Tổng quan về ứng dụng công nghệ thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF phục vụ trong nông nghiệp thông minh

TS. Nguyễn Thái Học¹, Nguyễn Hữu Huân², Nguyễn Hữu Đức²

TÓM TẮT

Để thông minh hóa các quá trình sản xuất nông nghiệp đòi hỏi hệ thống cảm biến không dây phân tán rộng khắp để liên tục theo dõi các thông số môi trường (độ ẩm đất, nhiệt độ, chất lượng không khí,…) nhằm tối ưu hóa sản xuất và giảm thiểu tác động môi trường. Tuy nhiên, việc cấp nguồn cho hàng ngàn thiết bị cảm biến này đã và đang là những thách thức lớn về chi phí và bảo trì, đặc biệt trong các vùng nông thôn hay điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Công nghệ thu và lưu trữ năng lượng từ sóng vô tuyến RF – trong đó ăng ten thu tín hiệu RF từ môi trường (tần số di động, WiFi, 5G, các trạm phát) đưa về hệ thống chuyển đổi thành năng lượng điện – mở ra hướng tiếp cận bền vững trong lĩnh vực thu và tích trữ năng lượng không dây cho các thiết bị IoT phục vụ trong nông nghiệp thông minh. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn đọc góc nhìn đa chiều về nguyên lý hoạt động, thành phần cơ bản, xu hướng phát triển của hệ thống thu và tích trữ năng lượng từ sóng vô tuyến RF(Radio Frequency Energy Harvesting System), đồng thời chỉ ra ưu nhược điểm và các thách thức của việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất nông nghiệp. 

Hình 1. Sóng vô tuyến trong môi trường

Từ khóa: Năng lượng tái tạo; Sóng vô tuyến; Thu và tích trữ năng lượng; Mạng IoT; Nông nghiệp thông minh.

1.      ĐẶT VẤN ĐỀ[1]

Nông nghiệp thông minh ứng dụng IoT và trí tuệ nhân tạo là xu hướng tất yếu nhằm giải quyết các áp lực toàn cầu về an ninh lương thực, biến đổi khí hậu và tối ưu hóa quy trình sản xuất (Kabato, W., & cs., 2025). Việc triển khai mạng lưới cảm biến không dây (WSN) rộng khắp cho phép giám sát, điều khiển tự động các thông số môi trường, nhưng cũng tạo ra nhu cầu năng lượng khổng lồ cho các thiết bị di động này. Để khắc phục hạn chế về tuổi thọ của pin truyền thống, công nghệ thu và tích trữ năng lượng RF nổi lên như một giải pháp then chốt giúp duy trì hoạt động bền vững và vĩnh cửu cho các hệ thống IoT trong nông nghiệp. Hình 2 thể hiện mô hình sử dụng sóng năng lượng từ sóng RF phục vụ cho các thiết bị IoT ứng dụng trong nông nghiệp (Zahari, M.K. & cs., 2024). Công nghệ thu hoạch năng lượng RF tận dụng sự hiện diện phổ biến của các nguồn sóng vô tuyến (WiFi, di động, Bluetooth) để chuyển đổi tín hiệu điện từ thành điện năng DC cho thiết bị IoT thông qua hệ thống ăng ten và mạch chỉnh lưu. Việc ứng dụng nền tảng công nghệ bán dẫn vào giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu thay pin, từ đó tối ưu hóa chi phí vận hành và đảm bảo tính bền vững môi trường cho nông nghiệp thông minh (Moloudian, G. & cs., 2024). Bài báo này tập trung phân tích nguyên lý và đánh giá toàn diện ưu nhược điểm của các hệ thống thu hồi năng lượng RF dựa trên các công bố khoa học mới nhất. Trên cơ sở đó, đề xuất các giải pháp cung cấp nguồn điện tự chủ cho mạng lưới IoT nhằm phát triển nền nông nghiệp thông minh và bền vững tại Việt Nam.

Hình 2. Mô hình hệ thống nông nghiệp thông minh (Zahari, M.K. & cs., 2024).

2. CÔNG NGHỆ THU VÀ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TỪ SÓNG RF

2.1. Cấu trúc hệ thống thu và tích trữ năng lượng từ sóng vô tuyến RF

Thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF dựa trên việc sử dụng ăng ten để thu tín hiệu điện từ trong không gian rồi chuyển đổi thành điện năng một chiều (DC) thông qua mạch chỉnh lưu và bộ lưu trữ. Hình 3 minh họa sơ đồ khối điển hình của hệ thống thu hoạch năng lượng sóng RF, bao gồm: ăng ten thu, mạch khớp nối (matching network), mạch chỉnh lưu RF-DC (rectifier), và thành phần lưu trữ/điều khiển năng lượng (PMU – power management unit) (Xu, Z. & cs., 2022).

Hình 3. Hệ thống thu hoạch năng lượng từ sóng RF (Xu, Z. & cs., 2022)

Năng lượng RF phát ra từ các nguồn như trạm phát di động, router WiFi hay các bộ phát chuyên dụng, được ăng ten thu với công suất rất thấp (thường ở mức μW hoặc thấp hơn). Mạch khớp nối có nhiệm vụ điều chỉnh trở kháng giữa ăng ten và mạch chỉnh lưu để tối đa hóa công suất truyền qua. Mạch chỉnh lưu (thường dùng diode Schottky hoặc mạch khuếch đại biến áp) biến dao động RF thành điện áp DC, rồi cấp vào tụ điện hoặc pin siêu tụ để lưu trữ. Có thể quan sát từ Bảng 1 rằng mức công suất thu được tại trạm gốc (BS) cao hơn từ một đến hai bậc độ lớn so với mức công suất từ các thiết bị di động trên các dải tần GSM/900, GSM/1800, UMTS/2100 và Wi-Fi/2.45. Bốn dải tần này ghi nhận công suất trung bình cao nhất lần lượt là –21.2, –15.3, –22.5 và –17.7 dBm.

Bảng 1. Công suất thu được từ sóng RF ở các dải tần viễn thông khác nhau (Muhammad, S. & cs., 2022)

 Bảng 2 thể hiện phân bố công suất tại ăng ten thu (Hệ số khuếch đại = 20 dBi) theo khoảng cách đến ăng ten phát (Hệ số khuếch đại = 20.5 dBi), ứng với dải tần số 868 MHz (λ = 35 cm) và công suất phát là 38 dBm. Trở kháng của các ăng ten được giả định là 50 Ω.

Bảng 2. Phân bố công suất thu được từ sóng RF (Szut, J. & cs., 2024)

Qua kết quả ở bảng 2 ta thấy phạm vi 20 mét xung quanh nguồn phát sóng dường như tạo ra các điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạch chỉnh lưu; tuy nhiên, khoảng cách này lại khó đạt được trong thực tiễn. Trên thực tế, các khoảng cách thực tế hơn thường rơi vào hàng chục mét, với điện áp cảm ứng chỉ đạt mức nhỏ hơn 1(V), điều này đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật hơn trong việc thiết kế hệ thống thu năng lượng. Vấn đề cốt lõi là các linh kiện phổ biến trong mạch chỉnh lưu, đặc biệt là diode Schottky, tiêu tán một phần điện áp trong quá trình dẫn. Do đó, cần áp dụng các giải pháp kỹ thuật để nâng cao mức điện áp đầu ra.

2.2. Ứng dụng công nghệ thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp thông minh, việc thu tích trữ năng lượng từ sóng RF có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống cảm biến không dây và các  thiết bị IoT khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng của công nghệ này trong sản xuất nông nghiệp.

Cảm biến môi trường: Các cảm biến đo độ ẩm đất, nhiệt độ không khí, độ dẫn điện của đất, pH, ánh sáng, nồng độ khí CO₂/và độ ẩm không khí… được bố trí rải rác trên cánh đồng, nhà kính hoặc vườn cây ăn quả. Năng lượng thu hoạch từ sóng RF cho phép chúng hoạt động liên tục mà không cần thay pin, cung cấp dữ liệu theo thời gian thực cho hệ thống quản lý nông nghiệp (Khernane, S. & cs., (2024). Hệ cảm biến kiểm soát về độ ẩm đất có thể tự thu năng lượng từ sóng WiFi hoặc sóng di động gần đó trong quá trình hoạt động và tự động phân tích, xử lý dữ liệu trước khi gửi về trung tâm điều khiển.

Hệ thống tự động quan trắc khí hậu và điều tiết lượng tưới tiêu cho cây trồng: Bơm nước, van điện và các thiết bị điện tích hợp trong hệ thống được điều khiển tự động theo dữ liệu cảm biến báo về. Khi nguồn năng lượng RF đủ lớn cung cấp cho các thiết bị điện như các van điện, bơm dung dịch sẽ được hoạt động theo chương trình đặt sẵn để tưới cho từng khu vực cây trồng mà không cần đường dây điện tới các thiết bị điện này. Điều này hữu ích ở các cánh đồng, vườn rau, hay công trình thuỷ lợi nông nghiệp có diện tích rộng. Trong nghiên cứu (Saffari, P., 2018) trình bày một cảm biến nhiệt độ được cấp nguồn hoàn toàn bằng sóng RF với khả năng hoạt động liên tục không gián đoạn. Cảm biến được cấp nguồn không dây từ tín hiệu tới có tần số 915 MHz thông qua một bộ thu năng lượng RF hiệu suất cao. Hệ thống sử dụng một bộ dao động vòng hoạt động trong vùng dưới ngưỡng tạo ra tần số dao động phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, đóng vai trò như một bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tần số.

Hệ thống tự động theo dõi quá trình sinh trưởng của cây trồng: Trong nghiên cứu (Nadeem, A. & cs., 2022) đã xấy dựng thành công một mô đun cảm biến nhiệt độ và độ ẩm IoT hoạt động ở dải tần UHF, được cấp nguồn từ một hệ thống thu hoạch năng lượng (EH) tích hợp. Mô đun được thiết kế hướng tới các ứng dụng trong theo dõi quá trình sinh trưởng của cây trồng.

Hệ thống tự động giám sát chăn nuôi và thú y: Vật nuôi được gắn các thiết bị đeo thông minh (vòng đeo cổ hoặc các thiết bị gắn trên cơ thể)  để liên tục xác định vị trí của vật nuôi. Các thiết bị đeo thông minh này có thể đo các chỉ số sinh hóa trên cơ thể vật nuôi như nhịp tim, nhiệt độ cơ thể,  nồng độ ô xy trong máu, nồng độ cortisol tiết ra trên cơ thể vật nuôi để từ đó giúp chúng ta giám sát và quản lý được tình trạng sức khỏe của vật nuôi. Năng lượng thu từ sóng RF khiến các thiết bị đeo thông minh này hoạt động suốt đời, tiết kiệm công chăm sóc và tránh phải thay pin trong quá trình giám sát đàn vật nuôi.

Hình 4. Hệ thống phân loại hành vi của bò sữa tự cung cấp năng lượng dựa trên thu năng lượng tần số vô tuyến Dang, N.H. & cs. (2023)

Trong nghiên cứu (Dang, N.H. & cs., 2023) đã đề xuất một hệ thống tự cấp nguồn để phân loại các hành vi khác nhau của bò sữa dựa trên dữ liệu gia tốc, nhằm cung cấp một giải pháp mới và hiệu quả cho việc giám sát hành vi bò sữa (Hình 4). Hệ thống sử dụng một thẻ cảm biến gắn trên cổ bò, được tích hợp với cảm biến gia tốc, để ghi nhận dữ liệu hành vi. Đặc biệt, thẻ cảm biến này vận hành hoàn toàn không cần pin. Năng lượng cần thiết được thu hoạch từ sóng vô tuyến (RF) trong dải tần siêu cao (UHF) ở 915 MHz, được phát ra từ một đầu đọc cho phép vận hành ổn định trong các môi trường chăn nuôi không có nguồn cấp điện trực tiếp.

3. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ THU VÀ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG

3.1. Ưu điểm

Giải pháp thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF mang lại lợi ích rõ rệt cho nông nghiệp thông minh nhờ loại bỏ nhu cầu thay pin và giảm đáng kể công tác bảo trì cho các thiết bị IoT. Công nghệ này cho phép triển khai cảm biến ở các khu vực hẻo lánh hoặc môi trường khắc nghiệt, đồng thời tăng tính tự chủ và bền vững khi khai thác năng lượng từ hạ tầng vô tuyến sẵn có như WiFi, 4G/5G. Việc sử dụng năng lượng RF góp phần giảm phát thải carbon và rác thải điện tử, phù hợp với định hướng nông nghiệp xanh. Các hệ thống tiên tiến hiện nay đạt hiệu suất chuyển đổi cao, lên tới khoảng 90–95% ngay cả ở mức tín hiệu rất thấp. Nhờ khả năng nạp năng lượng không dây và hỗ trợ truyền thông đồng thời, thu năng lượng RF được xem là nền tảng quan trọng cho các hệ thống IoT nông nghiệp tự động và vận hành dài hạn.

3.2. Nhược điểm

            Công nghệ thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF còn gặp nhiều hạn chế do đặc tính vật lý và yêu cầu thiết kế hệ thống phức tạp. Công suất RF trong môi trường thường rất thấp và suy giảm mạnh theo khoảng cách, thời tiết và nhiễu đa đường, khiến năng lượng thu được khó đáp ứng nhu cầu của thiết bị IoT nông nghiệp. Hiệu suất chuyển đổi của mạch chỉnh lưu giảm đáng kể ở mức tín hiệu yếu, đồng thời bài toán ghép trở kháng, lựa chọn số tầng chỉnh lưu và phân cực ăng ten làm tăng độ phức tạp thiết kế. Việc chế tạo ăng ten và mạch hiệu suất cao đòi hỏi công nghệ và vật liệu tiên tiến, làm tăng chi phí và khó khăn trong tích hợp hệ thống nhỏ gọn. Do đó, các giải pháp tương lai cần kết hợp thu năng lượng RF với các nguồn khác và tối ưu toàn diện từ ăng ten, chỉnh lưu đến quản lý năng lượng.

4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Việc tích hợp thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF cho các thiết bị IoT phục vụ cho nông nghiệp thông minh mang ý nghĩa chiến lược, định hướng cho tương lai.

Thứ nhất, nó mang lại một lớp nguồn năng lượng mới không phụ thuộc vào lưới điện hay pin, giúp chúng ta có thể mở rộng phạm vi triển khai mạng IoT đến những vùng xa xôi, hẻo lánh.

Thứ hai, xu hướng phối kết hợp nhiều nguồn năng lượng đang được xem xét để khắc phục hạn chế của từng nguồn riêng lẻ. Các hệ thống thu và tích trữ năng lượng lai kết hợp từ nguồn sóng RF, nguồn ánh sáng mặt trời, nhiệt, sóng âm, năng lượng gió,… đang được nghiên cứu phát triển

Mặt khác, để công nghệ thu và tích trữ năng lượng từ sóng RF thực sự hiệu quả trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp, cần có chiến lược phát triển hạ tầng truyền thông phù hợp.

Về mặt thiết kế mạch thu RF, xu hướng mới cũng xuất hiện với việc phát triển các vi mạch tích hợp (IC) chuyên dụng với kiến trúc có thể thích ứng với mức cường độ tín hiệu khác nhau, hoặc mạch điều khiển công suất đỉnh để luôn duy trì hiệu quả cao nhất, đang được đề xuất.

Bên cạnh đó, cần lưu ý về các tác động tới môi trường. việc không sử dụng pin thông thường giảm thiểu chất thải nguy hại. Đồng thời, thiết bị thu RF hoạt động hoàn toàn thụ động nên không phát ra khí nhà kính. Tuy nhiên, nếu triển khai ở diện rộng, cần kiểm soát mức phát sóng RF bổ sung (để tránh làm tăng ô nhiễm điện từ). Chính sách và tiêu chuẩn hóa cho năng lượng không dây trong nông nghiệp là lĩnh vực còn rất mới, đòi hỏi sớm có khung pháp lý phù hợp.