Không chỉ dừng lại ở những đóng góp cho nền công nghiệp, công nghệ cảm biến mới đã và đang thâm nhập sâu hơn vào các lĩnh vực nông nghiệp, y tế, khoa học ứng dụng… Sự phát triển trong công nghệ luôn luôn là bất tận. Bài viết này bàn luận về hệ thống cảm biến thế hệ mới, thế hệ chất chứa những tiềm năng mới.

Ứng dụng của mạng BAN
Tiêu thụ năng lượng là mối quan tâm hàng đầu của những nhà sản xuất cảm biến. Các cảm biến thông thường sử dụng những nguồn năng lượng như pin, còn các cảm biến hiện đại sử dụng những bộ chuyển đổi năng lượng tối tân để chuyển đổi các dạng năng lượng sạch và dồi dào như gió, mặt trời, nước biển… Điều tiên quyết cho cả 2 dạng cảm biến trên đều phụ thuộc vào các thiết bị phần cứng có thể sử dụng năng lượng một cách thông minh.
Rất nhiều các giải pháp cảm biến không dây hiện tại chỉ tập trung vào vấn đề cải tiến chức năng và kích cỡ của cảm biến và thực tế là cũng đã có rất nhiều thành công trong lĩnh vực này. Tuy nhiên vấn đề về nguồn năng lượng sử dụng chưa thu hút sự quan tâm nhiều lắm từ các nhà sản xuất. Hầu hết các cảm biến đều sử dụng nguồn năng lượng được cung cấp từ các loại pin cần phải được thay hoặc sạc thường xuyên. Yếu điểm về thời gian sử dụng ngắn của pin đã gây ra khó khăn cho việc bảo dưỡng, đặc biệt là đối với các hệ thống lớn. Sử dụng hệ thống cảm biến không dây siêu tiết kiệm năng lượng có thể cho kéo dài thời gian vận hành lên tới cả thập kỉ mà chỉ cần dùng một pin nhỏ bằng pin của một chiếc đồng hồ đeo tay.
Một cải tiến khác cho mạng lưới cảm biến là sử dụng những nguồn năng lượng thân thiện với môi trường – chuyển đổi những nguồn năng lượng được gọi là thừa thãi trong môi trường thành điện năng – vì thế có thể tiết kiệm được cả thời gian và tiền bạc trong việc thay thế, nạp điện và khởi động hệ thống pin. Giảm thiểu nhu cầu sử dụng pin cũng đồng thời làm giảm những tác động đến môi trường của hệ thống.
Hệ thống siêu tiết kiệm năng lượng
Chỉ số tiêu thụ (tính bằng milliampe) và chu trình hoạt đông là những yếu tố quan trọng nhất trong môt hệ thống cảm biến không dây. Tuy nhiên, giảm thiểu chỉ số tiêu thụ chỉ là một phần nhỏ của giải pháp. Một vài yếu tố khác mới là nhân tố quyết định trong iệc xây dựng một hệ thống cảm biến không dây, đó là việc thu, chuyển hóa, lưu trữ và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả mà không ảnh hưởng gì tới hiệu suất cũng như hoạt động của cả hệ thống (phạm vi, tỉ lệ dữ liệu, độ trễ…). Dù là giải pháp nào thì bước khơi điểm cũng là từ những con chip của máy thu phát siêu tiết kiệm năng lượng.

Hình 1. Cấu trúc lấy bộ điều khiển truyền thông làm trung tâm cũng với phương pháp tiếp cận lấy bộ vi xử lý truyền thống làm trung tâm của GreenPeak. Hầu hết các giải pháp về bộ thu phát tín hiệu đều đòi hỏi MCU hoạt động trong suốt thời gian truyền dữ liệu. Nhờ có việc sử dụng bộ điều khiển truyền thông, MCU chỉ cần phải xử lý dữ liệu truyền hoặc nhận.
Con chíp này thường gắn liền với một bộ vi xử lý (MCU), điều khiển hoạt động của bộ thu phát, khởi động, thu tín hiệu, chuyển đổi và nhận tín hiệu trở lại. Tất cả các hoạt động ấy phụ thuộc vào giao thức truyền thông được sử dụng. Để điều khiển được các hoạt động giao thức truyền thông, như xem xét liệu đường truyền có rỗi hay không, hay chờ đợi tín hiệu thông báo dữ liệu đã đến nơi cần nhận đòi hỏi bộ vi xử lý MCU phải được khởi động đúng thời gian và việc này cũng tiêu tốn kha khá năng lượng. Với một bộ điều khiển truyền thông, một máy phát có thể truyền và nhận được dữ liệu độc lập với MCU, vì vậy, MCU chi cần hoạt động khi cần phải xư lý dữ liệu phức tạp hơn. Với việc sử dụng bộ điều khiển truyền thông – theo thiết kế chip trung tâm (hình 1) hơn là một thiết kế bộ vi xử lý trung tâm và bằng việc sử dụng bộ khởi động đồng bộ, mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm xuống 65% hoặc hơn nhờ việc hạn chế sử dụng MCU trong chức năng quản lý bộ thu phát tín hiệu.
Một thiết bị lập trình và thiết bị đồng bộ dựa trên phần cứng chỉ với một con chip cho phép radio chỉ phải làm việc khi cần kiểm tra liệu còn tín hiệu nào cần chuyển đi hay nhận nữa không. Nếu không thì nó sẽ ngừng hoạt động. Nếu có tín hiệu nào cần truyền, bộ điều khiển sẽ tự động “đánh thức” MCU. MCU giao tiếp thông tin ở cấp độ hệ thống và sẽ ngừng hoạt động đến khi bị “đánh thức” trở lại. Tùy thuộc vào quy trình hoạt đông, trong số 10.000 lần thì có đến 9.999 lần là dữ liệu không cần phải truyền và do vậy, bộ điều khiển cũng không cần phải nạp năng lượng cho MCU. Mói khi dữ liệu được truyền, bộ điều khiển truyền thông cũng phải truyền một dữ liệu đồng bộ hóa để đảm bảo rằng tất cả các nút không dây đều hoạt động bình ổn trong chu trình làm việc tiếp theo.

Hình 2. Với việc cho phép bộ vi xử lý “nghỉ ngơi” cho đến khi cần thiết, năng lượng sử dụng có thể được tiết kiệm đến hơn 65% so với bộ thu phát thông thường lúc nào cũng trong trạng thái hoạt động.
Hình 2 chỉ ra lý do tại sao khi bộ điều khiển truyền thông được “đánh thức” và kiểm tra dữ liệu lại có thể giảm được một lượng đáng kể năng lượng tiêu thụ chung. Được điều khiển bởi một thiết bị lập trình và thiết bị đồng bộ nằm bên trong bộ điều khiển truyền thông, hệ thống có thể “thức dậy” rất nhanh để kiểm tra dữ liệu và sau đó lại quay lại “nghỉ ngơi”.
Nếu nhân số lượng tiết kiệm tại mỗi điểm nút riêng lẻ với số nút lên tới hàng trăm trong toàn bộ hệ thống không dây sẽ thấy được toàn bộ hệ thống sử dụng năng lượng hiệu quả và có ích hơn rất nhiều lần so với hệ thống dựa trên bộ vi xử lý truyền thống.
Năng lượng thân thiện với môi trường thông qua bộ chuyển đổi cường độ cao và bộ phân chia “nhỏ giọt”
Các nhà khoa học đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu trong thập kỉ vừa qua để tìm ra cách sử dụng các nguồn năng lượng khác ứng dụng trong các cảm biến tự quản. Thị trường các sản phẩm công nghiệp đã nhận định rằng các bộ chuyển đổi năng lượng hoàn toàn có tiềm năng để thay thế các bộ pin trong rất nhiều ứng dụng với độ tin tưởng rất cao mà không cần đến bảo dưỡng hay sửa chữa trong các hệ thống cảm biến không dây.

Hình 3. Đặc điểm của năng lượng được chuyển đổi trong bộ chuyển đổi cường độ cao (màu đỏ) và bộ chuyển đổi “nhỏ giọt” (màu xanh) chỉ ra sự biến đổi đặc tính của các dạng năng lượng theo thời gian
Các thiết bị chuyển đổi năng lượng thường được chia làm 2 loại: bộ chuyển đổi cường độ cao và bộ chuyển đổi “nhỏ giọt”. Bộ chuyển đổi cường độ mạnh là thiết bị chuyển đổi có thể sản sinh ra những nguồn năng lượng mạnh nhưng ngắn, còn bộ chuyển đổi “nhỏ giọt” thì lại tạo ra những nguồn năng lượng tuy yếu nhưng rất đều đặn (hình 3). Với tất cả các thiết bị chuyển đổi năng lượng, cho dù có là siêu tụ điện hay pin nhỏ thì năng lượng cũng cần phải được lưu trữ tại một dạng nào đó. Chỉ nói riêng trên góc độ điện tử, mỗi thiết bị lại phải có những bảng mạch riêng. Với bộ chuyển đổi cường độ cao, mạch điện tử phải có khả năng phản ứng nhanh, chống được quá tải và có thể tiêu hao hết năng lượng dôi dư mà không sản sinh ra nhiệt. Với bộ chuyển đổi “nhỏ giọt”, mạch điện tử phải có khả năng chuyển đổi và lưu trữ thật hiệu quả.
Bình phát điện hay máy phát điện mini. bộ chuyển đổi cường độ cao phổ biến nhất là bình phát điện hy mý phát điện mini.
Đây là các thiết bị phát điện xoay chiều mà trong đó chuyển động sẽ tạo ra nguồn điện chứ không phải nguồn điện tạo nên chuyển động. Hoạt động trong môi trường công nghiệp, các thiết bị này chuyển hóa động năng từ dao động của thiết bị hoạt động ở tần số lưới điện (50 hoặc 60 Hz) thành điện năng. Cung cấp năng năng lượng cho hệ thống cảm biến không dây, các thiết bị này cho phép người vận hành điều chỉnh các thiết bị liên tục, thu thập được các thông tin, dữ liệu về tình trạng của thiết bị, bao gồm bơm, động cơ và quạt. Các dự án thí điểm hiện tại đang kết hợp phương pháp chuyển đổi năng lượng với công nghệ kiểm soát điều kiện để kiểm tra tình trạng hoạt động của các thiết bị điện.
Thiết bị áp điện
Một bộ chuyển đổi năng lượng cường độ mạnh khác là thiết bị áp điện mà trong đó, năng lượng được tạo ra từ các chuyển động xoắn cơ học của các vật liệu áp điện, tạo ra một dòng năng lượng điện. Những giải pháp được quan tâm nhiều nhất đó là sứ áp điện, các chất liệu composit dạng sợi to, và cơ cấu truyền động tinh thể kép. Tất cả các thiết bị này đều có thể tạo ra được dòng điện lên tới hàng trăm volt trong một khoảng thời gian rất ngắn. Một khối vật chất được gắn vào một đầu của vật liệu áp điện. Khi có độ rung, khối vật chất sẽ chuyển động lên xuống, làm cho khối vật chất di chuyển, tạo ra dòng điện. các vật liệu điện áp rất dễ bị bào mòn.
Pin mặt trời
Bộ chuyển đổi năng lượng “nhỏ giọt” phổ biến nhất là pin năng lượng mặt trời. Một vài loại pin năng lượng mặt trời có thể chuyển đổi điện năng từ những nguồn ánh sáng yếu ớt trong nhà. Để có thể sử dụng được trong các hệ thống, nguồn năng lượng này cần được dự trữ và việc sử dụng nó có thể kiểm soát được. Bất kì hoạt động nào (như: truyền các gói dữ liệu) chỉ có thể được khởi động khi có đủ năng lượng để hoàn thành (như: nhận tín hiệu thông báo dữ liệu đã được truyền. Một trong những ưu điểm lớn của pin năng lượng mặt là giá thành tương đối rẻ. Tuy nhiên, chúng chỉ hoạt động được khi có ánh sáng mặt trời và điều này chính là khiếm khuyết lớn nhất của chúng. Các hệ thống đều cần phải hoạt động được 24/7 trong bất kì điều kiện thời tiết và khí hậu như thế nào và hoàn toàn độc lập, không phụ thuộc vào ánh sánh mặt trời. Pin năng lượng mặt trời là bộ chuyển đổi năng lượng duy nhất đã từng được chế tạo với công suất đủ cao và giá thành đủ thấp để có thể ứng dụng được trong các hệ thống lớn. Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn cần phải được trang bị những bộ pin để lưu trữ năng lượng khi mà thời tiết âm u và không có ánh nắng mặt trời.
Peltier devices.
Một thiết bị chuyển đổi “nhỏ giọt” khác là thiết bị Peltier, tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ là nguồn tạo năng lượng, ví dụ như sự chênh lệch nhiệt độ giữa trong và ngoài nhà. Thông thường chỉ cần nhiệt độ chênh lệch tầm 5°C là năng lượng có thể được tạo ra và đủ cho sử dụng. Tuy nhiên, điểm khiến thiết bị…. này không thu hút chú ý của người tiêu dùng nhất đó là độ chênh lệch nhiệt độ là một điều không thể kiểm soát được.

(còn tiếp)

Tạp chí tự động hóa ngày nay số 113 3/2010