Ứng dụng Cảm biến không dây Sub - Ghz trong Công nghiệp

I. Ứng dụng Cảm biến không dây Sub - Ghz trong Công nghiệp

Cảm biến không dây Sub - Ghz để kết nối và giao tiếp với các thiết bị có thể sử dụng giải pháp nối dây hoặc giải pháp wireless. Giao tiếp wireless là phương thức truyền dữ liệu trong không gian sử dụng sóng điện từ như sóng radio, sóng hồng ngoại,... Khi triển khai các ứng dụng IoT, công nghệ wireless 2.4 Ghz và wireless sub - Ghz được ứng dụng chủ yếu [1]. Công nghệ sub - Ghz hoạt động ở dải tần nhỏ hơn 1 Ghz. Các quốc gia trên thế giới chủ yếu sử dụng giải tần miễn phí cấp phép 433 Mhz. Tuy nhiên có một số dải tần khác được sử dụng ở một số khu vực: Bắc Mỹ và Úc là 915 Mhz, châu Âu là 868 Mhz, Trung Quốc là 470 Mhz và 779 Mhz, và Nhật Bản là 426 Mhz và 920 Mhz [2] (Hình 1).

Hình 1: Băng tần ISM sub-Ghz miễn phí trên thế giới

Trong các ứng dụng IoT, công nghệ wireless sub-Ghz được sử dụng nhiều hơn wireless 2.4 Ghz vì các ưu điểm vượt trội về truyền xa tin cậy, tiêu thụ ít năng lượng và chống nhiễu tốt (Hình 2). Khoảng cách truyền của sub-Ghz gấp 1.5 đến 2 lần so với công nghệ wireless 2.4 Ghz, đạt đến vài km [3]. Sub-Ghz có tần số thấp, bước sóng dài nên dễ dàng lan truyền qua các vật cản như tường, cây cối, tòa nhà trong các đô thị và trong nhà máy. Bước sóng dài của sub-Ghz làm cho ít suy hao đường truyền nên truyền đi được xa hơn. Sub-Ghz sử dụng băng tần hẹp và tốc độ truyền thấp nên tiêu thụ ít năng lượng. Bên cạnh đó, do tính truyền xa nên các sensor node truyền trực tiếp về bộ nhận wireless theo mạng hình sao do đó cảm biến wireless có thể ở chế độ hoạt động hoặc chế độ chờ từ đó cũng góp phần hạn chế năng lượng sử dụng của các cảm biến [1]. Sub-Ghz cần tín hiệu năng lượng thấp từ bộ truyền cho cùng một tín hiệu ở bộ nhận nên sub-Ghz phù hợp cho các thiết bị cảm biến IoT dùng pin. Một viên pin có thể cấp năng lượng cho cảm biến sub-Ghz lên tới 10-20 năm [4]. Sub-Ghz hoạt động ở dải tần thấp hơn và có rất ít thiết bị wireless hoạt động ở dải tần này nên sẽ chống nhiễu tốt hơn [3].

Hình 2: Bảng so sánh Sub-Ghz và 2.4 Ghz

Mạng cảm biến không dây Sub-Ghz là một ứng dụng tiêu biểu của công nghệ sub-Ghz. Kiến trúc mạng cảm biến bao gồm các cảm biến tích hợp bộ phát wireless và bộ thu wireless kết nối theo dạng hình sao (Hình 3). Mạng wireless dùng để kết nối các cảm biến wireless xung quanh đưa dữ liệu về bộ nhận wireless trung tâm.

Hình 3: Kiến trúc mạng cảm biến wireless

Cảm biến wireless sub-Ghz bao gồm 2 phần chính: phần cảm biến và phần truyền wireless (Hình 4). Phần cảm biến có thể là module cảm biến hoặc các cảm biến hoàn chỉnh. Phần truyền wireless bao gồm mạch xử lý tín hiệu và ăng ten truyền. Phần truyền wireless thường sử dụng pin để cấp năng lượng cho phần truyền và cho cả phần cảm biến. Trong mạng cảm biến wireless, giao thức truyền nhận được thiết kế để tối ưu năng lượng sử dụng. Các cảm biến bình thường sẽ ở chế độ chờ và sẽ hoạt động định kỳ hoặc nhận lệnh từ bộ nhận nên sẽ tối ưu năng lượng sử dụng. Thời gian hoạt động của pin phụ thuộc vào tần suất truyền dữ liệu được cấu hình và thời gian hoạt động có thể lên tới 10 đến 20 năm.

Hình 4: Các cảm biến wireless sub-Ghz

Bộ thu wireless Sub-Ghz gồm ăng ten thu, bộ xử lý tín hiệu và cổng xuất dữ liệu (Hình 5). Mỗi bộ thu wirless có thể kết nối dạng sao với nhiều bộ cảm biến wireless trong vùng phủ sóng của bộ thu. Vùng phủ sóng của bộ thu có thể lên tới vài km khi 2 ăng ten thu và phát nhìn thấy nhau. Khoảng cách truyền sẽ nhỏ hơn nếu có vật cản giữa cảm biến phát và bộ thu wireless. Dữ liệu từ bộ thu wireless có thể kết nối có dây đến PLC, HMI, SCADA, IoT gateway để phục vụ cho việc giám sát, phân tích dữ liệu và lập báo cáo.

Hình 5: Bộ thu wireless sub-Ghz

Công nghệ Sub-Ghz giúp triển khai mạng cảm biến wireless một cách nhanh chóng và đơn giản. Cảm biến wireless đã được cấp nguồn bằng pin và kết nối wirless nên không cần đi cáp tín hiệu hay cấp nguồn gì. Việc triển khai mạng wireless sub-Ghz mang lại ưu điểm vượt trội với các nhà máy, tòa nhà, và cơ sở vật chất đang hoạt động vì không cần phải cắt điện phục vụ thi công kéo cáp tín hiệu và cáp nguồn nên không làm gián đoạn hoạt động của các nhà máy, tòa nhà và cơ sở vật chất. Bên cạnh đó, công nghệ sub-Ghz giúp cho việc vận hành, bảo trì mạng wireless rất dễ dàng và thuận tiện. Do mỗi cảm biến wireless có một ID riêng biệt, có thông số về pin và cường độ sóng đều đưa về trung tâm nên việc chẩn đoán và xử lý cảm biến lỗi rất dễ dàng và thuận tiện.

Các ngành năng lượng, nông nghiệp, y tế, sản xuất và các ngành công nghiệp khác sử dụng mạng cảm biến không dây Sub-Ghz như là giải pháp kết nối để gửi dữ liệu định kỳ và khối lượng dữ liệu nhỏ. Mạng cảm biến sub-Ghz phù hợp cho ứng dụng công nghiệp quá trình, tòa nhà, thành phố thông minh (chiếu sáng, đỗ xe, điều khiển giao thông, đọc công tơ năng lượng). Các ứng dung cụ thể bao gồm: mạng năng lượng thông minh, tòa nhà thông minh, giám sát cơ sở vật chất, đồng hồ đo thông minh, đo lường tự động hóa từ xa nhà máy, nông nghiệp thông minh và ngành ngư nghiệp, giám sát tội phạm và thiên tai, nhà thông minh, giám sát người già, trẻ em và người bệnh [5]. Trong ngành nông nghiệp, mạng cảm biến sub-Ghz sử dụng để kết nối các cảm biến về điều kiện không khí, chất lượng nước, thời tiết. Mạng mạng cảm biến sub-Ghz kết nối các cảm biến khói, chuyển động, cảm biến cửa, phát hiện xâm nhập, điều khiển chiếu sáng và điều hòa không khí trong tòa nhà.Ngoài ra, mạng sub-Ghz ứng dụng để giám sát các đồng hồ nước, đồng hồ gas, đồng hồ điện và đồng hồ nhiệt lượng trong ứng dụng giám sát năng lượng.

II.  Kết nối các nút mạng

Các nút mạng cảm biến Sub-Ghz có thể được phân bố rải rác ở khoảng cách từ vài trăm mét cho đến vài km, bao gồm các thiết bị trong mạng và hệ thống người dùng. Tín hiệu sẽ được tập trung về một điểm trước khi được truyền đi trong hệ thống cáp quang. Các thiết bị luôn trong trạng thái sẵn sàng để truyền nhận dữ liệu nên khả năng xảy ra xung đột là rất lớn. Do đó, công nghệ liên kết cần có khả năng điều hành việc sử dụng tài nguyên của các kênh để đảm bảo sự liên kết nhiều thành phần trong mạng.

Các công nghệ kết nối mạng bây giờ có thể được phân vào 4 loại: WLAN (wireless local area network), WMAN (wireless metropolitan area network), WPAN (wireless personal area network) và WWAN (wireless wide area network). Tuy nhiên các công nghệ mạng hiện tại không đáp ứng tốt được các ứng dụng WSNs vì một số lý do:

- Về độ tin cậy, môi trường truyền thông tin của WSN khá khắc nghiệt. Dải tần hẹp, nhiễu đa tần và các hiệu ứng đa chiều khiến việc đảm bảo tính liên kết trở thành vấn đề. 

- Các ứng dụng IoT yêu cầu khắt khe hơn về xử lý thời gian thực. Độ trễ khi truyền tín hiệu phải cực kì nhỏ.

- Về vấn đề hiệu năng, các ứng dụng WSNs cần phải tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa để có khả năng tự vận hành trong thời gian dài (vài năm). Điều đó hiện nay khó có thể đạt được với các thiết bị sử dụng pin.

Hiện nay Bluetooth 5.0 đã ra đời với khoảng cách truyền gấp đôi Bluetooth 4.0, trong khi năng lượng tiêu thụ lại được giảm xuống và được kỳ vọng sẽ đáp ứng những yêu cầu nói trên.

III. Phân bố các nút mạng

Một mạng cảm biến không dây bao gồm các nút mạng là các cảm biến, cổng liên kết (gateway) và người dùng được liên kết chặt chẽ với nhau. Mạng cảm biến có thể được tổ chức theo nhiều cấu hình như hình sao, hình thẳng, hình cây, hình vòng,... Các nút liên kết với nhau thông qua kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm (multihop routing). Nút cảm biến đầu tiên sẽ truyền dữ liệu đến nút mạng gần nhất, sau đó dữ liệu được truyền tiếp tới nút bên cạnh, và cứ thế quá trình lặp lại cho đến khi dữ liệu được truyền đến cổng giao tiếp. Mỗi nút mạng sẽ đóng vai trò vừa là điểm phát vừa là điểm thu sóng. Khoảng cách truyền có thể đạt đến 800 - 1000m ngoài trời. Đặc tính của WSNs ở khía cạnh này bao gồm tự tổ chức (self organization), tự thích nghi (self - adaptation), giới hạn năng lượng (limited nodes energy) và liên kết thiếu ổn định (unstable transmission links).