Riattivando un dispositivo wireless solo quando necessario, il ricevitore di riattivazione (pila di chip a sinistra del penny) può ridurre il consumo di energia e prolungare la durata della batteria. Il sistema include un'antenna miniaturizzata (piastra color oro sotto il ricevitore). Credito:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Un nuovo chip a risparmio energetico sviluppato dagli ingegneri dell'Università della California di San Diego potrebbe ridurre significativamente o eliminare la necessità di sostituire le batterie nei dispositivi e dispositivi indossabili dell'Internet of Things (IoT). Il cosiddetto ricevitore di sveglia sveglia un dispositivo solo quando ha bisogno di comunicare e svolgere la sua funzione. Consente al dispositivo di rimanere inattivo per il resto del tempo e di ridurre il consumo di energia.
La tecnologia è utile per le applicazioni che non devono sempre trasmettere dati, come i dispositivi IoT che consentono ai consumatori di ordinare istantaneamente articoli per la casa che stanno per esaurire, o monitor sanitari indossabili che effettuano letture una manciata di volte al giorno.
"Il problema ora è che questi dispositivi non sanno esattamente quando sincronizzarsi con la rete, quindi periodicamente si svegliano per farlo anche quando non c'è niente da comunicare. Questo finisce per costare un sacco di energia, " ha detto Patrick Mercier, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego. "Aggiungendo un ricevitore di sveglia, potremmo migliorare la durata della batteria dei piccoli dispositivi IoT da mesi ad anni."
Il gruppo, guidato da Mercier e dai professori di ingegneria elettrica e informatica della UC San Diego, Drew Hall e Gabriel Rebeiz, hanno pubblicato il loro lavoro intitolato, "Un 22,3 nW, 4,55 cm 2 Ricevitore di sveglia resistente alla temperatura che raggiunge una sensibilità di -69,5 dBm a 9 GHz, " nel IEEE Journal of Solid-State Circuits .
Il ricevitore di sveglia è un chip a bassissima potenza che cerca continuamente un segnale radio specifico, chiamato una firma di risveglio, che gli dice quando riattivare il dispositivo principale. Ha bisogno solo di una piccola quantità di energia per rimanere acceso e fare questo - 22,3 nanowatt in questo caso, circa mezzo milionesimo della potenza necessaria per far funzionare una luce notturna a LED.
Una parte fondamentale del design di questo ricevitore è che si rivolge a segnali radio a frequenza più elevata rispetto ad altri ricevitori di sveglia. I segnali sono nella frequenza di 9 gigahertz, che è nel regno della comunicazione satellitare, controllo del traffico aereo e rilevamento della velocità dei veicoli. Puntare su una frequenza più alta ha permesso ai ricercatori di ridurre tutto, compresa l'antenna, trasformatore e altri componenti off-chip in un pacchetto molto più piccolo, almeno 20 volte più piccolo del precedente lavoro a livello di nanowatt.
Un primo piano del ricevitore della sveglia, costituito da un piccolo stack di chip. Credito:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Questo ricevitore di sveglia può anche fare qualcos'altro che altri ricevitori alimentati a nanowatt non possono:funzionare bene in un ampio intervallo di temperature. Per questo ricevitore, le prestazioni sono costanti da -10 C fino a 40 C (da 14 F a 104 F). Tipicamente, le prestazioni nei ricevitori di sveglia a bassa potenza diminuiscono se la temperatura cambia anche solo di pochi gradi. "Per uso interno, questo non è un grosso problema. Ma per l'uso all'aperto, deve funzionare su un'ampia finestra di temperatura. Abbiamo affrontato specificamente che in questo lavoro, " disse Mercier.
Il team dell'UC San Diego ha sviluppato nuovi progetti di circuiti e tecniche a livello di sistema per dotare il proprio ricevitore di tutte queste caratteristiche aumentando la sensibilità. Questi sono stati resi possibili grazie all'elettronica all'avanguardia a bassissima potenza sviluppata dai laboratori Mercier e Hall, e tecnologie avanzate di antenne e radio sviluppate dal laboratorio Rebeiz.
Secondo i ricercatori, la combinazione di questo ricevitore di consumo energetico a livello di nanowatt, confezione di piccole dimensioni (4,55 centimetri quadrati di area), la sensibilità (-69,5 dBm) e le prestazioni in temperatura sono le migliori pubblicate fino ad oggi.
"Questi numeri sono piuttosto impressionanti nel campo delle comunicazioni wireless:consumo energetico così basso, pur mantenendo la resistenza alla temperatura, tutto in un piccolo, sistema altamente sensibile:ciò consentirà a tutti i tipi di nuove applicazioni IoT, " disse Mercier.
C'è un piccolo compromesso nella latenza. C'è un ritardo di 540 millisecondi tra quando il ricevitore rileva la firma di attivazione e quando riattiva il dispositivo. Ma per le applicazioni previste, i ricercatori notano che questa quantità di ritardo non è un problema.
"Non hai bisogno di un rendimento elevato, comunicazione a banda larga quando si inviano comandi alla casa intelligente o ai dispositivi indossabili, Per esempio, quindi il compromesso di aspettare solo mezzo secondo per ottenere un 100, Ne vale la pena un miglioramento di 000 volte in potenza, " disse Mercier.
