on Neuromorphic Vision Sensors. [Online]. Available: https://www.mtl.mit.edu
  6. International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). (2022). Advances in Energy-Harvesting Sensor Interfaces.