الأشعة تحت الحمراء مقابل مُشعّات الترددات الراديوية: أيهما أكثر ملاءمة لنظامك؟

الاختلافات التقنية الأساسية بين مُشعّات الأشعة تحت الحمراء والترددات الراديوية

كيف تنقل تقنية الأشعة تحت الحمراء (IR) البيانات

تعمل مُصدِرات الأشعة تحت الحمراء عن طريق إرسال موجات ضوئية ضمن نطاق معين يتراوح من حوالي 700 نانومتر إلى حوالي 1 ملليمتر. وتقوم بذلك من خلال ما يُعرف بالتضمين النبضي، أي تشغيل صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء ثم إيقافه بسرعة كبيرة جداً. وبما أن هذه الإشارات تحتاج إلى مسار واضح بين الجهاز المرسل وأي جهاز يستقبلها، فإنها لا يمكنها الانتقال عبر الجدران أو أي شيء صلب. وهذا بالفعل ما يجعل الأشعة تحت الحمراء مناسبة جداً لبعض تطبيقات الأمان. فكّر مثلاً في كيفية عمل أجهزة التحكم عن بعد للتلفاز التي لا تعمل إلا عند توجيهها مباشرة نحو الجهاز، أو أنظمة الدخول التي تحصر الإشارات داخل المبنى. ففي النهاية، لا أحد يريد أن تتسرب اتصالاته الخاصة إلى المكاتب المجاورة.

العلم وراء تقنية الترددات الراديوية (RF)

تعمل أجهزة إرسال الترددات الراديوية عبر نطاق من 3 كيلوهرتز إلى 300 جيجاهرتز، وتنشر موجات كهرومغناطيسية تنتشر في جميع الاتجاهات ويمكنها بالفعل اختراق معظم مواد البناء القياسية. أظهرت بعض الاختبارات التي أجريت العام الماضي أن هذه الإشارات تحافظ على حوالي 85% من قوتها عند المرور عبر الجدران الجافة العادية، ما يعني أنها يمكن أن تربط الأجهزة من غرفة إلى أخرى بشكل موثوق دون مشاكل كبيرة. وبسبب هذه الخاصية، تصبح تقنية الترددات الراديوية (RF) مفيدة جدًا لإعداد أنظمة شبكة معقدة مثل مراكز التحكم المنزلية الذكية أو أنظمة الأتمتة في المصانع حيث يحتاج التغطية إلى أن تكون واسعة والقدرة على التعامل مع العوائق بشكل طبيعي.

قيود خط البصر للأشعة تحت الحمراء مقابل اختراق إشارة RF للعوائق

عامل	مُصدِرات الأشعة تحت الحمراء	مُصدِرات الترددات الراديوية
التسامح مع العوائق	يفشل مع أي عائق	يَخترق الخشب والجدران الجافة
المدى الأقصى	10 أمتار (خط مستقيم مباشر)	100 متر (منطقة مفتوحة)
التداخل المحيط	تؤثر أشعة الشمس والمصابيح على الإشارات	ضئيلة (<5% فقدان الحزم)

تشير الأبحاث إلى أن أنظمة الأشعة تحت الحمراء تواجه معدلات فشل أعلى بنسبة 34٪ في البيئات المزدحمة بسبب اعتمادها على مسارات غير محجوبة (مراجعة التكنولوجيا اللاسلكية، 2023). بالمقابل، فإن قدرة الموجات الراديوية على الانعكاس والانحناء حول العوائق تضمن أداءً ثابتًا في البيئات الديناميكية، مما يجعلها الخيار المفضل لأنظمة أتمتة المباني الحرجة.

المدى، والموثوقية، وأداء البيئة لأنظمة إرسال الأشعة تحت الحمراء والموجات الراديوية

مقارنة مدى الإشارة: الأشعة تحت الحمراء (5–10 م) مقابل الموجات الراديوية (30–100 م) في بيئات العالم الحقيقي

تعمل معظم أجهزة الإرسال تحت الحمراء بشكل أفضل ضمن مسافة تبلغ حوالي 5 إلى 10 أمتار لأنها تحتاج إلى خط رؤية مباشر، ويتعرض أداؤها للتشويش بسهولة من ظروف الإضاءة العادية. أما أجهزة الإرسال ذات التردد اللاسلكي فقصتها مختلفة. يمكن لهذين الجهازين تغطية مسافات تتراوح بين 30 إلى 100 متر داخل المباني، وبعض النماذج التي تعمل على تردد 433 ميجا هرتز تمتد فعليًا إلى ما يقارب 200 متر عندما لا يكون هناك أي عوائق (كما ورد في مجلة Nature عام 2023). هذا النوع من المدى يجعل تقنية التردد اللاسلكي مناسبة جدًا لأنظمة الأتمتة المنزلية والشبكات الكبيرة من إنترنت الأشياء عبر الممتلكات بأكملها. وفي الوقت نفسه، لا تزال تقنية الأشعة تحت الحمراء تحتفظ بمكانتها في الحالات التي نرغب فيها فقط بالتحكم بشيء ما في محيطنا المباشر دون القلق من انتقال الإشارات لمسافات بعيدة.

فهم المناطق الميتة في أنظمة التردد اللاسلكي والتحديات الناتجة عن الانعكاسات في أنظمة الأشعة تحت الحمراء

تُضعف إشارات الترددات الراديوية قوتها عند اصطدامها بمواد سميكة مثل الجدران الخرسانية أو الهياكل المعدنية، مما يخلق تلك النقاط العمياء المزعجة التي تنقطع فيها الإشارة تمامًا. ولهذا السبب يحتاج الأشخاص غالبًا إلى مكبرات إشارة أو ضرورة وضع الأجهزة في مواضع دقيقة في مناطق معينة. كما تواجه أنظمة الأشعة تحت الحمراء مشاكل خاصة بها أيضًا. فالسطوح اللامعة تؤثر عليها بشكل كبير - فكّر في أشعة الشمس المنعكسة عن النوافذ أو المرايا التي تشتت نبضات الأشعة تحت الحمراء في جميع الاتجاهات، ما يؤدي إلى انقطاع الاتصال تمامًا. وبسبب هذه السمات المختلفة في كيفية تفاعل التقنيات المختلفة مع البيئة، فإن الإعداد الصحيح يُعد أمرًا بالغ الأهمية. بالنسبة للإعدادات التي تعتمد على الترددات الراديوية، فإن تخطيط الشبكة بالطريقة التقليدية القديمة يصنع فرقًا كبيرًا. أما مع الأشعة تحت الحمراء، فلا يمكن تجنّب الحاجة إلى خط رؤية واضح بين الأجهزة كي تعمل بشكل صحيح.

مصادر التداخل وتأثيرها على استقرار النظام

تواجه كلتا التقنيتين تحديات تداخل مختلفة:

• إير : حساسة جدًا للإضاءة المحيطة، وخاصة أشعة الشمس والإضاءة المتوهجة.
• RF : معرض للتدخلات الكهرومغناطيسية (EMI) من شبكات Wi-Fi، وأفران الميكروويف، وأجهزة البلوتوث.

تستهلك الأنظمة الراديوية (RF) طاقة أكبر للحفاظ على سلامة الإشارة في البيئات اللاسلكية المزدحمة، في حين أن نموذج الإرسال القصير والمتقطع المستخدم في الأشعة تحت الحمراء (IR) يقلل من استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تدعم تقنية RF الاتصال ثنائي الاتجاه وتصحيح الأخطاء، مما يعزز الموثوقية في الظروف غير المستقرة. أما طبيعة تقنية IR أحادية الاتجاه تحد من إمكانية التغذية المرتدة، لكنها تقلل التعقيد وسطح الهجوم.

الإحصائيات الرئيسية :

المتر	مُصدِرات الأشعة تحت الحمراء	مُصدِرات الترددات الراديوية
النطاق النموذجي	5–10م	30–100م
اختراق العوائق	لا شيء	معتدلة
استهلاك الطاقة	10–24وات	24–100وات

تُوجه هذه الخصائص الأداء المهندسين عند اختيار المنارات بناءً على القيود البيئية ومتطلبات الموثوقية.

الكفاءة في استهلاك الطاقة واستهلاك الطاقة: الأشعة تحت الحمراء مقابل الموجات الراديوية للنشر على المدى الطويل

لماذا تستهلك المنارات تحت الحمراء طاقة أقل من بدائل الموجات الراديوية

تعمل مُنِشِرات الأشعة تحت الحمراء عن طريق إرسال نبضات قصيرة من الضوء المركّز، وتفعّل فقط عند إرسال شيء فعليًا، ما يعني أنها تستهلك طاقة أقل بكثير بشكل عام. معظم هذه الأجهزة تستهلك نحو نصف واط إلى واطين كحد أقصى، مما يجعلها مناسبة جدًا للأجهزة التي لا تحتاج إلى تشغيل مستمر مثل أجهزة التحكم عن بعد للتلفاز أو كاشفات الحركة المنتشرة في كل مكان حاليًا. على الجانب الآخر، تواجه أنظمة الراديو تردد (RF) ظروفًا أصعب لأنها تحتاج إلى توليد إشارات راديوية باستمرار لمكافحة التداخل من الأجهزة الأخرى. حتى عند العمل بأدنى سعة، فإن العديد من أجهزة RF ما زالت تستهلك بين ثلاثة إلى عشرة واط وفقًا لتقارير Energy Star للعام الماضي. وبالتالي، بالنسبة للأجهزة التي تعمل بالبطارية ولا تكون نشطة باستمرار على مدار اليوم، فإن تقنية الأشعة تحت الحمراء تتفوّق بوضوح بسبب هذا الفرق الكبير في كمية الطاقة التي تستهلكها كل نظام.

انعكاسات عمر البطارية على أجهزة الاستشعار اللاسلكية والأجهزة عن بُعد

تستهلك تقنية الأشعة تحت الحمراء طاقة أقل بكثير مقارنة بالخيارات الأخرى، مما يعني أن البطاريات تدوم لفترة أطول بشكل عام. في العادة، يجب استبدال معظم أجهزة الاستشعار الذكية التي تعتمد على الموجات الراديوية (RF) والمتصلة بتقنيات مثل BLE أو Zigbee ما بين ستة أشهر إلى سنة. أما عند النظر إلى أجهزة الأشعة تحت الحمراء التي تقوم بمهام أخف، مثل مستشعرات التواجد أو أنظمة الإنذار البسيطة، فإنها تظل تعمل دون انقطاع من ثلاث إلى خمس سنوات كاملة باستخدام بطاريات العملة الصغيرة. وهذا يُحدث فرقاً كبيراً عندما يتعلق الأمر بمعدات تم تركيبها في أماكن يصعب الوصول إليها، حيث لا أحد يرغب في التسلق أو كسر الخرسانة فقط لاستبدال بطارية. تصبح الكفاءة في استهلاك الطاقة ذات قيمة حقيقية عندما تبدأ تكاليف الصيانة في التراكم مع مرور الوقت.

الأمان والخصوصية وقدرات الاتصال ثنائي الاتجاه

مخاطر اعتراض الإشارات الراديوية والثغرات في الخصوصية

غالبًا ما تنتشر إشارات الترددات الراديوية أبعد مما ينبغي، مما يجعل من الممكن لشخص يمتلك معدات بسيطة التقاطها من مسافة تصل إلى 100 متر. وقد تناولت دراسة نُشرت العام الماضي الثغرات الأمنية في تقنيات الاتصال اللاسلكي واكتشفت أمرًا مقلقًا: يمكن الاستماع إلى نحو ثلثي الإرسالات اللاسلكية التي لا تحتوي على تشفير مناسب في المصانع والمنشآت من قبل أي شخص ضمن النطاق. بالتأكيد، تأتي الأجهزة الحديثة اليوم بخصائص أمان أفضل، لكن الكثير من الآلات القديمة العاملة في خطوط الإنتاج لا تزال تفتقر إلى الحماية الكافية ضد التجسس. وهذا يعرّض كل شيء بدءًا من تعديلات المنظم الحراري وصولاً إلى قراءات درجات الحرارة للخطر إذا تمكّن الأشخاص الضارون من الوصول إليها عبر أجهزة ماسح ضوئي راديوية بسيطة.

المزايا الأمنية المتأصلة في الأشعة تحت الحمراء بسبب احتواء الإشارة ماديًا

تعمل تقنية الاتصال بالأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل عندما يكون هناك مسار مباشر بين الأجهزة، وعادةً ما يكون ضمن نطاق يتراوح بين 5 إلى 10 أمتار. ولا تتمكن الإشارات من المرور عبر الجدران أو الأجسام الصلبة، وهو ما يُعد في الحقيقة أمرًا إيجابيًا لأسباب تتعلق بالأمان. فحقيقة أن الأشعة تحت الحمراء لا يمكنها اختراق الحواجز تجعل من الصعب جدًا على الغرباء اعتراض نقل البيانات. ووجدت دراسة حديثة أجرتها معهد بونيمون أن المنشآت التي تستخدم أنظمة وصول تعتمد على الأشعة تحت الحمراء سجلت انخفاضًا بنسبة نحو 82 بالمئة في حالات الخروقات الأمنية مقارنة بتلك التي تعتمد على تقنية التردد اللاسلكي. ولهذا السبب نلاحظ زيادة في استخدام المستشفيات للأشعة تحت الحمراء في أمور مثل نقل السجلات الطبية للمرضى، كما تتجه الوكالات الحكومية أيضًا إلى استخدامها لتوزيع رموز الدخول الآمنة عبر مبانيها. ويصبح النطاق المحدود في هذه الحالات ميزة أمنية بدلاً من كونه عيبًا.

تغذية راجعة ثنائية الاتجاه: دعم الترددات الراديوية مقابل قيد الأحادية الاتجاه في الأشعة تحت الحمراء

تتيح تقنية الترددات الراديوية (RF) للأجهزة التحدث مع بعضها البعض، بحيث يمكنها إرسال تقارير الحالة، والتحقق من استلام الأوامر، وحتى تلقي تحديثات البرمجيات لاسلكيًا. وهذا أمر مهم جدًا في حالات مثل أجهزة التحكم الذكية التي تحتاج إلى تغذية راجعة فورية أو معدات المصانع المتصلة بالسحابة. أما الأشعة تحت الحمراء (IR) فتعمل بشكل مختلف. فهي ببساطة تُرسل الإشارات في اتجاه واحد فقط، مما يجعلها مناسبة للتحكم عن بعد في الوظائف الأساسية، ولكن ليس أكثر من ذلك. وما الميزة؟ تقل الثغرات الأمنية لأن ليس هناك مسار عودة يمكن للمتسللين استغلاله. وتقوم بعض الشركات الآن بمزج تقنيتي IR وRF معًا. وتستفيد هذه التقنيات الجديدة من الحماية المدمجة في تقنية IR ضد بعض التهديدات السيبرانية، مع الحفاظ على أوقات الاستجابة السريعة التي توفرها تقنية RF. ويسعى المصنعون إلى إنشاء منتجات متصلة أفضل تعمل بكفاءة دون المساس بالسلامة.

اختيار المنبّع المناسب: حالات الاستخدام، والقابلية للتوسيع، والاتجاهات المستقبلية

متى يجب اختيار تقنية IR: التطبيقات البسيطة ذات استهلاك الطاقة المنخفض مثل أجهزة التحكم عن بعد للتلفاز

تعمل الأشعة تحت الحمراء بشكل جيد جدًا مع الأجهزة البسيطة التي تعمل بالبطاريات ولا تحتاج إلى إرسال إشارات لمسافات بعيدة. عادةً ما تستهلك هذه المكونات الصغيرة للأشعة تحت الحمراء حوالي 5 إلى 10 ملي أمبير عند العمل، مما يجعلها مناسبة جدًا لأغراض مثل أجهزة التحكم عن بعد للتلفزيون، وأجهزة كشف الحركة القريبة من الأبواب، والمفاتيح التي تتحكم في الإضاءة. ما يميز الأشعة تحت الحمراء هو أنها لا تتأثر بالضوضاء الكهرومغناطيسية ذات التردد اللاسلكي، وتظل الإشارات محدودة نسبيًا. ولهذا السبب نرى استخدام الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في الأماكن التي قد تحتوي على الكثير من المعدات الإلكترونية النشطة، أو حيث تكون الخصوصية مهمة للغاية، مثل عيادات الأطباء والغرف الاجتماعات التي يرغب الناس فيها في الحفاظ على سرية المحادثات.

الترددات الراديوية للمنازل الذكية وإنترنت الأشياء: قابلية التوسع، واختراق الجدران، والتكامل مع الشبكة

أصبحت تقنية الترددات الراديوية شائعة جدًا في كل من المنازل الذكية وبيئات إنترنت الأشياء الصناعية، لأنها قادرة فعليًا على العمل من خلال الجدران وإنشاء شبكات مشبكية قابلة للتوسع والتي يُتحدث عنها كثيرًا. وتمتد مدى الإشارة عادةً بين 30 إلى 100 متر، ما يعني أن جهازًا مركزيًا واحدًا يمكنه مراقبة العديد من أجهزة الاستشعار الموزعة عبر عدة غرف في المنزل أو في مصنع. لكن هناك عيبًا — فهذه الوحدات الراديوية تستهلك عادةً قدرًا كبيرًا من الطاقة باستمرار، حوالي 15 إلى 30 ملي أمبير في المتوسط. ويؤدي هذا النوع من الاستنزاف إلى مشكلات عند محاولة تشغيل الأجهزة بواسطة بطاريات لفترات طويلة. ويحتاج المهندسون إلى التفكير بعناية إضافية في كيفية تصميم الأنظمة التي يتم فيها وضع أجهزة الاستشعار بعيدًا عن مصادر الطاقة، حيث تصبح عمر البطارية عاملاً حاسمًا في مثل هذه الحالات.

ناقلات هجينة ناشئة تعمل بالأشعة تحت الحمراء/الترددات الراديوية والتحولات الصناعية في الإلكترونيات الاستهلاكية

في الوقت الحاضر، يتجه عددٌ متزايد من الشركات إلى أجهزة الإرسال المزدوجة النمط. تستخدم هذه الأجهزة تقنية الأشعة تحت الحمراء للكشف الأساسي عن الحركة، مع الاحتفاظ بإشارات الترددات الراديوية لإرسال البيانات فعليًا. وفقًا لبحث نُشر في دراسة بروتوكولات إنترنت الأشياء لعام 2024، فإن دمج هاتين التقنيتين يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة تقارب 40 بالمئة في أنظمة الأمن. الفكرة بسيطة جدًا: تقوم الأشعة تحت الحمراء (IR) بمهمة المراقبة المستمرة، بينما يتم تشغيل مكوّن الترددات الراديوية (RF) فقط عندما يكون هناك شيء يستحق الإرسال. ومع سعي مديري المباني نحو حلول أكثر اخضرارًا دون المساس بالأمان، أصبح هذا النوع من النهج الهجين شائعًا بشكل متزايد. فالمباني الذكية تحتاج في النهاية إلى عناصر تحكم محلية وإمكانية الوصول إلى الإنترنت، ويظل إيجاد طرق لجعلها تعمل معًا بكفاءة موضوعًا ساخنًا عبر القطاع حاليًا.