Cảm biến IoT không dây là gì? Tại sao nên sử dụng chúng trong các ứng dụng IoT?

Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về cách các cảm biến không dây hoạt động, cách sắp xếp các mạng và cách chúng phục vụ các ứng dụng IoT trong thế giới thực.

0

Internet vạn vật (IoT) đang biến đổi thế giới của chúng ta theo những cách to lớn.

Bằng cách cho phép các đối tượng hàng ngày giao tiếp không dây, chúng ta có thể tự động trao đổi dữ liệu và tạo ra hiệu quả mới có tác động tích cực đến cuộc sống và các tổ chức.

Nền tảng của IoT là công nghệ cảm biến không dây, cho phép chúng ta thu thập thông tin về các môi trường xung quanh trong thời gian dài với ít nỗ lực thủ công. Cảm biến không dây có thể được cấu hình để đo nhiều loại biến, từ nhiệt độ không khí đến độ rung. Nhìn chung, có rất nhiều loại cảm biến không dây khác nhau có sẵn trên thị trường.

Nhiều mạng không dây chứa hàng trăm, đôi khi hàng ngàn cảm biến không dây. Các thiết bị này đã được sử dụng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm bán lẻ, nông nghiệp, quy hoạch đô thị, an ninh và quản lý chuỗi cung ứng.

Trong bài viết này, chúng tôi đi sâu hơn vào cách thức các cảm biến không dây hoạt động và giải thích lý do tại sao chúng lại rất quan trọng đối với cuộc cách mạng IoT.

Nhiệm vụ của Các cảm biến không dây là gì?

Cảm biến không dây thu thập dữ liệu về các điều kiện tại hiện trường và chia sẻ phát hiện với các thành phần hoặc nền tảng mạnh mẽ khác để xử lý thêm. Các cảm biến thường được phân phối trên các khu vực địa lý lớn và được lập trình để giao tiếp với các trung tâm, cổng và máy chủ trung tâm.

Một lợi thế lớn của cảm biến không dây là chúng đòi hỏi mức độ bảo trì thấp và một lượng điện nhỏ để hoạt động. Các cảm biến có thể hỗ trợ các ứng dụng IoT trong nhiều năm trước khi cần thay pin hoặc sạc.

Khi nói đến việc xây dựng mạng không dây, một trong những câu hỏi lớn nhất mà các nhà phát triển phải đối mặt là làm thế nào để sắp xếp các cảm biến không dây trong lĩnh vực này. Các cảm biến, hoặc các nút, các ứng dụng, phải được phân phối theo cách hỗ trợ mục tiêu bao quát của nhà phát triển mạng.

Mạng các cảm biến không dây được kết nối như thế nào?

Hai cách sắp xếp phổ biến nhất cho cảm biến không dây là cấu trúc liên kết hình saolưới.

Cấu trúc liên kết của hình lưới “mesh” mô tả các mạng trong đó các cảm biến kết nối với càng nhiều nút gần đó càng tốt. Kết quả là, dữ liệu có thể chuyển hướng nhảy từ một nút sang nút kế tiếp mà không phải tuân theo các tuyến hoặc phân cấp cảm biến nhất định. Do đó, các vấn đề kết nối ít gây hại cho hiệu suất mạng vì dữ liệu có thể mất nhiều đường dẫn để tiếp cận các thành phần xử lý. Cấu trúc liên kết lưới cũng dễ dàng mở rộng vì các cảm biến mới chỉ cần kết nối với các nút hiện có.

Về nhược điểm, cấu trúc liên kết lưới rất tốn kém và có thể khó duy trì. Có rất nhiều kết nối để tạo và quản lý, điều này trở nên khó khăn hơn khi các mạng phát triển.

Cấu trúc liên kết “ngôi sao” mô tả các mạng trong đó mọi cảm biến kết nối trực tiếp với một cổng trung tâm hoặc trung tâm. Các hub này lấy thông tin cảm biến và truyền nó đến các ứng dụng khác để xử lý. Trong các sắp xếp này, các nút không giao tiếp trực tiếp với nhau.

So với các mạng lưới, các mạng hình sao có hiệu quả hơn về chi phí vì cần ít kết nối hơn. Tuy nhiên, khó khăn hơn trong việc mở rộng mạng vì bất kỳ cảm biến mới nào cũng phải kết nối các trung tâm trung tâm, có giới hạn về dung lượng.

Làm thế nào có cảm biến không dây giao tiếp được trong quá khứ?

Có một số tiêu chuẩn không dây có sẵn có thể hỗ trợ các mạng cảm biến.

Cho đến gần đây, công nghệ di động là lựa chọn được sử dụng phổ biến nhất cho kết nối mạng diện rộng (WAN). Tuy nhiên, công nghệ di động rất tốn kém và tiêu tốn năng lượng đáng kể, rất phù hợp với các thiết bị năng lượng thấp, tầm xa, như cảm biến không dây.

Ngoài công nghệ di động, WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) và Zigbee cũng có thể hỗ trợ các mạng cảm biến không dây. Các tiêu chuẩn này cũng thuộc danh mục giải pháp không dây truyền thống nhưng có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

WiFi (Wireless Fidelity) là một trong những công nghệ không dây được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các văn phòng kinh doanh và gia đình. WiFi sử dụng băng tần ISM 2,4 GHz và 5 GHz. Do WiFi rất phổ biến, nên nó có thể dễ dàng tận dụng các mạng hiện có để sử dụng cảm biến không dây.

Tuy nhiên, tín hiệu WiFi gặp khó khăn khi xuyên tường, đây là một bất lợi cho các ứng dụng tầm xa. Ngoài ra, mạng WiFi được quản lý bởi các bộ định tuyến cục bộ có thể không phải lúc nào cũng có giao diện người dùng trực tiếp để cập nhật các phím cảm biến.

BLE là một giao thức năng lượng thấp khác với công nghệ Bluetooth truyền thống. BLE sử dụng băng tần 2.4GHz để truyền một lượng nhỏ thông tin. Tiêu chuẩn không dây ít tốn kém hơn so với WiFi; tuy nhiên, vấn đề tương tự tồn tại khi gửi dữ liệu qua các bức tường hoặc trên một khoảng cách dài. Ngoài ra, BLE dễ bị nhiễu tín hiệu vì nhiều thiết bị và tiêu chuẩn khác sử dụng dải tần 2.4GHz.

Zigbee là một tiêu chuẩn không dây dựa trên mạng lưới để hỗ trợ số lượng lớn các nút (> 65k) trong một mạng. Zigbee là tốt nhất cho các mạng cảm biến không dây mà không đòi hỏi nhiều băng thông.

Một nhược điểm của Zigbee là một số cảm biến phải luôn được bật để chia sẻ thông tin để xử lý. Do đó, Zigbee tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với các tiêu chuẩn hàng đầu hiện nay.

Tiêu chuẩn truyền thông nào của chính phủ cho cảm biến không dây?

Mặc dù các tiêu chuẩn không dây truyền thống có hiệu quả, một lớp mới đã xuất hiện, hiệu quả hơn nhiều đối với các mạng cảm biến không dây. Các mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) đang phát triển như là công nghệ chuyển sang truyền dữ liệu tầm xa. LPWAN có thể hỗ trợ hàng tỷ cảm biến và sẽ được sử dụng nhiều cho các ứng dụng IoT.

LPWAN cung cấp một số lợi thế so với các tiêu chuẩn truyền thống. Đầu tiên, chúng tiêu thụ ít năng lượng hơn từ các thiết bị vì chúng truyền thông tin với tốc độ bit thấp hơn nhiều. Các cảm biến có thể tồn tại vài năm trên LPWAN trong một lần sạc pin. LPWAN cũng có thể hỗ trợ các cảm biến trên các khu vực địa lý rộng lớn vì dữ liệu có thể được truyền qua khoảng cách xa.

Từ góc độ chi phí, việc triển khai các cảm biến không dây trên LPWAN ít tốn kém hơn so với các phương pháp thay thế. Bởi vì tốc độ dữ liệu rất thấp, yêu cầu phần cứng ít dữ dội hơn.

Có một số nhược điểm khi sử dụng LPWAN. LPWAN không thích hợp cho các ứng dụng liên quan đến các gói dữ liệu lớn. Các mạng cảm biến cần truyền nhiều dữ liệu hơn nên sử dụng các mạng WiFi, BLE và Zigbee có dung lượng cao hơn. Ngoài ra, LPWAN sử dụng tần số vô tuyến không được cấp phép, có thể khó quản lý hơn với việc có khả năng bị nhiễu sóng.

Loại kết nối LPWAN nào tốt nhất cho cảm biến không dây ngày nay?

3 loại LPWAN chính cho cảm biến không dây là LoRa, SigFox và NB-IoT.

LoRa (Long Range) là một tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi, sử dụng sơ đồ điều chế phổ trải rộng chirp để truyền dữ liệu qua khoảng cách rất dài. LoRa là nền tảng cho LoRaWAN, một đặc tả lớp có sẵn công khai, kết nối các cảm biến không dây thông qua các cổng hoặc nhà cung cấp mạng LoRaWAN. LoRaWAN có băng thông cao hơn Sigfox và có thể truyền các gói dữ liệu hiệu quả hơn thông qua các môi trường ồn ào hơn.

Với LoRaWAN, dữ liệu được gửi qua tin nhắn được mã hóa giữa các cổng và máy chủ mạng. Máy chủ xác thực và giải mã dữ liệu cuối cùng được gửi đến các ứng dụng cuối. Người dùng có thể gửi tin nhắn trực tiếp đến các cảm biến không dây thông qua LoRaWAN để cấu hình lại các thiết bị.

Cảm biến LoRaWAN được phân thành ba nhóm dựa trên khả năng của cảm biến gửi và nhận tin nhắn. Các thiết bị Class A vẫn ở chế độ ngủ cho đến khi chúng có thứ gì đó để truyền. Các cảm biến này có thể gửi tin nhắn đường lên bất cứ lúc nào, điều này làm cho chúng đặc biệt hữu ích trong các mạng cảm biến và bộ truyền động không dây (WSAN).

Cảm biến lớp B có các cửa sổ được lên lịch để các thiết bị nhận tin nhắn đường xuống từ máy chủ. Các thiết bị lớp C duy trì một cửa sổ nhận mở cho các tin nhắn trừ khi chúng cần truyền thông tin. Do đó, các cảm biến C cho phép giao tiếp có độ trễ thấp nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các loại cảm biến khác.

Với tất cả các loại cảm biến LoRaWAN này, các nhà phát triển mạng phải có phần cứng gateway thích hợp để nhận dữ liệu và truyền thông tin đến các máy chủ.

SigFox kết nối các cảm biến không dây trực tiếp với các trạm cơ sở bằng cách sử dụng truyền cực hẹp. Tiêu chuẩn có phạm vi bảo hiểm ở hơn 55 quốc gia và có thể hỗ trợ hơn 100 kênh trên mỗi băng con ở Hoa Kỳ với tốc độ 600 bps. Tuy nhiên, các gói dữ liệu được giới hạn ở 12 byte và tiêu chuẩn không cho phép ACK thông báo. Người dùng SigFox trả tiền cho mỗi thiết bị và theo số lượng tin nhắn đường lên và đường xuống được gửi mỗi ngày.

NB-IoT sử dụng cơ sở hạ tầng tháp di động hiện có để cung cấp phạm vi mở rộng cho các thiết bị năng lượng thấp. Tiêu chuẩn sử dụng các dải bảo vệ cho các kênh hẹp để tránh nhiễu và có thể xâm nhập tốt vào môi trường trong nhà. Năm 2018, T-Mobile đã bổ sung vùng phủ sóng NB-IoT thông qua mạng 4G.

Điều gì tạo nên một mạng cảm biến không dây hiệu quả?

Có một số đặc điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây được thiết kế tốt.

Đầu tiên, các nút phải dễ dàng xác định vị trí trong một mạng. Bảo trì cảm biến, chẳng hạn như thay pin và cập nhật các thành phần, sẽ dễ dàng hơn nhiều khi các nhà phát triển biết nơi tìm tất cả các thiết bị của họ.

Thứ hai, các mạng cảm biến có thể chịu được các lỗi nút mà không bị gián đoạn trên diện rộng. Cấu trúc liên kết đóng một vai trò lớn trong cách các mạng xử lý các vấn đề kết nối. Những người triển khai mạng cảm biến không dây phải chọn các cấu trúc liên kết có thể chịu được các lỗi thành phần.

Thứ ba, các mạng phải dễ dàng mở rộng quy mô. Các nhà phát triển phải có khả năng phát triển mạng cảm biến không dây của họ một cách hiệu quả mà không phải đầu tư vốn đáng kể để mở rộng.

Cuối cùng, điều quan trọng là phải xem xét mức tiêu thụ năng lượng khi thiết kế mạng. Các cảm biến không dây được sử dụng phải phù hợp với nhu cầu dữ liệu của ứng dụng IoT. Mặt khác, các nhà quản lý mạng có nguy cơ dành thời gian và vốn đáng kể cho việc bảo trì và thay thế liên tục.

Ngày nay, các cảm biến không dây được sử dụng như thế nào?

Đã có nhiều ví dụ trong thế giới thực về cách sử dụng công nghệ cảm biến không dây ngày nay trên nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng.

Lĩnh vực bảo mật đã áp dụng công nghệ cảm biến không dây theo nhiều cách. Với các cảm biến không dây, các tổ chức có thể giám sát cơ sở của họ, xác định hoạt động đáng ngờ và theo dõi các tài sản có giá trị. Các ngân hàng có thể biến nút ấn không dây thành nút báo động cho nhân viên và nhà bán lẻ có thể cài đặt cảm biến cửa sổ không dây trên mọi điểm truy cập tòa nhà. Chủ nhà cũng có thể sử dụng cảm biến không khí không dây để phát hiện khí độc hại trong không khí, chẳng hạn như carbon monoxide.

Về mặt quản lý tiện ích, các cảm biến không dây giúp tự động hóa giao tiếp giữa các hệ thống quan trọng và giảm thiểu các vấn đề trong tương lai. Ví dụ, cảm biến rò rỉ nước có thể được gắn trên tường để phát hiện sự cố đường ống nước hoặc đường ống có thể vỡ trong mùa đông. Cảm biến dây không dây đang được sử dụng trong phòng máy chủ và trung tâm dữ liệu để phát hiện sự hiện diện của nước gần phần cứng máy tính.

Cảm biến không dây cũng đang hỗ trợ các nỗ lực quản lý thảm họa. Ở Texas, các cảm biến không dây đang được lắp đặt trên các cây cầu có thể phát hiện mực nước trên một ngưỡng nhất định, do đó cho thấy lũ quét tiềm ẩn trong khu vực. Cảm biến rung không dây đang được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp có máy móc lớn để dự đoán lỗi thiết bị trước khi chúng xảy ra.

Trong chăm sóc sức khỏe, các cảm biến không dây đang giúp các nhóm chăm sóc theo dõi bệnh nhân theo thời gian thực. Nút bấm không dây đang phục vụ như các thiết bị PERS trong các cơ sở chăm sóc cao cấp. Cảm biến độ ẩm đang giúp các nhà quản lý cơ sở bệnh viện duy trì các điều kiện môi trường lành mạnh cho bệnh nhân.

Các nhà bán lẻ và cửa hàng tạp hóa đang sử dụng cảm biến không dây trên sàn để giúp nhân viên tạo ra trải nghiệm tích cực cho khách hàng. Cảm biến đẩy không dây đang được cài đặt trong phòng vệ sinh để người mua hàng có thể cho biết khi nào cần làm sạch. Các thiết bị nhiệt độ không khí không dây đang giúp các siêu thị giám sát đồng thời tủ lạnh và hàng hóa không lạnh.

Tham khảo thêm: Giải pháp quản lý chuỗi cung ứng lạnh không gián đoạn của Advantech sử dụng các cảm biến không dây trên mạng LoRa

Đây chỉ là một vài ví dụ về cách các mạng cảm biến không dây đang tạo ra hiệu quả mới và tác động đến cuộc sống theo những cách tích cực. Khi không gian IoT tiếp tục phát triển, hy vọng sẽ thấy các ứng dụng cảm biến sáng tạo hơn làm thay đổi ngành công nghiệp hiện đại mãi mãi.

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây