Thiết bị không cần nạp năng lượng - Xu hướng tất yếu cho các ứng dụng thông minh trong kỷ nguyên số

“

Tóm tắt:
- Thiết bị không cần nạp năng lượng ZED (Zero-Energy Device) đang là hướng đi thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu.

- Ứng dụng của ZED: (1) Ứng dụng trong công nghiệp 4.0: gắn vào các thiết bị máy móc hay robot, thiết bị giám sát cho cảm biến nhiệt độ, độ ô nhiễm; lắp trên các phần khác nhau của ô tô nhằm nâng cao đặc tính tự động, hỗ trợ an toàn cho người lái; (2) Cơ sở hạ tầng thông minh: nhà thông minh, giao thông thông minh; (3) Chăm sóc sức khỏe thông minh: gắn trong các thiết bị đeo siêu nhỏ, các thiết bị y tế như xe lăn, máy bơm oxy, máy truyền dịch,…

- Các thiết bị ZED có thể được tái tạo năng lượng từ sóng vô tuyến
- ZED trong truyền thông di động 6G: ZED có thể dự đoán năng lượng có sẵn để tối ưu hóa hoạt động cũng như cung cấp giải pháp phân bổ năng lượng hiệu quả

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết kế bị kết nối, lưu lượng mạng,… tiêu thụ năng lượng cho các thiết bị trên mạng đã ngày càng trở nên thách thức, đặc biệt trong xu hướng trái đất ngày càng nóng lên vì ô nhiễm môi trường, nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt.

Trong bối cảnh này, các thiết bị không cần nạp năng lượng ZED (Zero-Energy Device) được đánh giá là một giải pháp nổi bật cho xu thế truyền thông xanh trong tương lai. Các thiết bị này sẽ không cần sạc bổ sung năng lượng hay thay thế pin mà tự tái tạo năng lượng cho hoạt động của thiết bị nhờ những công nghệ tiên tiến như công nghệ tái tạo năng lượng từ sóng vô tuyến, truyền thông tán xạ ngược, điện toán năng lượng thấp và máy thu công suất cực thấp.

Thiết bị không cần nạp năng lượng ZED và ứng dụng

Sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng thông minh trong kỷ nguyên số ngày nay đã gia tăng số lượng các thiết bị cảm biến được nối vào các nút, các thiết bị trong mạng Internet kết nối mọi thứ IoE (Internet of Everything). Như chỉ ra trong Hình 1[1], mức tiêu thụ năng lượng trong chế độ nghỉ của các thiết bị cảm biến cho các ứng dụng thông minh trên toàn cầu được dự báo sẽ gia tăng 20% mỗi năm và đạt 46TWh vào năm 2025.

Trong khi đó, không phải thời điểm nào, hay vị trí cảm biến nào trong các ứng dụng thông minh nào cũng có thể thuận lợi cho việc thay thế pin hay sạc năng lượng. Vì vậy, bên cạnh giải pháp giảm năng lượng tiêu thụ, gia tăng tuổi thọ của pin, giải pháp tái tạo năng lượng để tạo ra các thiết bị không nạp năng lượng ZED hiện đang là hướng đi thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như các kỹ sư, chuyên viên công nghệ trong và ngoài nước.

ZED là thiết bị điện tử được nghiên cứu lần đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu Ericsson và MIT. Thiết bị này có khả năng thu tín hiệu sóng vô tuyến điện trong môi trường xung quanh thiết bị, được truyền từ nhiều nguồn vô tuyến khác nhau như tháp truyền hình, đài phát thanh FM, trạm gốc sóng di động, điểm truy nhập WiFi,… Tín hiệu vô tuyến sau khi nhận được từ anten thu sẽ được lưu trữ và chuyển đổi thành dạng năng lượng điện cung cấp cho hoạt động của thiết bị cảm biến trong các hệ thống thông minh.

Ngoài việc tái chế năng lượng sóng điện từ, ZED cũng đảm nhận vai trò thu phát dữ liệu của chính nó, tính toán và thu nhận dữ liệu từ các bộ phận cảm biến. Với kích thước nhỏ, chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ điện năng cho hoạt động cực thấp và không sử dụng pin hay các thiết bị sạc năng lượng, ZED được đánh giá là ứng cử viên đầy tiềm năng của công nghệ 6G trong tương lai.

Hình 2 tóm tắt các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của ZED. Có thể thấy, đây chính là các thành phần cốt lõi trong sự phát triển công nghệ số mang cuộc sống của con người sang một giai đoạn phát triển mới.

Công nghiệp 4.0

Cuộc Cách mạng công nghiệp của loài người tiến đến lần thứ tư được gọi là Công nghiệp 4.0 với sự tự động hóa và chuyển đổi số trong lĩnh vực công nghiệp. Thông qua các công nghệ số, các hệ thống khác nhau trong lĩnh vực công nghiệp được cải tiến với tối đa hóa các tính năng tự động trong quá trình thiết kế, sản xuất, kiểm định sản phẩm, trao đổi các dữ liệu…

Trong công nghiệp 4.0, các thiết bị ZED được ứng dụng khá linh hoạt như:

- ZED có thể được gắn vào các thiết bị máy móc hay robot để cảm nhận đúng sản phẩm cần được chọn lựa trong dây chuyền sản xuất.

- ZED có thể được gắn vào các thiết bị giám sát cho cảm biến nhiệt độ, độ ô nhiễm, thậm chí có thể sử dụng trong xác định lỗi thiết bị nhằm kiểm soát cũng như xử lý hoạt động của dây chuyền nhanh chóng khi có sự cố xảy ra.

- ZED có thể được lắp trên các phần khác nhau của ô tô nhằm nâng cao đặc tính tự động, hỗ trợ an toàn cho người lái. Ví dụ như ZED có thể đặt trên vỏ xe cho cảm biến góc khuất, điểm mù; được chế tạo và đặt luôn trong lốp xe để thu thập thông tin quan trọng như áp suất lốp, tuổi thọ lốp,...

Cơ sở hạ tầng thông minh

Ngày nay, các ứng dụng thông minh ngày càng gia tăng trong đó các thiết bị cảm biến có thể coi là thành phần thiết yếu trên cơ sở hạ tầng của mọi hệ thống thông minh. Bên cạnh đó, số lượng các thiết bị cảm biến có mức tiêu thụ năng lượng nhỏ, có thể sử dụng năng lượng tái tạo từ sóng vô tuyến ngày càng gia tăng [2]. Trong ứng dụng tòa nhà thông minh, ZED dùng để kiểm soát các hoạt động khác nhau như điều hòa không khí, điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,… ZED không chỉ hữu ích trong việc điều khiển hoạt động một cách tự động mà còn có ý nghĩa lớn trong hiệu quả tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của tòa nhà.

Trong giao thông thông minh, ZED gắn trên xe có thể được sử dụng để gửi thông tin định vị, giúp các trang web dễ dàng thống kê lưu lượng giao thông, đưa ra phương án định hướng di chuyển thuận tiện. ZED gắn trên các cột đèn giao thông có thể sử dụng để đưa ra quyết định đóng mở làn đường tự động, giảm thiểu ùn tắc. ZED gắn trong hệ thống thủy lợi có thể kiểm soát môi trường nước, sự cố rò rỉ hay tràn đường ống,… Đặc biệt ZED đặt trong môi trường sinh sống, hỗ trợ giám sát các biến đổi trong môi trường như thời gian, sinh vật, điều kiện sống,… giúp con người chủ động nâng cao và đảm bảo chất lượng môi trường sống.

Chăm sóc sức khỏe thông minh

Tiềm năng của ZED trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe thông minh được các chuyên gia đánh giá rất cao, dự kiến sẽ mang đến một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực này. Trong đó, ZED được gắn trong các thiết bị đeo siêu nhỏ nhằm giám sát các thông tin về sức khỏe của bệnh nhân như huyết áp, nhiệt độ, nhịp tim,… giúp cho việc chăm sóc sức khỏe người bệnh được chủ động, hiệu quả cao với chi phí thấp.

ZED được gắn trong các thiết bị y tế như xe lăn, máy bơm oxy, máy truyền dịch,… để đảm bảo giám sát hoạt động y tế theo thời gian thực, tiết kiệm năng lượng hoạt động cũng như bảo trì. ZED được gắn trong hệ thống quản lý thuốc, kiểm soát dược phẩm dự trữ, giám sát môi trường,…

Để có thể hiện thực hóa ZED trong hệ thống IoE, một loạt các công nghệ cốt lõi được đưa ra như đã chỉ ra trong Hình 3. Trong đó, công nghệ cốt lõi nhất chính là tái tạo năng lượng cho các thiết bị ZED từ sóng vô tuyến được trình bày chi tiết trong phần 2.

Tái tạo năng lượng cho các thiết bị ZED từ sóng vô tuyến

Trong vài thập kỷ qua, các nghiên cứu về tái tạo năng lượng điện từ các nguồn năng lượng xung quanh luôn là chủ đề thu hút được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Rất nhiều công nghệ được phát triển để khai thác năng lượng bền vững từ các nguồn khác nhau như nước, gió, nhiệt, ánh sáng. Hiệu suất của các nguồn thủy điện, năng lượng mặt trời và gió phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên cụ thể cũng như thời gian và thời tiết. Trong khi đó, với sự phát triển theo cấp số nhân của các công nghệ truyền thông, nguồn năng lượng điện từ trường xung quanh đang ngày càng mở rộng và gia tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của công nghệ tái tạo năng lượng từ sóng vô tuyến.

Hình 4 chỉ ra kết quả khảo sát năng lượng sóng điện từ tại trường đại học MMU, Malaysia và sóng WiFi tại khu vực chợ Phùng Khoang, Hà Nội. Có thể thấy nguồn năng lượng sóng điện từ trong môi trường có thể được tái tạo khá phong phú như băng tần 850/900MHz, 1.8GHz, 2.1GHz, 2.4GHz và 2.6GHz.

Cấu trúc của một mạch tái tạo năng lượng sóng điện từ được thể hiện trên Hình 5. Mạch tái tạo năng lượng này thường hay được gọi ngắn gọn là rectenna, là từ ghép của hai từ tiếng anh: Rectifier (mạch chỉnh lưu) và Antenna (Anten). Như vậy, cấu trúc mạch rectenna sẽ bao gồm hai phần chính:

Anten: có nhiệm vụ thu nhận sóng điện từ, tín hiệu ra khỏi anten là tín hiệu xoay chiều (AC) tần số cao.

Mạch chỉnh lưu (rectifier): biến đổi tín hiệu xoay chiều tần số cao mà anten nhận thành năng lượng điện một chiều (DC) để cung cấp trực tiếp cho tải hoặc có thể lưu trữ để sử dụng sau. Mạch chỉnh lưu thường sẽ bao gồm một mạng phối hợp trở kháng (IMN) để đảm bảo nhận được tối đa năng lượng từ anten đến điốt chỉnh lưu. Bộ lọc thông dải DC có vai trò lọc các hài bậc cao.

ZED trong truyền thông di động 6G

Một trong những công nghệ nổi bật của truyền thông di động thế hệ thứ 6 (6G) là RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) – Bề mặt thông minh tái cấu hình và BackCom (Backscatter Communication) - Truyền thông tán xạ ngược. RIS là bề mặt phản xạ thông minh, có thể kiểm soát và tùy chỉnh hướng lan truyền của sóng vô tuyến. RIS có thể tập trung tín hiệu theo hướng mong muốn, tăng cường các liên kết tán xạ ngược cũng như triệt tiêu nhiễu xung quanh máy thu tán xạ ngược. Đặc tính này không chỉ mang lại hiệu quả cao cho việc truyền thông giữa các phần tử không dây của mạng 6G mà còn có thể hỗ trợ ZED trong việc chủ động thu nạp nguồn năng lượng không dây thành tín hiệu điện, cung cấp năng lượng hoạt động cho các thiết bị cảm biến.

Như chỉ ra trong Hình 6, trong truyền thông di động 6G, rectenna ngoài việc thu nhận năng lượng điện từ trường xung quanh để tái tạo còn có thể được hỗ trợ từ các nguồn phụ trợ, chủ động cung cấp năng lượng cho các thiết bị ZED. Bên cạnh đó, RIS cũng có thể được tích hợp trong thiết bị tán xạ ngược để thu hoạch năng lượng điện từ trường từ cả các liên kết trực tiếp lẫn các tín hiệu phản xạ, nhằm cải thiện tổng công suất nhận được của rectenna, đảm bảo cho việc duy trì hoạt động lâu dài của ZED.

Từ Hình 6 cũng có thể thấy, với sự hỗ trợ của học máy (ML-Machine Learning), các thiết bị ZED có thể dự đoán năng lượng có sẵn để tối ưu hóa hoạt động cũng như cung cấp giải pháp phân bổ năng lượng hiệu quả.

Kết luận

Với những ưu điểm vượt trội, ZED đã mở ra cánh cửa tiếp cận mới cho con người, đặc biệt trong kỷ nguyên công nghệ số 4.0. Với sự hỗ trợ của ZED, những hệ thống, máy móc hiện đang được vận hàng theo cơ chế cơ học, giờ đây có thể được cải tiến và tối đa hóa các tính năng tự động, như hệ thống cảm biến nhiệt độ, cảm biến trên các dòng xe ô tô,... Điều này không chỉ đem lại nhiều tiện ích đến sự an toàn đến cuộc sống của con người, mà còn góp phần tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường nhờ vào việc tái chế năng lượng sóng điện từ.

Bên cạnh đó, sự ra đời của ZED cũng đặt ra những thách thức và cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu. Trong thời đại công nghệ phát triển như vũ bão, quy mô các nguồn năng lượng điện từ trường xung quanh ngày càng gia tăng, thì việc tối ưu và tìm ra các phương thức tái tạo năng lượng cho các thiết bị ZED từ sóng vô tuyến càng được đẩy mạnh và chú trọng. Truyền thông di động 6G đang được nghiên cứu và hy vọng sẽ mang lại những giải pháp cung cấp năng lượng sạch hiệu quả./.

“

Tài liệu tham khảo:
1. Shimaa Naser, Lina Bariah, Sami Muhaidat, and Ertugrul Basar “Zero-Energy Devices Empowered 6G Networks: Opportunities, Key Technologies, and Challenges”, TechRxiv, IEEE, 2022.

2. Surajo Muhammad, Jun Jiat Tiang, Sew Kin Wong, Ali H. Rambe, Ismahayati Adam, Amor Smida Mohamed IbrahimWaly, Amjad Iqbal, Adamu Saidu Abubakar, Mohd Najib Mohd Yasin, “Harvesting Systems for RF Energy: Trends, Challenges, Techniques, and Tradeoffs”, Electronics, vol.11, pp. 959, 2022.

3. Jihong Wang, Hongquan Yu, “RF energy harvesting schemes for intelligent reflecting surface-aided cognitive radio sensor networks”, Nature, 2022.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 6 tháng 6/2023)