無源物聯(lián)網(wǎng)三大底層技術
無源物聯(lián)網(wǎng)的工作主要依賴于環(huán)境能量采集、低功耗計算和低功耗通信三大底層技術。
無源物聯(lián)網(wǎng)設備不依賴電池或布設電源線供電，而是通過捕捉環(huán)境中的能量，并轉化為電能支持設備工作。近年來，能量轉化技術的不斷升級和成熟使得環(huán)境能量捕捉和使用成為現(xiàn)實。目前，從環(huán)境中采集能量的方式主要包括四種，即光能采集、振動能量采集、溫差轉換能量采集以及無線電射頻能量采集。其中無線電射頻能量采集方式下根據(jù)不同的通信制式又可以再作進一步的技術路線劃分。目前，無源物聯(lián)網(wǎng)應用中較具規(guī)模、成熟度較高的環(huán)境能量采集方式主要為光能和無線電射頻能量采集。
不同環(huán)境能量采集方式的特點、優(yōu)劣勢、主要應用場景如下：
無源物聯(lián)網(wǎng)不同采能方式的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)劣勢及主要應用場景
能量采集方式 | 發(fā)展現(xiàn)狀 | 優(yōu)劣勢 | 應用場景 |
光能采集 | 光能/太陽能采集是目前較為普遍、成熟的環(huán)境能量采集方式，其已成為清潔能源中規(guī)模最大的能量源之一。 | 優(yōu)點： ? 能量密度大 ? 獲取難度低 ? 產(chǎn)業(yè)鏈較成熟 缺點： ? 成本高 ? 尺寸大 ? 安裝維護成本高 ? 受時間、天氣等諸多外界條件影響 | ? 交通路燈 ? 環(huán)境監(jiān)測 ? 海上勘探 ? 通信基站 ? 太陽能停車場 ? 光伏發(fā)電等 ? 農(nóng)業(yè)監(jiān)測 ? 智能家居 |
振動能量采集 | 振動能量采集在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能家居等領域已有一定范圍的應用，工廠或家居場景多項設備的振動可以產(chǎn)生能量供采集。 | 優(yōu)點： ? 振動采集能量的3種轉換方式都易于MEMS技術集成 ? 壓電轉換無需驅動電源，機電轉換性能高、輸出電壓高、環(huán)境適應能力好、結構緊湊 ? 磁電轉換無需額外的驅動電源與功能材料，且輸出電流大 ? 靜電轉換無需功能材料且輸出電壓較高 缺點： ? 磁電轉換輸出電壓低磁體與線圈尺寸較大 ? 靜電轉換需要外部電壓源，且產(chǎn)生電流低、電容氣隙小 | ? 智能可穿戴設備 ? 開關 ? 遙控器 ? 工業(yè)生產(chǎn) |
溫差轉換采集 | 部分可穿戴及工業(yè)監(jiān)測設備正探索使用溫差熱能收集技術，因為不斷散發(fā)熱量的物體可作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端，二者間的溫差將產(chǎn)生能量。不過，物體體表溫度較其外部環(huán)境溫度的溫差并不會有較大差異，因而輸出電壓將較小，難以支撐大功率設備正常工作，一般只能為低功耗設備供能。 | 優(yōu)點： ? 能量環(huán)境適用廣 ? 能量獲取難度低 缺點： ? 能量密度低 ? 輸出電壓小 ? 限于低功耗設備 | ? 低功耗設備 ? 微型體積設備 ? 煙感防火 |
無線電射頻采集 | 無線電射頻采集能量的來源廣泛，手機、移動通信基站、電視、電臺信號基站、Wi-Fi、微波爐等設備都可以發(fā)射射頻能量。目前通過射頻方式可采集到的能量較少，更多應用于超低功耗傳感器。射頻能量采集技術如果得以進一步突破，可作為極佳的能量采集方式。 | 優(yōu)點： ? 電子設備使用廣泛 ? 射頻源豐富 ? 可復用、小尺寸、易部署、低成本 缺點： ? 能量密度小 | ? 物流包裹 ? 服裝零售 ? 圖書管理 ? 防偽追溯 |
來源：公開資料，摯物產(chǎn)業(yè)研究院整理
不同的環(huán)境能量采集方式的技術原理如下：
1.光能采集技術原理
光能采集的核心技術原理是利用半導體材料的光電效應，將光能直接轉變?yōu)殡娔堋９饽懿杉亢屠眯?，主要取決于光伏材料性質、光照強度及轉換效率。隨著光能采集技術發(fā)展，以及光伏材料研究的突破，光能采集和轉化的效率已達到較高水平。目前，光能采集在物聯(lián)網(wǎng)傳感設備中已有若干應用，如太陽能監(jiān)控攝像機等。
2.振動能量采集技術原理
通過振動收集到的能量一般可以通過壓電轉換、靜電轉換和磁電轉換3種方式進行能量轉換。其中，靜電轉換方式可以通過靜電感應，將機械能轉化成電能；壓電轉換方式在進行能量轉換時，需要形成初始電壓差才能進行設備供電的能量轉換；磁電轉換方式則通過振動使導體切割磁感線產(chǎn)生能量。目前，具有較高能量密度的壓電轉換和磁電轉換應用較為廣泛。
振動能量采集在工業(yè)和室內等場景下已有一定范圍的應用。例如，工廠中的電動機、變速箱、泵等設備的工作過程中會產(chǎn)生輕微振動，通過壓電材料可以對這些微動能量進行采集和儲存，得到足以支撐低功耗傳感器運行的能量；在室內場景下，自供能開關、自供能門鈴等無源產(chǎn)品通過按壓振動結構可形成電磁切割現(xiàn)象從而產(chǎn)生電能，相關能量可被實時采集和釋放，實現(xiàn)隨產(chǎn)隨用。
振動能量采集方式技術原理示意圖
來源：公開資料，摯物產(chǎn)業(yè)研究院整理
3.溫差能量采集技術原理
溫差能量采集主要是通過賽貝克效應原理把熱能轉換為電能，亦即，通過熱電發(fā)生器中的溫差產(chǎn)生的電勢，將熱源中的廢熱轉換為電能。這種特性決定了溫差能量采集須具備穩(wěn)定的熱源，還需要散熱器來制造溫差并使熱量在設備中流動，從而持續(xù)產(chǎn)生微電流。目前，溫差能量采集的方式已在可穿戴設備、工業(yè)監(jiān)測等領域有若干應用。
4.無線電射頻能量采集技術原理
無線電射頻又簡稱為射頻。射頻能量采集的核心是將射頻能量轉換為直流能量。相關能量可存儲在儲能單元（如電容）中，也可采集后直接用于驅動邏輯電路、數(shù)字芯片或傳感器件等，完成對反向散射信號的調制和發(fā)射，以及傳感信息的采集與處理等。
需要注意的是，無線發(fā)射器和能量采集器分別通過自身的天線發(fā)射/接收信號，因此，須保證二者天線的工作頻率與收發(fā)信號的頻率相同。同時，空間距離和采集到的能量成反比，因此，無線發(fā)射器和能量采集器的空間距離須在合乎要求的范圍內。
射頻能量在日常生活中廣泛存在。目前，基于RFID和NFC的射頻能量采集技術已在公交卡、ETC、工業(yè)設備監(jiān)測、無線供電手持設備、可穿戴低功耗設備以及RFID標簽等領域有廣泛應用?；赪i-Fi、藍牙以及蜂窩網(wǎng)絡等的射頻能量采集技術相對仍不成熟，還處于小批量試應用探索或理論研究階段。
射頻能量采集技術路線 | 射頻技術簡介 | 技術成熟度 | 代表企業(yè) |
RFID | RFID技術是應用最為最廣泛和成熟的無源物聯(lián)網(wǎng)技術。其原理為是當RFID標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，產(chǎn)生感應電流，獲得能量。通過收集相關微弱能量，標簽發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。目前，這種方案的無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品每年的出貨量已達數(shù)百億級別。 | 規(guī)模應用 | 遠望谷 微標科技 廈門信達 |
NFC | NFC作為高頻RFID的一種，已基本成為智能手機的標配。不過，NFC有其局限性，例如傳輸距離短、對專用讀寫器的依賴度高等，應用的場景相對有限。 | 規(guī)模應用 | 啟緯智芯 |
藍牙 | 無源藍牙低功耗傳感器標簽無需供電，也可完成感知、存儲和通信，該標簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并借助這些能量發(fā)送標簽唯一標識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。 | 應用探索 | Wiliot Atmosic |
Wi-Fi | 美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員在2016年研發(fā)出一種全新的名為Passive Wi-Fi的技術，設計原理類似RFID芯片，利用射頻信號的后向反射通信技術，當附近Wi-Fi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。 Passive Wi-Fi無源節(jié)點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，僅正常Wi-Fi節(jié)點電量消耗的萬分之一。且能實現(xiàn)30米回傳，并有一定的穿墻能力。 | 研究階段 | - |
5G | 2021年華為提出面向5.5G的無源物聯(lián)網(wǎng)設想，希望將無源物聯(lián)網(wǎng)納入5G網(wǎng)絡體系。通過5G蜂窩網(wǎng)絡支持無源物聯(lián)，一個難點是無源終端節(jié)點如何獲取能量，另一個難點在于如何實現(xiàn)長距離回傳，尤其后者的難度更大。無源終端通過各種方式獲得的能量非常微弱，回傳路徑過長，信號會快速衰減。目前在實驗室階段最先進的技術已經(jīng)可以做到在180米范圍內，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。 | 研究階段 | 華為 |
Lora | 2021年日本村田公司與Nowi公司合作推出無電池LoRa方案參考平臺，使用村田的LoRa模塊和Nowi的能量采集電源管理（PMIC）芯片供給能量。這類無源方案大多由模組廠商和能源芯片企業(yè)合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，采用線性擴頻技術提升回傳能力，借助反射調制系統(tǒng)實現(xiàn)永久供能。 | 研究階段 | 村田公司 Nowi公司 |
低功耗計算技術
無源物聯(lián)網(wǎng)終端運行時可利用的能量有限，這決定了驅動電路或芯片用于計算的功耗需求不能過高。因此，選擇低功耗芯片，同時配合簡單編碼和調制，完成簡化的低壓驅動電路設計，以及低功耗接收機等，是實現(xiàn)低功耗運行的關鍵和挑戰(zhàn)。
低功耗芯片一般包括MCU和傳感器等。隨著半導體技術的進步，終端芯片功耗已實現(xiàn)降低到μW級甚至更低的nW級，例如，目前應用成熟的低功耗計算MCU芯片的功耗即已在μW級別，這為無源物聯(lián)網(wǎng)的技術發(fā)展和應用探索奠定了堅實基礎。
簡單編碼和調制可以在很大程度降低通信的計算功耗，這要求相應的電路設計采取盡可能簡化的原則。
低功耗接收機降低了相應組建/終端節(jié)點設備的復雜度，將大大有益于實現(xiàn)簡單的調制/解碼功能，從而降低功耗。
因當前能量采集技術的發(fā)展水平限制，無源物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的傳輸往往以低耗能的近距離、低速率通信技術為主。在傳輸方式上，相比需要耗費更多能量主動生成信號，無源物聯(lián)網(wǎng)終端更多依靠反向散射方式，對接收到的射頻信號進行反射以傳輸數(shù)據(jù)。
反向散射技術是一種無需有源發(fā)射機而實現(xiàn)信號傳輸與編碼的無線技術。類似于雷達原理，電磁波在到達物體表面時有一部分會被反射，被反射信號的強弱取決于此物體的形狀、材質與距離，從雷達的角度講，每個物體都有其雷達截面（RCS，Radar Cross-Section），標簽（tag）通過改變其RCS實現(xiàn)對反射信號的調制。反向散射發(fā)射機調制接收到的射頻信號以傳輸數(shù)據(jù)，而無須自己生成射頻信號。不過，傳統(tǒng)反向散射技術受限于傳輸距離短、對專用讀寫器依賴度高、存在較強的系統(tǒng)自干擾和互干擾、被動性操作導致自動化管理難等問題，目前應用較為成熟的路線僅限于RFID和NFC兩類。
展望未來，環(huán)境反向散射通信（Ambient Backscatter Communication，AmBC）有望成為使能低功耗通信的一項更有前途的技術。它可以有效地解決傳統(tǒng)反向散射通信系統(tǒng)中的上述局限性，從而使AmBC技術在實際應用中得到更廣泛采用。在環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)中，反向散射設備可以通過利用從環(huán)境射頻源（例如電視塔、FM塔、蜂窩基站和Wi-Fi AP等）發(fā)出的無線信號來相互通信。同時，進一步通過分離載波發(fā)射器和反向散射接收器，反向散射設備的射頻組件數(shù)量可以被最小化，且設備可以主動運行，即反向散射發(fā)射器可以從射頻源采集到足夠能量時，無需接收機啟動即可發(fā)送數(shù)據(jù)。
