Internet de las cosas (IoT), aún en su infancia, está dando forma al futuro de muchas industrias y también tendrá un impacto significativo en la vida diaria. Uno de los desafíos clave de trasladar los dispositivos IoT del concepto a la realidad es tener un funcionamiento duradero con fuentes de energía muy limitadas. y por lo tanto una eficiencia energética extrema. Los dispositivos de IoT, como los sensores, a menudo se implementan a gran escala y en lugares que suelen ser remotos y difíciles de mantener con regularidad. por lo tanto, su autosuficiencia es esencial.

En la actualidad, Las baterías de los dispositivos IoT son mucho más grandes y hasta tres veces más caras que el chip único que alimentan. Su tamaño está determinado por la vida útil del nodo sensor, lo que afecta directamente la frecuencia con la que deben cambiarse. Esto tiene una influencia importante en el costo de mantenimiento y el impacto en el medio ambiente cuando se desechan las baterías. Para extender la vida útil total, la batería generalmente se recarga lentamente recolectando algo de energía limitada del medio ambiente, como usar una celda solar. Sin embargo, los dispositivos IoT existentes no pueden funcionar sin batería, y las baterías pequeñas se descargan completamente con mayor frecuencia. Por eso, La miniaturización de la batería a menudo da como resultado un funcionamiento muy discontinuo de los dispositivos IoT, ya que dejan de funcionar cada vez que la batería se agota.

Para abordar esta brecha tecnológica, un equipo de ingenieros de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) ha desarrollado un microchip innovador, llamado BATLESS, que puede seguir funcionando incluso cuando la batería se agota. BATLESS está diseñado con una novedosa técnica de administración de energía que le permite iniciarse automáticamente y continuar funcionando bajo luz tenue sin asistencia de batería. utilizando una celda solar en chip muy pequeña. Este avance en la investigación reduce sustancialmente el tamaño de las baterías necesarias para alimentar los nodos de sensores de IoT, haciéndolos 10 veces más pequeños y más baratos de producir. El avance ha sido presentado en la conferencia International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 en San Francisco, el principal foro mundial para presentar avances en circuitos de estado sólido y sistemas en un chip.

El líder del equipo de investigación de NUS, Profesor asociado Massimo Alioto en la Facultad de Ingeniería de NUS, dijo, "Hemos demostrado que las baterías que se utilizan para los dispositivos de IoT se pueden reducir sustancialmente, ya que no siempre es necesario que estén disponibles para mantener un funcionamiento continuo. Abordar este problema fundamental es un gran avance hacia la visión definitiva de los nodos de sensores de IoT sin el uso de baterías. y allanará el camino para un mundo con un billón de dispositivos IoT ".

La indiferencia de la batería es la capacidad de los dispositivos de IoT para continuar las operaciones incluso cuando la batería está agotada. Se logra operando en dos modos:energía mínima y potencia mínima. Cuando la energía de la batería esté disponible, el chip funciona en modo de energía mínima para maximizar la vida útil de la batería. Sin embargo, cuando la batería está agotada, el chip cambia al modo de energía mínima y funciona con un consumo de energía muy bajo de aproximadamente medio nanovatio; esto es aproximadamente mil millones de veces menor que el consumo de energía de un teléfono inteligente durante una llamada telefónica. La energía puede ser proporcionada por una celda solar en chip muy pequeña que tiene aproximadamente medio milímetro cuadrado de área, u otras formas de energía disponibles en el medio ambiente, como vibraciones o calor.

La capacidad del chip para cambiar entre el modo de energía mínima y el modo de energía mínima se traduce en una miniaturización agresiva de las baterías desde centímetros hasta unos pocos milímetros. El microchip BATLESS permite la capacidad poco común de detectar ininterrumpidamente, proceso, capturar y marcar los eventos de interés, y que esos datos valiosos se transmitan de forma inalámbrica a la nube cuando la batería vuelva a estar disponible. A pesar de estar en modo de potencia mínima cuando la batería no está disponible, la velocidad reducida del microchip sigue siendo adecuada para numerosas aplicaciones de IoT que necesitan detectar parámetros que varían lentamente en el tiempo, incluida la temperatura, humedad, luz, y presión. Entre muchas otras aplicaciones, BATLESS es muy adecuado para edificios inteligentes, monitoreo ambiental, gestión de la energía, y adaptación de los espacios habitables a las necesidades de los ocupantes.

Assoc Prof Alioto agregó, "BATLESS es el primer ejemplo de una nueva clase de chips que son indiferentes a la disponibilidad de carga de la batería. En el modo de potencia mínima, usa 1, 000 a 100, 000 veces menos potencia, en comparación con los mejores microcontroladores existentes diseñados para un funcionamiento fijo de energía mínima. Al mismo tiempo, nuestro microcontrolador de 16 bits también puede operar 100, 000 veces más rápido que otros que se han diseñado recientemente para un funcionamiento fijo con potencia mínima. En breve, el microchip BATLESS cubre un rango muy amplio de energía posible, poder, y compensaciones de velocidad, como lo permite la flexibilidad ofrecida a través de los dos modos diferentes ".

BATLESS también está equipado con una nueva técnica de administración de energía que permite operaciones de autoencendido mientras se alimenta directamente por la pequeña celda solar en el chip, sin asistencia de batería. El equipo demostró esto con una intensidad de luz interior de 50 lux, que es equivalente a la luz tenue disponible en el crepúsculo, y corresponde a nanovatios de potencia. Esto hace que BATLESS sea indiferente a la disponibilidad de la batería, abordar un desafío previamente no resuelto en chips sin batería.

El equipo de ingeniería de NUS ahora está explorando nuevas soluciones para construir sistemas completos indiferentes a la batería que cubran toda la cadena de señales desde el sensor hasta las comunicaciones inalámbricas. expandiendo así el trabajo actual sobre microcontroladores y gestión de energía. El equipo de investigación tiene como objetivo demostrar una solución que reduce la batería a una escala milimétrica, con el objetivo a largo plazo de eliminar por completo su necesidad. Este será un gran paso hacia la realización de la visión de IoT en todo el mundo, y también hacer que el planeta sea más verde e inteligente.