背景

 

 

雖然物聯(lián)網(wǎng)目前仍處于初級階段，但它正對于我們?nèi)粘Ｉ钜约霸S多行業(yè)的未來產(chǎn)生著重要的影響。從概念走向現(xiàn)實的過程中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遭遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，就是在嚴格受限的能源條件下進行長期持久的操作，這需要極高的功率效率。IoT 設(shè)備，比如傳感器，通常會大規(guī)模部署在那些偏遠并難以定期服務(wù)的地方，所以讓它們的能量變得自給自足非常有必要。

 

目前，在IoT設(shè)備中，相比于電池為之提供電力的單個芯片，電池本身要大很多并且昂貴達三倍。電池的尺寸由傳感器節(jié)點的續(xù)航時間決定，續(xù)航時間直接影響到電池多久需要充一次電。電池的尺寸，與它的維護成本以及被處理時對環(huán)境產(chǎn)生的影響都有著重要關(guān)系。為了延長總的續(xù)航時間，電池通常會從環(huán)境中采集一些有限的能量，緩慢地再次充電，例如采用太陽能。

 

無論如何，大多數(shù)現(xiàn)有的IoT設(shè)備還是無法離開電池來運行（雖然目前科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一些旨在擺脫電池的自供電技術(shù)），并且小型電池完全放電更加頻繁。因此，電池小型化通常會使得IoT設(shè)備的工作經(jīng)常間斷。因為每當電池電量耗盡時，IoT設(shè)備就要停止工作。

 

創(chuàng)新

 

（圖片來源：NUS）

 

為了填補這一技術(shù)鴻溝，新加坡國立大學(xué)（NUS）工程師團隊開發(fā)出一種稱為“BATLESS”的創(chuàng)新型芯片。即使在電池電量耗盡時，該芯片仍然可以繼續(xù)工作。BATLESS 具有一種新的電源管理技術(shù)，該技術(shù)讓它可無需任何其他電池的幫助，只采用位于芯片上的微型太陽能電池，就可以在微弱的光線下，自啟動并持續(xù)工作。

 

這項突破性研究發(fā)表于2018年在舊金山召開的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上，該會議是展示固態(tài)電路和系統(tǒng)級芯片科研進展的首要的全球性論壇。

 

技術(shù)

 

即使在電池電量耗盡時，“不在乎電池”（Battery indifference）的能力使得IoT設(shè)備仍可以持續(xù)運行。這種能力通過兩種工作模式來實現(xiàn)：最低能量和最低功率。當電池還有電時，芯片工作于最低能量模式下，使電池續(xù)航時間變得最長；當電池電量耗盡時，芯片切換至最低功率模式，運行時的功耗非常低，只有半納瓦。這種功耗約為智能手機通話時功耗的十億分之一。一個芯片上的微型（面積約為0.5平方毫米）太陽能電池，或者從環(huán)境中采集的能量（例如：振動或者熱量），都可以用于提供如此微小的能量。

 

芯片在最低能量和最低功率模式之間切換的能力，使得電池尺寸從幾厘米縮小至幾毫米。BATLESS 芯片開啟了一系列非凡的能力，不間斷地對興趣事件進行感知、處理、捕捉和打時戳，以及在電池再次變得有電時，將這些有價值的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至云端。

 

BATLESS 也配備了一種新型電源管理技術(shù)，可實現(xiàn)自啟動，同時直接由芯片上的微型太陽能電池供電，無需其他電池協(xié)助。團隊通過一個50勒克斯的室內(nèi)光照強度進行了演示，這個光照強度相當于黃昏時的微弱光線，對應(yīng)于納瓦級的功率。如此一來，BATLESS可以不在乎電池電量，從而解決了在無電池芯片中之前未得到解決的問題。

 

價值

 

這項突破性的研究充分減小了為IoT傳感器節(jié)點供電的電池尺寸，使得它們縮小至十分之一且制造成本更低。除了在電池電量耗盡時，采用最小功率模式，減速的芯片還可應(yīng)用于一些列物聯(lián)網(wǎng)場景，感知隨著時間變化緩慢的參數(shù)，例如：溫度、濕度、光線和壓力。此外，BATLESS還具有其他的應(yīng)用，例如智能建筑、環(huán)境監(jiān)測、能量管理以及讓生活空間滿足居住者的需求。

 

NUS 科研團隊的領(lǐng)導(dǎo)者，NUS 工學(xué)院電氣與計算機工程系副教授 Massimo Alioto表示：“BATLESS 是首個不在乎電池電量的新型芯片案例。在最低功率模式下，相比于為以固定最低能量運行而設(shè)計的現(xiàn)有最佳的微控制器，它使用的能量僅為十萬分之一到千分之一。同時，相比近期設(shè)計的以固定最低能量運行的其他微控制器，我們的16比特微控制器運行速度快十萬倍?？傊?，BATLESS 芯片涵蓋了非常廣泛的能量、功率和速度因素，因為兩種不同的模式帶來了靈活性。”

 

Massimo Alioto副教授還表示：“我們演示了用于IoT設(shè)備的電池可被充分縮小，因為保持連續(xù)工作時并不是總需要它們。在朝著無需電池的IoT傳感器節(jié)點的最終版本目標邁進的過程中，解決這一根本性問題成為了一個重要進展，為打造一個具有數(shù)萬億IoT設(shè)備的世界鋪平了道路。”

 

未來

 

目前，NUS工程團隊正在開發(fā)新的方案，構(gòu)建完全不在乎電池電量的系統(tǒng)，覆蓋從傳感器到無線通信系統(tǒng)的整個信號鏈，在微控制器與電源管理方面繼續(xù)拓展目前的研究。

 

在完全無需電池的長期目標指引下，團隊開發(fā)出一種將電池縮小至毫米級的方案。它將成為朝著全球IoT愿景邁出的重要一步，也將使得我們的星球變得更加綠色和智能。

 

（圖片來源于：維基百科）

 

 

推薦閱讀：