Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019
Национальный Университет Сингапура
Революционная технология позволит увеличить срок службы устройств IoT и сделать их более миниатюрными и дешевыми
Несмотря на младенческий возраст, Интернет вещей (IoT) определяет будущее многих отраслей, а также существенно влияет на нашу повседневную жизнь. Одной из основных проблем, связанных с переходом от концепции устройств IoT к реальности, является долгосрочная работа в условиях жестко ограниченных ресурсов источников энергии, требующая экстремальных значений КПД. Некоторые IoT устройства, такие как датчики, часто в большом количестве размещаются в удаленных местах, что затрудняет их регулярное обслуживание и выдвигает на первый план обеспечение их автономности.
В настоящее время батареи в устройствах IoT намного больше и до трех раз дороже, чем один питаемый ими чип. Их размер определяется временем жизни сенсорного узла, что напрямую влияет на частоту их замены. Это имеет важное значение для стоимости обслуживания и воздействия на окружающую среду при утилизации батарей. Чтобы продлить общий срок службы, аккумулятор обычно медленно перезаряжается за счет сбора небольшого количества энергии, извлекаемой из окружающей среды, например, с помощью солнечного элемента. Однако существующие устройства IoT не могут работать без аккумуляторов, и чем меньше аккумуляторы, тем чаще они полностью разряжаются. Следовательно, миниатюризация батареи часто приводит к периодическому прерыванию работы устройств IoT, поскольку они перестают функционировать каждый раз, когда разряжается батарея.
Чтобы преодолеть этот технологический разрыв, команда ученых (Рисунок 1) из Национального Университета Сингапура (National University of Singapore, NUS) разработала инновационный микрочип, получивший название BATLESS, который может продолжать работать даже тогда, когда батарея разрядилась. BATLESS использует новую технологию управления питанием, которая позволяет ему запускаться и работать при слабой освещенности без какой-либо поддержки батареи, используя только встроенный миниатюрный солнечный элемент. Этот научный прорыв позволит существенно уменьшить размер батарей, необходимых для питания сенсорных узлов IoT, что делает их в 10 раз меньше и дешевле в производстве. Исследователи продемонстрировали результаты своей работы в 2018 году в Сан-Франциско на Международной конференции по твердотельным микросхемам (ISSCC), главном глобальном форуме для представления достижений в области твердотельных схем и систем-на-кристалле.
 |
||
| Рисунок 1. | Доцент Массимо Алиото (в центре) и его команда разработали интеллектуальный микрочип BATLESS, который может самозапускаться и продолжать работать, даже когда батарея разрядилась. |
|
Руководитель исследовательской группы NUS, доцент Массимо Алиото (Massimo Alioto) с кафедры электротехники и вычислительной техники инженерного факультета сказал: «Мы продемонстрировали, что батареи, используемые в устройствах IoT, можно существенно уменьшить в размерах, поскольку они не всегда нужны для поддержания непрерывной работы. Решение этой фундаментальной проблемы является существенным шагом к окончательному исключению батарей из сенсорных узлов IoT, открывающим дорогу миру с триллионами устройств IoT».
Работа без батареи
Независимость от батареи – это способность устройств IoT продолжать работу даже тогда, когда батарея разряжена. Это достигается за счет реализации двух разных режимов работы микрочипа: с минимальным энергопотреблением и минимальной мощностью. Когда заряд батареи достаточен, чип работает в режиме минимального энергопотребления, чтобы увеличить срок службы элемента питания. Однако когда батарея разряжается, чип переключается в режим минимальной мощности, потребляя порядка половины нановатта. Это примерно в миллиард раз меньше энергопотребления смартфона во время телефонного разговора. Питание в таком случае может обеспечить очень небольшой солнечный элемент на кристалле площадью около полутора квадратных миллиметров (Рисунок 2), или другой источник энергии, получаемой из окружающей среды, такой как тепло или вибрация.
 |
||
| Рисунок 2. | Микрочип BATLESS может работать от крошечного солнечного элемента, интегрированного в кристалл. |
|
Способность чипа переключаться между режимами минимального потребления и минимальной мощности позволяет радикально уменьшить размеры батарей с сантиметров до нескольких миллиметров. Микрочип BATLESS обеспечивает необычные возможности непрерывного измерения, обработки, захвата и синхронизации событий, а также передачу этих важных данных по беспроводному интерфейсу в облако, когда батарея снова становится доступной. Несмотря на то, что в режиме минимальной мощности, когда батарея недоступна, скорость работы чипа снижается, ее вполне достаточно для многих IoT приложений, которым требуется контроль медленно меняющихся во времени параметров, включая температуру, влажность, освещенность и давление. Наряду с многими другими приложениями, BATLESS очень хорошо подойдет для умных зданий, мониторинга окружающей среды, управления энергопотреблением и адаптации жилых помещений к потребностям жильцов.
Массимо Алиото добавил: «BATLESS – это первый пример нового класса чипов, которым неважен доступный уровень заряда батареи. В режиме минимальной мощности он потребляет от 1,000 до 100,000 раз меньше мощности, чем лучшие из существующих микроконтроллеров, разработанных для работы с фиксированным минимальным энергопотреблением. При этом наш 16-разрядный микроконтроллер может работать в 100,000 раз быстрее, чем другие инновационные приборы, рассчитанные на работу с фиксированной минимальной мощностью. Короче говоря, микрочип BATLESS охватывает очень широкий спектр возможных компромиссов между энергопотреблением, характеристиками и скоростью работы, поддерживаемых двумя различными режимами работы».
Самозапуск без батареи
В BATLESS также реализована новая технология управления питанием, которая позволяет запускать чип непосредственно от крошечного встроенного солнечного элемента без участия батареи. Команда продемонстрировала это при интенсивности внутреннего освещения 50 лк, что эквивалентно тусклому свету сумерек и соответствует нановаттам мощности. Это делает BATLESS независимыми от заряда батареи, решая, наконец, проблему безбатарейных чипов.
Следующие шаги
В настоящее время команда инженеров университета изучает новые решения для создания независящих от батарей полностью автономных систем, охватывающих все сигнальные цепочки, от датчиков до интерфейсов беспроводной связи, чтобы расширить свою работу на микроконтроллеры и системы управления питанием.
Группа ученых стремится разработать и продемонстрировать решение, которое позволит резко, до нескольких миллиметров, уменьшить размеры аккумуляторов, а в дальнейшем и вовсе избавиться от них. Это станет важным шагом на пути к реализации в Сингапуре концепции Smart Nation (умная нация) и развитию IoT во всем мире, а также сделает нашу планету более зеленой и умной.
