Tải bản đầy đủ

130548876 energy harvesting

MỤC LỤC
CHƢƠNG I.................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY................................................. 1
1.1. Giới thiệu............................................................................................................ 1
1.1.1. Công nghệ Sensor Network........................................................................ 1
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.................................................. 3
1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs............................................................................. 3
1.2.1. Các thành phần của mạng cảm biến không dây.......................................... 4
1.2.2. Quá trình phát triển của mạng cảm biến................................................... 10
1.2.3. Các cách thức và trở ngại......................................................................... 11
CHƢƠNG II................................................................................................................. 12
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY....12
2.1. Vấn ề năng lƣợng trong mạng ảm iến không dây...................................... 12
2.2. Các giải pháp khắc phục vấn ề năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây 12
2.2.1. Giải pháp phần cứng................................................................................ 12
2.2.2. Giải pháp phần mềm................................................................................ 13
CHƢƠNG III................................................................................................................ 18
BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC VẤN ĐỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY SỬ DỤNG ENERY HAVESTING....................................................... 18
3.1. Sơ lƣợc về Energy Harvesting......................................................................... 18
3.1.1. Các dạng Energy Havesting chủ yếu:....................................................... 18

3.1.2. Các thiết bị Energy Harvesting................................................................. 21
3.1.3. Các thành phần chính của một hệ thống Energy Havesting:.................... 24
3.2. Áp dụng Energy Harvesting vào mạng cảm biến không dây Arduino và Z1 ...
25 3.2.1. Mục ích sử dụng Energy Harvesting................................................. 25
3.2.2. Kit thí nghiệm CBC-EVAL-09................................................................. 26
3.2.3. Phần mềm kiểm tra năng lƣợng của CBC-EVAL-09............................... 30
3.2.4. Testbed sử dụng CBC-EVAL-09 cấp nguồn cho modul Z1......................32
2.3.5. Testbed sử dụng SEH-01 của Texas Instruments...................................... 33
KẾT LUẬN................................................................................................................... 36


MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc mạng cảm biến không dây thông thƣờng............................... 6
Hình 1.2. Các thành phần trong một node cảm biến............................................ 7
Hình 1.3. Giao thức chung cho mạng cảm biến................................................... 8
Hình 2.1. Mạng cảm biến không dây thiết kế theo mạng sao............................. 14
Hình 2.2. Thời gian bật tắt bộ thu phát vô tuyến................................................ 14
Hình 2.3. Mạng cảm biến không dây thiết kế theo dạng lƣới............................15
Hình 2.4. Cơ chế quản lý năng lƣợng không ồng bộ........................................ 16
Hình 2.5. Cơ chế quản lý ồng bộ...................................................................... 17
Hình 3.1. Remote TV không pin của Phillip...................................................... 19
Hình 3.2. Hệ thống chuyển ổi năng lƣợng mặt trời sang iện........................... 21
Hình 3.3. Tấm nhiệt iện TEGs......................................................................... 22
Hình 3.4. Cấu trúc bên trong của TEGs............................................................. 22
Hình 3.5. Cung cấp iện năng thông qua thu thập nhiệt từ nƣớc nóng...............22
Hình 3.6. Microturbine....................................................................................... 23
Hình 3.7. Tấm áp iện........................................................................................ 23
Hình 3.8. Hệ thống sử dụng năng lƣợng thu thập từ RF.................................... 24
Hình 3.9. Hệ thống Energy Harvesting ang ƣợc phát triển dành cho WSNs . 24
Hình 3.10. Sơ ồ khối energy havesting dành cho mạng cảm biến không dây.. 25
Hình 3.11. Kit CBC-EVAL-09........................................................................... 26
Hình 3.12. Sơ ồ khối của CBC-EVAL-09........................................................ 26
Hình 3.13. Trở kháng Energy Harvesting (RT) và trở kháng hệ thống (RL)......28
Hình 3.14. CBC-915 hỗ trợ iều chỉnh trở kháng của hệ thống.........................28
Hình 3.15. IC CBC050....................................................................................... 29
Hình 3.16. Điện áp Vbat và Vout khi CBC-EVAL-09 chƣa có ánh sáng...........30
Hình 3.17. Điện áp Vbat và Vout khi CBC-EVAL-09 bắt ầu hoạt ộng...........31
Hình 3.18. Điện áp Vbat và Vout khi CBC-EVAL-09 chạy ổn ịnh...................31
Hình 3.19. Điện áp Vout và Vbat dạng bar......................................................... 32
Hình 3.20. Modul eZ430-2500 của Texas Instruments...................................... 33


Hình 3.21. eZ430-2500T thông thƣờng............................................................. 33
Hình 3.22. SEH-01 cung cấp iện nuôi eZ430-2500T....................................... 34
Hình 3.23. Test SEH-01 với eZ430-2500........................................................... 35


LỜI NÓI ĐẦU
Năng lƣợng có ở khắp mọi nơi trong môi trƣờng xung quanh chúng ta - có sẵn
trong các hình thứ năng lƣợng nhiệt, năng lƣợng ánh sáng (mặt trời), năng lƣợng gió
và năng lƣợng ơ họ Tu nhi n, h ng t mới hỉ lợi ụng ƣợ một số ít trong số
ể tạo thành nguồn năng lƣợng iện ể sử ụng Năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gi
), nhƣng lại ần ến ơ sở hạ tầng phứ tạp Số n lại th hƣ thể cung cấp năng
lƣợng ầ ủ cho bất kỳ mụ í h nào khả thi. Trong thực tế, ho ến gần â ,
ạng năng lƣợng tự nhi n nà ƣợ nắm ắt ể thự hiện một ông việ h u í h
với u ầu hệ thống ơ sở hạ tầng ơn giản Đ hính là việ thu thập năng lƣợng tự
nhi n ể ung ấp ho mạng ảm iến không ây.
Thông qua việc tham gian nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không
dây trong dự án VLIR, em thực hiện ề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị cung cấp
năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây” với mụ í h t m hiểu các giải pháp tiết
kiệm năng lƣợng cho mạng cảm biến không â ũng nhƣ p ụng các modul thu thập
năng lƣợng tự nhi n ể biến ổi thành iện năng ung ấp cho nút cảm biến. Từ thể xây
dựng hoàn chỉnh một nút cảm biến chạ ộc lập mà không cần tới nguồn nuôi ngoài.
Em xin chân thành cảm ơn n hủ nhiệm dự án nghiên cứu khoa học VLIR và
gi o vi n hƣớng dẫn Phạm Quốc Thịnh tạo iều kiện gi p ỡ em hoàn thành bài
thực tập tốt nghiệp này. Quá trình nghiên cứu và hoàn thành ề tài thực tập vẫn còn
gặp nhiều kh khăn và thiếu sót. Em mong các thầ ô ng g p gi p em có thể hoàn
thiện
ề tài tốt hơn


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu
Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng
cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc ể tạo khả năng qu n s t, phân tí h
và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tƣợng xả r trong môi trƣờng cụ thể nào
Môi trƣờng có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Các ứng dụng ơ ản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập d liệu, giám
sát, theo dõi, và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy
theo yêu cầu sử dụng còn rất ạng và không bị giới hạn.
Có 4 thành phần ơ ản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
 Các cảm biến ƣợc phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải
 Mạng lƣới liên kết gi a các cảm biến (có dây hay vô tuyến)
 Điểm trung tâm tập hợp d liệu (Clustering)
 Bộ phận xử lý d liệu ở trung tâm
Một node cảm biến ƣợ
ịnh nghĩ là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý,
hay còn gọi là mote. Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biến trong
kết nối gi a các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.
1.1.1. Công nghệ Sensor Network
Trong mạng sensor network, cảm biến ƣợc xem nhƣ là phần quan trọng nhất
phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và iều khiển bao gồm các cảm biến
trƣờng iện từ; cảm biến tần số vô tuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; các cảm biến
ịnh vị, dẫn ƣờng; o ạc các thông số môi trƣờng; và các cảm biến phục vụ trong
ứng dụng n ninh, sinh h Ngày nay, cảm biến ƣợc sử dụng với số lƣợng lớn.
Mạng WSNs ặ iểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lƣợng
của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ
iểm- iểm, số lƣợng lớn các node cảm biến...
Do ặc tính của mạng WSNs là i ộng và trƣớ â hủ yếu phục vụ cho các
ứng dụng quân sự n n i hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở
rộng cho các ứng dụng thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo n n tính thƣơng
mại cao cho WSNs.

1


Các nghiên cứu gần â ph t triển thông tin công suất thấp vối các node xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải
quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng ung ấp năng lƣợng cho các
node bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lƣợng thấp ƣợc ƣu ti n
ph t triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:
 Chu kỳ hoạt ộng ngắn
 Xử lý d liệu nội bộ tại các node ể giảm chiều dài d liệu, thời gian
truyền
 Mô hình mạng multihop làm giảm chiều ài ƣờng truyền, qu giảm suy
hao tổng cộng, giảm tổng công suất ho ƣờng truyền.
WSNs ƣợc phân ra làm 2 loại, theo mô hình kết nối và
nodes sử dụng:

ịnh tuyến mà các

 Loại 1 (C1WSNs):
 Sử dụng giao thứ ịnh tuyến ộng
 Các node t m ƣờng i tốt nhất ến í h
 Vai trò của các node sensor này với các node kế tiếp nhƣ là

trạm lặp

(repeater)
 Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)
 Khả năng xử lý d liệu ở các node chuyển tiếp
 Mạng phức tạp

 Loại 2(C2WSNs):
 Mô h nh

iểm- iểm h

iểm- iểm, 1 kết nối radio ến node trung

tâm
 Sử dụng gia thứ ịnh tuyến tĩnh
 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác
 Khoảng h vài trăm mét
 Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý d liệu cho các node khác
 Hệ thống tƣơng ối ơn giản
Tiêu chuẩn tần số ng ƣợc áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4.Hoạt ộng tại
tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học(ISM), cung cấp ƣờng truyền d
liệu với tố ộ l n ến 250kbps ở khoảng h 30 ến 200 feet. Zigbee/IEEE 802.15.4
ƣợc thiết kế ể bổ sung cho các công nghệ không â nhƣ là Bluetooth, Wifi,
Ultrawideband (UWB), mụ í h phục vụ cho các ứng dụng thƣơng mại.


Với sự r ời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát
triển theo hƣớng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh
truyền ƣợc tiêu chuẩn hóa.
Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs). WSNs tƣơng
tự nhƣ MANETs theo một vài ặ iểm. Cả h i ều là chuẩn mạng wireless, multihop. Tuy
nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật gi a hai hệ thống có khác nhau.
 Dạng thông thƣờng của WSN là nguồn d liệu truyền ến nơi nhận,
khác hẳn iểm- iểm trong MANETs.
 Các node trong WSNs ít i ộng, trong khi ad hoc các node là i ộng
 Trong WSNs, d liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tƣợng. sự kiện ở
thế giới thực. Ở MANETs chủ yếu là d liệu.
 Nguồn giới hạn, năng lƣợng trong WSNs ƣợc quản lý sử dụng rất chặt
chẽ.Trong MANETs có thể không bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do
các thiết bị thông tin có thể ƣợc thay thế nguồn cung cấp thƣờng xuyên
bởi ngƣời dùng
 Số lƣợng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn
Do sự khác biệt gi a 2 mô hình giao thức mà các giao thứ ịnh tuyến trong
MANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể oi nhƣ
một phần trong MANETs (ad hoc).
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
 Quân sự: Theo dõi các mục tiêu, chiến trƣờng, ngu ơ tấn công
nguyên tử, sinh h
 Môi trƣờng: Giám sát cháy rừng, th ổi khí hậu, o, lũ lụt...
 Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuố ,
iều khiển từ x
 Gi nh: Ngôi nhà thông minh, iều khiển các thiết bị iện, hệ thống
sƣởi ấm, ...
 Thƣơng mại: Điều khiển trong môi trƣờng công nghiệp và văn ph ng,
giám sát xe cộ, gi o thông
1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs
Nhƣ
ề cập ở phần trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý tại
node nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là xử lý trƣớc
tại node. Thay vì gởi i liệu ến node chuyển tiếp, node thƣờng dùng khả năng xử


lý củ m nh ể giải quyết trƣớ khi ph t i Với dạng có cấu trúc, d liệu ƣợc xử lý
ến mức tốt nhất nhờ làm giảm ƣợ năng lƣợng cần ùng và ăng thông k nh
truyền. Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến nhƣ s u:
 Cảm biến:
- Chứ năng ơ ản.
- Xử lý tín hiệu.
- Nén và các gia thức phát hiện, sửa lỗi.
- Phân chia Cluster.
- Tự phân nhóm.
 Kỹ thuật truyền vô tuyến:
- Dãy truyền sóng.
- Sự hƣ hại ƣờng truyền.
- Kỹ thuật iều chế.
- Giao thức mạng.
 Tiêu chuẩn:
- IEEE 802.11a/b/g.
- IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth.
- IEEE 802.15.3 Ultrawideband (UWB).
- IEEE 802.15.4/Zigbee.
- IEEE 802.16 Wimax.
- IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).
- Mobile IP.
 Phần mềm ứng dụng:
-

Hệ iều hành.
Phần mềm mạng.
Phần mềm kết nối ơ sở d liệu trực tiếp.
Phần mềm middleware.
Phần mềm quản lý d liệu.

1.2.1. Các thành phần của mạng cảm biến không dây
Các thành phần ơ ản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần ƣợ ặt trong
ng cảnh của mô hình WSNs dạng 1 C1WSNs) ƣợc giới thiệu ở phần trƣớc. Bởi
v â là mô h nh với số lƣợng lớn cảm biến trong mạng, hƣỡi d liệu nhiều, d liệu
không thật hoàn hảo, khả năng hu hỏng các node o, ũng nhƣ khả năng ị nhiễu lớn,
giới hạn công suất cung cấp,xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng. Do vậy,
C1WSNs tổng qu t hơn so với mô hình C2WSNs.Sự phát triển mạng cảm biến dựa trên


cải tiến về cảm biến, thông tin, và tính toán (giải thuật tr o ổi d liệu, phần cứng và
phần mềm).


Một vài ặ iểm của mạng cảm biến:
 Các node phân bố à ặc.
 Các node dễ bị hƣ hỏng.
 Giao thức mạng th ổi thƣờng xuyên.
 Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính to n, và ộ nhớ.
 Các node có thể không ƣợ ồng nhất toàn hệ thống vì số lƣợng lớn các
node.
End device

Rounter

Sink node

Hình 1.1. Cấu trúc mạng cảm biến không dây thông thường

Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến nhƣ tr n h nh 1 2:
 Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và ơn vị thực thi (nếu
có)
 Đơn vị xử lý
 Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến
 Nguồn cung cấp
 Các phần ứng dụng khác...


Hình 1.2. Các thành phần trong một node cảm biến.

Software (Operating Systems and Middleware)
Để cung cấp sự hoạt ộng cho các node, phần quan trọng là các hệ iều hành
nguồn mở ƣợc thiết kế ặc biệt cho WSNs. Thông thƣờng, các hệ iều hành nhƣ thế dùng
kiến trúc dựa trên thành phần ể có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kí h
thƣớc code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks. TinyOS là một ví
dụ về dạng nà , â là một chuẩn không chính thức. Thành phần của TinyOS gồm giao
thức mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các ứng dụng. Rất nhiều
nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng ể phát triển và kiểm tra các giao thức và
giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu ng ố gắng kết hợp m ể xây dựng tiêu
chuẩn cho các dịch vụ mạng tƣơng thí h

Standards for Transport Protocols
Mụ í h thiết kế WSNs là ể phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu
chuẩn về hao phí là thấp nhất, p ứng các yêu cầu nhƣ tố ộ d liệu thấp-trung bình,
tiêu thụ công suất thấp, ảm bảo ộ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị trí các node cảm
biến hầu nhƣ không x
ịnh trƣớ ,
nghĩ là gi o thức và giải thuật mạng phải có
khả năng tự xây dựng.
Các nhà nghiên cứu
ph t triển nhiều giao thức ặc biệt cho WSNs, trong
vấn ề ăn ản là năng lƣợng tiêu thụ phải thấp nhất ến mức có thể. Chủ yếu tập trung vào
giao thứ ịnh tuyến, bởi v ịnh tuyến có khác so với các mạng truyền thống (phụ thuộc
vào ứng dụng và kiến trúc mạng).


Hình 1.3. Giao thức chung cho mạng cảm biến.

Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc trong mạng và quản lý.
Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp nhƣ mô h nh OSI
 Layer 1 : lớp vật lý: qui ƣớc về iện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu
 Layer 2 : lớp liên kết d liệu : các cấu tr khung, ịnh thời
 Layer 3 : lớp mạng : ịnh tuyến
 Layer 4 : lớp chuyển vận : truyền d liệu trong mạng, lƣu gi d liệu
 Upper Layers: phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lý ứng
dụng, kết hợp d liệu, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, ơ sở d
ngoại.
GPRS/GSM
1xRTT/CDMA

IEEE 802.11
b/g

IEEE
802.15.1

IEEE
802.15.4

2.5G/3G

Wi-Fi

Bluetooth

ZigBee

WAN/MAN

WLAN and
host

PAN and
DAN
(desk area
network)

WSN

Application
focus

Wide area
voice and data

Enterprise
applications
(data and
VoIP)

Cable
replacement

Monitoring
and control

Bandwidth
(Mbps)

0.064-0.128+

11 - 54

0.7

0.020 0.25

Market name
for standard
Network
tanget

liệu


Transmission
range (ft)

3000+

1 - 300+

1-30 +

1 - 300+

Design
factors

Reach and
transmission
quality

Enterprise
support,
scalability,
and cost

Cost, ease of
use

Reliability,
power, and
cost

Bảng 1.1. Các giao thức có thể dùng cho mạng cảm biến không dây

Bảng 1.2 nêu ra một số giao thức lớp thấp có thể ứng dụng cho WSNs. So
sánh gi a các chuẩn, mụ í h của ứng dụng, tiêu chuẩn cho thiết kế, khoảng cách
truyền và
ăng thông tối
Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhƣng vẫn còn thiếu các tiêu
chuẩn mạng ho WSNs, iều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảm biến
cho mụ í h thƣơng mại.

Routing and Data Dissemination
Giao thứ ịnh tuyến cho WSMs rơi vào 3 nh m: liệu trung tâm, kiến trúc
mạng, và ăn ứ vào vị trí C qui ƣớc về tập hợp d liệu ể kết hợp d liệu ến từ các
nguồn kh nh u qu ƣờng truyền Điều này cho phép hạn chế sự ƣ thừa trong mạng, làm
giảm số ƣờng truyền, giảm năng lƣợng tiêu thụ. Vấn ề quan tâm trong xử lý nội mạng,
ngay khi d liệu ng ƣợc truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lƣợng của toàn hệ
thống Băng thông ị giới hạn, khả năng ung ấp công suất tại các node bị hạn chế h gi
thành o Để giải quyết vấn ề này, cần có quá trình xử lý trƣớc tại nguồn trƣớc khi
chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất.

Sensor Network Organization and Tracking
Các vấn ề liên quan sự sắp xếp mạng và sự theo dõi và giám sát bao gồm quản
lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên làm việc....

Computation
Tính to n li n qu n ến tập hợp d liệu, dung hợp, phân tích, tính toán cấu trúc,
và xử lý tín hiệu.
Data Management
Quản lý d liệu phụ thuộc vào kiến trúc d liệu, quản lý ơ sở d liệu, kỹ thuật
truy vấn và lƣu tr d liệu Trong môi trƣờng mạng truyền thống, d liệu ƣợc thu thập


ến trung tâm ể lƣu tr khi có yêu cầu ƣợc gởi i Trong
mạng phức tạp hơn, yêu
cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật ƣợc xây dựng dùng cho các mô hình lƣu tr
d liệu phân bố. D liệu cần ƣợ nh hỉ số cho việc kiểm tra (theo không gian và
thời gian) hiệu quả hơn

Security
Bảo mật là một phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, nhất quán và sự sẵn
sàng của thông tin.
1.2.2. Quá trình phát triển của mạng cảm biến
 Thời kỳ chiến tranh lạnh: các mạng ngầm ƣợc phát triển rộng rãi ở Mỹ
dùng trong giám sát ngầm ƣới iển. Mạng trên không phòng thủ radar
ƣợc triển khai ở Bắc Mỹ.
 Sự th ẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào ầu nh ng năm
1980 với hƣơng tr nh Defense Advanced Research Projects Agency
(DARPA).
 Sự phát triển các ứng dụng trong quân sự: vào nh ng năm 1980-1990,
â thể coi là thế hệ thứ nhất của các sản phẩm thƣơng mại dựa trên
các nghiên cứu DARPA-DSN.
 Nghiên cứu mạng cảm biến ngà n : â là thế hệ thứ hai của ứng dụng
thƣơng mại Bƣớc tiến trong tính toán và truyền thông vào cuối nh ng
năm 1990 và ầu nh ng năm 2000 tạo nên kỹ thuật mạng cảm biến thế
hệ mới. Các cảm biến mới ƣợc chế tạo có giá thành thấp, số lƣợng
lớn theo công nghệ MEMS , nanoscale electromechanical systems
(NEMS) và sự xuất hiện các tiêu chuẩn là chỉa khóa cho sự phát triển
của WSNs (ngoài ra còn có Internet-Web, video số MPEG-4, mạng tế
tào, VoIP).
First Generation
(1980s-1990s)

Second
Generation
(Early 2000s)

Third
Generation
(Late 2000s)

Kích thƣớ

Lớn

Nhỏ hơn

Nhỏ

Trọng lƣợng

Pounds

Ounces

Kiên trúc
node
Gi o thứ

Càm i n rời rạ ,
xử lý và thông
tin
Chƣ huẩn
chung

Cảm iến tí h
hợp, xử lý và
Chƣ huẩn
chung

Vài grams hay ít
hơn
Tí h hợp ầ
ủ, mứ ộ o
Ti u huẩn:
Wifi, Zigbee,


Câu hình
mạng

Điểm - iểm,
h nh s o,
ƣờng

Client-server,
peer-to- peer
ồng ẳng, ùng

Peer-to-peer
mứ ộ o

Nguồn ung
câp

Pin lớn

Pin AA

Công nghệ n no
h pin mặt trời

Ngày - tuần

Tháng - năm

V ng ời

Ngày, giờ, h
lâu hơn

Bảng 1.2. Các giai đoạn phát triển của mạng cảm biến không dây

1.2.3. Các cách thức và trở ngại
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và
trở ngại cần phải vƣợt qua:
 Chứ năng giới hạn, bao gồm cả vấn ề về kí h thƣớc.
 Yếu tố nguồn cung cấp.
 Giá thành các node.
 Yếu tố môi trƣờng.
 Đặc tính kênh truyền.
 Giao thức quảng lý mạng phức tạp và sự phân bố rải các node.
 Tiêu chuẩn và quyền sở h u.
 Các vấn ề mở rộng


CHƢƠNG II
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
2 ấn ề năng lƣợng ng ạng ả ến ng
Các nút mạng cảm biến không dây cần phải ƣợ qu n tâm ến vấn ề sử dụng
năng lƣợng Năng lƣợng ƣợc cung cấp bằng pin hoặc từ năng lƣợng ƣợc tích tr từ
môi trƣờng. Trong cả h i trƣờng hợp th năng lƣợng là một tài nguyên hạn chế. Việc tối
ƣu năng lƣợng phải ƣợc thực hiện ở cả cấp ộ phần cứng và phần mềm. Nếu phần
cứng không hiệu quả về năng lƣợng thì rất kh ạt ƣợc sự vận hành ở mứ năng lƣợng
thấp. Vấn ề cấp năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây gặp khá nhiều kh khăn
Nếu sử dụng nguồn iện lƣới ƣợc chỉnh lƣu và hạ áp thì nút cảm biến sẽ ƣợc cấp
nguồn ổn ịnh, nhƣng lại mất i tính “không â ” Vấn ề không â ƣợc giải quyết
khi nút cảm biến ƣợc cấp năng lƣợng bằng pin Nhƣng vấn ề kh khăn khi sử dụng pin
cấp nguồn cho nút cảm biến là nếu sử dụng pin thì nút cảm biến sẽ mang tính di
ộng và không â , nhƣng sẽ bị hạn chế bởi nguồn năng lƣợng của pin là h u hạn.
Khi nguồn năng lƣợng của pin cạn kiệt ũng là l n t ảm biến ngừng hoạt ộng. Vì vậy
vấn ề ặt r là làm s o ể nút cảm biến hoạt ộng ƣợc lâu nhất có thể (tiêu thụ ít
năng lƣợng nhất) mà vẫn hiệu quả Đ rất nhiều nghiên cứu kể cả về phần cứng lẫn
phần mềm nhằm tăng hiệu suất sử dụng năng lƣợng của các nút không dây nhƣng
ù giảm công suất sử dụng i o nhi u, tăng thời gian sử dụng pin l n o lâu i n a
thì
ến 1 l nào năng lƣợng của pin vẫn cạn kiệt và nút cảm biến sẽ ngừng hoạt ộng.
2.2. Các giải pháp khắc phục vấn ề năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây
2.2.1. Giải pháp phần cứng
Với giải pháp phần cứng, việc xây dựng một nút cảm biến sử dụng các linh kiện
tiêu thụ iện năng thấp là cấp thiết. Ban ầu các nút cảm biến không dây ƣợc xây dựng
từ các linh kiện lớn, dẫn ến kí h thƣớc nút cảm biến cồng kềnh, trọng lƣợng lớn. Dần
dần với sự r ời của các linh kiện iện tử dán, và các IC tích hợp cao, nút cảm biến
không â ƣợc thu gọn kí h thƣớ Hơn n a các hãng phần cứng bán dẫn
ũng không ngừng nghiên cứu sản xuất ra các IC nhỏ gọn và công suất tiêu thụ cực
thấp. Nhờ vào mà n t ảm biến không dây hiện nay chỉ còn tiêu thụ công suất ở
mức µW.
Ngoài ra, gần â việc nghiên cứu, phát triển và áp dụng Energy Havesting vào
thực tế sẽ giúp giải quyết vấn ề năng lƣợng của mạng cảm biến không dây một


cách hiệu quả nhất. Với phần cứng tiêu thụ iện năng thấp, chúng ta vẫn gặp vƣớng
mắc khi


lƣợng iện năng ủa pin là hạn chế, dẫn ến không nhanh thì lâu nút cảm biến sẽ
ngừng hoạt ộng. Với energ h vesting, năng lƣợng ƣ thừa từ các nguồn bên ngoài sẽ
ƣợc chuyển ổi s ng iện ể sạc lại cho pin. Từ thời gian sống của nút cảm biến sẽ ƣợc
tăng l n rất lớn hoặc sẽ không bao giờ hết năng lƣợng.
2.2.2. Giải pháp phần mềm
Song song với vấn ề tối ƣu h phần cứng nhằm hạn chế tối
ông suất tiêu
thụ của các thiết bị trong nút cảm biến không dây, và sử dụng Energy Harvesting ể
giải quyết vấn ề tài ngu n năng lƣợng hạn chế thì vấn ề tối ƣu h phần mềm ũng
ƣợc các nhà lập trình quan tâm. Với phần cứng hoạt ộng hiệu quả và tối ƣu về công
suất tiêu thụ nhƣng phần mềm không kh i th ƣợc hết nh ng tối ƣu th tài ngu n trong
mạng cảm biến không dây sẽ bị lãng phí.
a. Cơ chế quản lý năng lượng dành cho phần điều khiển
Trong mạng cảm biến không dây theo dạng cây thì các nút End Device chỉ có
nghiệm vụ thu thập d liệu từ cảm biến và gửi về các nút rounter hoặc sink nên trong
khoảng thời gian nút không thu thập d liệu hoặc khoảng thời gian gi a hai lần gửi d
liệu nếu phần iều khiển vẫn hoạt ộng dẫn tới rất lãng phí nguồn năng lƣợng nuôi nút.
Ngoài ra có thể trong khoảng thời gian không cần thiết thì cả mạng có thể kéo dài
khoảng thời gian gửi nhận d liệu (Ví dụ vào ban ngày thì các nút cảm biến sẽ gửi d
liệu về Sink cách nhau khoảng 1s, nhƣng n m ó thể tăng thời gian lên 5-10s), vì
vậy trong khoảng thời gi n ả mạng có thể ƣợ ƣ về trạng thái ngủ ể tiết kiệm năng
lƣợng. Vấn ề ặt ra trong việc quản lý năng lƣợng cho phần iều khiển là sẽ tắt IC
iều khiển khi không cần thiết theo chu kỳ hoặc dựa vào lệnh bật/tắt từ server thông qu n
t Sink ể kéo dài thời gian sống của nút.
b. Cơ chế quản lý công suất vô tuyến.
Ta thấy rằng việc lắng nghe lúc nhàn rỗi ũng ti u thụ năng lƣợng nhiều nhƣ
việc liên tục truyền
g i tin Nhƣ vậy, chúng ta không thể hy vọng rằng năng lƣợng
sẽ ƣợc tiết kiệm bằng cách tránh việc truyền
g i tin Để bảo tồn năng lƣợng thì bộ
thu phát vô tuyến phải ƣợc tắt. Khi bộ thu phát vô tuyến ƣợc tắt thì chúng không thể
lắng nghe ƣợc các truyền dẫn từ các nút khác. Việc không lắng nghe trên bộ thu phát
vô tuyến dẫn ến biện pháp này chỉ sử dụng ƣợc cho mạng sao.
Trong mạng sao sử dụng 1 n t Sink ƣợc cấp iện ngoài liên tục, các nút End
Device sẽ ƣợ ƣ về trạng thái ngủ trong phần lớn thời gian. Chỉ khi thu thấp d liệu
theo thời gi n ƣợ ịnh sẵn thì chúng mới ƣợc bật và gửi d liệu về Sink S u nút End
Device lại ƣợ ƣ về trạng thái ngủ.


End Device

SINK

Hình 2.1. Mạng cảm biến không dây thiết kế theo mạng sao.

Cách tiếp cận theo kiểu mạng h nh s o ặ iểm là ơn giản nhƣng phạm vi của
mạng cảm biến không dây bị thu hẹp trong phạm vi truyền dẫn của các bộ thu phát vô
tuyến. Với một số ứng dụng thì mạng hình sao là phù hợp.

Hình 2.2. Thời gian bật tắt bộ thu phát vô tuyến.

Cách tiếp cận mạng sao dẫn ến một vấn ề là giới hạn của mạng bị thu hẹp
trong phạm vi của nút sink. Vì vậy muốn tăng phạm vi của mạng chúng ta cần thiết kế
mạng cảm biến không dây theo kiểu mạng khác là mạng cây hay mạng lƣới Nhƣng
việc sử dụng mạng cây hay mạng lƣới dẫn ến việc phải nghiên cứu một ơ hế quản lý
năng lƣợng hoàn toàn khác phát triển từ ơ hế quản lý công suất vô tuyến.
Để có thể hình mạng lƣới thì các bộ thu phát vô tuyến của các nút phải ƣợc quản
lý ể h ng ƣợc tắt khi không lƣu lƣợng nhung ƣợc bật lên khi các nút lân cận
muốn thực hiện truyền thông Đo ,
n t phải có một h “hẹn gặp nh u” ể hai
nút muốn truyền thông cho nhau có thể truyền ƣợc cho nhau.


Hình 2.3. Mạng cảm biến không dây thiết kế theo dạng lưới

Trong thời gian qua, có một số h ể ồng bộ n t ƣợc nghiên cứu.
Các nghiên cứu n ầu tiết kiệm ƣợ năng lƣợng ng kể so với trƣờng hợp các
bộ thu phát vô tuyến thƣờng ƣợc bật. Ví dụ, ơ hế S-MAC giảm thời gian trung bình
các bộ vô tuyến ƣợc bật từ 100% xuống 35%. Giao thức WiseMAC còn giảm nhiều
hơn n a khoảng 20%. Giao thức B-MAC cho thấy thời gian bật bộ vô tuyến nhàn rỗi
khoảng 1%. Nh ng phát triển s u thậm chí cỏn giảm thờii gian bật bộ vô tuyến nhàn
rỗi nhiều hơn n a.
c. Cơ chế quản lý truyền nhận không đồng bộ
Cơ hế lắng nghe công suất thấp LPL) ạt ƣợc sự vận hành công suất thấp bằng
cách tắt bộ vô tuyến trong hầu hết thời gi n và ịnh kỳ bật nó trong một khoảng thời gian
ngắn. Thủ tục nà ƣợc gọi là quay vòng công suất (Duty Cycling). Bằng cách gi
bộ vô tuyến ƣợc bật trong một khoảng thời gian ngắn th ơ hế quay vòng công
suất cho phép nút cảm biến hoàn toàn có thể nhận ƣợc các truyền dẫn từ các nút lân
cận Qu tr nh nà ƣợc minh họa trong hình 2.7. Thời gian mà bộ vô tụyến bật và tắt có
thể ƣợc cấu hình. Sự cấu hình này phụ thuộ vào lƣu lƣợng tải ƣợc dự báo của mạng.
Ví dụ nhƣ thời gian tắt là 0,5s và thời gian bật là vài trăm µs Thời gian này chỉ
ủ ể lắng nghe một gói tin ến từ một nút lân cận.
Khi muốn gửi d liệu h g i tin ến một nút lân cận, nút gửi tin sẽ phát 1 chuỗi
các bản tin báo hiệu (stobe). Khi nút lân cận theo chu kỳ ƣợc bật lên nhận ƣợc chuỗi tin
báo hiệu sẽ gửi lại bản tin ACK và luôn trong trạng thái chờ nhận gói tin. Sau khi nhận
xong gói tin nút nhận sẽ trở lại trạng thái ngủ.


Hình 2.4. Cơ chế quản lý năng lượng không đồng bộ

Do truyền nhận không ồng bộ nên bên nhận gói tin sẽ ƣợc tiết kiệm công suất tối
nhƣng n gửi gói tin lại không ƣợc tiết kiệm (Do bên gửi phải gửi nhiều gói tin báo
hiệu).
Cơ hế truyền nhận không ồng bộ gặp phải một số vấn ề. Thứ nhất, các gói
tin báo hiệu gửi nh thức tất cả các nút chứ không phải chỉ n t ƣợc nhận Điều này
gây l ng phí năng lƣợng cho tất cả các nút nhận khác bởi chúng phải bật bộ vô
tuyến mà không nhận ƣợc bất kỳ d liệu có ích nào. Thứ hai, việc truyền dẫn mỗi gói
tin mất một khoảng thời gi n ng kể. Nếu các nút thu tắt bộ vô tuyến trong nửa giây,
thì chuỗi báo hiệu báo hiệu phải ƣợc gửi trong suốt thời gian nửa giây.
Để khắc phục nh ng vấn ề này thì mỗi gói tin báo hiệu gửi ƣợc thêm vào ịa chỉ
của phía nhận gói d liệu. Khi một nút khác lắng nghe ƣợc gói tin báo hiệu gửi, thi nó có
thể x ịnh ƣợc rằng gói tin này là dành cho một nút khảc và tắt bộ thu phát vô tuyến của
nó. Khi nút nhận lắng nghe gói tin báo hiệu và x ịnh gỏi d liệu là của mình thì nó sẽ
gửi một gỏi tin ngắn cho phía gửi gọi là gói tin xác nhận báo hiệu. Bởi vì phía gửi ật bộ
vô tuyến của nó, nên ngay lập tức nó gửi gói d liệu i
Tối ƣu hơn n a là phía gửi có thể tìm hiểu chu kỳ công suất của phía thu. Nếu
các nút có một chu kỳ công suất không ồi, thì phía gửi có thể bắt ầu gửi các gói tin
báo hiệu gửi củ m nh ng trƣớc thời iểm nó dự kiến phía thu bật bộ vô tuyến Điều này
làm giảm công suất tiêu thụ của nút gửi bởi vì nủt gửi không cần phải gửi nhiều gói tin
báo hiệu và giảm tải trên mạng.
Trong ơ hế quản lý không ồng bộ, nút gửi và nút nhận không cần phải ồng
bộ rõ ràng với nh u Th vào , qu tr nh o hiệu cung cấp một ơ hế ồng bộ
ngầm ịnh ở n t ồng bộ với nhau trong mỗi lần tr o ồi d liệu.
d. Cơ chế quản lý truyền nhận đồng bộ
Mặc dù các giao thức tiết kiệm năng lƣợng không ồng bộ nhƣ LPL rất h u ích
bởi sự ơn giản củ h ng, nhƣng hiệu năng ủa chúng có thể ƣợc cải thiện bằng cách


thực hiện ồng bộ gi a chúng. Các giao thứ ồng bộ ƣợc xây dựng trên sự ồng bộ
rõ ràng về thời gian. Các giao thức tiết kiệm năng lƣợng không ồng bộ thực hiện ồng
bộ các nút một cách ngầm inh ối với mọi sự truyền dẫn d liệu, nhƣng gi o thức
ồng bộ thực hiện ồng bộ các nút một h rõ ràng trƣớc khi gửi các gói d liệu thực sự.
Với việ ồng bộ thời gian, thi một giao thứ ồng bộ có thể giảm thời gian mà
giao thức này phải gi bộ vô tuyến ở ừạng thái bật và làm giảm năng lƣợng tiêu thụ tổng
thể. Một ví dụ về giao thứ ồng bộ thời gian là giao thức TSMP.
TSMP là ơ sở của hai chuẩn mạng cảm biến công nghiệp là WirelessHART và
ISA100a. Ngoài việc cho phép kéo dài khoảng thời gian tồn tại của mạng bằng cách tắt
bộ vô tuyến càng nhiều càng tốt th TSMP ũng ạt ƣợ ộ tin cậy cao bằng cách liên tục
chuyển ổi tần số vô tuyến vật lý mà g i tin ƣợc gửi i Toàn mạng ƣợc quản lý tập
trung do vậy toàn bộ mạng ƣợc lập lịch bởi nhà quản lý mạng (một máy chủ nhỏ ặt gần
mạng).
Trong giao thức TSMP, tất cả n t ƣợ ồng bộ thời gian trong vòng 50µs.
Thời gi n ƣợ hi thành khe ộ dài l0ms. Ở mỗi khe thời gian, một nút hoặc là
lắng nghe (việc truyền dẫn hoàn toàn có thể nếu nút có d liệu ể truyền), hoặc
ngủ. Khi lắng nghe, nút lắng nghe trong một thời gian ngắn ở thời iểm bắt ầu
của khe thời gian l0ms. Nếu một n t ng tru ền d liệu trong khe thời gian này, thì
việc truyền d liệu sẽ bắt ầu trong vòng 100µs. Vì vậy, phía thu không cần gi bộ
vô tuyến ở trạng thái bật dài hơn 100µs trong các khe thời gian l0ms mà nó có
thể nhận ựợc một gói tin.
Qu tr nh ồng bộ thời gi n ƣợc chỉ ra trong hình 1.22. Phía gửi chỉ cần gửi
một te ồng bộ rất ngắn trƣớc khi gừi gói tin của nó, bởi vì phía thu có thể nhanh
h ng x ịnh dù là một g i tin ƣợc truyền h không ƣợc truyền.

Hình 2.5. Cơ chế quản lý đồng bộ


CHƢƠNG III
BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC VẤN ĐỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG ENERY HAVESTING
3.1. Sơ lược về Energy Harvesting
Energy Harvesting hay còn gọi là Power Harvesting hay Energy Scavenging
là quá trình chuyển ổi các dạng năng lƣợng ƣ thừa từ các nguồn n ngoài năng lƣợng
mặt trời, năng lƣợng nhiệt, năng lƣợng gi , và ộng năng) thành ạng năng lƣợng
iện ể lƣu tr và cung cấp cho nh ng thiết bị không dây có công suất nhỏ hoạt
ộng ộc lập.
3.1.1. Các dạng Energy Havesting chủ yếu:
a. Nguồn bức xạ từ môi trường xung quanh:
Nguồn năng lƣợng có thể ƣợc chuyển ổi bằng cách thu thập
từ các thiết bị phát sóng vô tuyến iện ở khắp nơi

s ng iện từ

Một ý tưởng đặt ra là cố tình phát sóng RF với các thiết bị điện từ xa : Điều này
bây giờ có thể thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống RFID, nhưng ủy ban An toàn và
Truyền thông Mỹ và cơ quan tương đương trên toàn thế giới) hạn chế công suất tối đa
được truyền khi sử dụng trong dân sự. Phương pháp nà được áp dụng để cung cấp
nguồn cho các nút riêng lẻ trong mạng cảm biến không dây.
b. Cơ năng
Thu hoạch cơ năng chuyển đổi thành điện năng cũng đang được nghiên cứu và
phát triển .Cơ năng được lấy từ các máy công nghiệp, hay đặc biệt là dạng cơ năng sinh
học đang được chú trọng nghiên cứu. Bằng cách gắn các thiết bị thu thập vào đầu gối
hoặc gót giầy chúng ta có thể thu thập được điện dùng để sạc cho pin điện thoại nhờ
vào sự chuyển ộng của con người.
c. Quang điện
Năng lượng quang điện đang có các lợi thế đáng kể dành cho mạng cảm
biến không dây: Hầu như nguồn năng lượng là vô tận và là nguồn năng lượng tự nhiên
trong môi trường, dễ dàng thu giữ và chuyển đổi thành điện để lưu trữ cũng như cung
cấp cho nút cảm biến. Công nghệ quang điện hiện nay được phát triển từ silic
vô định hình đặc biệt, một công nghệ sử dụng trong máy tính năng lượng mặt trời.
Ngoài ra năng lượng quang điện đang đứng đầu trong các dạng năng lượng được
nghiên


cứu phát triển dành cho Energy Harvesting như Dye Sensitized Solar Cells (DSSC),
thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng như chất diệp lục của lá cây
d. Áp điện
Các hiệu ứng áp điện thực hiện chuyển đổi các rung động cơ học thành điện.
Các rung động cơ học này được lấy từ nhiều nguồn khác nhau như chuyển động
của người rung động địa chấn, tiếng ồn âm thanh Ngoại trừ một số trường hợp hiếm
hoi, điện áp đầu ra của áp điện thông thường là điện áp AC đòi hỏi độ cộng hưởng
cơ học chính xác.
Hầu hết các nguồn điện áp được sản sinh ra nhờ hiệu ứng áp điện đều có công
suất nhỏ tầm mW, quá nhỏ để cung cấp cho các hệ thống ứng dụng, nhưng đủ để cung
cấp cho các thiết bị cầm tay như đồng hồ đeo tay .
Công nghệ Piezo thu thập năng lượng được nghiên cứu từ cuối những năm
1990, và nó vẫn đang là một hướng nghiên cứu có triển vọng lớn. Một cải tiến thú
vị được thực hiện tại học viện kỹ thuật INSA, là phát triển nút bấm tự cấp nguồn năm
2006, một nút nhấn chuông cửa không dây tự cấp nguồn bằng rung động do bấm
nút
được giới thiệu. Và gần đây , một điều khiển TV từ xa của Phillip được áp dụng
công nghệ Piezo hoạt ộng không cần pin được sản xuất.

Hình 3.1. Remote TV không pin của Phillip.

e. Pyroelectric
Hiệu ứng Pyroelectric chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện áp.
Pyroelectricity là khả năng của một số vật liệu để tạo ra một điện áp tạm thời khi chúng
được nung nóng hoặc làm lạnh. Sự thay đổi nhiệt độ do thay đổi vị trí của các nguyên
tử nhẹ trong cấu trúc tinh thể, ví dụ như sự phân cực của nhưng vật chất dễ biến đổi. Sự
phân cực làm phát sinh một điện áp trên tinh thể. Nếu nhiệt độ vẫn không đổi ở giá trị
mới của nó , điện áp pyroelectric dần dần biến mất do dò rỉ dòng điện.


Pyroelectricity không nên bị nhầm lẫn với nhiệt điện: Với pyroelectricity, toàn
bộ các tinh thể được thay đổi từ nhiệt độ biến đổi, và kết quả là một điện áp tạm thời
được hình thành trên tinh thể. Còn với nhiệt điện, một mặt của vật liệu được giữ ở
một nhiệt độ và bên kia ở một nhiệt độ khác nhau, và kết quả là xuất hiện một hiện
áp cố định xuất hiện tinh thể.
Một trong những lợi thế quan trọng của pyroelectrics hơn thermoelectrics là
các vật liệu pyroelectric ổn định khi nhiệt độ lên đến 1200 oC hoặc cao hơn,cho
phép thu hoạch năng lượng từ các nguồn nhiệt độ cao và do đó làm tăng hiệu quả
nhiệt động lực học.
f. Thermoelectrics
Năm 1821, Thomas Johann Seebeck phát hiện ra rằng một gradient nhiệt
hình thành giữa vùng tiếp giáp của 2 dây dẫn khác vật liệu tạo ra một điện áp.
Trung tâm của hiệu ứng nhiệt đ iện này do dòng chảy nhiệt do sự khuếch tán
các hạt mang đ iện. Năm 1834, Jean Charles Athanase Peltier phát hiện ra rằng
có một dòng đ iện chạy qua lớp tiếp giáp của 2 lớp bán dẫn P - N, tùy thuộc
vào chiều của dòng đ iện, nó sẽ thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Nhiệt hấp thụ hoặc tỏa
ra tỉ lệ thuận với cường độ dòng đ iện, và hằng số Peltier. Ngày nay, dựa vào
nghiên cứu của Seebeck và hiệu ứng Peltier , nguyên liệu nhiệt đ iện có thể
được sử dụng làm máy sưởi, làm mát và máy phát điện (TEGs) và cặp nhiêt
điện.
g. Tĩnh điện
Đây là dạng năng lượng dựa trên sự thay đổi điện dung của tụ điện phụ
thuộc vào rung động cơ học .Khi rung động cơ, hai tấm tụ điện sẽ thay đổi khoảng
cách dẫn đến điện dung thay đổi, từ năng lượng cơ học được chuyển thành năng
lượng điện.
h. Năng lường từ tĩnh
Theo định luật Faraday, khi nam châm chuyển động trong lòng cuộn dây sẽ
tạo ra dòng điện từ xoay chiều. Từ đó nhà khoa học nghiên cứu phát triển thiết bị
cung cấp điện năng theo từ tĩnh. Năm 2007, một nhóm nghiên cứu từ Đại học
Southampton thành công trong việc chế tạo một thiết bị hoạt động trong một môi
trường hoàn toàn cách ly.
Một hạn chế của thiết bị chuyển ổi năng lượng từ tĩnh là kích thước khoảng
1cm , quá lớn để tích hợp vào các thiết bị di động hiện nay.
3


i. Năng lượng từ cây xanh
Năng lượng thu thập từ cây xanh là một loại năng lượng sinh học. Voltree phát
triển một phương pháp thể thu được năng lượng từ cây xanh. Phương pháp này là cơ
sở để phát triển các thiết bị gắn trực tiếp vào cây để theo dõi thời tiết trong rừng và
theo dõi cháy rừng. Tuổi thọ của các thiết bị này sẽ phụ thuộc vào chính tuổi thọ của
cây chủ mà nó gắn vào. Hiện nay một mạng lưới thiết bị này được triển khai thử
nghiệm trong rừng quốc gia Hòa Kỳ.
Như vậy chúng ta thấy có rất nhiều dạng năng lượng trong thiên nhiên có thể
được sử dụng để thu thập và chuyển sang điện năng để cung cấp cho mạng cảm biến
không dây. Điều quan trọng nhất là các nguồn năng lƣợng này hầu như miễn phí và
hầu nhưkhông giới hạn nếu chúng được thu thập ở gần hệ thống.
3.1.2. Các thiết bị Energy Harvesting
a. Các tế bào quang điện
Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức xạ mặt
trời (cả trong nhà và ngoài trời) thành dòng điện hiện trực tiếp bằng cách sử dụng chất
bán dẫn có hiệu ứng quang điện. Các tấm pin mặt trời là thiết bị chủ yếu của dạng này.

Hình 3.2. Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời sang điện.

b. Tấm nhiệt điện
Máy phát nhiệt iện (Thermoelectric generators - TEGs) bao gồm các lớp bán
dẫn PN kết hợp với một tấm thu nhiệt. TEGs có thể cung cấp điện áp đầu ra lớn bằng
cách nối các lớp tiếp giáp nối tiếp. Hiệu suất điển hình là 100-200 μV/ oK trên mỗi lớp
tiếp giáp. Đâ là thiết bị ƣợc sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị bằng


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×