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引言

对于智能手机,可穿戴设备来说,电池的续航能力,一直是困扰用户的痛点。最近,马萨诸塞大学阿默斯特分校计算机科学家团队,介绍了一种新的无线电通信技术,让小型移动设备在进行通信时,通过无线电波,利用附近较大设备的电池电能。

移动设备的电池尺寸和续航时间

在移动设备中,电池的尺寸和和设备的尺寸成比例,设备越大,它的电池则更大。笔记本电脑的电池,比智能手环的电池大1000倍,比智能手机的电池大100倍,比智能手机的电池大10倍。


(图片来源于: 马萨诸塞大学阿默斯特分校)

然而,为了提高移动设备的电池续航时间,就需要使用大尺寸的电池。这样似乎很矛盾,因为智能可穿戴设备的小型化已经成为一个趋势。所以,研究人员往往给出降低功耗的方案,或者改善电池设计。

IntelligentThings之前有写过这方面的文章,例如新型固态电池(点此阅读),新型柔性太阳能电池(点此阅读),”水中高浓度盐”电池(点此阅读)等等。然而,另外从设备本身来说,有一些使用了无需电池供电的技术,例如WISP芯片: 无需电池供电,从无线电波中获取能量(点此阅读),还有这个无需电池供电的汗液传感器(点此阅读)。

新技术和研究团队简介

正如之前提到的WISP芯片,它无需自身电池或者有线电源来供电,可以从现成的标准RFID读取器中获取能量。使用RFID技术,标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量,并不需要电池。


也许是受到RFID技术启发,最近,马萨诸塞大学阿默斯特分校Deepak Ganesan教授领导的计算机科学家团队, 在于巴西弗洛里亚诺波利斯召开的美国计算机协会(ACM)数据通信专业组(SIGCOMM)会议上发表了一篇论文,介绍了一种新的无线电通信技术,让小型移动设备,在进行通信时,可以从附近较大设备获取电能。



(图片来源于: 马萨诸塞大学阿默斯特分校)

Ganesan和他信息和计算机科学学院毕业生Pan Hu、 Pengyu Zhang、 以及 Mohammad Rostami一起,设计和测试了这个无线电设备原型,帮助延长例如智能手表、手环、可穿戴的小型移动设备的电池续航时间,其中用到了一种“能量分流”(energy offload)的技术。

研究人员,称这项技术为“Braidio”,具体意思是“”braid of radios”,小编理解也就是通过无线电波将设备联系到一起吧。它在某些情况下,可以成百倍的延长电池续航时间。

技术原理

云计算技术,可以对于资源相对匮乏的个人设备的存储和计算负载,进行分担。然而,研究人员认为对于能量供应来说,也应该有一种技术可以通过无线电波,从附近的设备获取能量,从而延长自身电池续航时间。该技术的原理,也就是从较大的设备,即电池容量也更大的设备上获取能量,以供给较小的移动设备。

从技术实现的角度来说,他们通过对改进了现有的蓝牙技术,能够让它能以类似RFID技术的方式,进行不对称操作,也就是说,读取器完成大部分工作,并且提供通信所需要的能量,而更小设备或者对象里的标签,则消耗极少能量。

Braidio的操作方式,在设备具有足够电量的时候,和标准蓝牙方式类似;但是,当设备电量较低的时候,和RFID类似,从具有较大电池的设备获取能量。所以,当智能手表和智能手机,装备了Braidio,他们可以在一起适当分享通信时的能耗。

Hu认为Braidio测试结果显示:具有小电池设备,向大电池的设备传输数据时,使用Braidio技术的电池续航时间,是蓝牙的400倍。清楚一点的说,实验结果只覆盖了通信和数据传输时的能量损耗。如果无线电设备,使用传感器从摄像头传输数据,功耗达几百毫瓦,那么传感器占了主要的功耗,从降低了优化无线传输带来的效果。

团队设计了Braidio射频前端,所以它可以在不同模式下工作,消耗的功率比蓝牙少,且使用简单,低功耗组件。下图为Braidio的硬件设计:


(图片来源于: 马萨诸塞大学阿默斯特分校)

(图片来源于: 马萨诸塞大学阿默斯特分校)

同时,他们也设计了算法,监测信道和接收器和发射器能耗,动态的在模式之间切换,完成能量均衡的通信,无需牺牲吞吐率。


未来展望


通过更长远的优化,研究人员相信Braidio,或者类似的无线电设备,可以变得更小,更高效,以适应大众市场需求。


类似Braidio的技术,为移动和穿戴设备的设计,打开了新思路。穿戴设备通常很笨重,往往是由于需要大尺寸大容量的电池,来延长电池使用时间。然而,这项技术通过有效的能量分流,可以扭转这个趋势,让设备变得更小型更轻薄。

参考资料

【1】http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-08/uoma-ebl082516.php

【2】https://people.cs.umass.edu/~dganesan/papers/Sigcomm16-Braidio.pdf


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Braidio技术:在无线设备间分享电能 延长电池续航时间
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