Nhu cầu về cảm biến IoT tiêu thụ ít điện

Internet of Things đang ngày càng phát triển và mở rộng, ngay cả khi các thiết bị IoT có xu hướng chững lại. Điều này mang đến một loạt thách thức mới. Có thể điều quan trọng nhất hiện nay là làm thế nào để hàng tỷ thiết bị nhỏ nằm rải rác trong nhà, thành phố và các chuỗi cung ứng giao tiếp với nhau mà không cần phải thay pin vài tuần một lần. Người dùng có thể sạc pin cho điện thoại thông minh và smart home hub, nhưng cảm biến không dây đang được sử dụng để theo dõi tình trạng máy móc, việc chất hàng lên các tàu chở container và hàng ngàn thứ khác thì không.

Các cảm biến không dây có thể hoạt động nhiều tháng, nhiều năm, thậm chí hàng thập kỷ mà không hết pin đóng vai trò rất quan trọng đối với tương lai của IoT và điều đó phụ thuộc vào sự kết hợp giữa phần cứng hiệu quả, phần mềm thông minh và công nghệ mạng phù hợp.

Phần cứng và phần mềm IoT tiêu thụ ít điện

Các cảm biến thường không cần nhiều điện để hoạt động. Nếu tất cả những gì chúng phải làm là đọc nhiệt độ vài lần một ngày, thì mức điện tiêu thụ gần như không đáng kể. Tuy nhiên, chúng còn có hai nhiệm vụ khác: Xử lý dữ liệu (sử dụng các bộ vi điều khiển) và gửi dữ liệu đi nơi khác (với một thiết bị phát tần số vô tuyến). Đây mới là lúc các cảm biến tiêu thụ nhiều điện.

Một cách đơn giản để giúp duy trì việc sử dụng điện ở mức tối thiểu là giữ cho cảm biến ở trong tình trạng “ngủ” trong phần lớn thời gian, bằng cách sử dụng một thiết bị báo thức. Thiết bị báo thức này sẽ chỉ tiêu thụ một lượng điện năng nhỏ cho đến khi nó gửi tín hiệu cho cảm biến, báo đã đến giờ làm nhiệm vụ đo, xử lý và truyền tín hiệu. Thiết bị báo thức này sử dụng càng ít điện, thì thời gian hoạt động của cảm biến càng lâu, bất kể các mạch xử lý dữ liệu và thiết bị phát RF sử dụng bao nhiêu điện.

Nói chung, việc gửi lượng dữ liệu lớn trên một khoảng cách xa đòi hỏi nhiều điện. Do đó, cả việc gửi lượng dữ liệu tối thiểu và sử dụng giao thức kết nối tiêu thụ ít điện đều rất quan trọng. Thực hiện một số xử lý cục bộ trên dữ liệu có thể giúp giảm thiểu điện sử dụng khi truyền, nhưng việc tìm ra cách tốt nhất để gửi dữ liệu thì khó hơn, do các công nghệ không dây khác nhau sẽ hoạt động tốt hơn trong các trường hợp khác nhau. Tuy nhiên, có khá nhiều tùy chọn, từ các mạng WiFi và mạng di động ngốn nhiều điện năng (như GSM, GPSR, LTE, v.v...) đến các tùy chọn tiêu thụ ít điện như Zigbee và Sigfox.

Khả năng kết nối của cảm biến IoT tiêu thụ ít điện

Không phải mọi cảm biến IoT đều được tạo ra giống nhau: Một số cảm biến sẽ truyền dữ liệu qua các khu vực đô thị đông đúc, một số khác có thể được sử dụng ở những vùng núi xa xôi. Con người có thể sử dụng khá nhiều cảm biến trong nhà ở và nhà máy. Tần số mà các cảm biến hoạt động cũng như giao thức chúng sử dụng trên từng tần số có thể sẽ thay đổi tùy thuộc vào trường hợp sử dụng và các yếu tố khác, nhưng sau đây là một số giao thức phổ biến nhất, được liệt kê theo thứ tự phạm vi từ ngắn đến dài.

Z-wave

• Phạm vi: 30m - 100m
• Tần số: 900MHz
• Tốc độ truyền dữ liệu: 10 - 100bit/giây

Được sử dụng chủ yếu cho mục đích tự động hóa trong gia đình, Z-wave là công nghệ tiêu thụ ít điện khá phổ biến, hỗ trợ kết nối mạng mesh và chạy trên băng tần dưới 1GHz, giúp giảm thiểu cả việc tiêu thụ điện và hiện tượng nhiễu do các thiết bị khác.

Zigbee

• Phạm vi: 10m - 100m
• Tần số: 2.4GHz
• Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbit/giây

Zigbee cho đến nay đã được chấp nhận rộng rãi trong Industrial Internet of Things (IIoT) và chuyên vận hành các mạng mesh cảm biến tầm ngắn với tiêu thụ ít điện. Nó giảm thiểu thời gian sóng vô tuyến của cảm biến hoạt động để giảm mức sử dụng điện.

Bạn có thể xem thêm: So sánh Zigbee và Z-Wave, 2 công nghệ không dây cho nhà thông minh

6LoWPAN

• Phạm vi: Đa dạng
• Tần suất: Linh hoạt
• Tốc độ truyền dữ liệu: 20 - 250kbit/giây

Mặc dù thường được coi là đối thủ cạnh tranh với Zigbee, nhưng 6LoWPAN không phải là giao thức ứng dụng. 6LoWPAN là giao thức mạng dựa trên IPv6, có nghĩa là mọi thiết bị được kết nối sẽ có địa chỉ nhận dạng duy nhất của riêng nó. Điều này làm cho 6LoWPAN dễ dàng tương thích với các hệ thống dựa trên IP hiện có và nó thực sự có thể hoạt động trên nhiều loại băng tần, chứ không chỉ một băng tần duy nhất. 6LoWPAN vẫn chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng mức tiêu thụ ít điện đủ mang lại một số lợi thế tương thích tuyệt vời.

Bluetooth Low-energy (BLE)/Bluetooth Smart

• Phạm vi: 20m - 150m
• Tần số: 2.4GHz
• Tốc độ truyền dữ liệu: 1Mb/giây

Bluetooth đã được tích hợp vào rất nhiều thiết bị tiêu dùng và với việc giới thiệu phiên bản tiêu thụ ít điện, nó đã tạo ra bước nhảy vọt cho IoT. Nó hỗ trợ mức thông lượng cao hơn và phạm vi dài hơn so với một số công nghệ khác. Nó có thể trở thành lựa chọn hàng đầu cho rất nhiều ứng dụng nhờ khả năng tương thích.

Wi-Fi HaLow

• Phạm vi: Lên tới 1km
• Tần số: 900MHz
• Tốc độ truyền dữ liệu: 150Kbps - 18Mbps

Được phát triển bởi Wi-Fi Alliance với vai trò một tiêu chuẩn tiêu thụ ít điện để kết nối các thiết bị IoT, HaLow chủ yếu cạnh tranh với Bluetooth khi sử dụng cho thiết bị nhà thông minh và mạng cảm biến. Tần số 900MHz mang lại một phạm vi tốt và khả năng xuyên qua chướng ngại vật. Tốc độ thông lượng rất cao, mức điện sử dụng rất thấp. Nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, nhưng được kỳ vọng sẽ hoàn thành tốt nhiệm vụ.

Sigfox

• Phạm vi: 3km - 50km (tùy thuộc vào các chướng ngại vật)
• Tần số: 900MHz
• Tốc độ truyền dữ liệu: 100 - 600bit/giây

Đối với việc truyền dữ liệu nhỏ, tầm xa, tiêu thụ ít điện, Sigfox rất khó bị đánh bại. Tùy thuộc vào môi trường, nó có thể gửi dữ liệu trên một khoảng cách xa. Thông lượng khá thấp, khiến nó trở thành một lựa chọn không phù hợp cho các thiết bị sử dụng nhiều băng thông, nhưng lại rất tuyệt cho những dụng cụ đo thông dụng và cảm biến cơ bản. Sigfox có sẵn tại nhiều nơi ở Châu Âu, Hoa Kỳ, Úc và Châu Á.

Mạng di động (GSM/GPSR/LTE so với LTE-M/NB-IoT)

Tu phổ biến và tốc độ thông lượng cao khiến cho các mạng di động trở thành lựa chọn thích hợp cho các cảm biến IoT, nhưng mức tiêu thụ điện cao và xu hướng bị tắc nghẽn ngay cả với lưu lượng mạng trong môi trường không phải IoT, khiến chúng trở nên không phổ biến đối với các nhà sản xuất cảm biến tiêu thụ ít điện. Đó là lý do tại sao con người liên tục nỗ lực nâng cấp cơ sở hạ tầng hiện có để hỗ trợ LTE-M (LTE-Machine, có nghĩa là cho phép truyền dữ liệu IoT thời gian thực) và NB-IoT (NarrowBand-IoT), đặc biệt nhắm mục tiêu vào các thiết bị tiêu thụ ít điện và có thông lượng thấp. LTE-M và NB-IoT, cùng với 5G, có khả năng sẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng IoT ở tương lai.

Công nghệ pin đang được cải thiện dần dần và việc nhanh chóng triển khai các mạng cảm biến lớn đang được tiến hành khá tốt. Chúng ta đã tạo ra những bước tiến ấn tượng trong việc xây dựng các cảm biến tiết kiệm điện mà không làm giảm hiệu suất.

Các tiêu chuẩn với cơ sở người dùng lớn hiện có, như Bluetooth, WiFi và mạng di động có thể sẽ được sử dụng rộng rãi tại gia đình, trong khi các ứng dụng công nghiệp và những ứng dụng khác sẽ hướng đến bất kỳ công nghệ nào phù hợp nhất với trường hợp chúng được sử dụng.

Việc thiết lập các mạng cảm biến sử dụng điện năng thấp sẽ ngày càng trở nên phổ biến hơn trong nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ tới.