Cảm biến thụ động thông minh mang đến những lựa chọn mới cho cảm biến không nơi nào vắng mặt, có thể theo dõi áp suất, nhiệt độ, độ ẩm hoặc khoảng cách, loại bỏ các vấn đề về cân nhắc cảm biến thông minh truyền thống như khối lượng, tiêu thụ điện năng và chi phí. Các nhà thiết kế thiết bị hiện có thể mở rộng các hệ thống thông minh và IoT vào các khu vực và ứng dụng khó tiếp cận trong quá khứ mà không bị giới hạn về kích thước hoặc giá cả.

Sự phụ thuộc ngày càng tăng vào công nghệ * và Internet of Things (IoT) đã thúc đẩy nhu cầu về các cảm biến được triển khai thuận tiện từ số lượng nhỏ đến số lượng lớn và cung cấp chi phí mở rộng thấp và bảo trì miễn phí.

Những tiến bộ trong công nghệ đã cho phép kết nối giữa nhiều loại thiết bị khác nhau. Kết nối, bắt đầu với điện thoại thông minh, đã phát triển thành kết nối các bộ điều khiển nhiệt độ, thiết bị gia dụng, xe cộ và các thiết bị khác được gọi là Internet of Things (IoT). IoT bao gồm nhiều thiết bị truyền dữ liệu qua lại thông qua các giao diện khác nhau và giao diện đám mây không dây là giao diện phổ biến. Khi số lượng thiết bị được kết nối ngày càng tăng, nhu cầu về nhiều dữ liệu hơn cũng vậy.

Có rất nhiều nguồn dữ liệu được tạo ra và các cảm biến điện tử thường được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các thiết bị được kết nối. Cảm biến là một thiết bị chuyển đổi các đặc tính vật lý hoặc môi trường như nhiệt độ và độ ẩm thành tín hiệu điện.

Nhu cầu về dữ liệu đã thúc đẩy sự phát triển của các thị trường cảm biến khác nhau, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và khoảng cách cung cấp cho hệ thống dữ liệu cần thiết để hoạt động. Do IoT xử lý dữ liệu từ các kênh khác nhau, cảm biến điện tử sẽ trở nên phổ biến hơn. Theo nghiên cứu của Markets and Markets, thị trường cảm biến dự kiến sẽ vượt 38 tỷ USD vào năm 2022. Nhu cầu thu thập nhiều dữ liệu cảm biến hơn từ nhiều địa điểm hơn sẽ thúc đẩy sự phát triển của các loại cảm biến mới nhỏ hơn, tiêu thụ điện năng và chi phí thấp hơn và dễ dàng triển khai với số lượng lớn và trong không gian hẹp.

Cấu trúc cảm biến điện tử

Cảm biến điện tử truyền thống bao gồm các mô-đun chức năng giống nhau bất kể thiết kế. Các mô-đun cốt lõi của cảm biến là các yếu tố cảm biến thực tế. Yếu tố cảm biến là một phần của cảm biến phản ứng với môi trường cảm biến và chuyển đổi các điều kiện môi trường thành các thông số điện. Ngoài các thành phần cảm biến, cảm biến cũng cần nguồn điện cho các thành phần điện tử và xử lý dữ liệu và mạch kết nối bên trong cảm biến. Hầu hết các cảm biến điện tử bao gồm các thành phần cảm biến, mô-đun nguồn và mô-đun xử lý dữ liệu nằm ở mỗi nút cảm biến. Khi cần nhiều dữ liệu cảm biến hơn, chi phí cần thiết để mở rộng đến nhiều nút cảm biến trở thành rào cản đối với một số ứng dụng. Kích thước vật lý của các thiết bị cần thiết cho nguồn điện cảm biến và mô-đun truyền thông hạn chế sự lựa chọn của các cảm biến kích thước nhỏ, trong khi các cảm biến chạy bằng pin liên quan đến các vấn đề bảo trì và môi trường, điều này cũng hạn chế việc triển khai các cảm biến trong một số ứng dụng. Chi phí và kích thước của các cảm biến điện tử truyền thống hạn chế việc mở rộng mạng lưới cảm biến hoặc triển khai các hệ thống đa cảm biến hoặc cảm biến dùng một lần để thực hiện cảm biến thông minh, cản trở sự phát triển hơn nữa của IoT.

Vì vậy, một giải pháp thay thế là cần thiết, lý tưởng là không dựa vào pin cồng kềnh và đắt tiền, bộ điều khiển vi mô (MCU) và các mạch liên quan. Nhiều cảm biến được kết nối dành phần lớn thời gian ở chế độ chờ hoặc ngủ để kéo dài thời gian sử dụng pin và chỉ cần nguồn điện và trí thông minh trong quá trình đánh thức để trao đổi các gói dữ liệu nhỏ với hệ thống máy chủ. Nếu các cảm biến có thể được cung cấp năng lượng tạm thời bằng nguồn điện bên ngoài và phần lớn quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện bên ngoài, việc mở rộng mạng lưới cảm biến tỷ lệ thuận với giá có thể đạt được và làm cho những đổi mới như cảm biến đa cảm biến hoặc cảm biến dùng một lần trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Có một công nghệ có thể cung cấp giải pháp: các cảm biến thụ động không dây đã có thể được tải bằng bộ nhớ, được hỏi hoặc viết lại thông qua đầu đọc không dây và được kích hoạt bởi năng lượng trong trường RF được truyền bởi đầu đọc. Các tiêu chuẩn truyền thông RFID truyền thống đã được chứng minh là ổn định và đáng tin cậy, cung cấp một nền tảng mạnh mẽ để tách các chức năng cảm biến khỏi các mạch nguồn và điều khiển cần thiết cho các cảm biến điện tử truyền thống và phát triển các cảm biến thụ động thông minh mới.

Cảm biến thụ động thông minh Cảm biến thụ động thông minh có thể mở rộng tiềm năng của công nghệ và tiêu chuẩn RFID để hỗ trợ trao đổi dữ liệu không dây thuận tiện và hiệu quả năng lượng cao. Hình 1 cho thấy các thành phần chức năng chính của cảm biến thụ động thông minh, bao gồm ăng-ten, máy dò kích thích và IC điều khiển khối cảm biến, cho phép chức năng ghi nhãn cảm biến thụ động bằng cách tích hợp ăng-ten in và vòng phát hiện kích thích và IC tần số vô tuyến.

Cảm biến thụ động thông minh sử dụng giao thức UHF Gen 2 tiêu chuẩn công nghiệp để giao tiếp và có thể được đọc với đầu đọc RFID phù hợp. Một số đầu đọc thương mại cố định hoặc cầm tay đã được xác minh nhãn và chức năng. Hệ sinh thái cảm biến thụ động thông minh của Anseme Semiconductor cung cấp một đầu đọc di động chạy bằng pin với ăng-ten tích hợp, giao diện người dùng đồ họa và khả năng kết nối IoT hoạt động như một trung tâm thu thập dữ liệu nhãn cảm biến.

Khi đầu đọc bắt đầu giao tiếp, IC cảm biến tự điều chỉnh phát hiện độ ẩm hoặc áp suất bằng cách đo sự thay đổi trở kháng trong vòng kích thích và gửi dữ liệu này cùng với dữ liệu nhiệt độ số hóa từ cảm biến nhiệt độ trên chip đến đầu đọc. Cảm biến giám sát một số thông số, bao gồm khoảng cách phát hiện, cường độ tín hiệu nhận (RSSI) của chuyển động hoặc sự hiện diện, nhiệt độ và độ ẩm. Mỗi cảm biến cũng có một mã EPC có thể lập trình để nhận dạng *. RFID front-end tự động bù đắp cho những thay đổi môi trường để cảm nhận độ ẩm, áp suất và các thông số khác.

Hình 1: Cảm biến thụ động thông minh kết hợp công nghệ RFID với khối cảm biến * thụ động, không có MCU.

Ứng dụng tiêu biểu

Cảm biến thụ động chi phí thấp hoặc dùng một lần có thể mang lại lợi ích cho một số lượng lớn các ứng dụng quan trọng. Ví dụ: bằng cách theo dõi nhiệt độ tại nhiều vị trí trong giá máy chủ của trung tâm dữ liệu hoặc tại các kết nối ngắt mạch công suất cao trong công tắc nguồn công nghiệp, xu hướng thay đổi nhiệt độ có thể được theo dõi và nhiệt độ tăng bất thường có thể được phát hiện nhanh chóng để bảo trì phòng ngừa hoặc thực hiện hành động khắc phục. Cảm biến thụ động thông minh được kết nối trực tiếp với các bộ phận như vỏ kim loại, bao bì thiết bị hoặc tản nhiệt để đáp ứng các yêu cầu định kỳ được đưa ra bởi người đọc trên tất cả các dải tần số vô tuyến của cảm biến.

Chiến lược giám sát thể hiện trong hình 2, dựa trên các cảm biến thụ động thông minh và đầu đọc/thu phát RFID được kết nối với đám mây, có thể cung cấp các phương pháp bảo vệ thiết bị ngay lập tức và hiệu quả hơn so với các phương pháp khác như đo nhiệt độ nhân tạo hoặc hình ảnh nhiệt.

Hình 2: Nhiều cảm biến thụ động thông minh có thể theo dõi nhiệt độ ở một số địa điểm với tỷ lệ giá cao.

Thẻ cảm biến thông minh thụ động cũng phù hợp cho các ứng dụng nông nghiệp kỹ thuật số, chẳng hạn như trong các ứng dụng giám sát gia súc, nơi bệnh chăn nuôi có thể được kiểm tra hoặc chu kỳ rụng trứng của gia súc có thể được xác minh. Nông dân cũng sử dụng thẻ RFID để nhận dạng và theo dõi động vật và các tiêu chuẩn công nghiệp cho nhãn tiêm đã được thiết lập. Bằng cách tăng đầu tư vào thiết bị hoặc hệ thống, cảm biến thụ động thông minh giúp cải thiện hơn nữa sức khỏe động vật và tăng sản lượng chăn nuôi.

Tương tự như vậy, việc sử dụng cảm biến thụ động thông minh để phát hiện độ ẩm hoặc áp suất đã được áp dụng trong các thử nghiệm y tế, công nghiệp, cũng như sự thoải mái và an toàn của xe. Trong lĩnh vực y tế, cảm biến độ ẩm có thể được gắn một cách kín đáo vào khăn trải giường bệnh viện để phát hiện tỷ lệ lấp đầy và phụ cấp giường của bệnh nhân, cảm biến nhiệt độ không xâm lấn có thể được gắn vào da của bệnh nhân và theo dõi không dây bằng đầu đọc gần đó.

Nhiều ứng dụng hơn bao gồm thử nghiệm rò rỉ nước trong ngành công nghiệp ô tô: lắp đặt nhanh chóng và dễ dàng một bộ cảm biến thụ động thông minh trong xe trước khi thử nghiệm rò rỉ nước bắt đầu, loại bỏ sự phát hiện của con người trong khi đơn giản hóa việc thu thập và phân tích dữ liệu.

Ngoài ra, cảm biến độ ẩm và áp suất để phát hiện trạng thái dây an toàn của xe và cảm biến khoảng cách bổ sung cho phép phát hiện chiếm chỗ xe thông minh hơn so với hệ thống dây hoặc túi khí truyền thống. Cảm biến thụ động thông minh có thể phân biệt cơ thể con người với các vật thể được đặt trên ghế và dễ dàng mở rộng cảm biến sang ghế hành khách phía sau và ghế di động với chi phí bổ sung tối thiểu.

Từ tự động hóa gia đình và ô tô được kết nối đến kiểm soát công nghiệp, kiểm tra chất lượng, nông nghiệp, y tế, xây dựng, quản lý chuỗi cung ứng và nhiều ứng dụng khác, thẻ cảm biến thụ động thông minh cũng có thể hoàn thành nhiều phát hiện rò rỉ nước khác, cảm biến chiếm chỗ và giám sát mức độ nhiệt độ hoặc độ ẩm.

Tóm tắt

Cảm biến thụ động thông minh mang đến những lựa chọn mới cho cảm biến không nơi nào vắng mặt, có thể theo dõi áp suất, nhiệt độ, độ ẩm hoặc khoảng cách, loại bỏ các vấn đề về cân nhắc cảm biến thông minh truyền thống như khối lượng, tiêu thụ điện năng và chi phí. Các nhà thiết kế thiết bị hiện có thể mở rộng các hệ thống thông minh và IoT vào các khu vực và ứng dụng khó tiếp cận trong quá khứ mà không bị giới hạn về kích thước hoặc giá cả.