Các nhà thiết kế thiết bị Internet of Things (IoT) không dây không ngừng tìm kiếm những cách tốt hơn để thu hoạch năng lượng cung cấp cho các thiết bị này nhằm giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động trên các ứng dụng tiêu dùng, thương mại hoặc công nghiệp. Pin sơ cấp cần phải được theo dõi liên tục và khi được thay thế, chúng sẽ gây ra vấn đề xử lý đáng kể. Pin sạc giải quyết được vấn đề thải bỏ, nhưng các thiết bị cần phải được tháo ra, sạc lại và lắp lại.
Những hạn chế của các phương pháp tiếp cận truyền thống đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng tăng đối với các kỹ thuật khai thác năng lượng trong đó năng lượng xung quanh được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thiết bị. Vấn đề đối với các nhà thiết kế là các mạch cần thiết để thu năng lượng và sạc lại pin có thể làm tăng đáng kể độ phức tạp, kích thước và chi phí của thiết kế.
Bài viết này trình bày ngắn gọn về trường hợp sử dụng tính năng thu hoạch năng lượng trong các ứng dụng IoT và nêu ra một số thách thức mà các nhà thiết kế phải đối mặt. Sau đó, nó giới thiệu một phương pháp khắc phục những thách thức này bằng cách tích hợp các mạch quản lý sạc pin và thu năng lượng trên một bộ vi điều khiển (MCU). Sử dụng các giải pháp thiết bị mẫu và bảng đánh giá liên quan của Renesas, bài viết sẽ chỉ ra cách áp dụng phương pháp này để loại bỏ hiệu quả nhu cầu thay pin trong các thiết bị IoT.
Tại sao nên sử dụng thu hoạch năng lượng cho IoT?
Thu hoạch năng lượng là một giải pháp hấp dẫn cho các ứng dụng IoT như hệ thống cảm biến không dây công suất thấp, cho phép triển khai các thiết bị hoàn toàn không dây mà cần ít hoặc không cần bảo trì. Thông thường, các thiết bị này vẫn cần pin sạc hoặc siêu tụ điện để đáp ứng nhu cầu năng lượng cao nhất.
Về nguyên tắc, bằng cách thu năng lượng xung quanh, hệ thống có thể sử dụng thiết bị lưu trữ năng lượng nhỏ hơn và kéo dài tuổi thọ hữu ích của thiết bị. Đổi lại, thiết kế IoT thu được có thể phù hợp với một gói nhỏ hơn miễn là chức năng thu năng lượng bổ sung ít vào số lượng bộ phận của thiết kế. Tuy nhiên, trên thực tế, các thiết kế IoT thường phải cân nhắc giữa việc triển khai tính năng thu năng lượng và mức độ phức tạp và chi phí của các mạch liên quan.
Thách thức trong việc tích hợp tính năng thu năng lượng
Các thiết kế IoT thường phải đối mặt với nhiều thách thức khi tích hợp tính năng thu năng lượng. Một số thách thức chính bao gồm:
- Hiệu suất năng lượng: Việc thu năng lượng thường đòi hỏi hiệu suất năng lượng cao từ môi trường xung quanh. Các mạch thu thường phải được tối ưu hóa để hoạt động ở mức độ hiệu suất năng lượng cao để có thể thu được đủ năng lượng cho việc vận hành thiết bị.
- Quản lý nguồn năng lượng: Một phần quan trọng của việc tích hợp tính năng thu năng lượng là quản lý nguồn năng lượng được thu. Điều này bao gồm việc quyết định khi nào và bao lâu năng lượng được cung cấp cho thiết bị và khi nào nó được chuyển vào thiết bị để sử dụng hoặc lưu trữ.
- Kích thước và chi phí: Thiết kế IoT thường có yêu cầu về kích thước và chi phí hạn chế. Tích hợp mạch thu năng lượng vào thiết kế có thể tăng kích thước và chi phí, đặt ra thách thức đối với các nhà thiết kế.
Giải pháp tích hợp MCU cho việc thu hoạch năng lượng và quản lý pin
Một giải pháp tiếp cận là tích hợp tính năng thu hoạch năng lượng và quản lý pin trực tiếp vào MCU. Điều này giúp giảm thiểu sự phức tạp và chi phí bằng cách sử dụng các mạch đã có sẵn trên MCU thay vì sử dụng các mạch ngoại vi riêng lẻ. Bằng cách này, thiết kế có thể tận dụng các tính năng sẵn có trong MCU mà không cần thêm mạch và gói.
Một số MCU hiện đại, như các sản phẩm trong dòng Renesas RX chẳng hạn, cung cấp các tính năng như quản lý sạc pin và chức năng thu năng lượng trực tiếp trên chip. Điều này giúp giảm tải công việc tích hợp và giúp nhà thiết kế tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, quản lý nguồn năng lượng và giảm kích thước và chi phí của thiết kế.
Áp dụng giải pháp tích hợp
Để minh họa cách áp dụng giải pháp tích hợp này, chúng ta có thể xem xét bảng đánh giá của Renesas RX651 với tính năng sạc pin và thu hoạch năng lượng tích hợp. Bảng đánh giá cung cấp một cái nhìn tổng quan về cách MCU này có thể được sử dụng để giải quyết các thách thức về năng lượng trong các ứng dụng IoT.
- Quản lý sạc pin thông minh: Renesas RX651 cung cấp chế độ quản lý sạc pin thông minh để tối ưu hóa quá trình sạc và bảo vệ pin khỏi quá nhiệt độ và quá dòng. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của pin và giảm nguy cơ hỏng hóc do quá trình sạc.
- Chức năng thu hoạch năng lượng: MCU này có khả năng thu năng lượng từ nguồn sáng xung quanh, giúp giảm sự phụ thuộc vào pin và mở rộng thời gian hoạt động của thiết bị IoT.
- Hiệu suất năng lượng cao: Với hiệu suất năng lượng cao, MCU có thể hoạt động ở mức công suất thấp để thu năng lượng mà không làm giảm hiệu suất tổng thể của thiết bị.
- Kích thước và chi phí: Được tích hợp nhiều tính năng trên cùng một chip, MCU giúp giảm kích thước và chi phí tổng thể của thiết kế, đồng thời giảm độ phức tạp của việc tích hợp.
Kết luận
Trong bối cảnh ngày càng tăng cường về hiệu quả năng lượng và sự tiện lợi trong thiết kế IoT, việc tích hợp tính năng thu hoạch năng lượng và quản lý pin trực tiếp vào MCU không chỉ là một xu hướng mà còn là một giải pháp thông minh. Điều này không chỉ giúp giảm bớt gánh nặng cho nhà thiết kế về tích hợp các mạch ngoại vi phức tạp mà còn mang lại những lợi ích lớn về hiệu suất và chi phí.
Với những ưu điểm như hiệu suất năng lượng cao, quản lý pin thông minh, và tính tích hợp, việc áp dụng giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu việc thay pin thường xuyên mà còn thúc đẩy sự tiện lợi và bền vững trong việc triển khai các thiết bị IoT. Tích hợp MCU là một bước tiến quan trọng, giúp mở rộng ứng dụng của IoT và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
