背景

 

 

雖然物聯(lián)網(wǎng)目前仍處于初級(jí)階段，但它正對(duì)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(shí)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(yán)格受限的能源條件下進(jìn)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(huì)大規(guī)模部署在那些偏遠(yuǎn)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(gè)芯片，電池本身要大很多并且昂貴達(dá)三倍。電池的尺寸由傳感器節(jié)點(diǎn)的續(xù)航時(shí)間決定，續(xù)航時(shí)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(hù)成本以及被處理時(shí)對(duì)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(shí)間，電池通常會(huì)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(yùn)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(huì)使得IoT設(shè)備的工作經(jīng)常間斷。因?yàn)槊慨?dāng)電池電量耗盡時(shí)，IoT設(shè)備就要停止工作。

 

創(chuàng)新

 

（圖片來源：NUS）

 

為了填補(bǔ)這一技術(shù)鴻溝，新加坡國立大學(xué)（NUS）工程師團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(dòng)并持續(xù)工作。

 

這項(xiàng)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(huì)議（ISSCC）上，該會(huì)議是展示固態(tài)電路和系統(tǒng)級(jí)芯片科研進(jìn)展的首要的全球性論壇。

 

技術(shù)

 

即使在電池電量耗盡時(shí)，“不在乎電池”（Battery indifference）的能力使得IoT設(shè)備仍可以持續(xù)運(yùn)行。這種能力通過兩種工作模式來實(shí)現(xiàn)：最低能量和最低功率。當(dāng)電池還有電時(shí)，芯片工作于最低能量模式下，使電池續(xù)航時(shí)間變得最長；當(dāng)電池電量耗盡時(shí)，芯片切換至最低功率模式，運(yùn)行時(shí)的功耗非常低，只有半納瓦。這種功耗約為智能手機(jī)通話時(shí)功耗的十億分之一。一個(gè)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(dòng)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(duì)興趣事件進(jìn)行感知、處理、捕捉和打時(shí)戳，以及在電池再次變得有電時(shí)，將這些有價(jià)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(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，同時(shí)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(tuán)隊(duì)通過一個(gè)50勒克斯的室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行了演示，這個(gè)光照強(qiáng)度相當(dāng)于黃昏時(shí)的微弱光線，對(duì)應(yīng)于納瓦級(jí)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(jià)值

 

這項(xiàng)突破性的研究充分減小了為IoT傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(chǎng)景，感知隨著時(shí)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(cè)、能量管理以及讓生活空間滿足居住者的需求。

 

NUS 科研團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者，NUS 工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授 Massimo Alioto表示：“BATLESS 是首個(gè)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(yùn)行而設(shè)計(jì)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(shí)，相比近期設(shè)計(jì)的以固定最低能量運(yùn)行的其他微控制器，我們的16比特微控制器運(yùn)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?yàn)閮煞N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?yàn)楸３诌B續(xù)工作時(shí)并不是總需要它們。在朝著無需電池的IoT傳感器節(jié)點(diǎn)的最終版本目標(biāo)邁進(jìn)的過程中，解決這一根本性問題成為了一個(gè)重要進(jìn)展，為打造一個(gè)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(tuán)隊(duì)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(gè)信號(hào)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(biāo)指引下，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種將電池縮小至毫米級(jí)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）

 

 

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