都说这是一个万物互联时代,这些终端“上线”、“聊天”便不是难题,但真的世间万物都能接入网络吗?


这显然是不能的!快递包裹、服装等很多都有在线管理的需求,但它们,目前没有资格申请加入群聊。



这是为什么?


我们知道,每一个在线的物件,必须要有电力的支持才能支撑它们完成“群聊”(数据的采集、传输及计算等)的过程。


如今,随着无源物联网技术的发展让这类物件加入网络世界变成可能。


什么是无源物联网?


所谓无源物联网,就是没有“源”的物联网,这个“源”指的是电源、能量源。



现在备受关注的“无源物联网”,本质上是终端节点无源,它们不带电源线、没有内置电池,而是从环境中获取能源,比如,基于无线电磁能量捕捉技术的物联网,无源物联网终端通过采集网络侧发射过来的无线电波,捕捉和收集能量,从而以完成数据的采集、传输和分布式计算。



事实上,无源物联网早几年就已经被提出。从现有的资料上看,最早可以追溯到2014年,国家自然科学基金正式启动了“无源感知网络基础理论与关键技术”重点项目,资助金额350万元,希望在传感方向走出更新、更现实的道路。



只是,早些年,很多人都觉得无源物联网是无稽之谈。那为什么现在就觉得有可行性了呢?



因为随着半导体技术的进步,终端芯片的功耗降低到mW级甚至更低,再加上能量转换技术的不断升级,才让远距离通信技术的能量捕获和使用进入现实。


为什么需要无源物联网?


现实生活中,我们习惯了电的存在,对有源与无源产品感受不到强烈的区别。但是,对于每一个处于物联网世界中的物件而言,电源是不可或缺的,它之于物联网终端就像空气、水之于人类。


人类可以不费吹灰之力就拥有空气,但是物联网终端却不一定能有电源。



一方面,由于成本制约或产品体积等原因使得物件本身不具备电池供电的条件。


另一方面,有上线需求的物件受限于其分布广泛、需灵活移动等因素,导致许多应用终端电池更换困难或无法直接靠电池供电。


从物联网连接发展的趋势来看,特别当面对海量物件“上线”的需求,必须要采用“无源”的形式来实现,因而无源物联网技术都将是一个主要推动力量。


关于无源物联网,其能量来源可以是光、4G、5G信号等,甚至物体形变都能产生微能量从而被利用,因此无源物联网的实现方式可以划分为以下三种:


第一种是采集太阳能供电;


第二种是按压式发电;


第三种是无线电波能量转换,通过采集周围环境中的RFID、NFC、蓝牙、4G,5G、WiFi等无线电波能量,并将其转换成电能。这也是无源物联网最受关注的方式,因为一个正常工作的物联网设备要正常运作,除获取工作能量之外,还需将数据通过无线电信号进行传输。借助这种方式,无源物联网终端既可以获取能量,也可以传输信号,同时成本、尺寸等都可做到很低,一举多得。


我们见过哪些无源物联网应用?


几年来,无源物联网一直默默发展,而最近又一次得到业界的关注,被称为是继Cat.1之后,2021年的物联网行业又一个新的“风口”。


这与各类通信技术的快速发展不无关系。如今,无源物联网进一步延伸,扩展基于蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信技术的无源互联。下图中关于未来高中低速物联网连接需求的模型在业界是非常典型的模型。



我们知道,LPWAN的出现正式开启了电池供电物联网规模化发展的时代,解决了数百亿连接规模的低功耗物联网市场需求,而数千亿无源物联网的痛点成为了接下来需要解决的问题。对于无源物联网的关注也就随之开始。于是,上图的模型便发生了改变。



日常生活中,我们被各种无线电信号包围着,通过这些信号所能收集的能量虽然非常微量,但对于大量无源物联网节点的工作来说已经足够,而且可借助信号实现数据的回传。


可以说,无源物联网技术正在拓展物联网连接“金字塔”的底座。那么,在这个物联网连接金字塔的底座中,有哪些应用呢?


  • 基于RFID的无源物联网


目前, RFID技术是我们最为熟悉、应用最广泛的无源物联网技术,其原理非常简单。当RFID标签靠近阅读器后,接收阅读器发出的射频信号,产生感应电流,获得能量。通过收集的这点能量,标签发送信息,实现与阅读器的通信。


目前,这种方案的无源物联网产品出货量已达到每年数百亿的级别。NFC作为高频RFID的一种,该技术在智能手机中几乎成为标配,也可视为是一个典型的无源物联网技术应用。


  • 基于蓝牙的无源物联网


无源蓝牙低功耗传感器标签无需供电,也可完成感知、存储和通信,该标签通过收集周围的无线射频能量来为其供电,并借助这些能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。一家名为Wiliot的初创公司,其产品正是一款无源蓝牙低功耗传感器标签,因为不需要外加电池,因此该产品的尺寸仅是邮票大小,能便捷地粘贴在各种物品之上。


  • 基于WiFi的无源物联网


该方案的原理是利用射频信号的后向反射通信技术,当附近WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号后,无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数,将传感器信息传递出去。


这一技术早在2016年,美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员就已研发出,称之为Passive WiFi。Passive WiFi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5µW和59.2µW,能够实现30米的回传距离,甚至有一定的穿墙能力。


  • 基于LoRa的无源物联网


2017年,美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员采用线性扩频技术,提升无源标签回传能力,并与商用的LoRa设备兼容,形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中,研究人员成功地从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置可以实现无源节点反射调制,成功回传传感器信息;将无源节点与射频源位于同一位置时,接收器最远可达2.8公里。


  • 基于5G的无源物联网


通过5G蜂窝网络支持无源物联,一个难点是无源终端节点如何获取能量,另一个难点在于如何实现长距离回传,尤其是后者的难度更大。因为无源终端通过各种方式获得的能量是非常微弱的,回传路径过长,信号会快速衰减。目前在实验室阶段最先进的技术,已经可以做到在180米的范围内,收集特定频段的5G射频能量,采集到约6µW的电力。


国内外无源物联网的布局


目前,关于无源物联网的研究尚属早期,来自于环境的能量的微弱及不稳定、节点中能源获取存的随机性等原因,导致无源物联网节点连接相对脆弱,难以保持持续连通,这些都制约了无源物联网的应用。


尽管如此,国内外仍有一大批的企业正在努力。正如前文所提,RFID是目前应用最为广泛且成熟的无源物联网应用,因此相关企业的布局可以参考《IOTE 2021深圳站展商全揭秘, 600+“靓仔们”在如何布局物联网》


RFID以外的技术在无源物联网中的应用相对小众,以下表格整理了目前可查询到资料的部分企业的情况:


公司

技术

产品介绍

华为

提出了面向5.5G的无源物联网设想,希望5G网络能将无源物联网纳入其中,5G无源物联网的探索开始。

暂无相关信息

飞英思特

核心技术无源+超低功耗边缘智能

无线开关、无源无线智能烟感、无源室内环境监测节点、无源室外微纳节点(温湿度、气体监测、光照度)、TEG工业监测节点、自供能AI摄像头等。这些产品目前已在成都及周边地区的园区、酒店、工厂等多个场景下展开试点,并且还针对在线上电商平台布局了针对C端消费电子产品的业务线。

铖月科技

基于自主研发的依托 ALLN 协议,通过采集环境及人体活动中的声、光、热、力等各种形式的能量,将其转化为电能,为低功耗电子产品或系统供电 ( 如传感器、控制器等 ) ,从而能让产品及系统 " 永久 " 使用。

主要生产智能照明、智能电工等智能家居产品,并提供智能全屋方案。目前拥有智能家庭、智能照明、智能电工以及智能安防这四大产品线,已经完成涵盖20个品类、40款智能家居产品的量产,包括无电池无线开关、通断器、门铃搭配门铃接收器,SOS按键搭配安防网关、弱光版的门窗磁、温湿度传感器等品类。

Wiliot

通过微型天线,收集环境中蓝牙信号的能量,为传感器供能

无源蓝牙传感器标签,标签的成本在10美分左右,并且用打印机就能生产。

Atmosic

公司宣称在超低功耗射频、射频唤醒和受控能量收集三大技术方面发力。其中,前者是在蓝牙5平台上实现超低功耗射频功能;第二项技术是为射频提供轻度休眠模式和深度休眠模式两套感知系统;后者目的是保证功能稳定可用,同时最大限度减少设备和系统对电池电源的依赖。

目前有两款蓝牙芯片产品,其中其M3系列产品综合应用这三大技术,支持无电池状态下的运行。目前,该公司产品已用于医疗、穿戴设备等领域。


随着各类通信技术的发展,无源物联网确实再次引起业界的高度关注,但是未来能走到哪里还是个未知数,就让我们拭目以待吧。


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IOTE 2022


第十七届国际物联网展·上海站

#3月17-19日

#上海新国际博览中心


参展联系

#陈江汉先生 18676385933(微信同号)


本篇文章来源于微信公众号:     物联网展

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