Hệ thống demo của Ambio Systems lấy năng lượng từ một nguồn dao động và cung cấp một dòng dữ liệu cảm biến ổn định cho máy tính. Kết quả là một bộ demo để đọc tính hiệu áp suất ở tần số 30Hz và cứ sau mỗi 3 giây lại truyền dữ liệu đến màn hình LCD và máy tính kết nối thông qua cổng USB.
Hạ tầng mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến thông minh không dây và cơ cấu chấp hành (WISAN) là một hạ tầng mạng cho cảm biến không dây tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4 ban đầu do Đại học Clarkson thiết kế và được Ambio Systems LLC thương mại hóa. Các nút mạng của WISAN có độ tiêu thụ nguồn rất thấp và được lựa chọn cho các ứng dụng tự cấp nguồn. WISAN cung cấp đường truyền dữ liệu liên tục với mức độ suy hao thấp và dung lượng đường truyền cao giữa các cảm biến mà vẫn tuân thủ các yêu cầu của IEEE 802.15.4.
Sử dụng cơ chế truyền xử lý tín hiệu tiết kiệm năng lượng và băng thông rộng cho phép nhiều cảm biến truyền dữ liệu trên đường truyền hơn so với giao thức truyền của IEEE.
Hình 2: Đồ khối các điểm gắn của cảm biến WISAN
Hình 3: Các điểm gắn cảm biến
Trên hình 2 là sơ đồ khối các điểm gắn của cảm biến WISAN. Các điểm gắn cảm biến được cho trên hình 3. Sử dụng các bộ vi điều khiển tiêu thụ nguồn thấp của Texas Instruments là MSP430 để giao tiếp với chip Chipcon CC2420 RF. Sự kết hợp này cho phép hệ thống tiêu thụ rất ít nguồn (< 10µW) trong chế độ nghỉ và trong chế độ làm việc bình thường. Bộ vi điều khiển này có thời gian khởi động cực ngắn từ chế độ nghỉ sang chế độ làm việc và có bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và bộ chuyển đổi số sang tương tự cũng tiêu thụ ít công suất. Các nút mạng WISAN cũng có khả năng giao tiếp với bộ nhớ flash ngoài là loại 24 bit sigma-delta và loại 16 bit SAR ADCs, các số, màn hình LCD, cổng nối tiếp, cổng USB, Bluetooth và các thiết bị khác thông qua cổng kết nối bên ngoài.
Cân bằng tài nguyên năng lượng
Một cảm biến tự nạp năng lượng cần phải cân bằng tài nguyên năng lượng. Chỉ có một nguồn năng lượng duy nhất trong hệ thống WISAN — phần tử dao động piezo — nhưng lại có nhiều phần tử sử dụng, mỗi phần tử lại cố gắng lấy một lượng lớn trong tổng tài nguyên năng lượng.
Một trong những phần tử sử dụng nguồn lớn nhất là Chipcon radio với chế độ nhận chiếm dòng điện 20mA và chế độ truyền chiếm dòng điện phụ thuộc vào mức độ công suất truyền. Điều này sẽ giữ cho sóng radio ở mức tiết kiệm điện trong suốt thời gian và sẽ chỉ kích hoạt lên trong khoảng thời gian rất ngắn khi có dữ liệu truyền. Chip của bộ thu cung cấp 3 chế độ giảm năng lượng:
- Idle: cả bộ dao động tinh thể của bộ thu và bộ điều chỉnh điện áp đều được kích hoạt (khoảng 430 µA).
- Power-down: dừng bộ dao động nhưng duy trì bộ nhớ trong của chip (khoảng 20 µA).
- Power-off: chip bị ngắt hoàn toàn (khoảng 2 µA).
Đối với những dữ liệu truyền không theo định kì tốt nhất là ngắt hoàn toàn bộ thu. Trong chế độ power-down hoặc power-off, sẽ có một lượng năng lượng đáng kể đến để khởi động các tinh thể cao tần của bộ thu.
Bộ vi điều khiển sẽ tiêu tốn một lượng 4mA ở tần số 8 MHz, tuy nhiên rất nhiều hoạt động (như lấy mẫu ADC) có thể thực hiện mà lõi của bộ vi điều khiển không cần phải làm việc. Việc tiêu tốn năng lượng trong quá trình thu thập dữ liệu chủ yếu phụ thuộc vào chu kì lấy mẫu do trở kháng của cảm biến quy định. Giữ cho trở kháng của cảm biến cao sẽ giảm thiểu năng lượng tổn thất trên cảm biến, tuy nhiên nó sẽ làm tăng năng lượng tổn thất trong quá trình lấy mẫu có thời gian dài hơn. Bộ vi điều khiển phụ thuộc phần lớn vào chế độ nghỉ có đồng hồ thời gian thực tần số thấp 32 kHz (và bộ định thời) là đang làm việc.
Việc cảm biến được cấp nguồn liên tục không phải là lựa chọn tốt nhất cho hệ thống tự cấp nguồn. Đối với cảm biến có khả năng quay vòng nguồn cấp (chỉ cấp nguồn tại thời điểm thực hiện phép đo), tỉ lệ thời gian khởi động của cảm biến so với chu kì lấy mẫu trở thành một nhân tố quan trọng. Khi tỉ số này đạt đến giá trị 1:1 lợi ích từ việc quay vòng nguồn cấp sẽ bị suy giảm. Cảm biến điện trở thường có thời gian khởi động tức thì và thường được lựa chọn cho các hệ thống tự cấp nguồn.
Phần tử tiêu thụ điện nhiều nhất là giao thức mạng truyền thông để duy trì bộ thu trong chế độ nhận trong một khoảng chu kì thời gian mở rộng. Ví dụ giao thức CSMA của IEEE 802.15.4 có thể duy trì cảm biến trong chế độ nhận đến 2.5 ms trước khi truyền. Giải pháp để giảm tổn thất này có thể là đơn giản hóa giao thức và thực hiện những nhiệm vụ trong từng giai đoạn nhất định, cho phép khôi phục lại năng lượng cạn kiệt.
Gắn kết các phần lại với nhau
Hệ thống demo của Ambio Systems lấy năng lượng từ một nguồn dao động và cung cấp một dòng dữ liệu cảm biến ổn định cho máy tính. Kết quả là một bộ demo để đọc tính hiệu áp suất ở tần số 30Hz và cứ sau mỗi 3 giây lại truyền dữ liệu đến màn hình LCD và máy tính kết nối thông qua cổng USB.
Trên hình 4 là bộ demo. Các thành phần chính của nó bao gồm:
- Cơ cấu chấp hành piezo
- Một động cơ kích từ với một khối đối trọng
- Một bộ chỉnh lưu, bảng tụ điện và mạch bộ điều chỉnh
- Một cảm biến điện trở đo áp suất trong một nút mạng WISAN.
Động cơ nhỏ/đối trọng tác động vào cơ cấu chấp hành trong từng vòng quay tạo nên sự dao động. Sự dao động của cơ cấu chấp hành sinh ra điện áp xấp xỉ từ 20 — 40 Vac tùy thuộc vào mức độ của sự kích thích được điều khiển bởi máy đo điện áp. Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và tích trữ trên một bảng tụ gốm có mức phóng điện thấp, lưu trữ đủ năng lượng để vận hành hoạt động của nút cảm biến với một giao diện không dây trong vài ms. Một máy điều chỉnh tuyến tính với dòng điện tĩnh khoảng 3 µA sẽ điều chỉnh điện áp cung cấp.
Cảm biến đo áp suất là một hợp chất polymer có điện trở nhạy được cấp nguồn ngay sau khi chuyển đổi ADC. Điều này yêu cầu phải kích hoạt bộ xử lý trước và sau khi chuyển đổi, tuy nhiên bộ xử lý vẫn ở trong chế độ nghỉ trong quá trình chuyển đổi để tiết kiệm năng lượng.
Dữ liệu cảm biến áp suất được lấy mẫu 8 bit để giảm thiểu tải cho mạng và việc tiêu tốn năng lượng tương ứng. Dữ liệu sau đó được truyền đến một thiết bị trên mạng cá nhân (PAN) để hiển thị sóng thời gian thực trên màn hình LCD và tiếp tục truyền dữ liệu qua cổng USB đến máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm LabView của National Instruments để hiển thị và lưu trữ dữ liệu.
Nút mạng WISAN truyền dữ liệu cảm biến thông qua giao thức giản tiện của IEEE 802.15.4 MAC. Phần mềm nút mạng sẽ thực hiện khởi động từng giai đoạn và khởi tạo trong đó từng bước khởi tạo được chuyển tiếp theo từng chu kì khôi phục. Truyền dữ liệu không dây sử dụng giao thức CSMA giản tiện và không cần có xác nhận truyền.
Bản demo này cho thấy việc khai thác năng lượng môi trường xung quanh là khả năng hoàn toàn có thể thực hiện được ở trình độ công nghệ hiện nay và có thể xem xét khi sử dụng các cảm biến không dây nhúng cho các ứng dụng giám sát. Tùy thuộc vào sự sẵn có của năng lượng môi trường xung quanh, ngay cả những luồng dữ liệu liên tục cũng có thể truyền bằng các thiết bị tự động nạp năng lượng.
Các bạn có thể tải đoạn video ví dụ về cảm biến WISAN tự nạp năng lượng từ trang web www.ambiosystems.com.
Tích hợp thiết kế của sợi piezo
Vấn đề mấu chốt để tích hợp công nghệ sợi PZT vào trong các hệ thống cuối là xác định yêu cầu nguồn cấp và xác định được nguồn cơ năng sẵn có. Quá trình thiết kế bao gồm các bước sau:
Xác định nhu cầu năng lượng: Yêu cầu năng lượng mà hệ thống cần được cung cấp là gì? Nguồn trong thế giới năng lượng tận dụng khai thác cần phải được cân đối và được giữ ở hướng tích cực.
Đánh giá nguồn điện sẵn có xung quanh: việc sử dụng thiết bị giúp xác định vị trí sẵn có — máy móc, kết cấu, xe cộ, con người và các thiết bị khác. Sau khi xác định được vị trí, phải xác định và kiểm chứng nguồn dao động và cơ năng.
Xác định không gian lắp đặt yêu cầu: khoảng không gian dành cho các tổ hợp sợi áp điện là như thế nào? Nếu nó là một thiết bị điện tử có thể di chuyển được, diện tích dành cho nó không nên bị giới hạn bởi kích thước của khoang đựng pin. Thực sự là các tổ hợp piezo chỉ cần lấy hình dạng của chính thiết bị đó.
Mô hình khả năng cấp nguồn của piezo: có thể xác định đầu ra nguồn áp điện khi ta xác định được kích thước và nhân tố hình dạng của vật liệu tổ hợp và biết được lực cũng như tần số cơ học.
Xác định chỉnh lưu, lưu trữ và và yêu cầu của bộ điều chỉnh: đối với việc tận dụng khai thác năng lượng, công việc thiết kế mạch điện tử khá đơn giản. Yêu cầu chính là lưu trữ điện năng, điện áp điều chỉnh và khả năng chịu đựng.
Kết luận
Một số lượng các sản phẩm mới và duy nhất nổi lên trên thị trường đang có xu hướng hạn chế hoặc loại bỏ việc sử dụng pin. Công nghệ sợi sứ áp điện cung cấp một giải pháp duy nhất cho các hệ thống khai thác năng lượng, điều khiển có cấu trúc tích cực và tự cung cấp nguồn. Các sợi tổ hợp tích cực do Advanced Cerametrics sản xuất có công suất ra bằng 10 lần công suất của các dạng piezo khác và có độ bền điển hình bằng 200 triệu chu kì. Bằng cách kết hợp các sợi tổ hợp với các thiết bị điện tử và đóng gói chi phí thấp đã mở ra một kỉ nguyên mới cho các sản phẩm và ứng dụng tiêu tốn cực kì ít năng lượng. Những giải pháp mới nhằm cung cấp các nguồn có công suất nhỏ, tuổi thọ cao và không cần dùng pin cho các ứng dụng về nguồn cấp cũng đang nổi lên trên thị trường.
