Het internet der dingen (IoT), toen hij nog in de kinderschoenen stond, vormt de toekomst van veel industrieën en zal ook een aanzienlijke invloed hebben op het dagelijks leven. Een van de belangrijkste uitdagingen om IoT-apparaten van concept naar realiteit te verplaatsen, is om langdurig te werken met strikt beperkte energiebronnen, en dus extreme energie-efficiëntie. IoT-apparaten zoals sensoren worden vaak op grote schaal ingezet en op plaatsen die meestal afgelegen en moeilijk regelmatig te onderhouden zijn, waardoor hun zelfvoorziening essentieel is.

Momenteel, batterijen in IoT-apparaten zijn veel groter en tot drie keer duurder dan de enkele chip die ze voeden. Hun grootte wordt bepaald door de levensduur van het sensorknooppunt, wat direct van invloed is op hoe vaak ze moeten worden gewijzigd. Dit heeft een belangrijke invloed op de onderhoudskosten en de impact op het milieu wanneer batterijen worden weggegooid. Om de totale levensduur te verlengen, de batterij wordt meestal langzaam opgeladen door wat beperkte stroom uit de omgeving te halen, zoals het gebruik van een zonnecel. Echter, bestaande IoT-apparaten kunnen niet werken zonder batterij, en kleine batterijen worden vaker volledig ontladen. Vandaar, batterijminiaturisatie resulteert vaak in zeer discontinue werking van IoT-apparaten, omdat ze niet meer werken elke keer dat de batterij leeg raakt.

Om deze technologische kloof te dichten, een team van ingenieurs van de National University of Singapore (NUS) heeft een innovatieve microchip ontwikkeld, genaamd BATLESS, die kan blijven werken, zelfs als de batterij leeg raakt. BATLESS is ontworpen met een nieuwe energiebeheertechniek die het mogelijk maakt om zichzelf te starten en te blijven functioneren bij weinig licht zonder enige batterijhulp, met behulp van een zeer kleine on-chip zonnecel. Deze doorbraak in het onderzoek vermindert aanzienlijk de grootte van de batterijen die nodig zijn om IoT-sensornodes van stroom te voorzien, waardoor ze 10 keer kleiner en goedkoper te produceren zijn. De doorbraak is gepresenteerd op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018-conferentie in San Francisco, het belangrijkste wereldwijde forum voor het presenteren van vooruitgang in solid-state circuits en systems-on-a-chip.

De leider van het NUS-onderzoeksteam, Universitair hoofddocent Massimo Alioto aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen, zei, "We hebben aangetoond dat batterijen die worden gebruikt voor IoT-apparaten aanzienlijk kunnen worden verkleind, omdat ze niet altijd beschikbaar hoeven te zijn om continu in bedrijf te blijven. Het aanpakken van dit fundamentele probleem is een grote vooruitgang in de richting van de ultieme visie van IoT-sensorknooppunten zonder het gebruik van batterijen, en zal de weg vrijmaken voor een wereld met een biljoen IoT-apparaten."

Batterijonverschilligheid is het vermogen van IoT-apparaten om door te gaan, zelfs als de batterij leeg is. Dit wordt bereikt door in twee modi te werken:minimale energie en minimaal vermogen. Wanneer de batterij-energie beschikbaar is, de chip werkt in de modus met minimale energie om de levensduur van de batterij te maximaliseren. Echter, wanneer de batterij leeg is, de chip schakelt over naar de minimale stroommodus en werkt met een zeer laag stroomverbruik van ongeveer een halve nano-Watt - dit is ongeveer een miljard keer lager dan het stroomverbruik van een smartphone tijdens een telefoongesprek. Stroom kan worden geleverd door een zeer kleine on-chip zonnecel met een oppervlakte van ongeveer een halve vierkante millimeter, of andere vormen van energie uit de omgeving, zoals trillingen of hitte.

Het vermogen van de chip om te schakelen tussen minimale energie- en minimale energiemodus vertaalt zich in agressieve miniaturisatie van batterijen van centimeters tot enkele millimeters. De BATLESS-microchip maakt het ongewone vermogen mogelijk om ononderbroken te voelen, Verwerken, vastleggen en tijdstempel gebeurtenissen van belang, en dat dergelijke waardevolle gegevens draadloos naar de cloud worden verzonden wanneer de batterij weer beschikbaar is. Ondanks dat hij in de modus voor minimaal vermogen staat wanneer de batterij niet beschikbaar is, de verminderde snelheid van de microchip is nog steeds voldoende voor tal van IoT-toepassingen die parameters moeten detecteren die langzaam in de tijd variëren, inclusief temperatuur, vochtigheid, licht, en druk. Naast vele andere toepassingen, BATLESS is zeer geschikt voor slimme gebouwen, milieu Controle, energiebeheer, en aanpassing van woonruimtes aan de behoeften van de bewoners.

Assoc Prof Alioto heeft toegevoegd, "BATLESS is het eerste voorbeeld van een nieuwe klasse chips die onverschillig staan ​​tegenover de beschikbaarheid van batterijladingen. het gebruikt 1, 000 tot 100, 000 keer minder vermogen, vergeleken met de beste bestaande microcontrollers die zijn ontworpen voor gebruik met een vast minimum-energieverbruik. Tegelijkertijd, onze 16-bits microcontroller kan ook 100, 000 keer sneller dan andere die recentelijk zijn ontworpen voor gebruik met een vast minimumvermogen. Kortom, de BATLESS-microchip dekt een zeer breed scala aan mogelijke energie, stroom, en snelheidsafwegingen, zoals toegestaan ​​door de flexibiliteit die wordt geboden door de twee verschillende modi."

BATLESS is ook uitgerust met een nieuwe energiebeheertechniek die zelfstartende operaties mogelijk maakt terwijl ze rechtstreeks worden aangedreven door de kleine on-chip zonnecel, zonder batterijondersteuning. Het team demonstreerde dit bij een lichtintensiteit van 50 lux binnenshuis, wat overeenkomt met het schemerige licht dat beschikbaar is in de schemering, en komt overeen met nano-Watt vermogen. Dit maakt BATLESS onverschillig voor de beschikbaarheid van batterijen, het aanpakken van een voorheen onopgeloste uitdaging in batterijloze chips.

Het NUS Engineering-team onderzoekt nu nieuwe oplossingen om complete batterij-onverschillige systemen te bouwen die de hele signaalketen dekken, van sensor tot draadloze communicatie, waardoor het huidige werk aan microcontrollers en energiebeheer wordt uitgebreid. Het onderzoeksteam wil een oplossing demonstreren die de batterij verkleint tot millimeterschaal, met het langetermijndoel om de noodzaak ervan volledig te elimineren. Dit zal een grote stap zijn in de wereldwijde realisatie van de IoT-visie, en ook de planeet groener en slimmer maken.