物聯(lián)網(wǎng)(IoT)雖然還處于起步階段，但它正在塑造許多行業(yè)的未來，并將以重要的方式影響我們的日常生活。將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從概念轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是在嚴(yán)格限制的能源下進(jìn)行長期運(yùn)行，因此要求極高的功率效率。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 - 例如傳感器 - 通常大規(guī)模部署，并且通常位于遠(yuǎn)程且難以定期維護(hù)的地方，從而使其自給自足成為必需品。

目前，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的電池比它們供電的單個(gè)芯片大得多并且高達(dá)三倍。它們的大小由傳感器節(jié)點(diǎn)壽命決定，這直接影響它們需要更改的頻率。這對(duì)電池處理時(shí)的維護(hù)成本和對(duì)環(huán)境的影響具有重要影響。為了延長整體壽命，通常通過從環(huán)境中獲取一些有限的功率(例如使用太陽能電池)來緩慢地對(duì)電池充電。然而，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不能在沒有電池的情況下運(yùn)行，并且小電池更頻繁地完全放電。因此，電池小型化經(jīng)常導(dǎo)致IoT設(shè)備的高度不連續(xù)操作，因?yàn)樗鼈冊诿看坞姵睾谋M能量時(shí)停止工作。

為了解決這一技術(shù)差距，新加坡國立大學(xué)(NUS)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為BATLESS的創(chuàng)新微芯片，即使在電池電量耗盡的情況下也可以繼續(xù)運(yùn)行。BATLESS采用了一種新穎的電源管理技術(shù)，使用非常小的片上太陽能電池，可以在昏暗的光線下自啟動(dòng)并繼續(xù)工作，無需任何電池輔助。這項(xiàng)研究突破大大減少了為物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)供電所需的電池尺寸，使其尺寸縮小10倍，生產(chǎn)成本更低。這一突破已在舊金山舉行的2018年國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)會(huì)議上展示，該會(huì)議是展示固態(tài)電路和片上系統(tǒng)的先進(jìn)全球論壇。

新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程系的副教授馬西莫·阿里托(Massimo Alioto)表示，“我們已經(jīng)證明，用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池可以大幅縮小，因?yàn)樗鼈儾⒉豢偸切枰梢员３诌B續(xù)運(yùn)行。解決這一根本問題是在不使用電池的情況下實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)最終愿景的重大進(jìn)步，并將為擁有萬億IoT設(shè)備的世界鋪平道路。

無需電池即可操作

電池?zé)o差異是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備即使在電池電量耗盡時(shí)也能繼續(xù)運(yùn)行的能力。它通過兩種不同的模式運(yùn)行來實(shí)現(xiàn) - 最小能量和最小功率。當(dāng)電池能量可用時(shí)，芯片以最小能量模式運(yùn)行，以最大化電池壽命。然而，當(dāng)電池耗盡時(shí)，芯片切換到最小功率模式，并以微不足道的功耗消耗約半納瓦 - 這比電話中智能手機(jī)的功耗小約十億倍。功率可由非常小的片上太陽能電池提供，該太陽能電池的面積約為半平方毫米，或者可從環(huán)境中獲得的其他形式的能量，例如振動(dòng)或熱量。

該芯片能夠在最小能量模式和最小功率模式之間切換，從而將電池的小型化從厘米降至幾毫米。BATLESS微芯片使不常見的功能能夠不間斷地感知，處理，捕獲和時(shí)間戳感興趣的事件，并且當(dāng)電池再次可用時(shí)，這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)將無線傳輸?shù)皆?。盡管在電池不可用時(shí)處于最小功率模式，但微芯片的降低速度仍然足以滿足需要檢測時(shí)間變化緩慢的參數(shù)的許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括溫度，濕度，光照和壓力。在眾多其他應(yīng)用中，BATLESS非常適合智能建筑，環(huán)境監(jiān)測，能源管理以及居住空間適應(yīng)居住者

Alioto副教授補(bǔ)充說：“BATLESS是第一個(gè)對(duì)電池充電可用性無動(dòng)于衷的新型芯片的例子。在最小功耗模式下，與現(xiàn)有的固定最小微控制器相比，它的功耗降低了1,000到100,000倍。同時(shí)，我們的16位微控制器的運(yùn)行速度也比最近設(shè)計(jì)用于固定最小功率運(yùn)行的其他微控制器快10萬倍。簡而言之，BATLESS微芯片可以覆蓋非常廣泛的能量，功率，以及通過兩種不同模式提供的靈活性所允許的速度權(quán)衡。“

無需電池即可自啟動(dòng)

BATLESS還配備了新的電源管理技術(shù)，使操作能夠自行啟動(dòng)，同時(shí)由微型片上太陽能電池直接供電，無需電池輔助。該團(tuán)隊(duì)以50勒克斯的室內(nèi)光強(qiáng)度證明了這一點(diǎn)，相當(dāng)于黃昏時(shí)可用的昏暗光線，相當(dāng)于納瓦級(jí)的功率。這使得BATLESS對(duì)電池可用性無動(dòng)于衷，解決了以前在無電池芯片方面未解決的挑戰(zhàn)。

下一步

NUS工程團(tuán)隊(duì)正在探索新的解決方案，以構(gòu)建完整的電池?zé)o關(guān)系統(tǒng)，涵蓋從傳感器到無線通信的整個(gè)信號(hào)鏈，從而擴(kuò)展當(dāng)前微控制器和電源管理的工作。

該研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是展示一種將電池縮小到毫米的解決方案，其長期目標(biāo)是完全消除對(duì)電池的需求。這將是實(shí)現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)愿景的重要一步，也將使我們的星球更環(huán)保，更智能。