1. مقدمه و مرور کلی

این مقاله یک طراحی نوآورانه سنسور نوری اینترنت اشیاء (IoT) مبتنی بر دیودهای نورافشان (LED) قرمز، سبز و آبی (RGB) متصل به صورت سری را ارائه می‌دهد. نوآوری اصلی در رفتار شبیه به فوتوترانزیستور آن نهفته است، جایی که پاسخ الکترونوری سنسور می‌تواند توسط نور فرودی با رنگ‌های مختلف کنترل یا "برنامه‌ریزی" شود. این دستگاه در سیستم‌های ارتباط نوری مرئی (VLC) به طور دوگانه هم به عنوان فرستنده و هم گیرنده عمل می‌کند و به طور بالقوه پیچیدگی و هزینه شبکه‌های اینترنت اشیاء را کاهش می‌دهد.

حداکثر حساسیت

نور بنفش (آبی+قرمز)

پیک پاسخ AC/DC

ویژگی کلیدی

قابل برنامه‌ریزی با نور

پاسخ کنترل شده توسط رنگ نور فرودی

کاربرد اصلی

VLC برای اینترنت اشیاء

عملکرد فرستنده-گیرنده

2. مدل سنسور RGB و تنظیمات آزمایشی

سنسور با اتصال یک LED قرمز AlInGaP، یک LED سبز InGaN و یک LED آبی GaN به صورت سری (سری LumiLEDs rebel) ساخته شده است. تمام LEDها در طول آزمایش‌ها به طور یکنواخت روشن می‌شوند.

2.1 پیکربندی آزمایشی

خروجی سنسور RGB به یک اسیلوسکوپ Keysight MSOX6004A با بار ورودی 1 مگااهم متصل شده است. این تنظیمات امکان اندازه‌گیری دقیق پاسخ سنسور به ورودی‌های نوری رنگی مختلف (قرمز، سبز، آبی و ترکیبات) را فراهم می‌کند.

2.2 مشخصات و طیف‌های LED

شکل 1(b) در مقاله، طیف انتشار اندازه‌گیری شده و توزیع‌های طیفی نسبی پاسخ الکترونوری برای هر LED RGB در بایاس صفر را نشان می‌دهد. این داده برای درک رفتار وابسته به طول موج هر جزء در مدار سری حیاتی است.

3. اصل فنی اصلی و مدل

عملکرد سنسور از طریق یک مدل امپدانس وابسته به نور تفسیر می‌شود. نور فرودی، امپدانس مؤثر LEDهای منفرد در زنجیره سری را تغییر می‌دهد و در نتیجه جریان کلی و خروجی ولتاژ سنسور را مدوله می‌کند.

3.1 مدل امپدانس وابسته به نور

پاسخ الکترونوری پیچیده است و شامل حالت‌های فوتوکانداکتیو و فوتوولتائیک، و همچنین تولید جریان فوتونی از تفکیک اکسیتون می‌شود. مدل، گیرنده LED را به عنوان یک منبع جریان در نظر می‌گیرد زمانی که امپدانس بار به اندازه کافی کوچک باشد.

3.2 حالت‌های فوتوولتائیک در مقابل فوتوکانداکتیو

سنسور احتمالاً از هر دو حالت بهره می‌برد: اثر فوتوولتائیک یک ولتاژ/جریان از فوتون‌های جذب شده تولید می‌کند، در حالی که اثر فوتوکانداکتیو رسانایی نیمه‌هادی را تغییر می‌دهد. اتصال سری، وابستگی‌های متقابل بین این اثرات در کانال‌های رنگی مختلف ایجاد می‌کند.

4. نتایج آزمایشی و عملکرد

4.1 اندازه‌گیری‌های حساسیت AC/DC

سنسور حداکثر حساسیت AC و DC را به نور بنفش، که از ترکیب نور آبی و قرمز ایجاد شده است، نشان می‌دهد. این نشان‌دهنده یک اثر سینرژی است که چندین پیوند به طور همزمان فعال می‌شوند.

4.2 پاسخ قابل برنامه‌ریزی با رنگ

این ویژگی شاخص است:

  • حساسیت سنسور به نور AC آبی می‌تواند با نور DC قرمز یا سبز فرودی تقویت شود.
  • پاسخ به سیگنال AC قرمز می‌تواند توسط نور DC سبز سرکوب شود.
  • پاسخ به سیگنال AC سبز می‌تواند توسط نور DC قرمز سرکوب شود.
این امر شکلی از گیتینگ نوری یا کنترل بهره ایجاد می‌کند، مشابه کنترل جریان کلکتور توسط جریان بیس در یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی.

4.3 معیارهای کلیدی عملکرد

مقاله بر مناسب بودن برای VLC با LED سفید پوشش داده شده با فسفر تأکید می‌کند. انتشار فسفر زرد کند، تداخل قابل توجهی ایجاد نمی‌کند اما می‌تواند پاسخ به سیگنال نور پمپ آبی با سرعت بالا را افزایش دهد و یک مزیت فیلترینگ داخلی ارائه می‌دهد.

5. دیدگاه تحلیلگر: بینش اصلی و نقد

بینش اصلی: این فقط یک ترفند هوشمندانه مدار نیست؛ بلکه بازاندیشی اساسی در مورد LED به عنوان یک سلول واحد الکترونوری چندکاره است. نویسندگان به طور مؤثری یک "ترانزیستور الکترونوری کدگذاری شده با رنگ" با بهره‌گیری از خواص ذاتی فوتوولتائیک و حساسیت‌های طیفی LEDهای RGB تجاری در سری ایجاد کرده‌اند. نبوغ واقعی در استفاده از خود رنگ نور به عنوان متغیر کنترل است، که فراتر از بایاس الکتریکی سنتی حرکت می‌کند. این با روند گسترده‌تر در محاسبات نورومورفیک و درون‌سنجشی همسو است، جایی که دستگاه‌ها پردازش آنالوگ را در نقطه حس‌گری انجام می‌دهند، همانطور که در تحقیقات مؤسساتی مانند آزمایشگاه‌های فناوری میکروسیستم‌های MIT بر روی سنسورهای بینایی دیده می‌شود.

جریان منطقی: منطق ظریف است: 1) اتصال سری، تداوم جریان را الزامی می‌کند، 2) امپدانس هر LED تابعی از شار فوتون فرودی در گاف انرژی خاص آن است، 3) بنابراین، خروجی ولتاژ/جریان کل به یک تابع غیرخطی از ترکیب طیفی نور ورودی تبدیل می‌شود. این امر تابع انتقال قابل برنامه‌ریزی را ایجاد می‌کند. این یک پیاده‌سازی سخت‌افزاری از تابعی است که به طور معمول به سنسورها، فیلترها و یک ریزپردازنده جداگانه نیاز دارد.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت، سادگی عمیق و مقرون به صرفه بودن است، با استفاده از قطعات کاملاً آماده برای دستیابی به عملکرد نوآورانه. قابلیت دوگانه فرستنده-گیرنده، یک دستاورد بزرگ برای کوچک‌سازی گره‌های اینترنت اشیاء و بودجه توان است. با این حال، ضعف آشکار، سکوت مقاله در مورد سرعت و پهنای باند است. فوتوترانزیستورها، مانند آن‌هایی که بر پایه InGaAs هستند (همانطور که از آثار در IEEE Journal of Quantum Electronics ارجاع شده است)، بهره را با پهنای باند معامله می‌کنند. پهنای باند مدولاسیون -3dB این سنسور RGB تحت شرایط مختلف نور کنترل چیست؟ برای VLC، این امر بسیار مهم است. علاوه بر این، خطی بودن و محدوده دینامیکی "کنترل بهره" از طریق نور DC بررسی نشده اما برای سیستم‌های ارتباطی عملی حیاتی است.

بینش‌های عملی: برای محققان: بلافاصله پاسخ گذرا و ویژگی‌های نویز را بررسی کنید. مدل امپدانس نیاز به اصلاح برای پیش‌بینی رفتار AC دارد. برای توسعه‌دهندگان محصول: این یک بلیط طلایی برای سنسورهای نور محیطی هوشمند و کم‌هزینه است که می‌توانند نه تنها شدت، بلکه زمینه طیفی را نیز تشخیص دهند (به عنوان مثال، آیا این نور آبی از صفحه نمایش است یا آسمان؟). با گروه‌های استاندارد VLC (مانند IEEE 802.15.7) برای تعریف پروتکل‌های کانال کنترل با استفاده از این ویژگی گیتینگ رنگی همکاری کنید. آینده فقط در ساخت سنسور نیست، بلکه در تعریف "زبان رنگی" است که برای ارتباط و محاسبه استفاده می‌کند.

6. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

مقاله یک مدل نظری مبتنی بر امپدانس وابسته به نور توسعه می‌دهد. امپدانس مؤثر یک LED تحت تابش را می‌توان به عنوان تابعی از جریان فوتوژنریته شده نمایش داد. برای یک مدل ساده‌شده، جریان از طریق مدار سری را می‌توان به صورت زیر بیان کرد: $$I = \frac{V_{bias} + \sum_{i=R,G,B} V_{ph,i}}{R_{load} + \sum_{i=R,G,B} Z_i(I_{ph,i})}$$ که در آن:

  • $V_{bias}$ هر ولتاژ بایاس اعمال شده است (احتمالاً در حالت فوتوولتائیک صفر است).
  • $V_{ph,i}$ فوتوولتاژ تولید شده توسط i-امین LED (قرمز، سبز، آبی) است.
  • $R_{load}$ مقاومت بار (1 مگااهم) است.
  • $Z_i(I_{ph,i})$ امپدانس مختلط i-امین LED است، که تابعی از جریان فوتوژنریته شده آن $I_{ph,i}$ است. خود $I_{ph,i}$ به توان نوری فرودی در طول‌موج‌های درون باند جذب آن LED بستگی دارد.
پاسخ "قابل برنامه‌ریزی" به این دلیل ایجاد می‌شود که یک نور کنترل DC (مثلاً قرمز) عمدتاً بر $Z_R$ و $I_{ph,R}$ تأثیر می‌گذارد، در نتیجه مخرج را تغییر می‌دهد و حساسیت مدار به یک سیگنال AC (مثلاً آبی) که بر $Z_B$ و $I_{ph,B}$ تأثیر می‌گذارد را تغییر می‌دهد.

7. چارچوب تحلیل و مطالعه موردی مفهومی

چارچوب برای ارزیابی چندکارکردی الکترونوری:

  1. ادغام عملکرد: آیا دستگاه حس‌گری، مدولاسیون و کنترل را در یک موجودیت فیزیکی ترکیب می‌کند؟ (این سنسور امتیاز بالایی دارد).
  2. بعد کنترل: متغیر مستقل برای کنترل پاسخ چیست؟ (بایاس الکتریکی، طول موج، شدت، قطبش). در اینجا، طول موج/رنگ است.
  3. غیرخطی بودن و بهره: آیا رابطه ورودی-خروجی خطی است؟ بهره مؤثر چیست؟ (این دستگاه بهره غیرخطی و قابل تنظیم واضحی نشان می‌دهد).
  4. تأثیر در سطح سیستم: چگونه اجزای خارجی (فیلترها، تقویت‌کننده‌ها، فرستنده-گیرنده‌های جداگانه) را کاهش می‌دهد؟
مطالعه موردی مفهومی: گره اینترنت اشیاء انبار هوشمند
تصور کنید یک گره از این سنسور RGB استفاده می‌کند:
  • نقش 1 (گیرنده): داده‌های آبی با سرعت بالا را از یک نور LED سقفی دریافت می‌کند (لینک پایین‌رونده VLC). همزمان یک نور قرمز محیطی ثابت (از یک چراغ راهنمای ایمنی) وجود دارد که مقاله نشان می‌دهد می‌تواند دریافت سیگنال آبی را تقویت کند.
  • نقش 2 (فرستنده): همان گره، LED قرمز خود را برای ارسال داده‌های وضعیت به عقب (لینک بالارونده) مدوله می‌کند. نور سبز دریافتی (از یک علامت خروج) می‌تواند برای سرکوب تداخل از سیگنال‌های قرمز گره‌های دیگر استفاده شود.
  • نقش 3 (سنسور): سطوح DC نور RGB دریافتی، داده‌های دمای رنگ محیطی را برای نظارت بر محیط ارائه می‌دهد.
یک واحد سخت‌افزاری سه عملکرد متمایز را انجام می‌دهد و طیف رنگی محیط خود را به طور هوشمندانه تفسیر و استفاده می‌کند.

8. چشم‌انداز کاربرد و جهت‌های آینده

کاربردهای فوری:

  • گره‌های اینترنت اشیاء VLC ساده‌شده: امکان فرستنده-گیرنده‌های فوق فشرده و کم‌هزینه برای شبکه‌های حس‌گری در ساختمان‌های هوشمند، اینترنت اشیاء صنعتی و ارتباطات زیرآبی را فراهم می‌کند.
  • سنسورهای نور تشخیص‌دهنده رنگ: فراتر از شدت ساده، برای سیستم‌های روشنایی تطبیقی، کالیبراسیون نمایشگر یا نظارت کشاورزی.
جهت‌های تحقیقاتی آینده:
  • بهینه‌سازی پهنای باند: مشخص‌سازی و مهندسی پاسخ گذرا. کاوش مواد نیمه‌هادی مختلف (مانند پروسکایت) برای زمان‌های پاسخ سریع‌تر.
  • طراحی یکپارچه: حرکت از LEDهای RGB گسسته به یک تراشه یکپارچه چندپیوندی با فیلترهای طیفی و اتصالات بهینه‌شده.
  • حس‌گری نورومورفیک: رفتار گیتینگ رنگی یادآور وزن‌دهی سیناپسی است. آیا آرایه‌هایی از چنین سنسورهایی می‌توانند پیش‌پردازش طیفی ابتدایی یا تشخیص الگو را در لبه انجام دهند؟
  • استانداردسازی: توسعه طرح‌های مدولاسیون و کدگذاری که به صراحت از کنترل بهره وابسته به رنگ برای ارتباط امن یا چندکاناله بهره می‌برند، همانطور که توسط کار اخیر در دسترسی چندگانه دامنه نوری پیشنهاد شده است.
  • ادغام برداشت انرژی: ترکیب قابلیت برداشت انرژی فوتوولتائیک با عملکرد ارتباطی برای گره‌های اینترنت اشیاء واقعاً خودتوان، با دنبال کردن مسیر تحقیقات ارائه شده در کنفرانس‌هایی مانند ISSCC در مورد سنسورهای برداشت‌کننده انرژی CMOS.
همگرایی حس‌گری، ارتباط و محاسبه در یک دستگاه ساده و واحد، به سمت آینده‌ای از هوش فوتونیک عمیقاً تعبیه‌شده و آگاه از زمینه اشاره می‌کند.

9. مراجع

  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.