MỸ – Dữ liệu là sức mạnh. Theo ông Dinesh Bharadia, Phó giáo sư tại Đại học California (UC San Diego) thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, được bổ nhiệm liên kết Khoa Khoa học Máy tính và Kỹ thuật và Viện Qualcomm (QI – Qualcomm Institute), “data will be the next decade’s ‘silicon’” (tạm dịch là “dữ liệu sẽ là ‘silicon’ của thập kỷ tới”).

Sự phát triển nhanh chóng của internet vạn vật có nghĩa là dữ liệu dễ dàng có sẵn và dễ truy cập hơn bao giờ hết. Cảm biến, thiết bị thông minh và phần mềm kết nối thế giới của chúng ta với đám mây, thu thập thông tin và cho phép chia sẻ và phân tích dữ liệu theo các loại mới. Tuy nhiên, hầu hết các công cụ này đều chạy bằng pin và gặp khó khăn trong việc cảm nhận những thay đổi theo thời gian thực.

Tình thế đã thay đổi
Nghiên cứu được trình bày vào ngày 07/11/2024 và công bố trong Biên bản Hội nghị ACM về Hệ thống cảm biến mạng nhúng của Phó giáo sư Dinesh Bharadia và tác giả chính ông Nagarjun Bhat, chứng minh rằng cảm biến thụ động – hay cảm biến mà không cần kết nối với nguồn điện – không chỉ khả thi mà còn có thể thực hiện với chi phí thấp trong khi không cần bất kỳ thiết bị chuyên dụng nào.

Biến hàng hóa thành công cụ
Là một nghiên cứu sinh tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện, nghiên cứu của ông Nagarjun Bhat tập trung vào các phương pháp cho phép cảm biến thụ động bằng các vật dụng đơn giản và phổ biến.

Hàng hóa được ông Nagarjun lựa chọn là gì? Thẻ nhận dạng tần số vô tuyến, còn được gọi là thẻ RFID (radio frequency identification). Về cơ bản, những thẻ nhỏ, linh hoạt này nhận và truyền dữ liệu từ chip đến đầu đọc RFID, xử lý thông tin và gửi đến chương trình máy tính để diễn giải. Chúng thường được nhúng trong các sản phẩm như quần áo hoặc sách thư viện, để theo dõi hàng tồn kho hoặc trong thẻ thanh toán vé đi lại không tiếp xúc.

Mặc dù nghe có vẻ rất kỹ thuật – và do đó đắt tiền – thẻ RFID có giá từ vài xu đến vài đô la cho mỗi con chip tùy thuộc vào thông số kỹ thuật. Và, với 90% nhà bán lẻ sử dụng công nghệ RFID, các con chip này rất phổ biến và dễ tiếp cận.

Đối với ông Nagarjun và Phó giáo sư Dinesh, những con chip này dường như là ứng cử viên sáng giá cho các thử nghiệm tiếp theo.

Ông Nagarjun đã chia sẻ rằng: “Chúng tôi tự hỏi, liệu chúng tôi có thể tái sử dụng thẻ RFID để thực hiện cảm biến và theo dõi không cần pin hay không?”. Ông giải thích rằng hầu hết các phương pháp tiếp cận hiện tại đối với cảm biến thụ động đều dựa vào bộ chuyển đổi tương tự – kỹ thuật số, đo các kích thích, ghi lại chúng dưới dạng dữ liệu thô và chuyển đổi chúng thành các giá trị kỹ thuật số mà máy tính có thể đọc được.

Nhưng các loại giao diện cảm biến này tiêu thụ nhiều điện năng; nếu không có pin bổ sung, chúng chỉ hoạt động được trong vài giờ. Các hệ thống dùng pin cồng kềnh, đắt tiền và khó mở rộng bền vững.

Ông Nagarjun nói thêm rằng: “Chúng tôi đang cố gắng xem liệu chúng tôi có thể sử dụng các con chip để trực tiếp cảm nhận các kích thích mà không cần bộ chuyển đổi hay không? Chúng tôi muốn biết liệu môi trường của chúng tôi có thể được tự động hóa theo cách không cần pin, có thể cảm nhận các thông số như nhiệt độ và độ ẩm và có thể kết nối với internet vạn vật để gửi dữ liệu thô đến một đầu đọc có thể hiểu được tất cả hay không?”.

Ông Nagarjun Bhat, một nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật điện

Dữ liệu thời gian thực thông qua thẻ RFID
Ông Nagarjun và Phó giáo sư Dinesh không phải là những người đầu tiên thử tạo ra giao diện thụ động, không dây. Các nhà nghiên cứu khác đã theo đuổi cảm biến kỹ thuật số công suất cực thấp kết hợp cảm biến, bộ chuyển đổi và bộ vi xử lý thành một gói duy nhất. Mặc dù là một thiết kế hiệu quả, nhưng những loại thiết bị này đắt tiền và cồng kềnh, và không có khả năng cảm nhận và báo cáo các kích thích theo thời gian thực. Chúng chỉ gửi dữ liệu đến đầu đọc khi được yêu cầu và cần một mạch điện tử phức tạp để hoạt động.

Ông Nagarjun đã nói rằng: “Nếu tôi muốn sử dụng cảm biến kỹ thuật số cho một ứng dụng y sinh như theo dõi nhịp tim của bệnh nhân, tôi có thể không thể truy cập dữ liệu đó trong 10 phút. Đó là một vấn đề”.

Cảm ứng analog – các cảm biến của ông Nagarjun và Phó giáo sư Dinesh – trực tiếp nhận biết các kích thích môi trường. Không giống như giao diện kỹ thuật số, giao diện tương tự chuyển đổi sự thay đổi điện áp/ dòng điện do cảm biến tạo ra thành các thông số của tín hiệu không dây.

Một trong những cảm biến của ông Nagarjun và Phó giáo sư Dinesh truyền dữ liệu vào máy tính

Ông Nagarjun lưu ý rằng mặc dù cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu tốt về các hệ thống thụ động tương tự, hầu hết các nghiên cứu đều dựa vào các cảm biến tùy chỉnh được chế tạo theo mục đích và chỉ phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Ông giải thích rằng các hệ thống này khó có thể khái quát hóa, đồng thời ông nói thêm rằng: “Sẽ phải thiết kế lại tất cả các cảm biến trên thị trường để đưa chúng vào thị trường thương mại”.

Đó là lý do tại sao ông chọn thẻ RFID làm công cụ chủ lực cho các cảm biến thụ động của mình: chúng được thương mại hóa, giá rẻ và ít cần phần cứng tùy chỉnh để triển khai hoặc đọc.

Ông Nagarjun chia sẻ: “Chúng tôi đã lấy khái niệm cảm ứng analog và biến nó thành thời gian thực. Không cần bất kỳ giao diện lạ mắt, đầu đọc chuyên dụng hoặc pin nào để truy cập dữ liệu – tất cả những gì khách hàng cần là một số thẻ RFID, ăng-ten và đầu đọc có sẵn được bán trên thị trường”.

Tương lai của việc thu thập dữ liệu
Cảm biến RFID không dùng pin của ông Nagarjun cho phép áp dụng những trường hợp sử dụng mới như cải thiện quản lý nông nghiệp, số liệu đo lường hiệu suất hoạt động thể thao theo thời gian thực và phát hiện tình trạng chiếm dụng.

Hiện nay, các hệ thống tưới cây tự động thường dựa vào một lượng nhỏ các cảm biến lớn hơn bao phủ các khu vực rộng lớn. Điều này có thể tiết kiệm chi phí, mặc dù phải đánh đổi bằng tính đặc thù của dữ liệu. Các thiết bị theo dõi thụ động dựa trên thẻ RFID có thể thực hiện cả hai cách. Bằng cách triển khai các cảm biến độ ẩm đất ở quy mô lớn xung quanh một cánh đồng, có thể sử dụng một vài đầu đọc thẻ RFID để đo độ ẩm từ xa ở mức chi tiết hơn nhiều và điều chỉnh cách phân phối nước dựa trên các điều kiện hiện tại.

Loại dữ liệu tức thời này có giá trị đối với các vận động viên. Ví dụ, nhiều vận động viên từ đại học UC San Diego tham gia thử nghiệm lực trên đĩa tạ như một phần trong quá trình tập luyện của họ, trong đó họ nhảy trên đĩa tạ để đo sức mạnh, và tư thế của họ. Các thử nghiệm này phải được thực hiện tại một cơ sở đặc biệt và có thể tốn chi phí. Bài báo của ông Nagarjun mô tả cách các thẻ cảm biến RFID được sử dụng để đưa các thử nghiệm này vào trong nhà, bằng cách nhúng chúng vào đế giày để đo lực nhảy của các vận động viên.

Hoặc, thẻ RFID có thể được đặt trong các bãi đỗ xe để đo lượng xe đang đỗ và lập bản đồ về vị trí và số lượng chỗ đỗ xe đang được sử dụng. Một con chip có thể được gắn vào sàn của mỗi chỗ đỗ xe; khi một chiếc xe chạy vào chỗ đỗ và che phủ cảm biến nhạy sáng, thẻ sẽ nhận ra chỗ đỗ xe đang có người đỗ và có thể gửi thông tin đó đến một vị trí trung tâm.

Tuy nhiên, cuối cùng, ông Nagarjun và Phó giáo sư Dinesh đều thấy công trình của họ có giá trị to lớn hơn.

Phó giáo sư Dinesh đã chia sẻ: “Công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) hiện đang ở khắp mọi nơi”, đồng thời nói thêm rằng công nghệ AI được cung cấp năng lượng bởi dữ liệu được kích hoạt từ các cảm biến. “Chúng ta đang ở ngưỡng cửa của một cuộc cách mạng khi các cảm biến mới sẽ thu thập dữ liệu để cung cấp năng lượng cho thế hệ công nghệ AI tiếp theo. Sử dụng các cảm biến không dùng pin cho phép chúng ta thu thập rất nhiều thông tin mà nếu không thì rất khó để truy cập – chúng có thể hỗ trợ việc thu thập dữ liệu và sự đổi mới này đánh dấu một hướng đi quan trọng cho tương lai”.

Để xem các tin bài khác về “Cảm biến thụ động”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online