Cảm biến thông minh – Smart Sensor là gì?

Cảm biến thông minh là cảm biến có chức năng xử lý thông tin. Cảm biến thông minh có một bộ vi xử lý, có khả năng thu thập, xử lý và trao đổi thông tin. Nó là sản phẩm của sự kết hợp giữa tích hợp cảm biến và vi xử lý. So với các loại cảm biến thông thường, cảm biến thông minh có ba ưu điểm sau: có thể thu thập thông tin với độ chính xác cao thông qua công nghệ phần mềm, giá thành rẻ; nó có khả năng tự động hóa lập trình nhất định; và các chức năng của nó rất đa dạng.

Một ‘cảm biến thông minh’ tốt là một gói cảm biến và thiết bị được điều khiển bởi một bộ vi xử lý với các chức năng như giao tiếp và chẩn đoán trên cùng bo mạch.

Cảm biến thông minh có thể lưu trữ các đại lượng vật lý khác nhau được phát hiện và xử lý các dữ liệu này theo hướng dẫn để tạo dữ liệu mới. Cảm biến thông minh có thể trao đổi thông tin và có thể tự xác định dữ liệu sẽ được truyền đi, loại bỏ dữ liệu bất thường và hoàn thành các phân tích và tính toán thống kê.

Cảm biến thông minh – Smart Sensor là gì?

Cảm biến thông minh là thiết bị thông minh tích hợp cảm biến, cơ cấu chấp hành và mạch điện tử hoặc thiết bị tích hợp phần tử cảm biến và bộ vi xử lý, có chức năng giám sát và xử lý. Đặc điểm lớn nhất của cảm biến thông minh là xuất tín hiệu số, thuận tiện cho việc tính toán và xử lý sau này. Các chức năng của cảm biến thông minh bao gồm nhận biết tín hiệu, xử lý tín hiệu, xác minh và giải thích dữ liệu, truyền và chuyển đổi tín hiệu, v.v. Các thành phần chính bao gồm bộ chuyển đổi A/ D và D/ A, bộ thu phát, bộ vi điều khiển, bộ khuếch đại, v.v.

Cảm biến thông thường và cảm biến thông minh

Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý cụ thể thành tín hiệu điện để phát hiện, đo lường hoặc chỉ ra chúng. Khi cảm biến nhận biết và gửi thông tin, bộ truyền động sẽ được kích hoạt và bắt đầu hoạt động. Bộ truyền động nhận tín hiệu và thiết lập hành động mong muốn của nó để nó có thể hoạt động trong môi trường.

Cảm biến thông minh đề cập đến các thiết bị cảm biến thông minh có thể cảm nhận, thu thập và phán đoán, phân tích và xử lý thông tin môi trường bên ngoài một cách độc lập. Cảm biến thông minh là mạch tích hợp nhiều thành phần có chức năng thu thập, xử lý, trao đổi, lưu trữ và truyền tải thông tin. Chúng là các thiết bị cấp hệ thống tích hợp các cảm biến, mô-đun giao tiếp, bộ vi xử lý, trình điều khiển và giao diện cũng như các thuật toán phần mềm. Khả năng chẩn đoán và tự bù trừ, cũng như tích hợp các phương thức truyền thông linh hoạt.

Ưu điểm của cảm biến thông minh là gì?

• Tự kiểm tra, tự hiệu chỉnh và tự chẩn đoán

Chức năng tự chẩn đoán thực hiện tự kiểm tra khi bật nguồn và sử dụng các kiểm tra chẩn đoán để xác định xem một thành phần có bị lỗi hay không. Nó có thể được hiệu chỉnh trực tuyến tùy theo thời gian sử dụng, và bộ vi xử lý sử dụng dữ liệu đặc tính đo được lưu trữ để so sánh và xác minh.

• Đo nhiều đại lượng cùng lúc

Các cảm biến thông minh có thể đo nhiều đại lượng vật lý và hóa học cùng một lúc, cung cấp thông tin toàn diện hơn phản ánh quy luật chuyển động của vật chất. Ví dụ, cảm biến chất lỏng nhiệt hạch có thể đồng thời đo nhiệt độ, lưu lượng, áp suất và mật độ của môi chất. Làm thế nào một cảm biến cơ học đo gia tốc dao động ba chiều, vận tốc, độ dịch chuyển, v.v. của một điểm nhất định của một đối tượng trong cùng một thời điểm.

• Độ chính xác cao

Cảm biến thông minh có chức năng xử lý thông tin, không chỉ có thể sửa các lỗi hệ thống thông qua phần mềm, mà còn bù đắp thích hợp cho các lỗi ngẫu nhiên và giảm nhiễu, do đó cải thiện đáng kể độ chính xác của cảm biến.

• Độ tin cậy cao

Hệ thống cảm biến tích hợp loại bỏ một số yếu tố không đáng tin cậy của cấu trúc truyền thống và cải thiện hiệu suất chống nhiễu của toàn hệ thống. Đồng thời, nó còn có các chức năng như chẩn đoán, hiệu chuẩn, lưu trữ dữ liệu,… với độ ổn định tốt.

• Hiệu quả về chi phí

Với cùng yêu cầu về độ chính xác, hiệu quả về chi phí của cảm biến thông minh đa chức năng cao hơn đáng kể so với cảm biến thông thường chỉ có một chức năng, đặc biệt là sau khi tích hợp bộ vi điều khiển rẻ hơn.

• Đa dạng chức năng

Các cảm biến thông minh có thể thực hiện phép đo toàn diện đa cảm biến và đa tham số, đồng thời mở rộng phạm vi đo lường và sử dụng thông qua lập trình. Nó có một khả năng thích ứng nhất định và có thể thay đổi phạm vi từ dữ liệu đầu ra cho phù hợp theo sự thay đổi của đối tượng hoặc điều kiện được phát hiện. Với chức năng của giao diện truyền thông kỹ thuật số, nó có thể được gửi trực tiếp đến máy tính từ xa để xử lý. Với nhiều dạng kết xuất dữ liệu, phù hợp với nhiều hệ thống ứng dụng khác nhau.

• Chuẩn hóa tín hiệu

Tín hiệu tương tự của cảm biến được chuẩn hóa bằng bộ khuếch đại và sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi tương tự sang số. Bộ vi xử lý cũng thực hiện chuẩn hóa kỹ thuật số ở nhiều dạng truyền số khác nhau như nối tiếp, song song, tần số, pha và xung.

Các yếu tố thúc đẩy tăng trưởng nhu cầu đối với cảm biến thông minh:

• Sự phổ biến ngày càng tăng của IoT và IoT công nghiệp
• Xu hướng điện khí hóa phương tiện và trí thông minh
• Sự phổ biến của thiết bị điện tử tiêu dùng có thể đeo được
• Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và quy trình sản xuất MEMS
• Việc sử dụng ngày càng nhiều các cảm biến khác nhau trong điện thoại thông minh
• Nhu cầu mạnh mẽ về tự động hóa công nghiệp và sản xuất thông minh
• Thành phố thông minh, Giao thông vận tải và Tòa nhà thông minh

Thị trường cảm biến thông minh

Từ năm 2020 đến năm 2027, thị trường cảm biến thông minh toàn cầu sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 18,6%, đạt 143,65 tỷ USD vào năm 2027. Trong đó, ngành ô tô là thị trường ứng dụng cảm biến thông minh lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 25%. Trong giai đoạn dự báo 2020-2027, tốc độ tăng trưởng thị trường cảm biến thông minh trên ô tô dự kiến đạt 21,7%. Ngoài ra, thiết bị đeo được và các ứng dụng chăm sóc sức khỏe sẽ mang lại cơ hội phát triển trong thời gian ngắn cho các cảm biến thông minh. Từ góc độ công nghệ, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) chiếm hơn 50% thị trường. Nano Electro Mechanical Systems (NEMS) được dự đoán là loại sản phẩm phát triển nhanh nhất trong giai đoạn dự báo, nhưng công nghệ MEMS vẫn sẽ chiếm ưu thế.

Xu hướng công nghệ cảm biến thông minh cho các ứng dụng IoT

Sự phát triển nhanh chóng và phổ biến của IoT đang thúc đẩy nhu cầu mạnh mẽ về các cảm biến thông minh. Có nhiều kịch bản ứng dụng IoT, như sau:

Thiết bị đeo thông minh

Trong nhiều thiết bị đeo được, cảm biến là thiết bị cốt lõi và là giá trị của thiết bị. Thiết bị thực tế ảo tăng cường và thực tế hỗn hợp (VR/ AR/ MR) dựa trên một bộ cảm biến đầy đủ để cho phép người dùng tương tác với môi trường xung quanh, trong khi nội dung ảo yêu cầu một bộ cảm biến cốt lõi để cho phép con người tương tác với môi trường. Ví dụ bao gồm cảm biến chuyển động, cảm biến sinh học và cảm biến môi trường. Một thiết bị đeo thông minh bao gồm năm mô-đun: bộ xử lý & bộ nhớ, nguồn điện, giao tiếp không dây, cảm biến và thiết bị truyền động. Trong số đó, cảm biến là yếu tố sáng tạo của năm mô-đun và là cốt lõi của giao tiếp giữa con người và vạn vật. Các thiết bị đeo được hiện có thể cho phép giám sát dữ liệu chính xác hơn nhờ những tiến bộ trong công nghệ cảm biến.

Nhà thông minh

Nhà thông minh dựa trên cơ sở là nhà ở, tích hợp giám sát an ninh, điều khiển thiết bị gia dụng, điều khiển ánh sáng, nhạc nền và điều khiển bằng giọng nói. Nó có thể được liên kết với quản lý tập trung để cung cấp một môi trường sống gia đình thuận tiện, thoải mái, an toàn và tiết kiệm năng lượng hơn. Hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến, thiết bị truyền động, trung tâm điều khiển, mạng truyền thông, v.v. và thu thập các dữ liệu khác nhau của môi trường trong nhà thông qua các cảm biến khác nhau. Các cảm biến được sử dụng trong gia đình bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến hình ảnh, cảm biến quang và cảm biến không khí.

Thành phố thông minh

Thành phố thông minh là thành phố sử dụng khuôn khổ công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) để cải thiện quản lý đô thị và khuyến khích tăng trưởng kinh tế. ICT tương tác với Internet of Things (IoT), có thể nhận, phân tích và truyền dữ liệu về các điều kiện và sự kiện hiện tại. Internet of Things bao gồm bất kỳ thiết bị nào có thể giúp các thành phố hoạt động hiệu quả hơn hoặc dễ tiếp cận hơn, bao gồm điện thoại di động, xe thông minh, camera an ninh và cảm biến được gắn trên đường.

Các tính năng chính của thành phố thông minh là cơ sở hạ tầng vật chất và công nghệ, khả năng giám sát và ứng phó với môi trường, và các dịch vụ thông minh cho người dân. Đầu tiên là nền tảng công nghệ, bao gồm một số lượng lớn điện thoại thông minh và cảm biến được kết nối bằng mạng truyền thông tốc độ cao. Lớp thứ hai bao gồm các công cụ dành riêng cho ứng dụng yêu cầu các công cụ phù hợp để chuyển đổi dữ liệu thô thành cảnh báo, thông tin chi tiết và hành động. Lớp thứ ba là việc sử dụng các thành phố, doanh nghiệp và công chúng.

Trong một thành phố thông minh, một mạng lưới các cảm biến, camera, thiết bị không dây và trung tâm dữ liệu tạo thành cơ sở hạ tầng quan trọng. Trong số đó, cảm biến là cốt lõi của cơ sở hạ tầng thông minh, cảm biến là thành phần ẩn nhưng phổ biến trong cảnh quan đô thị và là một phần quan trọng của bất kỳ hệ thống điều khiển thông minh nào.

Mạng cảm biến bao gồm cảm biến âm thanh, âm thanh, cảm biến radar, camera 3D, cảm biến môi trường, cảm biến lưu lượng, cảm biến khí và cảm biến độ ẩm và nhiệt độ. Hệ thống cảm biến tích hợp tạo điều kiện kết nối liền mạch với các ứng dụng và nền tảng tập trung. Mạng cảm biến được xây dựng có mục đích có thể hỗ trợ một số ứng dụng được kết nối khác, chẳng hạn như giám sát môi trường và an toàn công cộng, và một mạng tập trung như vậy sẽ giúp giảm chi phí đầu tư trùng lặp và loại bỏ nhu cầu về nhiều mạng phức tạp riêng biệt.

Giao thông vận tải thông minh

Giao thông vận tải thông minh là việc sử dụng các công nghệ và thiết bị thông minh khác nhau để thúc đẩy số hóa, kết nối mạng và vận tải thông minh. Trong số đó, mạng lưới đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của giao thông thông minh. Việc sử dụng Internet of Things có thể làm cho tất cả các liên kết và liên kết của mạng lưới giao thông thông suốt, không chỉ có thể tăng cường hiệu quả giám sát giao thông, cải thiện dịch vụ giao thông mà còn cải thiện hơn nữa các định dạng giao thông hiện có.

Việc ứng dụng hệ thống giao thông thông minh (ITS) trong giao thông đô thị được thể hiện trong việc thu thập thông tin giao thông siêu nhỏ, điều khiển, hướng dẫn giao thông, v.v. Nó cải thiện hiệu quả của hệ thống giao thông bằng cách cải thiện việc sử dụng và quản lý hiệu quả thông tin giao thông, chủ yếu thông qua đầu vào thu thập thông tin, kiểm soát chiến lược, thực thi đầu ra giữa hệ thống con và các hệ thống con khác, truyền dữ liệu và giao tiếp. Hệ thống con thu thập thông tin thu thập thông tin về xe cộ và đường xá thông qua các cảm biến và hệ thống con điều khiển chiến lược sử dụng phương pháp tính toán để tính toán giải pháp tối ưu theo mục tiêu đã đặt và xuất tín hiệu điều khiển đến hệ thống con thực thi để hướng dẫn và điều khiển phương tiện qua lại đạt được mục tiêu đặt trước.

Lưới điện thông minh – Smart grid

Lưới điện thông minh – Smart grid là hệ thống lưới điện thực hiện phát triển, chuyển đổi tài nguyên năng lượng và sản xuất, truyền tải và phân phối điện, cung cấp điện, kinh doanh và tiêu thụ điện thông qua công nghệ thông tin với mục tiêu tiết kiệm điện. Lợi ích của lưới điện thông minh nằm ở việc giảm lượng khí thải carbon dioxide, tiết kiệm năng lượng và giảm tình trạng mất điện. Đầu tư cần thiết để xây dựng lưới điện thông minh chủ yếu được sử dụng cho hệ thống phân phối điện đầu cuối và hệ thống thông tin đầu cuối của các cơ sở điện, và một phần lớn trong số đó là đầu tư vào mạng cảm biến.

Việc xây dựng mạng lưới cảm biến là một phần quan trọng của chuyển đổi lưới điện thông minh, và chìa khóa là đưa các cảm biến vào cấu trúc phân cấp của lưới điện ở tất cả các cấp. Lớp cảm nhận, lớp mạng, WSN và lớp ứng dụng là ba lớp của lưới thông minh. Trong số đó, lớp nhận thức bao gồm thẻ và đầu đọc mã hai chiều, thẻ và đầu đọc RFID, máy ảnh, các cảm biến khác nhau và mạng cảm biến. Chức năng của lớp nhận thức WSN là nhận thức và xác định các đối tượng, đồng thời thu thập và nắm bắt thông tin.

Tòa nhà thông minh – Smart Building

Tòa nhà thông minh khác với nhà thông minh và đặc biệt đề cập đến các tòa nhà không phải nhà ở như tòa nhà văn phòng, trung tâm mua sắm và khách sạn. Các thiết bị trong các tòa nhà này được kết nối với các cảm biến có thể cung cấp thông tin tiêu thụ năng lượng và tự động đưa ra quyết định để tối ưu hóa hoạt động. Một loạt các cảm biến được nối mạng thu thập thông tin môi trường, cũng như dữ liệu về hoạt động và sử dụng của tòa nhà. Thông tin này có thể được xử lý ở biên hoặc được gửi đến hệ thống BMS trung tâm chạy tại chỗ hoặc trên đám mây. Thông tin này sau đó được sử dụng để kích hoạt các hành động tự động điều chỉnh hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng và nhiều thiết bị khác trong tòa nhà. Các tòa nhà có thể trở nên thông minh bằng cách tạo kết nối chéo giữa các hệ thống con khác nhau bằng các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển.

Nông nghiệp thông minh

Nông nghiệp thông minh, còn được gọi là nông nghiệp chính xác, sử dụng các nguồn tài nguyên tối thiểu, chẳng hạn như nước, phân bón và hạt giống, để tối đa hóa sản lượng. Thông qua việc triển khai các cảm biến và lĩnh vực lập bản đồ, những người làm nông nghiệp bắt đầu hiểu được quá trình sinh trưởng của cây trồng từ góc độ vi mô, tiết kiệm tài nguyên một cách khoa học và giảm tác động đến môi trường. Nhiều công nghệ cảm biến được sử dụng trong nông nghiệp chính xác, cung cấp dữ liệu giúp theo dõi và tối ưu hóa cây trồng cũng như thích ứng với các yếu tố môi trường thay đổi. Chúng bao gồm cảm biến vị trí, cảm biến quang học, cảm biến điện hóa, cảm biến cơ học, cảm biến độ ẩm của đất và cảm biến gió.

Y tế thông minh

Cảm biến y tế thường được sử dụng trong các thiết bị y tế đắt tiền, vì vậy cảm biến điện tử y tế là loại cảm biến có giá trị cao. Cảm biến y tế được phân loại theo nguyên lý làm việc và hình thức ứng dụng. Theo nguyên lý hoạt động, nó được chia thành cảm biến vật lý, cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, cảm biến điện cực sinh học. Theo đơn đăng ký, nó được chia thành cảm biến cấy ghép, cảm biến cấy ghép tạm thời, cảm biến bên ngoài, cảm biến cho thiết bị bên ngoài và cảm biến ăn được. Với sự phát triển của công nghệ vật liệu và công nghệ điện tử, vật liệu ma trận dẻo đã dần thâm nhập vào thị trường y tế với những ưu điểm như tính mềm dẻo, khả năng uốn cong, độ dẻo và khả năng chống mài mòn. Cảm biến linh hoạt có những ưu điểm của vật liệu ma trận linh hoạt, có khả năng thích ứng cao với cơ thể con người và có khả năng thích ứng tốt với các thiết bị đeo và thiết bị cấy ghép. Cảm biến linh hoạt có thể được sử dụng trong thiết bị hỗ trợ băng thông minh, băng thông minh, máy đo oxy linh hoạt và cảm biến độ ẩm ion có thể đeo linh hoạt.

Giám sát môi trường

Việc ứng dụng công nghệ cảm biến trong quan trắc môi trường thể hiện ở hai khía cạnh: phản ứng vật lý hoặc hóa học với các chất ô nhiễm trong vật liệu phát hiện, để xác định xem có chất ô nhiễm trong vật liệu phát hiện hay không. Tín hiệu hóa học được chuyển thành tín hiệu điện. Việc áp dụng công nghệ cảm biến đã cải thiện đáng kể độ tin cậy của các kết quả phát hiện môi trường.

Theo các phương pháp phát hiện khác nhau, công nghệ cảm biến có thể được chia thành cảm biến quang học và cảm biến điện hóa. Các cơ chế phản ứng khác nhau có thể được phân loại thành cảm biến sinh học và cảm biến miễn dịch. Các đối tượng phát hiện khác nhau có thể được chia thành cảm biến chất lỏng và cảm biến khí. Nguyên tắc cơ bản của cảm biến sinh học là sử dụng gen chức năng, kháng thể và các vật liệu sinh học khác làm vật liệu nhạy cảm, sử dụng thiết bị thu nhận tín hiệu để thu thập thông tin sinh hóa và chuyển đổi thông tin sinh hóa thành tín hiệu điện để phân tích.

Khi công nghệ cảm biến sinh học tiếp tục phát triển, ngày càng có nhiều vật liệu nhạy cảm và các phần tử cảm biến giúp xác định chính xác hơn các chất gây ô nhiễm trong môi trường. So với các cảm biến truyền thống, cảm biến sinh học có tính chọn lọc cao hơn, vận hành đơn giản hơn, kiểm tra nhanh hơn và kết quả chính xác hơn. Công nghệ cảm biến sinh học chủ yếu được sử dụng để phát hiện môi trường khí quyển, bao gồm phát hiện lưu huỳnh điôxít, phát hiện nitơ điôxít, phát hiện ion kim loại nặng, phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu, v.v.

Sản xuất thông minh

Một trong những ứng dụng điển hình của cảm biến thông minh trong quá trình sản xuất được phản ánh trong các máy công cụ CNC được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất máy móc. Máy công cụ CNC hiện đại được trang bị các cảm biến hiệu suất cao để phát hiện dịch chuyển, vị trí, tốc độ, áp suất, v.v., có thể theo dõi trạng thái xử lý, trạng thái dụng cụ, hao mòn, tiêu thụ năng lượng, v.v. trong thời gian thực, đồng thời bù lỗi linh hoạt và tự điều chỉnh.

Cảm biến thông minh có nhiều ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô. Lấy thị giác máy dựa trên cảm biến quang học làm ví dụ, các ứng dụng chính trong lĩnh vực công nghiệp là đo thị lực, hướng dẫn thị lực và kiểm tra thị lực. Trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, công nghệ đo lường trực quan có thể đảm bảo rằng sản phẩm đủ tiêu chuẩn xuất xưởng bằng cách đo các kích thước chính, chất lượng bề mặt và hiệu quả lắp ráp của sản phẩm. Công nghệ hướng dẫn bằng tầm nhìn có thể cải thiện đáng kể việc xử lý tự động, lắp ráp vừa vặn nhất và gia công lỗ chính xác bằng cách hướng dẫn máy móc thông qua xử lý tự động. Hiệu quả sản xuất và chất lượng lắp ráp thân xe. Công nghệ kiểm tra trực quan có thể giám sát tính ổn định của quá trình sản xuất thân xe, có thể được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn và khả năng truy xuất nguồn gốc của sản phẩm, đồng thời giúp giảm chi phí sản xuất.

Trong lĩnh vực điện tử công nghiệp, sản xuất, xử lý, kiểm tra và bảo trì đều liên quan đến các cảm biến thông minh, chẳng hạn như cánh tay robot, phương tiện điều hướng AGV, phát hiện AOI và các thiết bị khác.

Trong các lĩnh vực điện tử tiêu dùng và điện tử y tế, các ứng dụng của cảm biến thông minh đa dạng hơn. Ví dụ: các cảm biến thông minh phổ biến hơn trong điện thoại thông minh bao gồm cảm biến khoảng cách, cảm biến ánh sáng, cảm biến trọng lực, cảm biến hình ảnh, con quay hồi chuyển ba trục, la bàn điện tử, v.v. Chức năng cơ bản nhất của thiết bị đeo là nhận biết chuyển động thông qua các cảm biến, thường là cảm biến gia tốc MEMS được tích hợp sẵn, cảm biến nhịp tim, cảm biến xung, con quay hồi chuyển, micrô MEMS và các cảm biến khác. Nhà thông minh liên quan đến các công nghệ như cảm biến vị trí, cảm biến khoảng cách, cảm biến mức, điều khiển lưu lượng và tốc độ.