Giới thiệu:
Trong một bài viết trước, chúng ta đã nói về Truyền thông Phân tử - công nghệ lấy cảm hứng từ truyền thông trong hệ thống sinh học và sử dụng khái niệm Nano công nghệ cho thiết kế.
Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về một công nghệ khác cũng là ứng dụng của thiết kế Nano công nghệ, đó là Smart Dust (Bụi thông minh). Trong Nano công nghệ, Smart Dust là một mạng ad hoc của các thiết bị siêu nhỏ được trang bị cảm biến vi-điện-cơ-khí không dây (MEMS). Smart Dust còn được gọi là Smart Matter (Vật chất thông minh).
Định nghĩa:
Số lượng lớn các thiết bị vi-điện-cơ-khí tự chứa ở quy mô milimet, bao gồm cảm biến, khả năng tính toán, công nghệ truyền thông không dây hai chiều và nguồn năng lượng, tạo nên Smart Dust.
Các thiết bị đơn lẻ này được gọi riêng lẻ là Motes (một loại nút cảm biến). Hàng nghìn motes cùng nhau tạo thành Smart Dust. Các motes nhỏ như hạt bụi có thể được rải rác trong không khí của một nơi để theo dõi và thu thập dữ liệu về chất lượng không khí, nhiệt độ và nhiều thứ khác. Thiết bị Smart Dust đã tìm thấy ứng dụng trong hầu như mọi lĩnh vực từ quân sự, khí tượng đến y tế.
Các thành phần chính:
Thiết bị Smart Dust chứa các thành phần sau:
- Cảm biến (Sensors)
- Bộ thu phát hiện quang (Photo detector receiver)
- Bộ phát thụ động với góc phản xạ góc khối (Passive Transmitter with Corner-Cube Retro reflector)
- Bộ phát chủ động với Laser Diode và Điều khiển chùm tia (Active Transmitter with Laser Diode and Beam Steering)
- Đầu vào/ra Analog, Xử lý tín hiệu (DSP hoặc vi điều khiển) và mạch điều khiển
- Nguồn năng lượng từ Tế bào mặt trời và pin màng dày.
Nguồn ảnh: researchgate.net
Các motes Smart Dust nhỏ như hạt bụi. Do đó, đây là ví dụ hoàn hảo cho các thiết bị sử dụng cả tiến hóa lẫn cách mạng trong công nghệ thu nhỏ, tích hợp và quản lý năng lượng. Hệ thống vi-điện-cơ-khí (MEMS) đã được dùng để thiết kế cảm biến nhỏ, thành phần truyền thông quang và nguồn năng lượng. Vi điện tử được dùng để cung cấp chức năng lớn với tiêu thụ năng lượng thấp.
Motes Smart Dust bao gồm hai loại truyền tải: chủ động và thụ động. Truyền tải chủ động sử dụng laser diode và gương điều hướng cho truyền thông thiết bị-đến-thiết bị. Trong khi phản xạ góc khối được dùng trong truyền tải thụ động để truyền đến Trạm gốc (Base Stations).
Nguyên lý hoạt động của Smart Dust:
Mỗi Motes Smart Dust bao gồm vi điều khiển xác định nhiệm vụ cần thực hiện và giám sát nguồn năng lượng cung cấp cho các thành phần của hệ thống để tiết kiệm năng lượng. Vi điều khiển đọc tín hiệu từ một trong các cảm biến đo lường các kích thích vật lý hoặc hóa học khác nhau như nhiệt độ, ánh sáng môi trường, rung động, gia tốc hoặc áp suất không khí. Khi nhận được tín hiệu, nó xử lý dữ liệu và lưu vào bộ nhớ.
Vi điều khiển cũng điều khiển bộ thu quang để kiểm tra tín hiệu truyền thông từ bất kỳ ai. Các tín hiệu này bao gồm chương trình mới hoặc tin nhắn từ các motes khác. Đáp ứng các tin nhắn này hoặc theo chủ động của chính nó, vi điều khiển truyền dữ liệu cảm biến hoặc tin nhắn đến trạm gốc hoặc mote khác sử dụng phản xạ góc khối retro hoặc laser.
Ưu điểm của Smart Dust:
Công nghệ Smart Dust có nhiều lợi ích tiềm năng và thực tế có thể cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp từ nghiên cứu sinh thái, kiểm soát hàng tồn kho trong tổ chức, các chức năng trong khu vực đô thị và quân sự.
- Giảm chi phí cơ sở hạ tầng và hệ thống.
- Giúp nhân viên tăng năng suất nhà máy.
- Cải thiện an toàn, hiệu quả và tuân thủ tại nơi làm việc.
- Cho nông dân quản lý thời gian tốt hơn.
- Giúp cải thiện quản lý phân bón bằng cách xem xét nhu cầu của cây trồng.
- Tối thiểu hóa sản phẩm lỗi xuất xưởng.
- Các ưu điểm khác: Theo dõi trạng thái thiết bị, giám sát tài sản, điều khiển máy móc và giám sát, kiểm soát quy trình.
Nhược điểm của Smart Dust:
- Thách thức lớn nhất là vấn đề quyền riêng tư cần được xử lý đúng đắn.
- Gây ra vấn đề môi trường tiêu cực trong một số ứng dụng.
- Cảm biến trong thiết kế Smart Dust rất đắt đỏ, làm tăng chi phí hệ thống.
- Một nhược điểm tiềm ẩn nếu công ty sử dụng Smart Dust lấy năng lượng từ nguồn phóng xạ. Mặc dù nhà nghiên cứu khẳng định không có tác dụng hại nhưng nhân viên có thể từ chối làm việc.
Ứng dụng của Smart Dust:
- Tự động hóa nhà máy và Nhà máy hóa chất - Motes Smart Dust có thể được đặt trong đường ống của nhà máy hóa chất để phát hiện sự ăn mòn có thể xảy ra hoặc kiểm tra rò rỉ hóa chất ngẫu nhiên.
Motes Smart Dust cũng có thể được dùng để theo dõi nhiệt độ phòng máy chủ, từ đó điều khiển hoạt động của máy điều hòa.
- Giám sát Môi trường và Môi trường sống - Motes Smart Dust có thể được xây dựng với cảm biến xác định mức độ ô nhiễm trong không khí. Motes Smart Dust có thể được thả vào rừng và cảm biến sẽ cảnh báo cháy rừng có thể xảy ra.
- Cảm biến Công nghiệp - Smart Dust được dùng trong công nghiệp nơi cảm biến dây không thể lắp đặt như máy quay và đường hầm gió.
- Lĩnh vực Giao thông - Smart Dust có lợi ích lớn trong giám sát giao thông và nhận diện biển báo đường trong điều kiện thời tiết xấu. Motes Smart Dust có thể hoạt động như bộ phát sóng và truyền tín hiệu đến hệ thống xe để cảnh báo người lái về biển báo phía trước khi thời tiết xấu và tầm nhìn kém.
- Cảm biến Quân sự - Smart Dust có thể giúp theo dõi chuyển động địch trong khu vực không thể tiếp cận. Chúng cũng kiểm tra việc phóng thích chất độc hại và nguy hiểm trong không khí.
- Ngành Nông nghiệp - Smart Dust có thể dùng trong nông nghiệp để theo dõi nhiệt độ không khí trên cánh đồng nho. Chúng có thể truyền tín hiệu cảnh báo khi phát hiện sương giá để bảo vệ cây trồng. Motes cũng có thể được trang bị cảm biến theo dõi và đo pH và độ mặn của đất.
Kết luận:
Ứng dụng và lợi ích của công nghệ Smart Dust là vô hạn. Nó có thể mang lại lợi thế lớn trong hầu như mọi lĩnh vực của cuộc sống mà trí tuệ con người có thể nghĩ đến. Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện chủ yếu để kiểm tra tính thực tế của các ứng dụng và làm cho chúng nhỏ nhất có thể.