導(dǎo) 讀：所謂無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，就是沒(méi)有“源”的物聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)“源”指的是電源、能量源。
都說(shuō)這是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，這些終端“上線”、“聊天”便不是難題，但真的世間萬(wàn)物都能接入網(wǎng)絡(luò)嗎?
這顯然是不能的！快遞包裹、服裝等很多都有在線管理的需求，但它們，目前沒(méi)有資格申請(qǐng)加入群聊。
這是為什么?
我們知道，每一個(gè)在線的物件，必須要有電力的支持才能支撐它們完成“群聊”(數(shù)據(jù)的采集、傳輸及計(jì)算等)的過(guò)程。
如今，隨著無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓這類物件加入網(wǎng)絡(luò)世界變成可能。
什么是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)?
所謂無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，就是沒(méi)有“源”的物聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)“源”指的是電源、能量源。
現(xiàn)在備受關(guān)注的“無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)”，本質(zhì)上是終端節(jié)點(diǎn)無(wú)源，它們不帶電源線、沒(méi)有內(nèi)置電池，而是從環(huán)境中獲取能源，比如，基于無(wú)線電磁能量捕捉技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)采集網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)射過(guò)來(lái)的無(wú)線電波，捕捉和收集能量，從而以完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分布式計(jì)算。
事實(shí)上，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)早幾年就已經(jīng)被提出。從現(xiàn)有的資料上看，最早可以追溯到2014年，國(guó)家自然科學(xué)基金正式啟動(dòng)了“無(wú)源感知網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”重點(diǎn)項(xiàng)目，資助金額350萬(wàn)元，希望在傳感方向走出更新、更現(xiàn)實(shí)的道路。
只是，早些年，很多人都覺(jué)得無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)是無(wú)稽之談。那為什么現(xiàn)在就覺(jué)得有可行性了呢?
因?yàn)殡S著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，終端芯片的功耗降低到mW級(jí)甚至更低，再加上能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷升級(jí)，才讓遠(yuǎn)距離通信技術(shù)的能量捕獲和使用進(jìn)入現(xiàn)實(shí)。
為什么需要無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)?
現(xiàn)實(shí)生活中，我們習(xí)慣了電的存在，對(duì)有源與無(wú)源產(chǎn)品感受不到強(qiáng)烈的區(qū)別。但是，對(duì)于每一個(gè)處于物聯(lián)網(wǎng)世界中的物件而言，電源是不可或缺的，它之于物聯(lián)網(wǎng)終端就像空氣、水之于人類。
人類可以不費(fèi)吹灰之力就擁有空氣，但是物聯(lián)網(wǎng)終端卻不一定能有電源。
一方面，由于成本制約或產(chǎn)品體積等原因使得物件本身不具備電池供電的條件。
另一方面，有上線需求的物件受限于其分布廣泛、需靈活移動(dòng)等因素，導(dǎo)致許多應(yīng)用終端電池更換困難或無(wú)法直接靠電池供電。
從物聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，特別當(dāng)面對(duì)海量物件“上線”的需求，必須要采用“無(wú)源”的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都將是一個(gè)主要推動(dòng)力量。
關(guān)于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，其能量來(lái)源可以是光、4G、5G信號(hào)等，甚至物體形變都能產(chǎn)生微能量從而被利用，因此無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方式可以劃分為以下三種：
第一種是采集太陽(yáng)能供電；
第二種是按壓式發(fā)電；
第三種是無(wú)線電波能量轉(zhuǎn)換，通過(guò)采集周圍環(huán)境中的RFID、NFC、藍(lán)牙、4G，5G、WiFi等無(wú)線電波能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能。這也是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最受關(guān)注的方式，因?yàn)橐粋€(gè)正常工作的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要正常運(yùn)作，除獲取工作能量之外，還需將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行傳輸。借助這種方式，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端既可以獲取能量，也可以傳輸信號(hào)，同時(shí)成本、尺寸等都可做到很低，一舉多得。
我們見(jiàn)過(guò)哪些無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?
幾年來(lái)，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)一直默默發(fā)展，而最近又一次得到業(yè)界的關(guān)注，被稱為是繼Cat.1之后，2021年的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)又一個(gè)新的“風(fēng)口”。
這與各類通信技術(shù)的快速發(fā)展不無(wú)關(guān)系。如今，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步延伸，擴(kuò)展基于藍(lán)牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信技術(shù)的無(wú)源互聯(lián)。下圖中關(guān)于未來(lái)高中低速物聯(lián)網(wǎng)連接需求的模型在業(yè)界是非常典型的模型。
我們知道，LPWAN的出現(xiàn)正式開(kāi)啟了電池供電物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展的時(shí)代，解決了數(shù)百億連接規(guī)模的低功耗物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)需求，而數(shù)千億無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的痛點(diǎn)成為了接下來(lái)需要解決的問(wèn)題。對(duì)于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注也就隨之開(kāi)始。于是，上圖的模型便發(fā)生了改變。
日常生活中，我們被各種無(wú)線電信號(hào)包圍著，通過(guò)這些信號(hào)所能收集的能量雖然非常微量，但對(duì)于大量無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的工作來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，而且可借助信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳。
可以說(shuō)，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在拓展物聯(lián)網(wǎng)連接“金字塔”的底座。那么，在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接金字塔的底座中，有哪些應(yīng)用呢?
基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)
目前， RFID技術(shù)是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其原理非常簡(jiǎn)單。當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過(guò)收集的這點(diǎn)能量，標(biāo)簽發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信。
目前，這種方案的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品出貨量已達(dá)到每年數(shù)百億的級(jí)別。NFC作為高頻RFID的一種，該技術(shù)在智能手機(jī)中幾乎成為標(biāo)配，也可視為是一個(gè)典型的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。
基于藍(lán)牙的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)
無(wú)源藍(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽無(wú)需供電，也可完成感知、存儲(chǔ)和通信，該標(biāo)簽通過(guò)收集周圍的無(wú)線射頻能量來(lái)為其供電，并借助這些能量發(fā)送標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。一家名為Wiliot的初創(chuàng)公司，其產(chǎn)品正是一款無(wú)源藍(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽，因?yàn)椴恍枰饧与姵?，因此該產(chǎn)品的尺寸僅是郵票大小，能便捷地粘貼在各種物品之上。
基于WiFi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)
該方案的原理是利用射頻信號(hào)的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。
這一技術(shù)早在2016年，美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員就已研發(fā)出，稱之為Passive WiFi。Passive WiFi無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，能夠?qū)崿F(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。
基于LoRa的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)
2017年，美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員采用線性擴(kuò)頻技術(shù)，提升無(wú)源標(biāo)簽回傳能力，并與商用的LoRa設(shè)備兼容，形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。在測(cè)試中，研究人員成功地從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源節(jié)點(diǎn)反射調(diào)制，成功回傳傳感器信息;將無(wú)源節(jié)點(diǎn)與射頻源位于同一位置時(shí)，接收器最遠(yuǎn)可達(dá)2.8公里。
基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)
通過(guò)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無(wú)源物聯(lián)，一個(gè)難點(diǎn)是無(wú)源終端節(jié)點(diǎn)如何獲取能量，另一個(gè)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離回傳，尤其是后者的難度更大。因?yàn)闊o(wú)源終端通過(guò)各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)會(huì)快速衰減。目前在實(shí)驗(yàn)室階段最先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)可以做到在180米的范圍內(nèi)，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。
國(guó)內(nèi)外無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的布局
目前，關(guān)于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的研究尚屬早期，來(lái)自于環(huán)境的能量的微弱及不穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)中能源獲取存的隨機(jī)性等原因，導(dǎo)致無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接相對(duì)脆弱，難以保持持續(xù)連通，這些都制約了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，盡管如此，國(guó)內(nèi)外仍有一大批的企業(yè)正在努力。
資訊來(lái)源：物聯(lián)傳媒
