Инженеры UW разработали первый сотовый телефон без батареи, который может отправлять и принимать вызовы, используя только несколько микровыключателей.
Кредит: Марк Стоун / Университет Вашингтона
Исследователи из Университета Вашингтона изобрели сотовый телефон, который не требует батарей - большой шаг вперед в продвижении за пределы зарядных устройств, шнуров и умирающих телефонов. Вместо этого телефон собирает несколько микроволн питания, требуемых от внешних радиосигналов или света.
Команда также совершила звонки в Skype, используя свой бесплатный телефон, демонстрируя, что прототип, сделанный из коммерческих, готовых компонентов, может принимать и передавать речь и общаться с базовой станцией.
Новая технология подробно описана в документе, опубликованном 1 июля в «Трудах Ассоциации вычислительных машин по интерактивным, мобильным, переносимым и повсеместным технологиям».
«Мы создали то, что, по нашему мнению, является первым функционирующим сотовым телефоном, который потребляет почти нулевую мощность», - сказал соавтор Шейм Голлакота, адъюнкт-профессор Школы компьютерной науки и инженерии им. Пола Дж. Аллена в UW. «Чтобы обеспечить действительно низкое энергопотребление, необходимое для работы телефона за счет сбора энергии из окружающей среды, нам пришлось принципиально переосмыслить, как эти устройства разработаны».
Команда инженеров-вычислителей UW и инженеров-электриков устранила головокружительный шаг в большинстве современных сотовых передач - преобразование аналоговых сигналов, передающих звук в цифровые данные, которые может понять телефон. Этот процесс потребляет столько энергии, что невозможно спроектировать телефон, который может полагаться на источники окружающего питания.
Вместо этого мобильный телефон с батареей использует крошечные вибрации в микрофоне или динамике телефона, которые возникают, когда человек разговаривает с телефоном или слушает вызов.
Антенна, подключенная к этим компонентам, преобразует это движение в изменения стандартного аналогового радиосигнала, излучаемого сотовой базовой станцией. Этот процесс по существу кодирует речевые схемы в отраженных радиосигналах таким образом, что почти не используется.
Для передачи речи телефон использует вибрации с микрофона устройства для кодирования речевых паттернов в отраженных сигналах. Для приема речи он преобразует закодированные радиосигналы в звуковые вибрации, которые воспринимаются динамиком телефона. В прототипном устройстве пользователь нажимает кнопку для переключения между этими двумя режимами «передача» и «прослушивание».
Используя готовые компоненты на печатной плате, команда продемонстрировала, что прототип может выполнять основные функции телефона - передачу речи и данных и получение пользовательского ввода с помощью кнопок. Используя Skype, исследователи смогли принимать входящие звонки, набирать номера и удерживать абонентов на телефоне без батареи.
«Мобильный телефон - это устройство, от которого мы больше всего зависим. Поэтому, если бы было одно устройство, которое вы хотели бы использовать без батарей, это мобильный телефон», - сказал профессор факультета Джошуа Смит, профессор как в школе Allen, так и в UW. Кафедра электротехники. «Доказательство концепции, которую мы разработали, сегодня увлекательно, и мы думаем, что это может повлиять на повседневные устройства в будущем».
Команда разработала пользовательскую базовую станцию для передачи и приема радиосигналов. Но эта технология, возможно, может быть интегрирована в стандартную инфраструктуру сотовой сети или маршрутизаторы Wi-Fi, которые обычно используются для совершения вызовов.
«В будущем вы могли бы предположить, что все сотовые башни или маршрутизаторы Wi-Fi могут поставляться с нашей технологией базовой станции, встроенной в нее», - сказал соавтор Vamsi Talla, бывший докторант электротехники UW и научный сотрудник школы Allen School. «И если в каждом доме есть Wi-Fi-маршрутизатор, вы можете получить покрытие сотового телефона без батареи».
Бесшумный телефон по-прежнему требует небольшого количества энергии для выполнения некоторых операций. Прототип имеет бюджет мощности 3,5 микроволн.
Исследователи UW продемонстрировали, как собрать этот небольшой объем энергии из двух разных источников. Прототип телефона без батареи может работать от мощности, собранной от окружающих радиосигналов, передаваемых базовой станцией до 31 фута.
Используя энергию, собранную из окружающего света с помощью крошечного солнечного элемента - примерно размер зерна риса - устройство смогло связаться с базовой станцией, которая находилась на расстоянии 50 футов.
Многие другие технологии без батареи, которые полагаются на источники окружающей энергии, такие как датчики температуры или акселерометр, сохраняют мощность при прерывистых операциях. Они берут чтение, а затем «спят» в течение минуты или двух, в то время как они собирают достаточно энергии для выполнения следующей задачи. В отличие от этого, телефонный звонок требует, чтобы устройство работало непрерывно до тех пор, пока длится разговор.
«Вы не можете поздороваться и подождать минуту, чтобы телефон заснул и собрал достаточную мощность для продолжения передачи», - сказал соавтор Брайс Келлог, инженер-докторант по электротехнике. «Это была самая большая проблема - количество мощности, которую вы можете реально собрать из окружающего радио или света, составляет порядка 1 или 10 микроволн. Таким образом, операции с телефоном в реальном времени действительно трудно достичь без разработки совершенно нового подхода к Передачи и приема речи ».
Затем исследовательская группа планирует сосредоточиться на улучшении рабочего диапазона телефона без батареи и шифровании разговоров, чтобы сделать их безопасными. Команда также работает над потоком видео по свободному от батареи сотовому телефону и добавляет функцию визуального отображения к телефону с использованием маломощных экранов E-ink.
