Ao ativar um dispositivo sem fio apenas quando necessário, o receptor de despertar (pilha de chips à esquerda da moeda) pode reduzir o uso de energia e estender a vida útil da bateria. O sistema inclui uma antena miniaturizada (placa dourada abaixo do receptor). Crédito:David Baillot / Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs
Um novo chip de economia de energia desenvolvido por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego pode reduzir ou eliminar significativamente a necessidade de substituir as baterias em dispositivos e vestíveis da Internet das Coisas (IoT). O chamado receptor de despertar ativa um dispositivo apenas quando ele precisa se comunicar e executar sua função. Ele permite que o dispositivo fique inativo o resto do tempo e reduz o uso de energia.
A tecnologia é útil para aplicativos que nem sempre precisam transmitir dados, como dispositivos IoT que permitem que os consumidores encomendem instantaneamente itens domésticos que estão prestes a ficar sem, ou monitores de saúde vestíveis que fazem leituras algumas vezes por dia.
"O problema agora é que esses dispositivos não sabem exatamente quando sincronizar com a rede, então eles acordam periodicamente para fazer isso, mesmo quando não há nada para se comunicar. Isso acaba custando muito energia, "disse Patrick Mercier, professor de engenharia elétrica e da computação na UC San Diego. "Ao adicionar um receptor de despertar, poderíamos melhorar a vida útil da bateria de pequenos dispositivos IoT de meses para anos. "
O time, liderado pelos professores de engenharia elétrica e da computação da Mercier e da UC San Diego, Drew Hall e Gabriel Rebeiz, publicou seu trabalho intitulado, "A 22,3 nW, 4,55 cm 2 Receptor Wake-up de temperatura robusta que atinge uma sensibilidade de -69,5 dBm a 9 GHz, " no IEEE Journal of Solid-State Circuits .
O receptor de despertar é um chip de potência ultrabaixa que procura continuamente por um sinal de rádio específico, chamada de assinatura de despertar, que informa quando ativar o dispositivo principal. Ele precisa apenas de uma pequena quantidade de energia para permanecer ligado e fazer isso - 22,3 nanowatts neste caso, cerca de meio milionésimo da energia necessária para fazer funcionar uma luz noturna LED.
Uma parte importante do design deste receptor é que ele visa sinais de rádio de frequência mais alta do que outros receptores de despertar. Os sinais estão na frequência de 9 gigahertz, que está no reino das comunicações por satélite, controle de tráfego aéreo e detecção de velocidade de veículos. Visar uma frequência mais alta permitiu que os pesquisadores reduzissem tudo, incluindo a antena, transformador e outros componentes fora do chip em um pacote muito menor - pelo menos 20 vezes menor do que o trabalho anterior em nível de nanowatt.
Um close-up do receptor de despertar, composto por uma pequena pilha de fichas. Crédito:David Baillot / Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs
Este receptor de despertar também pode fazer algo que outros receptores movidos a nanowatt não podem:ter um bom desempenho em uma ampla faixa de temperatura. Para este receptor, o desempenho é consistente de -10 C a 40 C (14 F a 104 F). Tipicamente, o desempenho em receptores de despertar de baixa potência diminui se a temperatura mudar, mesmo que apenas alguns graus. "Para uso interno, isso não é grande coisa. Mas para uso ao ar livre, ele precisa funcionar em uma ampla janela de temperatura. Abordamos especificamente isso neste trabalho, "Disse Mercier.
A equipe da UC San Diego desenvolveu novos designs de circuito e técnicas de nível de sistema para equipar seu receptor com todos esses recursos e, ao mesmo tempo, aumentar a sensibilidade. Isso foi possível graças à eletrônica de ultra-baixa potência desenvolvida pelos laboratórios Mercier e Hall, e tecnologias avançadas de antena e rádio desenvolvidas pelo laboratório Rebeiz.
De acordo com os pesquisadores, a combinação deste receptor de consumo de energia de nível nanowatt, pacote pequeno (4,55 centímetros quadrados de área), a sensibilidade (-69,5 dBm) e o desempenho de temperatura são os melhores publicados até hoje.
"Esses números são bastante impressionantes no campo das comunicações sem fio - consumo de energia tão baixo, embora ainda retenha robustez à temperatura, tudo em um pequeno, sistema altamente sensível - isso permitirá todos os tipos de novos aplicativos IoT, "Disse Mercier.
Há uma pequena compensação na latência. Há um atraso de 540 milissegundos entre o momento em que o receptor detecta a assinatura de ativação e o momento em que o dispositivo é ativado. Mas para as aplicações pretendidas, os pesquisadores observam que essa quantidade de atraso não é um problema.
"Você não precisa de alto rendimento, comunicação de alta largura de banda ao enviar comandos para sua casa inteligente ou dispositivos vestíveis, por exemplo, portanto, a desvantagem de esperar apenas meio segundo para obter 100, A melhoria de 000x na potência vale a pena, "Disse Mercier.
