سامانه‌های جهت یاب

سعید نظم فر و بهاره صفا بهار

كاربرد سامانه‌‌هاي جهت ياب امروزه ديگر منحصر به سامانه‌‌هاي نظامي و كاربرد‌هاي خاص چون رادار، سونار و جهت ياب‌هاي راديويي معمولي و ... نشده و مسير خود را در سيستم‌هاي مخابراتي پيشرفته چون سامانه‌‌هاي مخابراتي سيار، سامانه‌‌هاي رديابي و شناسايي نجوم و.... باز نموده است، به طوري كه تركيب سامانه‌‌هاي جهت يابي و مخابرات سيار باعث مزاياي فراواني از جمله افزايش تعداد استفاده كنندگان، افزايش حجم پوشش و كاهش تداخل شده است. همچنين تقاضا براي خدمات مخـابراتي موبايل روز به روز به طور گسترد‌هاي در حال افزايش است از اين رو است كه پيش بيني مي‌شود كه در اّيند‌هاي نزديك مخابرات براي دستگاه‌‌هاي موبايل در هرمنطق‌هاي از زمين در تمامي زمانها قابل دسترسي باشد. به نظر مي‌رسد كه اّرايه اّنتن‌ها كه بر روي كشتي‌ها، ناوها، ماهواره‌ها و همچنين ايستگاه‌‌هاي اصلي نصب شده اند داراي نقش بسيار مهمي درپاسخگويي به نياز‌هاي مربوطه خواهند بود. مبحث آرايه بندي و متعاقب آن طراحي الگوريتم ‌‌هاي مختلف جهت پردازش اطلاعات حاصله از آرايه‌ها مدتي است كه تحقيقات زيادي را به‌ خود اختصاص داده است. اگـر چه تاريخچه اين تحقيقات به ساليان پيش بر مي‌گردد اما مدتي است كه بخاطر پيشرفت بشر در دستيابي به سرعت‌هاي بالاي كليد زني و پردازشگر‌‌هايي كه قادرند در مدت زماني اندك محاسبات زيادي را انجام دهند تحولات چشمگيري يافته است .البته هنوز هم اين سرعت كافي نبوده ودر بسياري موارد باعـث عـدم پـردازش مناسب داده‌ها مي‌گـردد. جهـت يا بـي راديويي[1] از جمله مواردي است كه بر روي آن تحقيقات زيادي در زمينه آن بعمل آمده است .

لازمه بررسي و تحليل چنين مباحثي شناخت تكنيك آرايه‌ها و توانايي استفاده از الگوريتم‌هاي مناسب با شرايط مسئله است. اين موضوع كه ابتدا در سيستم‌هاي آرايه و فقي[2] مطرح شده بود در حال حاضر نيز بهمراه مبحث شكل دهي پرتو[3] در زمينه‌‌هاي مختلف خصوصا مخابرات سيار سيستم‌هاي SDMA[4]  و آنتن‌‌هاي هوشمند[5] مورد توجه بسياري از مراكز تحقيقاتي قرار دارد.

بهره گيري از تكنيك پردازش آراي‌هاي ابتدا جهت آنتن‌ها بكار رفت اما پس از مدتي كاربرد‌‌هاي عظيم اين تكنيك در كليه زمينه‌ها گسترش يافت .

الگوريتم‌‌هاي موجود در مورد مشخص كردن جهت ورودي‌هاي دريافتي مدتها است كه مورد توجه بوده و در روش بسيار كاراي آن كه همان روش‌هاي تخمين جهت با استفاده از تكنيك زير فضاي سيگنال است از حدود دهه 1970 آغاز شده است. اصلي ترين الگوريتم مرتبط با تكنيك‌‌هاي زير فضاي سيگنال، الگوريتم ميوزيك[6] است .

كاربرد سامانه‌‌هاي جهت ياب امروزه ديگر منحصر به سامانه‌‌هاي نظامي و كاربرد‌‌هاي خاص همچون رادار و سونار، جهت ياب‌هاي راديويي نشده ومسير خود را در سامانه‌‌هاي مخابراتي پيشرفته چون سيستم‌هاي مخابراتي‌سيار، سامانه‌‌هاي رديابي وشناسايي نجوم و در موارد محدودي در بحث اكوستيك باز نموده است. بطوريكه تركيب سامانه‌‌هايDF[7] و مخابرات باعث مزاياي بسياري از جمله افزايش تعداد استفاده‌كنندگان، افزايش حجم پوشش و كا‌هش تداخل شده است.

یکی از کاربردهای سامانه‌های جهت یاب به تحقیقات  يكي از كارشناسان ارشد ارتش آمريكا بر ميگردد كه با نمونه برداري از صداي يك تانك و سپردن اين نمونه صداي تانك در حافظه كامپيوتر و سپس كاشتن تعدادي ميكروفن بعنوان سنسور و مقايسه خروجي آرايه با حافظه توانست زاوي‌هاي كه اين تانك به هنگام حركت با موتور روشن با سنسنور‌ها مي‌ساخت را آشكار نمايد كه اين مهم باعث مي‌شد تا بتوان تانك دشمن را با علم به زاويه آن شناسايي نموده و با داشتن مختصات آن بعنوان يك هدف نظامي به آن شليك نمود .كاري كه در گذشته با رادار انجام مي‌شد در حاليكه هزينه ساخت رادار با هزينه ساخت اين پروژه نظامي غير قابل مقايسه بود. بطوريكه چنانچه رادار توسط دشمن مورد تخريب قرار مي‌گرفت هزينه آن بسيار زياد بود در حاليكه چنانچه اين پروژه توسط دشمن تخريب مي‌شد فقط تعدادي ميكروفن از دست مي‌رفت .

امروزه جداي از كاربرد‌‌هاي وسيعي كه آرايه‌ها ي ميكروفني به ارمغان آورده‌اند مي‌توان با نمونه برداري از صدا‌هاي حوادث يا پديده‌ها ( شبيه صداي رعد، صداي انفجار – صداي شكستن شيشه و يا …) و سپردن اين اصوات به حافظه كامپيوتر و مقايسه آنها با خروجي سـنسورها يا آرايه‌‌هاي كاشته شده در محل‌‌هاي مورد نظرمان بروز يك پديده يا اتفاق يك حادثه يا رويداد را آشكار و متعاقب آن امور پيشگرانه را لحاظ نمود. مثلا با پردازش گر‌‌هاي قوي ميتوان بروز رعد را از روي صداي آن تشخيص داده و در پست‌‌هاي توزيع برق فشار قوي در كسري از ثانيه نسبت به قطع برق اقدام نمود و سايرامور پيشگيران‌هاي كه ميتوان با استفاده از آرايه بندي به انجام رساند .

بطور كلي روش‌هاي تخمين جهت كه تاكنون پيشنهاد شده را مي‌توان به دو گروه تقسيم كرد: 1- روش‌هاي تخمين طيفي[8]

2- روش‌هاي ساختار ويژه^[9]

در روش‌هاي گروه اول كه مهمترين آنها روش حداكثر احتمال[10] است با محاسبه طيف مكاني و بدست آوردن نقاط ماكزيمم محلي، تعداد و جهت منابع سيگنال تعيين مي‌گردد. تخمين همزمان تعداد و جهت منابع ارسال كننده سيگنال و همچنين زمان پردازش كم اين روشها از جمله نقاط قوت آنها محسوب مي‌گردند ولي قدرت تفكيك پذيري كم در تشخيص منـابع نزديك بهم و منابـع با اخـتلاف توانـي زيـاد، هـمچنـين حسـاسيت زياد آنـها به نويز و كاليبراسيون آرايه دلايلي هستند كه استفاده از آنها را محدود نموده است .

    روش‌هاي گروه دوم كه  الگوريتمMusic  مهمترين آنها است بر پايه اين خاصيت ماتريس كواريانس پايه گذاري شده اند كه فضا توسط بردار‌هاي ويژه آن به دو زير فضا ي سيگنال و نويز تقسيم مي‌شود به گون‌هاي كه بردار‌هاي آرايه در جهت منابع، عمود بر زير فضاي نويز قرار مي‌گيرند .

   سادگي فرمول بندي، قدرت تفكيك زياد و حساسيت بسيار كمتر آنها به نويز از جمله محاسن آنها است ولي  از عيوب دسته دوم مي‌توان به اين نكته اشاره كرد كه بعضي از روش‌هاي اين دسته فقط قابل اعمال به آرايه‌‌هاي خطي هستند .

براي بهينه كردن يك ارتباط بطوريكه داراي بازده بالايي باشد توجه به چندين مورد اساسي لازم به نظر مي‌رسد كه در زير به  اّنها  اشاره  مي‌شود :

چگونگي اسـتفاده از آرايه آنتن‌ها بطـوريكه با استفاده از پيـكر بندي‌‌هاي متفاوت، اثر و نتايج مربوط به سامانه‌‌هاي مخابراتي را بهبود بخـشد .

   مدل سـيگـنال منـاسب وكارا، براي پــردازش آرايـه[11] دركنـار طرح‌‌هاي مختـلف شـكل دهي بيـم²، به همراه مسايلي همچون تاخير مرسوم[12]، مجموعه شكل دهنده‌‌هاي بيم[13]، شرايط مرزي نـاشـي از شكـل دهي بيــم[14]، پــردازش بـر روي فضـاي بـيـم[15]، بردار‌‌هاي صفر[16]، شكل دهي به صورت ديجيتالي  و ديگر ساختار‌هاي  ويـژ‌هاي كـه همگي خـارج از بحث اصلي اين پروژه است .

الگوريتـم‌‌هاي وفـقي بـراي تـنظـيم وزن يك آرايه، كه اين الگوريتمها شامـل  SMI ^[17]،  LMS[18]، LMS نرماليزه، ساختـار گراديـاني،  RLS[19]،  CMA[20] و روش  مزدوج  گراديان و شبكه ارتباطي عصبي است .

بكارگيري چندين روش تخمين جهت[21]  سيگنال‌هاي دريافتي و مقايسه نتايج و اثر هر كدام و تجزيه و تحليل متغير‌‌هاي مختلف و محاسبه حساسيت آ‌نها و همچنين تخمين تعداد منابع .

بحث بر روي چندين روش پيش پردازشي[22] و همچنين بررسي خطاها و تاكيد برنقش طرح‌هاي پردازش آرايه.

قدرت تفكيك جهات سيگنال‌هاي دريافتي DOA)) [23] در بسياري از سامانه‌‌هاي سنسوري همچون رادارها، سونارها، مخابرات موبايل و نظارت و مراقبت الكترونيكي كاربرد فراواني دارد. به همين لحاظ است كه طي يك دهه اخير تلاش فراواني براي بهبود دادن مشخصه‌‌هاي سيستم‌هاي DF انجام مي‌گيرد.

شايد بيش از چند صد مقاله از دهه 60 تا دهه 90 در مورد طراحي سامانه DF (طراحي آرايه و ساختار آن) ارائه شده است اما عـمده تفـاوت مقالات دهه اخير با مقالات پيشين، در نحوه بررسي و طراحي DF، به شكل ارائه الگوريتم‌‌هاي پردازشگر بوده است. در اين الگوريتم‌ها از توان سيگنال دريافتي مجموعهء حسگرها استفاده شده و با جداسـازي فضاي سيگنال از فضاي نويز توسط يك آستانه از پيـش تعريف شده، مشخصات سيـگنال‌‌هاي دريافتي و جهت سيگنال‌‌هاي دريافتي را مي‌توان بدست آورد. در صورتيكه هيچ نويزي وجود نداشته باشد (SNR=∞ ) در اين صورت مقادير محاسبه شده مقادير دقيق خواهند بود. از آنجائيكه هميشه نويز وجود دارد، مقادير بدست آمده به طور مجانبي به مقادير دقيق ميل مي‌كنند .

 روش‌هاي جدا سازي سيگنال از نويـز و حصول مقادير دقيق متغير‌‌هاي مورد نياز براي الگوريتم‌‌هاي مختلف موجب شده است كه هر كدام در موقعيت‌هاي مختلفي بكار گرفته شوند و حتي بعضي از اين الگوريتم‌ها به دلايل مشكلاتي كه فراهم نموده اند، حذف شوند .

يك مشكل جدي پردازش آرايه حل مسئله منابع كاملا وابسته است. حل نمودن مشكل منابع وابسته و همچنين منابعي كه از لحاظ فاصله بهم نزديكند باعث ايجاد يك حوزه فعال در تحقيقات شده است.

اين مطالعات در حال حـاضر بر روي تعدادي از تكنيكـ‌هاي مـوجود از قبـيل ASPECT^[24] (مانيكاس و ترنر در سال 1991)^[25]  ‌[16-1]،DOSE^[26] (زاتمن استرانگ وايز
 1993)^[27] ، IMP^[28] (كلارك 1991)^[29]  ‌‌‌[10-1]و ML (وَكس 1985)^[30] ‌ بعنوان يك ابزار تخمين جهت سيگنال‌هاي دريافتي انجام مي‌گيرد. اين تكنيكها به شكل هندسي آرايه خطي مقيد نيستند و قادر هستند كه محاسبات را براي سيگنالها يي با همبستگي كامل انجام دهند. تخمين جهت دريافت با تفكيك پذيري فوق العاده^[31] DOA‌‌در بسياري از سيستم‌هايي كه از آنتن استفاده مي‌كنند نظير رادار سونار، مخابرات موبايل و سيستم‌هاي الكترونيكي نظارتي^[32]‌ كاربرد دارد. در مراحل قبل تخمين جهت، يك روش كلي كه موسوم به تبديل فوريه وجود دارد و بعنوان روش متداول شكل دهي بيم معروف است و بيشترين توجه را به خود جلب كرده است. اما يكي از مسائل مهم كه تكنيكـ‌هاي جهت دهي بيم با آن مواجه هستند، رفع مشكل دو منبع نزديك به يكديگر است. اين ناتواني از آنجا ناشي مي‌شود كه مشخصه دقت تفكيك پذيري آرايه به  نسبت سيگنال به نويز بستگي دارد. اين مشكل همچنان براي تكنيك‌هاي جديد كه براي پيدا نمودن موقعيت منابع بكار مي‌روند وجود دارد (مرموز 1981)[33] كه از اين تكنيك‌هاي جديد به تكنيك‌هاي تخمين جهت با دقت تفـكيك پذيـري بـالا‌‌ياد مي‌شود  مهمترين روش‌‌هاي موجود در اين بخش از تكـنيكها، عبارتند از:

روش حداكـثر احتمـال ML كه مـبناي كار كـاپن[34] (1969)‌ بـر روي تـجزيه عـدد مـوج فـركانـس است‌  .

روش حداكثر بي نظمي ME[35] كه توسط برگ[36] (1975)‌ بنيان نهاده شد .

تكنيك‌هاي زير فضاي سيگنال[37] (اشميت 1981)[38] كه مشهورترين الگوريتم موجود در اين دسته الگوريتمMUSIC  است.

در حال حـاضر تـكنيك‌هاي زير فـضـاي سيگـنال به عنوان قدرتمندترين روش در نظر گرفـته شده و بر مبناي تجزيه بردار تجزيه ويژه ماتريس كوواريانـس داده‌ها (يعني R _xx‌_‌ ) بنا شده است. عمده ترين مزيت‌هاي اين تكنيك بر تكنيك‌هاي متداول و همچنين ساير تكنيك‌‌هاي تفكيك پذيري بالا شامل روش  MLو ME  (جانسون و مينر 1986 )[39] عبارتند از: 

اين روش‌ها قادرند تخمين‌‌هايي با قدرت بالاتر را ايجاد كنند .

ابهام‌ها تقليل داده مي‌شوند.

تخمين دقيقي براي  DOA‌ و ساير متغير‌هاي سيگنال و نويز ايجاد مي‌كند .

اما اين تكنيك‌هاي مشخص شده، حساس به نمونه برداري و مدل‌هاي خطا و عدم  اطمينان مي‌باشند، بخصوص كه بر اساس دانش دقيق شكل هندسي آرايه (موقعيت آنتنها )‌، ‌فاز و بهره آنتن، كوپلينگ متقابل بين عناصر آرايه و غيره بنا شده اند.

اگر روش‌هاي زير فضاي  سيگنال  با متغير‌هاي غلط بكار گرفته شوند عمدتا يا هيچ جوابي نمي‌دهد و يا در بهترين حالت نتايج ضعيفي را خواهد داد. بنابراين كاليبراسيون بر حسب متغير‌هاي آرايه يك نياز مقدماتي در تكنيك‌هاي زير فضاي سيگنال است.

منبع:ماهنامه دنیای مخابرات و ارتباطات

آموزش برق به زبان ساده

منبع: www.amak.ir

کامل ترین مطلب درباره بلوتوث

بلوتوث يك فناوري بي سيم كوتاه برد است كه به تلفنهاي همراه ، PDA ، كامپيوترها ، دستگاههاي ضبط و پخش استريو ، لوازم خانگي ، اتومبيلها و همه وسايل ديگري كه مي توانيد ارتباط آنها را با يكديگر فكر كنيد امكان ارتباط مي دهد…در اين مقاله قصد داريم تا از ابتدا تا انتهاي بلوتوث را به شما معرفي کنيم.

به دنياي بلوتوث خوش آمديد : 
به تازگي پس از يك سمينار عصرانه به خانه باز گشته ايد. کامپيوتر Notebook تان در كيف تان قرار دارد ، PDA خود را به كمر بسته ايد ، و تلفن همراه تان در جيب جاي دارد. در سمينار امروز يادداشتهايي را در Notebook خود نوشته ايد . همين كه به خانه مي رسيد و از كنار چاپگر جوهر افشان خود عبور مي كنيد ، Notebook ، چاپگر را پيدا مي كند و به طور خودكار يادداشتهاي سمينار را به چاپگر ارسال مي كند و آنها روي كاغذ چاپ مي شوند . درهمين حال ، PDA شما كامپيوتر روميزي را تشخيص مي دهد و درخواست مي كند كه دفتر تلفن و برنامه روزانه شما Update شود . هم چنين همه پيامهاي ايميلي را كه ارجهيت آنها را تعيين كرده ايد درخواست مي كند.

همه اين كارها در زماني رخ مي دهد كه كت خود را در مي آوريد و براي نوشيدن يك نوشابه به طرف يخچال مي رويد . در عرض چند دقيقه ، تلفن همراه شما بوق مي زند تا به شما اطلاع دهد كه عمليات چاپ يادداشتها تمام شده است . به طرف چاپگر رفته و يادداشتها را مي خوانيد بلافاصله پس از آن PDA شما بوق مي زند تا به شما بگويد كه دفترچه تلفن و برنامه روزانه شما را Update كرده است و شما ايميل جديد داريد.

وظيفه بلوتوث چيست ؟
بلوتوث يك فناوري بي سيم كوتاه برد است كه به تلفنهاي همراه ، PDA ، كامپيوترها ، دستگاههاي ضبط و پخش استريو ، لوازم خانگي ، اتومبيلها و همه وسايل ديگري كه مي توانيد ارتباط آنها را با يكديگر فكر كنيد امكان ارتباط مي دهد.

در ادامه شما را با تاريخچه و چگونگي شکل گيري و انتخاب نام بلوتوث آشنا خواهيم نمود…

تاريخچه بلوتوث

فكر اوليه بلوتوث در شركت موبايل اريكسون در سال 1994 شكل گرفت. اريكسون كه يك شركت سوئدي ارتباطات راه دور است – در آن زمان در حال ساخت يك ارتباط راديويي كم مصرف ، كم هزينه بين تلفن هاي همراه و يك گوشي بي سيم بود.

كار مهندسي در سال 1995 شروع شد و فكر اوليه به فراتر از تلفنهاي همراه و گوشي هاي آنها توسعه يافت تا شامل همه انواع وسايل همراه شود ، با هدف ساخت شبكه هاي شخصي كوچك از وسايل مختلف در طول اين زمان ، اريكسون نام “بلوتوث” (يك پادشاه دانماركي) گرفت كه بين سالهاي 940 و 981 ميلادي مي زيست. شاهِ هارالد در دوره حكومت خود كه يك وايكينگ بود – به طور صلح آميز ، دانمارك ، سوئد جنوبي و نروژ شمالي را متحد كرد. اين كار به او شهرت يك پادشاه ماهر در ارتباط و مذاكره را در تاريخ داد.

براي اريكسون ، اسم بلوتوث براي فناوري داده شده كه اميدوار بود بتواند به طور صلح آميز وسايل مختلف را متحد كند، مناسب بود. اريكسون مي دانست كه اگر فقط يك شركت اين استاندارد ها را حمايت كند هرگز موفق نخواهد شد.

در سال 1998 ، اريكسون يك موافقت نامه با IBM ، اينتل ،نوكيا ، 3com ، توشيبا و مايكروسافت امضا كرد که بر پايه اين موافقت نامه و گروه Bluetooth Special Interest Group را به وجود آورد. هدف اين گروه نظارت بر پيشرفت بلوتوث و عمومي ساختن آن بود. و پس از آن شركتهاي تري كام، Lucent، موتورولا و بيش از 2000 كمپاني ديگر به اين سازمان پيوستند.

فرايند صدور جواز و گواهينامه: قبل از اينكه يك كارخانه بتواند محصولي كه از تكنولوژي بي سيم Bluetooth استفاده مي كند وارد بازار كند بايد جواز آن را از دو جهت دريافت كند. ابتدا محصول مورد نظر استانداردهايي لازم دارد كه بتواند با دستگاههاي ديگر كه داراي تكنولوژي بي سيم Bluetooth هستند ارتباط برقرار كند. ديگر اينكه بايد مجوزهاي لازم براي اين سيستم چه در كشور سازنده و چه در كشوري كه محصول به فروش مي رود مجوزهاي قانوني آنها را دريافت كند.

توضيح بلوتوث

تکنولوژي Bluetooth كه بعضي ها در فارسي آن را به دندان آبي ترجمه كرده اند. استانداردي براي امواج راديويي است كه كه براي ارتباطات بي سيم کامپيوترهاي قابل حمل و نقل (مانند lap top ها) و تلفن هاي همراه و وسايل الكترونيكي رايج استفاده مي شوند اين امواج براي فاصله هاي نزديك استفاده مي شوند و براي ارتباطات بي سيم تكنولوژي ارزاني محسوب مي شوند. و بوسيله اين تكنولوژي مي توانيد بين دو وسيله كه داراي اين تكنولوژي باشند به صورت بي سيم پيغام، عكس يا هر اطلاعات رد و بدل كنيد. راديوي Bluetooth در داخل يك ميكرو چيپ قرار دارد و در باند فركانسي 2.4 گيگا هرتز عمل مي كند.

اين تكنولوژي از سيستم "Frequency Hoping Spread Spectrum" استفاده مي كند، كه سيگنال آن 1600 بار در ثانيه تغيير مي كند كه كمك بزرگي براي جلوگيري از تداخل ناخواسته و غير مجاز است. علاوه بر اين بوسيله نرم افزار كد شناسايي وسيله طرف مقابل چك مي شود. بدين ترتيب مي توان اطمينان حاصل كرد كه اطلاعات شما فقط به مقصد مورد نظر مي رسد. اين امواج با دو قدرت وجود دارند. سطح قدرت پايين تر كه محيطهاي كوچك را مي تواند پوشش دهد ( مثلاً داخل يك اتاق ) يا در نوع با قدرت بالاتر كه رنج متوسطي را مي تواند پوشش دهد. ( مثلاً كل يك خانه را متواند پوشش دهد. ) اين سيستم هم براي ارتباط نقطه به نقطه و هم براي ارتباط يك نقطه با چند نقطه مي تواند استفاده شود.

داراي پهناي باند Kbs 720و 10 متر قدرت انتقال (در صورت تقويت تا 100 متر قابل افزايش است ) مي باشد. اين تكنولوژي كه از سيستم گيرندگي و فرستندگي در جهت مناسب استفاده مي كند. قادر است امواج راديويي را از ميان ديوار و ديگر موانع غير فلزي عبور دهد. اگر امواج مزاحم دستگاه ثالثي باعث تداخل شود انتقال اطلاعات كند مي شود ولي متوقف نمي شود.

با سيستمهاي امروزي بيش از 7 دستگاه مي توانند براي برقراري ارتباط با توليد كننده امواج در يك دستگاه ديگر فعال شوند. به اين شيوه Piconet مي گويند چندين piconet را مي توان به يكديگر متصل كرد كه يك scatternet را تشكيل مي دهند

بلوتوث يك رشتـه خصوصيت بي سيم است كه ارتباطات كوتاه برد بين وسايل مجهز به تراشه هاي كوچك و اختصاصي بلوتوث را تعريف مي كند. بلوتوث فقط كابلها را حذف نمي كند ، بلكه يك روش بي سيم براي وصل كردن كامپيوتر ها با همه وسايل همراه الكترونيكي فراهم مي سازد و شبكه هاي كامپيوتري كوچك و خصوصي مشهور به PAN (Personal Area Network) يا شبكه شخصي را بوجود مي آورد. بلوتوث يك زبان مشترك بين وسايل مختلف مي سازد كه به آنها امكان مي دهد كه به آساني با هم ارتباط برقرار كنند و بهم وصل شوند.

وسايل مجهز به تراشه هاي بلوتوث حدود 10 متر تا 100 متر برد دارند و مي توانند داده ها در سرعت 720 كيلوبايت در ثانيه از طريق ديوار ها ، كيف ها و پوشاك انتقال دهند. هيجان انگيزتر آنكه اتصال دادن بين وسايل بلوتوث مي تواند بدون دخالت مستقيم ما انجام بگيرد. وقتي دو وسيله مجهز به تراشه هاي بلوتوث نزديك يكديگر مي رسند ، نرم افزار نهاده شده در تراشه هاي فرستنده / گيرنده (Server / Client) بلوتوث به طور خودكار يك ارتباط را برقرار مي سازد و داده ها را نقل و انتقال مي دهد.

با اين همه برد كوتاه و سرعت محدود بلوتوث باعث شده است كه براي شبكه هاي محلي (LAN) بي سيم مرسوم كمتر باشد، چون اين شبكه هاي كامپيوتري معمولاً بيش از 10 متري بلوتوث فاصله دارند و برد سرعتي آنها 10 تا 100 متر مگابايت در ثانيه است. 

بلوتوث چگونه كار مي كند؟

راه هاي زيادي براي برقراري ارتباط بين وسايل الکترونيکي با يکديگر وجود دارد مانند:

رابط هاي سيمي 
دستگاه هاي رابط الکترونيکي 
کابلهاي شبکه 
wifi 
سيگنالهاي مادون قرمز

لوازمي همچون کامپيوترها، سيستم هاي سرگرمي، تلفن ها و … لوازمي هستند که در دسته لوازم الکترونيکي جاي مي گيرند. اين وسايل مي توانند از طرق مختلفي با يکديگر ارتباط برقرار کنند مانند استفاده از سيم ها، کابل ها ،سيگنال هاي راديويي ، اشعه مادون قرمز و يا حتي انواع پيشرفته تري از رابط ها و پروتکل هاي ارتباطي.

روش هاي اتصال دستگاه هاي الکترونيکي به يکديگر روز به روز پيچيده تر مي شوند، در اين مقاله به بررسي بلوتوث خواهيم پرداخت. يک روش ارتباطي نسبتا جديد در لوازم الکترونيکي که داراي ساختاري ساده است و بصورت بدون سيم و اتوماتيک انجام مي شود و يکي از خصوصياتي است که کار با لوازم الکترونيکي را جذاب تر و ساده تر مي کند.

مشکل !

قبل از اينکه دو وسيله الکترونيکي با يکديگر ارتباط برقرار کنند بايد يک سري از نکات بين آنها مشخص شده باشد. اولين نکته اي که براي ارتباط بين دو وسيله پيش مي آيد اينست که اين ارتباط از لحاظ فيريکي چگونه بر قرار خواهد شد ؟ آيا لازم است که از سيم استفاده شود يا ارتباط بوسيله بعضي از سيگنال ها و بدون سيم برقرار خواهد شد ؟ و اگر لازم است از سيم استفاده شود چند رشته سيم براي برقراري اين ارتباط لازم است ؟ يک رشته؟ دو رشته ؟ پنج رشته؟ 25 رشته ؟ تازه هنگامي که روش فيزيکي برقراري ارتباط مشخص شد سوالهاي ديگري هم از راه مي رسند :

چه مقدار از اطلاعات بايد درآن واحد منتقل شود؟ براي مثال پرتهاي سريال در آن واحد فقط مي توانند 1bit داده را ارسال کنند اما پرت هاي موازي در همين زمان مي توانند چندين بيت داده را منتقل کنند. 
دستگاه ها بر چه اساسي با يکديگر ارتباط برقرار خواهند کرد؟ تمامي اطلاعات بايد تحت دستورات و قوانين خاصي منتقل شوند که اين دستورات و قوانين پروتکل ناميده مي شوند ، پس بهتر است اين سوال را اينگونه مطرح کنيم که: اطلاعات تحت چه پروتکلي منتقل شود؟ 

راه حلي بنام بلوتوث! - بخش اول

فناوري بلوتوث با حذف دخالت کاربر در سيستم و همچنين احتياج به انرژي بسيار کم براي برقراري ارتباط با وسايل ديگر که موجب صرفه جويي زيادي در مصرف باطري مي شود تکنولوژي شبکه هاي کوچک را وارد مرحله جديدي کرد.

اين را تصور کنيد: شما درحالي که پشت در خانه خود ايستاده ايد به وسيله تلفن همراه خود که به فناوري بلوتوث مجهز است مشغول صحبت کردن با شخصي هستيد. از آن شخص مي خواهيد که 5 دقيقه بعد مجددا با شما تماس بگيرد چون شما مي خواهيد وارد خانه شده و لباسهاي مخصوص خانه را بپوشيد. به محظ اينکه شما وارد خانه مي شويد نقشه اي که از دستگاه GPS اتومبيلتان که به فناوري بلوتوث مجهز است به تلفن همراهتان منتقل شده بود به کامپيوتر شخصي شما منتقل مي شود زيرا دستگاه تلفن همراه شما يک سيگنال بلوتوث از کامپيوتر شخصي شما دريافت کرده مبني بر اينکه اطلاعاتي که شما قبلا مشخص کرده ايد را به کامپيوتر شخصيتان منتقل کند. 5 دقيقه بعد هنگامي که دوست شما مجددا تماس مي گيرد بجاي اينکه تلفن همراه شما زنگ بزند گوشي تلفن خانگي شما که آن هم به سيستم بلوتوث مجهز است زنگ مي زند.

دوست شما همان شماره قبلي را گرفته اما تلفن ثابت شما يک سيگنال بلوتوث از گوشي تلفن همراه شما دريافت کرده و بطور اتوماتيک تلفن همراه شما روي تلفن خانگيتان دايورت شده است زيرا متوجه شده که شما در خانه هستيد! هر سيگنال بلوتوثي که گوشي تلفن همراه شما ارسال يا دريافت مي کند فقط 1 ميلي وات از باطري آن را مصرف مي کند . يعني در واقع مي توان گفت که اين فعاليت در واقع تاثيري روي باطري تلفن شما ندارد!
يكي از جالب ترين نكات درباره اين استاندارد روشي است كه وسايل مجهز به تراشه هاي بلوتوث به طور خودكار يكديگر را تشخيص مي دهند ، ارتباط برقرار مي كنند و داده ها را به دستور شما يا بدون دخالت شما انتقال مي دهند. در خصوصيات بلوتوث يك ارتباط راديويي با برد كوتاه تعريف شده است. اين استاندارد هم چنين يك برد متوسط 100 متري را تعريف كرده است ، اما به ندرت به كار مي رود ، چون به توان التريكي و هزينه بيشتري نياز دارد. هر وسيله بلوتوث حاوي يك تراشه فرستنده / گيرنده مربعي 4 سانتيمتري است كه در باند فركانس راديويي ISM (Industrial Scientific Medical) يا صنعتي ، علمي ، پزشكي از 40.2 گيگاهرتز تا 48.2 گيگاهرتز عمل مي كند.

سازندگان و طراحان اين فركانس را بدين لحاظ انتخاب كردند كه در سراسر جهان به رايگان در دسترس است و محدوديتهاي داشتن مجوز را ندارند . باند ISM به 79 كانال تقسيم مي شود كه هر كدام پهناي باند يك مگاهرتزي دارند كه اين باند رايگان است . بلوتوث از لحاظ نظري پهناي باند يك مگابايت در ثانيه را دارد ، كه سرعتي نزديك به 723 كيلوبيت در ثانيه است. اين سرعت خيلي بالا نيست ، اما براي انتقال داده ها بين وسايل دستي و دسترسي به اينترنت كاملاً كافي است.
 

راه حلي بنام بلوتوث! - بخش دوم

بلوتوث در واقع يک استاندارد شبکه است که داراي 2 سطح است :

● سطح اول که به عنوان سطح فيزيکي شناخته مي شود و بيانگر اين است که بلوتوث يک فرکانس راديويي استاندارد است .

● سطح دوم که به عنوان سطح پروتکل شناخته مي شود و دربرگيرنده قوانين و دستوراتي همچون مکان و زمان ارسال اطلاعات، تعداد بيت هاي ارسالي در آن واحد و همچنين شمار وسايلي که بطور همزمان مي توانند در عمليات ارسال و دريافت اطلاعات شرکت داشته باشند مي باشد.

شبکه بلوتوث اطلاعات را توسط امواج راديويي با قدرت کم انتقال مي دهد که فرکانس اين امواج برابر با 2.45GHz است ( دقيقا بين 2.402GHz تا 2.480 GHz) که اين باند فرکانس طبق يک توافقنامه بين المللي براي استفاده توسط لوازم علمي ، پزشکي و صنعتي کنار گذاشته شده است (ISM).

بعضي از وسايلي که شما هم اکنون نيز از آن استفاده مي کنيد مانند دستگاه کنترل درب پارکينگ يا جديد ترين نسل تلفن هاي بيسيم از فرکانس هاي باند ISM استفاده مي کنند. اطمينان حاصل کردن از اينکه امواج بلوتوث با امواج دستگاه هاي نامبرده شده تداخل پيدا نکنند يکي از سخت ترين مراحل طراحي اين فناوري است.

يکي از راه هايي که تجهيزات بلوتوث از آن براي جلوگيري از تداخل امواجشان با ساير تجهيزات بهره مي جويند ارسال سيگنال هاي بسيار ضعيفي در حدود يک ميلي وات است. براي مقايسه فقط کافي است بدانيد تلفن هاي همراه مي توانند يک سيگنال در حدود 3 واتي را مخابره کنند. استفاده از امواج کم قدرت شعاع برد سيگنال هاي بلوتوث را به حدود 10 متر محدود مي کند و همچنين با استفاده از اين سيگنال هاي ضعيف امکان ايجاد تداخل بين امواج بلوتوث با امواج تلفن همراه ، کامپيوتر و يا دستگاه تلويزيون به کلي منتفي مي شود. اما با همين امواج ضعيف هم لازم نيست که دو دستگاه فرستنده و گيرنده امواج در ديد مستقيم يکديگر باشند. امواج بلوتوث براحتي از ديوارهاي خانه شما عبور مي کنند و اين يک امکان خوب براي کنترل چند دستگاه در اتاقهاي مختلف است.

بلوتوث مي تواند همزمان با 8 دستگاه ارتباط داشته باشد به شرطي که اين دستگاه ها در شعاع ده متري باشند. شايد شما تصور کنيد که ممکن است بين اين دستگاه ها تداخل بوجود بيايد اما اين غير ممکن است. بلوتوث از يک فناوري بنام "جهش فرکانس در طيف گسترده " (spread-spectrum frequency hopping) بهره مي جويد که احتمال استفاده از يک فرکانس برابر توسط دو دستگاه بطور همزمان را تقريبا به صفر مي رساند. بر پايه اين تکنولوژي هر وسيله از 79 فرکانس منحصر به فرد که بصورت اتفاقي ازميان يک سري فرکانس هاي از پيش تعيين شده انتخاب شده است استفاده مي کند که به بطور منظم از يکي از آنها به ديگري تغيير فرکانس مي دهد.

در مورد بلوتوث اين عمل تغيير فرکانس توسط دستگاه فرستنده حدود 1600 بار در ثانيه اتفاق مي افتد. و اين بدان معني است که تعداد دستگاه هاي بيشتري در آن واحد مي توانند از يک بخش محدود از باند فرکانس راديويي استفاده کنند.

راه حلي بنام بلوتوث! - بخش سوم

هنگامي که دو دستگاه فرستنده بلوتوث از تکنولوژي جهش فرکانس در طيف گسترده بهره مي گيرند اين غير ممکن است که دو دستگاه بطور همزمان از يک فرکانس برابر استفاده کنند . بر پايه همين تکنولوژي از اختلال بين امواج بلوتوث با دستگاه هايي مانند کنترل درب پارکينگ يا تلفن هاي بي سيم هم جلوگيري مي شود. حتي اگر در موارد استثنايي اختلالي هم بين امواج بوجود بيايد مدت آن کسر کوچکي از ثانيه خواهد بود که آن هم قابل اصلاح است.

هنگامي که دو يا چند وسيله مجهز به بلوتوث در محدوده برد يکديگر قرار مي گيرند يک گفتگوي الکترونيکي بين آنها صورت مي گيرد که مشخص مي کند آنها چه اطلاعاتي براي به اشتراک گذاشتن دارند يا اينکه کداميک از آنها بايد توسط ديگري کنترل شود. براي اينکار لازم نيست که کاربر دکمه اي را فشار دهد يا دستوري را صادر کند بلکه اين گفتگوي الکترونيکي بطور خودکار انجام مي شود.

به محض اينکه اين گفتگو صورت گرفت دستگاه هاي بلوتوث موجود در اين گفتگو يک شبکه را تشکيل مي دهند . يک شبکه کوچک PAN (Personal Area Network) که به آن piconet هم مي گويند. شبکه اي که يک محيط کوچک مانند يک اتاق را تحت پوشش خود قرار مي دهد يا حتي ممکن است محيطي که تحت پوشش خود قرار مي دهد بيشتر از فاصله بين دستگاه پايه تلفن بي سيم با گوشي و هدست خود نباشد.

وقتي که يک شبکه piconet بر قرار مي شود دستگاه هاي حاضر در اين شبکه همانطور که قبلا توضيح داديم شروع به استفاده از سيستم جهش فرکانس مي کنند و مرتبا فرکانس سيگنال هاي خود را بطور اتفاقي در يک طيف مشخص تغيير مي دهند تا با اينکار هم در دسترس يکديگر باشند و هم اينکه از تداخل piconet آنها با piconet ديگري که ممکن است در همان اتاق برقرار باشد جلوگيري شود. حالا اجازه بدهيد با يک مثال با اين تکنولوژي بيشتر آشنا شويم.

Piconet ها 
اجازه بدهيد تصور کنيم که شما صاحب يک اتاق مدرن هستيد که انواع وسايل مدرن در آن وجود دارد. مثلا يک سيستم سرگرمي شامل استريو، يک DVD پلير، يک دستگاه دريافت کننده امواج تلويزيون هاي ماهواره اي و يک دستگاه تلويزيون. همچنين يک تلفن بي سيم و يک کامپيوتر شخصي . همه اين دستگاه ها از بلوتوث استفاده مي کنند و هر کدام از آنها از يک piconet براي ارتباط بين واحد اصلي و لوازم جانبي خود استفاده مي کنند. تلفن بيسيم يک دستگاه فرستنده و گيرنده بلوتوث در قسمت اصلي خود و يکي ديگر در گوشي خود دارد. سازندگان اين دستگاه آن را طوري طراحي کرده اند که هر کدام از قسمت ها از يک رنج آدرسهاي خاص که برايش تعيين شده براي ارتباط با واحد ديگر استفاده کند. هنگامي که قسمت اصلي دستگاه به کار مي افتد ابتدا شروع به ارسال امواج راديويي با رنج معين شده مي کند تا دستگاه هايي که به امواج در اين رنج حساس هستند به آن پاسخ دهند. به محظ اينکه گوشي امواج ارسالي را دريافت کرد و تشخيص داد که در رنج امواج مشخص شده قرار دارد به آن پاسخ مي دهد و به آن ترتيب يک شبکه کوچک شکل مي گيرد.

از اين به بعد هر کدام از اين وسيله ها امواج ديگري را که متعلق به دستگاه هاي ديگر است دريافت کنند آن را نديده مي گيرند زيرا با شبکه به وجود آمده هماهنگ نيستند. کامپيوتر و دستگاه سرگرمي نيز به همين ترتيب عمل مي کنند . هر کدام يک شبکه بين خودشان تشکيل مي دهند که رنج آدرس هاي آن قبلا توسط سازندگان آنها تعيين شده است . امواج هر شبکه شروع به پرش فرکانسي بين فرکانسهاي مجاز مي کنند و به همين ترتيب است که امواج هر شبکه کاملا مستقل از ديگري و قابل تشخيص مي شود. حال در اتاق شما 3 piconet وجود دارد که هر کدام از دستگاه هاي موجود در اتاق دقيقا مي دانند که بايد به کدام يک از اين شبکه ها توجه کنند و کدام را ناديده بگيرند. هر کدام از اين شبکه ها هم فرکانس امواج خود را هزاران بار در ثانيه تغيير مي دهند و بنابراين احتمال کمي وجود دارد که در يک زمان دو شبکه از يک فرکانس يکسان استفاده کنند و اگر هم اين اتفاق رخ دهد تنها کسري از ثانيه به طول خواهد انجاميد، و نرم افزاري که براي تصحيح اين گونه خطاها طراحي شده اطلاعات مختل شده را اصلاح مي کند.

مزاياي بلوتوث

مهمترين امتيارات بلوتوث بدون سيم بودن، کم هزينه و ارزان بودن و اتوماتيک بودن آن است. راههاي ديگري مانند ارتباط از طريق اشعه مادون قرمز(اينفرارد) هم براي ارتباط بدون سيم وجود دارد.

اينفرارد (Infra Red) عبارت است از امواج نوري که فرکانس آنها از فرکانس قابل ديده شدن و فهم توسط چشم انسان پايين تر است. اکثر دستگاه هاي کنترل از راه دوري که همراه وسايل صوتي و تصويري عرضه مي شوند براي ارسال اطلاعات از اينفرارد استفاده مي کنند. ارتباط و انتقال اطلاعات بر پايه اينفرارد يک روش قابل اعتماد و امن است و در ضمن استفاده از آن هزينه زيادي ندارد. اما دو محدوديت در استفاده از آن وجود دارد: اول اينکه : اشعه اينفرارد فقط در مسير مستقيم منتشر مي شود، حتما شما در هنگام استفاده از دستگاه ريموت کنترل اين را تجربه کرده ايد که حتما بايد دستگاه را مستقيما به سمت وسيله مورد نظرتان بگيريد تا آن وسيله بتواند دستور مورد نظر شما را دريافت و اجرا کند.

محدوديت ديگري که وجود دارد اينست که تکنولوژي اينفرارد يک تکنولوژي يک به يک است. يعني اينکه در آن واحد فقط بين دو وسيله مي تواند ارتباط برقرارکند. مثلا شما مي توانيد توسط آن اطلاعاتي را از لپ تاپتان به تلفن همراه دوستتان منتقل کنيد اما نمي توانيد همزمان آن اطلاعات را به PDA دوست ديگرتان هم منتقل کنيد.

البته اين دو خصوصيت اينفرارد در بعضي موارد امتياز محسوب مي گردند زيرا عمليات انتقال اطلاعات فقط بين دو وسيله مورد نظربرقرار مي شود و امکان به وجود آمدن تداخل با وسايل ديگر وجود ندارد وغير ممکن است . اين خاصيت باعث مي شود که اطلاعات ارسالي شما فقط به همان وسيله اي برسد که مورد نظر شماست حتي اگر شما درجايي باشيد که پر از گيرنده هاي اينفرارد باشد.

فناوري بلوتوث ابداع گرديد تا محدوديتهاي اينفرارد را پوشش دهد. حداکثر سرعت انتقال اطلاعات در دستگاه هاي بلوتوثي که با استاندارد قديمي تر بلوتوث 1.0 کار مي کنند 1 مگابايت در ثانيه است اما در استاندارد بلوتوث 2.0 اطلاعات مي توانند با سرعت 3 مگابايت در ثانيه منتقل شوند. دستگاه هاي بلوتوثي که از استاندارد جديد استفاده مي کنند با دستگاه هاي داراي استاندارد قديمي تر هم سازگارند.

منابع :  سخت افزار  ؛  گروه نابغه هاي ايران

پيل سوختي

تاريخچه پیل سوختی

اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر مي‌گردد. او اولين پيل‌سوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه \"پيل‌سوختي\" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند. تلاش‌هاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيل‌سوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل‌سوختي توسط فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.

تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 میلادی با اوج گيري فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.

تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.

پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپیما پيل‌سوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل‌هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيل‌هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي تولید انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.

از سال 1970 فنآوري پيل‌سوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فن‌آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.

كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهای نیروگاهی پیل‌سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می‌شود. همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان‌ها، هتل‌های بزرگ و سیستم‌های کامپیوتری به کار می‌رود.

پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

این نیروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه‌های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به 70-80% می‌رسد.

مزیت دیگر این نیروگاه‌ها عدم آلودگی محیط زیست است. خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

نیروگاه‌های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه‌ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست. از زمانیکه اولین پیل‌سوختی نیروگاهی در دهه 60 تولید گشت، تا کنون در مجموع 650 سیستم کامل با توان بیش از 10 کیلووات (میانگین آن 200 کیلووات است) ساخته شد. تقریباً 90 درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود. البته استفاده از سوخت‌های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است. در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل‌سوختی به کار رفته است. در ابتدا از پیل‌سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل‌سوختی پلیمری و پیل‌سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند. در حالیکه پیل‌سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر 10 کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه‌ای را شاهد بودیم. تعداد این واحدها اکنون به 1900 رسیده است. این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد. نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم‌های نیروگاهی کوچک 20 درصد سهم بازار را پیل‌سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل‌سوختی پلیمری تشکیل مي‌‌دهد. بازار پیل‌سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل‌سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت Plug Power می باشد(توان 5 کیلووات، 15000 دلار)

دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل‌های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن‌آوری می‌باشند.

انواع پيلهاي سوختي

پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند:
پيلهاي سوختي اسيدفسفريكي
پيلهاي سوختي پليمري
پيلهاي سوختي اكسيد جامد
پيلهاي سوختي قليايي
پيلهاي سوختي متانولي

مزاياي پيل سوختي چيست؟

راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده‎هاي زيست محيطي،امكان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاك، مدولار بودن و قابليت توليد همزمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهاي توليد غيرمتمركز انرژي از جمله مزاياي پيل سوختي مي‎باشند.

روشهاي توليد پيل سوختي

جدیدترین راه تولید پیل سوختی

لوى تامپسون، پرفسور مهندسى شيمى و رئيس تيم تحقيقاتى پيل سوختى جديد در اين مورد چنين مى گويد: «ما به سامانه اى رسيده ايم كه بسيار مشابه سامانه هايى است كه براى توليد ابزارهاى ميكرو الكترونيك مورد استفاده قرار مى گيرد.» 
روشى كه پرفسور تامپسون و تيم همكار او به آن رسيده اند، استفاده از ميكروفابريكيشن است. ميكروفابريكيشن خلق ساختارهاى فيزيكي، ابزار و مواد مركبى است كه اجزاى تشكل دهنده آنها در حدود يك ميكرومتر هستند. ميكروالكترونيك ها منبع انرژى كالاهاى بسيار زيادى هستند از كارت تبريك صوتى گرفته تا كامپيوترهاى قابل حمل. 
تامپسون يكى از بزرگترين موانع استفاده تجارى و گسترده از پيل هاى سوختى را هزينه بالاى ساخت آن مى داند. براى اينكه از اين منبع در مصارف روزمره استفاده كرد، بايد هزينه توليد آن پايين تر بيايد تا مثلا در يك كامپيوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گيرد. 
در شيوه معمول كنوني، پيل هاى سوختي، مشابه خودروها توليد مى شوند يعنى قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته مى شوند و سپس روى هم سوار مى شوند تا يك پيل سوختى توليد شود. اين كار گستره بسيار زيادى دارد و علاوه بر هزينه بالاى آن، كه به آن اشاره شد نياز به زمان بسيار زيادى دارد. اما گروه تحقيقاتى تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميكروفابريكيشن، نسل جديد پيل هاى سوختى را مى سازد. اين بار به جاى توليد جداگانه پيل سوختي، آنها به صورت لايه لايه ساخته مى شوند، روشى كه در حال حاضر براى ساخت ابزارهاى ميكروالكترونيك مورد استفاده قرار مى گيرد. 
محققان دانشگاه ميشيگان اميدوارند با استفاده از اين فن آورى ارزان قيمت و همچنين استفاده از مواد ارزانتر، قيمت پيل هاى سوختى را از ۱۰ هزار دلار براى هر كيلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند. 
با اين قيمت، پيل هاى سوختى مى توانند با باترى هاى يون لتييوم كه در سطح وسيع مورد استفاده قرار مى گيرند رقابت كنند. 
دانشگاه ميشيگان استفاده از ميكروفابريكيشن براى توليد پيل سوختى را دو سال و نيم پيش آغاز كرد. اولين بازار آنها وسايل برقى است، ولى آنها در گام بعدى مى خواهند از پيل هاى سوختى در اتومبيل ها استفاده كنند.

سوخت تازه برای پیل های سوختی

 با استفاده از اسیدفرمیك به عنوان سوخت غیرقابل اشتعال در پیل های سوختی محصولات الكترونیكی قابل حمل بدون اتصال به شبكه برق كار می كنند. شركت های BASE و Tekion توسعه دهنده پیل های سوختی مینیاتوری برای محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسیدفرمیك به عنوان سوخت برای فناوری پیل سوختی Tekion تفاهم نامه ای امضا كردند.BASE بزرگترین تولید كننده اسیدفرمیك در دنیا محسوب می شود و قصد دارد با همكاری Tekion، فرمولاسیون مناسبی را برای اسیدفرمیك تهیه و آزمایش كند. این دو شركت همچنین در زمینه توسعه كدها و استانداردهای مرتبط با این موضوع نیز فعالیت خواهند داشت و تجربه هایشان را در زمینه سازگاری این مواد برای پیل های سوختی به اشتراك می گذارند. بر اساس این گزارش، اولین كاربرد تجاری محصولات Tekion، یك نمونه «بسته انرژی» است كه درون دستگاه های الكترونیكی قابل حمل جای گرفته یا به آنها متصل می شود تا این دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبكه برق كار كنند. این بسته یك سیستم هیبریدی باتری پیل سوختی مینیاتوری است كه با نام تجاری بسته انرژی Formira در بازار موجود است و سوخت گیری آن با تعویض كارتریج اسیدفرمیك صورت می گیرد. این فناوری برای استفاده در محصولات الكترونیكی قابل حمل در محدوده توانی كمتر از ۵۰ وات با انرژی كمتر از ۱۰۰ وات ساعت طراحی شده و از مزایای قابل توجهی برخوردار است.

ساخت پيل سوختي با نيروي باكتري

تيمي متشكيل از ميكروبيولوژيست‌ها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاه‌هاي كاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيل‌هاي سوختي ( به اندازه يك كف دست) با نيروي محركه باكتري براي تامين انرژي هواپيماهاي جاسوسي همكاري مشترك خود را آغاز كردند. نيروي هوايي آمريكا از مدتها قبل در پي توليد وسايل نقليه هوايي در مقياس مينياتوري (به اندازه حشرات) بود، اما تاكنون اين خواسته به دليل نداشتن منبع انرژي فشرده مناسب ناكام مانده است.

اين گروه تحقيقاتي اميدوار است با سرمايه‌گذاري 4/4 ميليون دلاري مركز تحقيقات دانشگاهي در وزارت دفاع (MURI) بتواند با توليد نخستين نمونه بدون سرنشين، طي پنج سال آينده اين انديشه را محقق سازد. بر اساس اين گزارش، در دانشگاه رايس به منظور درك چگونگي اتصال و اثر متقابل باكتري Sewanella بر سطوح آند در پيل سوختي، تحقيقاتي در حال انجام است.

آند در پيل سوختي و باتري‌ها، وظيفه جمع‌آوري الكترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الكترون‌ها در سطح آند در شرايط مختلف را تعيين كند.

اجزاي اصلي اين سيستم باكتري، سطح و محلول هضم كننده باكتري است كه تغيير هر يك از اين عوامل روي دو عامل ديگر مؤثر بوده و هدف، يافتن شرايط بهينه عملكرد سيستم كلي است.

 دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در زمينه روش‌هاي ژنتيكي، حفظ متابوليسم تنفسي ميكروب‌ها در محيط‌هاي با اكسيژن كم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يكي از اين باكتري‌ها براي متابوليسم كامل غذا به جاي اكسيژن از فلز استفاده مي‌كند و از آنجا كه اين ارگانيسم قادر است مستقيما الكترون‌ها را به اكسيد فلزي جامد انتقال دهد، مي توان آن را در آند پيل سوختي مورد استفاده قرار داد.

در مطالعه پيل سوختي به منظور ارزيابي رفتار باكتري در شرايط مختلف از مدل‌هاي رايانه‌اي استفاده شده است كه انجام اين آزمايش‌ها توسط رايانه، موجب تمركز آزمايش‌هاي تجربي روي روش‌هاي مناسب‌تر و صرفه‌جويي در زمان و هزينه خواهد شد.

يکي ديگر از انگيزه هاي وسوه برانگيز بکارگيري پيل سوختي

شركت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه اي بلند مدت، سوخت هيدروژن را به صورت همه گير در خودروها مورد استفاده قرار دهد. 
 در حال حاضر شش ميليارد و 400 ميليون انسان بر روي كره زمين زندگي مي‌كنند و اين آمار تا سال 2020 به هفت ميليارد و 500 ميليون نفر خواهد رسيد. در همين حال پيش‌بيني مي‌شود، در مدت زمان فوق شمار افرادي كه صاحب خودرو مي‌شوند 12 تا 15 درصد رشد داشته باشد و اين بدان معني است كه تعداد خودروها كه در حال حاضر در حدود 775 ميليون دستگاه برآورد شده است، تا سال 2020 به بيش از يك ميليارد و 100 ميليون دستگاه خواهد رسيد. بنابراين كاهش مصرف سوخت و آلاينده‌هاي محيط زيست اهميت بسيار زيادي پيدا مي‌كند كه در اين ميان شركت خودروسازي جنرال موتورز آمريكا با معرفي تكنولوژي پيل سوختي هيدروژني توانسته است اميد به جابجايي بدون آلودگي رادر آينده افزايش دهد.

لذا  توسعه خودروهاي پيل سوختي به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوري كه در حال حاضر شركت‌هاي خودروسازي جنرال موتورز و اوپل بيش از يك ميليارد دلار صرف تحقيقات در اين تكنولوژي كرده‌اند.

\"هيدروژن 3 اوپل\" ثابت كرده است كه رانندگي با خودروهاي متفاوت، مسير خود را از آزمايشگاه به جاده هموار كرده است و نمونه اوليه آن در حال حاضر با همكاري شركت سازنده مبلمان ايكيا (IKEA) در حال گذراندن آزمايشهاي متفاوت است و سكوئل (Seqel) جنرال موتورز به توليد خودروهاي با پيل سوختي نزديك‌تر شده است.

\"هيدروژن 3 اوپل\"؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالي

\"هيدروژن 3 اوپل\" جانشين نمونه اوليه هيدروژني است كه در بهار سال 2000 معرفي شد و از روي طرح خودرو زافيرا اوپل ساخته شده بود.

نيروي برق اين خودرو توسط 200 قطعه پيل سوختي كه به صورت سري به يكديگر متصل شده‌اند، توليد مي‌شود. اين پيل‌ها نيروي موتور برقي 82 اسب بخار بر 60 كيلووات هيدروژن 3 را تامين مي‌كند. اين نيروگاه كه حداكثر 215NM گشتاور توسعه مي‌دهد، حداكثر سرعتي برابر با 160 كيلومتر بر ساعت توليد مي‌كند و در كمتر از 16 ثانيه از صفر تا 100 كيلومتر در ساعت شتاب مي‌گيرد كه در حالتي كاملا بي‌صداست.

در مسابقات ماراتن تابستان سال 2004، هيدروژن 3 اوپل توانست بدون هيچ مشكلي 9 هزار و 696 كيلومتر را در 14 كشور مختلف اروپايي طي كند. در آوريل سال 2005 نيز اين خودرو توانست جايزه مسابقات رالي مونت كارلو را براي وسايل نقليه داراي پيل سوختي از آن خود كند.

شركت خودروسازي اوپل اكنون در حال گسترش تكنولوژي آزمايشهاي پيل سوختي با همكاري شركت سوئدي ايكيا مي‌باشد. وسايل نقليه پيل سوختي هيدروژن 3 كه عاري از آلاينده‌هاي زيست محيطي مي‌باشد از اوايل تابستان سال گذشته تحويل كالاها به مشتريان ايكيا را در برلين آغاز كرده است. سوخت اين وسايل نقليه با هيدروژن مايع تامين مي‌شود.

آزمايشهاي اين خودروها تحت نظارت پروژه همكاري انرژي پاك دولت آلمان انجام مي‌شود كه عملكرد انرژي 17 خودرو با سوخت هيدروژني را تحت شرايط خاص آزمايش مي‌كند.

بزرگترين جايگاه سوخت گاز هيدروژني جهان در پاييز سال 2004 در پايتخت آلمان آغاز به كار كرد و قرار است علاوه بر گاز هيدروژن و هيدروژن مايع، بنزين و گازوئيل نيز به مردم ارايه كند.

سكوئل جنرال موتورز

 خودروي سكوئل جنرال موتورز محصولي است كه تمامي نتايج تحقيقات فشرده كه طي چند سال اخير از سوي بزرگترين خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌اي كه جنرال موتورز بيش از يك ميليارد دلار در آن سرمايه‌گذاري كرده است. اين خودرو جادار به گونه‌اي طراحي شده است كه كمترين آلايندگي محيط زيست را دارد. در اين خودرو سه منبع با فشار بالا تعبيه شده است كه موقعيت آنها در ميانه شاسي باعث بهبود مركز ثقل خودرو مي‌شود. اين خودروها كه از اصلاحات فني بسيار زيادي نيز بهره‌مند مي‌باشند منحصر به فرد هستند.

خودروي سكوئل جنرال موتورز به دليل افزايش 25 درصدي نيرو توسط تكنولوژي جديد مي‌تواند سرعت صفر تا 100 كيلومتر را در كمتر از 10 ثانيه به دست آورد.

اجزاي پيل سوختي شامل توده پيل سوختي، دستگاه فرعي هيدروژن و فرآوري هوا، سيستم خنك كننده و سيستم توزيع ولتاژ بالا مي‌باشد.

=================================

گردآورنده : شهرزاد شهبازي

منابع :

•  روزنامه همشهرى

• ويکي پديا

• همکلاسي

• ایسنا

• Fuel Cells & Vehicles

• Microbial Fuel Cells

• کانون دانش

سیستم سنکرون و سنکروچک