無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)作為一類(lèi)新的連接設(shè)備，可以通過(guò)周?chē)h(huán)境中的幾乎任何可用的能量來(lái)源收集能量，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供支持。這類(lèi)設(shè)備的背后是能量收集（Energy Harvesting）技術(shù)，近年來(lái)，一個(gè)由能量收集器件制造商組成的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，推動(dòng)了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增長(zhǎng)。近期，市場(chǎng)研究公司ABI Research發(fā)布報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030 年，在能量收集技術(shù)推動(dòng)下，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的出貨量將達(dá)到11億臺(tái)。
能量收集技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成
能量收集技術(shù)生態(tài)主要關(guān)注兩個(gè)方面，一是專(zhuān)注于能量轉(zhuǎn)化，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)環(huán)境能量更高效轉(zhuǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用的能源；另一個(gè)是專(zhuān)注于電源管理芯片（PMIC）的設(shè)計(jì)，致力于開(kāi)發(fā)能夠以最有效的方式將收集的能量通過(guò)一顆芯片進(jìn)行管理。
能量收集技術(shù)并非一個(gè)新事物，多年前已開(kāi)始了研發(fā)和商用，利用該技術(shù)，可以從周?chē)h(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化為電能，能量的來(lái)源可能包括多種途徑，如環(huán)境光、振動(dòng)、熱量或射頻等，捕捉的能量轉(zhuǎn)化成的電能雖然并不多，但對(duì)于一些超低功耗的節(jié)點(diǎn)完全足夠。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用，能量收集技術(shù)作為一種可持續(xù)的、綠色環(huán)保的供電方式，為傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集和傳輸提供解決方案。
目前，主要的能量收集方式包括：
（1）環(huán)境光能收集
光能收集是最為常見(jiàn)的能量收集方式，當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電已初具規(guī)模，為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)變化做出貢獻(xiàn)。當(dāng)然，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強(qiáng)度往往受到時(shí)間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽(yáng)光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導(dǎo)致光能收集的不可控性和不可持續(xù)性。不過(guò)，隨著光相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)問(wèn)題正在得到解決。一些相對(duì)固定的無(wú)線(xiàn)傳感器場(chǎng)景可以配備光能收集技術(shù)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。
（2）振動(dòng)能量收集
一般情況下通過(guò)振動(dòng)收集到的能量，可以通過(guò)以下3種方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換：壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式可以通過(guò)靜電感應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，需要形成初始電壓差，才能進(jìn)行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式，通過(guò)振動(dòng)使導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生能量。振動(dòng)能量收集應(yīng)用范圍比較廣，如物流、可穿戴設(shè)備等場(chǎng)景。
（3）熱能收集
熱能轉(zhuǎn)化，是基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，通過(guò)熱電發(fā)生器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。部分可穿戴設(shè)備探索使用熱能收集的技術(shù)，因?yàn)椴粩嗌l(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端，產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的值。不過(guò)，在很多情況下，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)，溫差并沒(méi)有那么大，而輸出電壓較小，將不足以支撐智能穿戴設(shè)備的正常使用，一般只能為部分低功耗可穿戴設(shè)備供能。
（4）射頻能量收集
射頻能收集的能量，不僅來(lái)源手機(jī)，還來(lái)源于移動(dòng)通信基站、電視、電臺(tái)信號(hào)基站、wifi、微波爐等。我們每天都被各種射頻信號(hào)包圍，可以隨時(shí)作為能量收集的來(lái)源，但射頻方式可收集到的能量很少，更多應(yīng)用于超低功耗傳感器。隨著射頻能量發(fā)射器用戶(hù)的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過(guò)使用最大功率點(diǎn)追蹤的方法，并通過(guò)提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應(yīng)用的場(chǎng)景不斷增長(zhǎng)。
各類(lèi)能量收集技術(shù)各有優(yōu)劣，隨著時(shí)間推移會(huì)形成相對(duì)穩(wěn)定的市場(chǎng)格局。ABI Research預(yù)測(cè)，到2030年環(huán)境光能量收集將成為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的最常用方法，占設(shè)備出貨量的57%，其次是射頻能量收集，占比為36%，而以壓電為代表的振動(dòng)能量收集和熱能收集預(yù)計(jì)占比分別為4%和3%。因此，未來(lái)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的能量收集技術(shù)將以環(huán)境光和射頻能量收集為主。
能量收集的產(chǎn)業(yè)生態(tài)也逐漸形成，ABI Research跟蹤了Wiliot、Exeger、Energous、Epishine、Powercast、EnOcean 和 Ossia等廠商，主要研究能量轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)，另外以e-peas和安世半導(dǎo)體為代表的電源管理芯片（PMIC）廠商，這些廠商為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新應(yīng)用開(kāi)辟新的應(yīng)用，以使用可靠的無(wú)電池系統(tǒng)，以及用于電池充電和能量收集組合的混合模型。
其中，電源管理芯片得到了成為業(yè)界關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，該產(chǎn)品目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“與能源無(wú)關(guān)”的電源管理，可以管理從任何能量收集的輸入中捕獲的能量，無(wú)論是環(huán)境光、射頻、壓電還是熱電收集，設(shè)備廠商采用芯片，可以根據(jù)設(shè)備附近環(huán)境能量輸入的性質(zhì)來(lái)選擇所需的輸入。
e-peas和安世半導(dǎo)體都擁有電源管理芯片的能力，其中安世半導(dǎo)體是中國(guó)廠商聞泰科技控股的廠商。2022年11月，安世半導(dǎo)體宣布收購(gòu)了荷蘭半導(dǎo)體公司Nowi，該公司成立于2016年，主要產(chǎn)品為能量采集提供電源管理芯片，其芯片可以對(duì)從環(huán)境收集到的微弱能量進(jìn)行有效管理，為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、電子標(biāo)簽、智能手環(huán)等場(chǎng)景提供能量支持。
無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展
當(dāng)前，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)得到業(yè)界高度重視。今年 2 月，包括英飛凌、英特爾、百事可樂(lè)和高通在內(nèi)的領(lǐng)先行業(yè)公司聯(lián)合成立了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（AIoTA）。該聯(lián)盟特別關(guān)注WiFi、藍(lán)牙和5G設(shè)備中的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)。其他創(chuàng)始單位還包括Atmosic、 VusionGroup以及知名無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)企業(yè)Wiliot。
Wiliot在去年10月宣布與英國(guó)皇家郵政合作，部署250萬(wàn)個(gè)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽，來(lái)提升皇家郵政包裹的處理效率。這些標(biāo)簽并不是粘貼在每一個(gè)包裹上，而是粘貼在皇家郵政的周轉(zhuǎn)籠上。周轉(zhuǎn)籠用于批量地將包裹從一個(gè)分檢地轉(zhuǎn)運(yùn)至另一個(gè)分檢地。目前，英國(guó)皇家郵政有85萬(wàn)個(gè)周轉(zhuǎn)籠，這意味著本次合作中，每個(gè)周轉(zhuǎn)籠將粘貼3個(gè)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽，做到冗余備份，保證Wiliot系統(tǒng)能對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)籠的持續(xù)訪(fǎng)問(wèn)。
3GPP也正在推進(jìn)相關(guān)工作將無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)納入5G R19和R20標(biāo)準(zhǔn)中。在R19規(guī)范中，3GPP SA1中啟動(dòng)了一項(xiàng)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的研究，以確定用例、流量場(chǎng)景、服務(wù)要求和 KPI，這項(xiàng)研究的結(jié)果記錄在TR 22.840 中；其他SA工作組也在研究無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的服務(wù)架構(gòu)、安全方面和充電方面。另外，RAN全體會(huì)議上也進(jìn)行了一項(xiàng)平行研究，以檢查無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)用例的設(shè)計(jì)目標(biāo)的可行性，這項(xiàng)研究的結(jié)果記錄在 TR 38.848 中。
其他陣營(yíng)也在推進(jìn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)工作，包括IEEE和藍(lán)牙SIG開(kāi)展的工作，LoRaWAN 和 Sigfox 社區(qū)也在做類(lèi)似的工作。
同時(shí)，無(wú)源物聯(lián)支持的智能標(biāo)簽也得到快速發(fā)展，這種用完可棄的標(biāo)簽采用可生物降解的材料，為綠色發(fā)展帶來(lái)解決方案。到2025年，預(yù)計(jì)每天有7800萬(wàn)塊電池被丟棄，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽的大規(guī)模采用，避免了電池供電對(duì)環(huán)境的污染。
