Việc tìm kiếm và phát triển nguồn năng lượng thay thế cung cấp cho các nút cảm biến được nghiên cứu rất tích cực, đó là phương pháp thu thập và biến đổi năng lượng từ môi trường xung quanh thành năng lượng điện để cung cấp cho các nút cảm biến. Nguồn năng lượng ở môi trường xung quanh cảm biến rất đa dạng như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng gió, năng lượng RF, năng lượng rung động, ... [48][49]. Các dạng năng lượng thu thập cho mạng cảm biến từ môi trường xung quanh có thể nhìn nhận theo hai nhóm chính là năng lượng từ các nguồn thiên nhiên và năng lượng từ các nguồn tác nhân trong công nghiệp hoặc hoạt động của con người. Nguồn năng lượng từ môi trường thiên nhiên xung quanh cảm biến như năng lượng mặt trời (solar energy), năng lượng gió (wind energy), năng lượng nhiệt (thermal energy) và năng lượng sóng điện từ (radio frequency energy). Nguồn năng lượng từ các tác nhân trong môi trường làm việc của cảm biến như các năng lượng từ các nguồn cơ học (ví dụ như rung động của máy khi hoạt động, áp suất khí từ các hệ thống công nghiệp …), năng lượng từ con người (ví dụ như sự hoạt động của cơ thể, năng lượng sinh học). Hình 2.5 tổng hợp một số năng lượng cơ bản khả thi cho việc thu năng lượng trong môi trường xung quanh cảm biến.
Nguyên lý chung của hệ thống thu thập năng lượng từ môi trường đơn giản. Năng lượng từ môi trường sẽ được thu thập bởi một bộ thu thập năng lượng sau đó cho qua bộ biến đổi thành năng lượng điện một chiều và điều chỉnh các thông số cho phù hợp với yêu cầu, từ đó có thể cấp cho cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ [50][51]. Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống thu năng lượng từ môi trường có thể được nhìn tổng quát như trong Hình 2.6.
23
Hình 2.5. Các nguồn thu năng lượng cho mạng cảm biến [48].
Hình 2.6. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống thu năng lượng từ môi trường
Tùy thuộc vào loại năng lượng của môi trường sẽ có phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau. Có thể cùng một loại năng lượng cũng sẽ có các phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau. Điều quan trọng nhất là công nghệ thu năng lượng vì nó quyết định rất lớn đến hiệu suất thu năng lượng. Một vấn đề nữa là các nút cảm biến không dây yêu cầu kích thước nhỏ gọn để tiết kiệm năng lượng nên cũng yêu cầu kích thước của bộ phận thu năng lượng từ môi trường càng nhỏ càng tốt. Về cơ bản, cấu trúc của nút cảm biến không dây có khả năng thu năng lượng từ môi trường không khác nút cảm biến không dây thông thường, sự khác biệt là có thêm bộ phận thu năng lượng [52][53][54]. Thiết bị thu năng lượng từ môi trường có nhiệm vụ thu thập năng lượng sẵn có trong môi trường xung quanh nút cảm biến, rồi biến đổi và chuẩn hóa thành nguồn năng lượng một chiều, sau đó có thể cấp cho cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ. Năng lượng của nút bao gồm nguồn nội tại và nguồn năng lượng thu thập từ môi trường sẽ được quản lí và điều phối bởi bộ vi điều khiển trung tâm của nút, chẳng hạn như khi cảm biến thu thập được năng lượng từ môi trường, tùy thuộc vào trạng thái và điều kiện cụ thể về năng lượng của nút cảm biến
Mô đun thu năng lượng môi trường Bộ thu thập
năng lượng Năng lượng từ môi trường
- Mặt trời, - Nhiệt, - Rung động, - RF, - …. Biến đổi AC/DC Chuẩn hóa
24 mà bộ vi điều khiển sẽ quyết định sử dụng năng lượng thu được như thế nào, lưu trữ hay sử dụng vào các quá trình hoạt động của cảm biến, …
Tuy nhiên, thực tế không phải nguồn năng lượng nào từ môi trường cũng phù hợp cho việc thu thập cho cảm biến. Các nguồn năng lượng được thu từ môi trường phải đảm bảo các yếu tố cơ bản như tính sẵn có và phổ biến trong môi trường đặt cảm biến, hệ thống thu thập năng lượng đơn giản và nhỏ gọn, có khả năng thu được năng lượng thường xuyên và mật độ năng lượng phải đủ lớn. Hiện nay, một số nguồn năng lượng từ môi trường đã được đề xuất nghiên cứu và thực hiện thu cho cảm biến có những thành quả nhất định như năng lượng mặt trời, năng lượng rung động, năng lượng nhiệt, năng lượng RF.