隨著環境能量采集技術的進一步發展，無源物聯網技術不僅能(neng)(neng)夠(gou)為僅需微(wei)瓦級別功耗的反向散射通信(xin)節(jie)點提供能(neng)(neng)量來源，也(ye)能(neng)(neng)夠(gou)在一定場景下為NB-IoT、LoRa等(deng)低(di)功耗廣(guang)域(yu)網絡（LPWAN）終(zhong)端提供能(neng)(neng)量支持，讓此前依賴(lai)于電池工作的節(jie)點可(ke)以徹底擺脫電池，實現更長生命(ming)周(zhou)期。
無源物聯網已成為業界關注的(de)一個熱點(dian)(dian)，隨(sui)著(zhu)5G Advanced和6G研(yan)(yan)究(jiu)和討論不斷深入，無(wu)源物聯(lian)網(wang)(wang)也作為未來升級版5G和6G的(de)重點(dian)(dian)研(yan)(yan)究(jiu)課題，并承載著(zhu)蜂(feng)窩網(wang)(wang)絡支(zhi)撐海量(liang)節點(dian)(dian)乃至千億級連接的(de)任務。對于(yu)無(wu)源物聯(lian)網(wang)(wang)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，重點(dian)(dian)集(ji)中(zhong)在能(neng)(neng)量(liang)獲取、低功耗(hao)通信、低功耗(hao)計算(suan)、低功耗(hao)傳感等方向，其(qi)中(zhong)前兩項是無(wu)源物聯(lian)網(wang)(wang)的(de)重點(dian)(dian)，相應的(de)主流的(de)技(ji)術是環境能(neng)(neng)量(liang)采(cai)集(ji)和反向散射通信技(ji)術。
隨著環境能量采集技術的進一步發展，該技術不僅能夠為僅需微瓦級別功耗的反向散射通信節點提供能量來源，也能夠在一定場景下為NB-IoT、LoRa等低功耗廣域網絡（LPWAN）終端提供能量支持，讓此前依(yi)賴于(yu)電池(chi)工作的(de)節點可以徹底擺脫電池(chi)，實現(xian)更長生命周期。
低功耗是物聯網發展的一條主線
降低終端節點功耗一直是物聯網發展中的核心主題之一，過去十余年產生了多項技術創新，對降低物聯網節點功耗有明顯的作用，目前也已發展成為物聯網產業界最受關注的領域，可以說低功耗是物聯網發展的一條主路徑。
以蜂窩物聯網為例，早在2009年，3GPP在其R8版本標準中，就對低功耗的蜂窩物聯網接入終端定義了LTE Cat.1的標準，經過多年發展，Cat.1已成為蜂窩物聯網的主力之一；更吸引業界目光的NB-IoT在2016年推出首個標準，其最大的賣點也是進一步降低了功耗，在特定場景電池供電5-10年也能驅動其工作；近期，5G R17凍結在即，其中RedCap（縮減能力終端）備受關注，也是在很大程度上降低了5G物聯網終端的功耗。
在非蜂(feng)窩(wo)物聯(lian)網領(ling)域(yu)，最為(wei)(wei)典型的低(di)功耗(hao)廣域(yu)網絡技術LoRa也(ye)是近年(nian)來物聯(lian)網的熱點(dian)，支持了大量傳感器(qi)終端(duan)低(di)功耗(hao)接入；局域(yu)物聯(lian)領(ling)域(yu)也(ye)將降低(di)功耗(hao)作為(wei)(wei)其(qi)核(he)心技術路徑(jing)之一，如藍牙(ya)每推(tui)(tui)出一代新(xin)技術都會(hui)將低(di)功耗(hao)作為(wei)(wei)其(qi)重要(yao)亮點(dian)，WiFi聯(lian)盟推(tui)(tui)出專門的低(di)功耗(hao)標準(zhun)WiFi Halow來支持海量節點(dian)通過WiFi接入。
以(yi)上各類低(di)(di)功(gong)耗(hao)的技(ji)(ji)術和(he)標準大(da)(da)(da)(da)大(da)(da)(da)(da)擴展了(le)物聯網(wang)連接的范疇(chou)。近年來，物聯網(wang)新增的連接節點(dian)中，采(cai)用低(di)(di)功(gong)耗(hao)技(ji)(ji)術的連接占(zhan)比最大(da)(da)(da)(da)，可(ke)以(yi)說低(di)(di)功(gong)耗(hao)已成(cheng)為物聯網(wang)連接的絕對(dui)主力。不過，現有低(di)(di)功(gong)耗(hao)技(ji)(ji)術支持的物聯網(wang)節點(dian)依然需要各種形式主動供電，雖然大(da)(da)(da)(da)部分僅需普通電池或紐扣(kou)電池，但很多場(chang)景(jing)(jing)并不具(ju)備電池供電的條件，或者場(chang)景(jing)(jing)生命周期大(da)(da)(da)(da)于電池壽命會產(chan)生較(jiao)高維護成(cheng)本，這些是無源物聯網(wang)需要支持的場(chang)景(jing)(jing)。
目前大規模商用的低功耗廣域網絡主要(yao)以NB-IoT、LoRa為代表，相關(guan)節點(dian)通過電池驅動工(gong)作。不(bu)過，業界(jie)已(yi)經開始探(tan)索對其無源化(hua)升(sheng)級，通過環(huan)境(jing)能量(liang)采集技術(shu)，為NB-IoT、LoRa節點(dian)提供能量(liang)支持，做到免電池、免維護并(bing)永久供能，在很多場景擴大了(le)NB-IoT、LoRa的應用范圍(wei)和降低成本(ben)。
NB-IoT、LoRa無源化正在進行中
從公開資料看，針對NB-IoT、LoRa的無源化工作已經在探索中，也有小范圍落地，這方面主要集中在環境能量采集技術與NB-IoT、LoRa結合形成的自供能模塊，其中環境能量采集方案主要由一些初創型公司提供。
早在2019年，海思半導體就和荷蘭一家能源管理芯片公司Nowi合作，推出能源自給的NB-IoT平臺，并在2020年實現第二代升級。該平臺是基于海思的Hi2115 NB-IoT解決方案和Nowi的NH2能量收集電源管理芯片，通過能(neng)量(liang)收集(ji)(ji)供能(neng)為(wei)芯(xin)片和模組長期供電(dian)，支持NB-IoT傳(chuan)輸。Nowi是一家專注于能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)(ji)管理的(de)初創公司，核心(xin)技術為(wei)環境能(neng)源收集(ji)(ji)管理，其目標是為(wei)低(di)功耗連接(jie)應用提供“一插永逸(yi)”（Plug & Forget）的(de)供電(dian)方案。
2021年1月，比利時一家名為e-peas的半導體初創公司與蜂窩芯片廠商Sequans合作，推(tui)出(chu)自(zi)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)LTE-M/NB-IoT解決方案。該方案采(cai)用e-peas的(de)(de)能(neng)(neng)量收(shou)集(ji)管(guan)理IC和Sequans的(de)(de)Monarch LTE-M/NB-IoT芯片，e-peas的(de)(de)能(neng)(neng)量管(guan)理IC將能(neng)(neng)量從光伏接收(shou)電(dian)(dian)(dian)量傳輸(shu)到(dao)儲存組件，然后(hou)供(gong)(gong)給Sequans的(de)(de)LTE-M/NB-IoT組件工(gong)作。雙(shuang)方推(tui)出(chu)的(de)(de)示范套裝附帶一個小型的(de)(de)室(shi)內(nei)光伏電(dian)(dian)(dian)池單元，該電(dian)(dian)(dian)池單元可使用室(shi)內(nei)照明(ming)作為環(huan)境能(neng)(neng)量來源。
2021年4月，日本村田公司（Murata）與Nowi公司合作推出無電(dian)池LoRa方(fang)案參(can)考平(ping)臺，該平(ping)臺使用村田的LoRa模塊，由(you)Nowi的能量(liang)采集(ji)電(dian)源管(guan)理(PMIC)芯片，該電(dian)源管(guan)理芯片為Smtech的LoRa收發器以及意法(fa)半導體的MCU供給(gei)能量(liang)。在這一參(can)考平(ping)臺下(xia)，一些場(chang)景可以大范圍部署無電(dian)池的低功耗(hao)廣域(yu)網絡節點。
在今年的MWC期間，村田公司、德國電信以及Nowi公司合作推出了(le)(le)“能源(yuan)自主蜂窩物聯(lian)網開(kai)發解(jie)決(jue)方(fang)案(an)(an)”，這一(yi)(yi)方(fang)案(an)(an)被稱為NB-IoT自主開(kai)發方(fang)案(an)(an)（Autonomous NB-IoT Development Solution，ANDS），號稱全球最小(xiao)的(de)能源(yuan)采(cai)集(ji)NB-IoT模(mo)塊(kuai)。在這一(yi)(yi)方(fang)案(an)(an)中，村(cun)田提供其小(xiao)尺寸(cun)的(de)1YS NB-IoT模(mo)組，德國電信(xin)的(de)nuSIM直(zhi)接集(ji)成到村(cun)田公司的(de)模(mo)組，Nowi提供其NH2能源(yuan)采(cai)集(ji)芯(xin)片，該芯(xin)片體積為3x3mm，可為解(jie)決(jue)方(fang)案(an)(an)提供永久供能。這一(yi)(yi)方(fang)案(an)(an)涵蓋了(le)(le)無(wu)線通信(xin)、電源(yuan)管(guan)(guan)理和(he)SIM管(guan)(guan)理。
筆者了解到，國內一家名為飛英思特的(de)無(wu)源(yuan)物聯網(wang)公(gong)司，也在和相關物聯網(wang)模組(zu)廠商合作，通過其微能管理(li)模塊，為NB-IoT模組(zu)提(ti)供(gong)能源(yuan)，支持一些場景下NB-IoT免電池工作。
目前(qian)，NB-IoT、LoRa已經形成(cheng)上億(yi)級的(de)連接規模，廣泛分(fen)布(bu)于多個場景(jing)。若(ruo)無源化(hua)技(ji)術能夠成(cheng)熟(shu)，則會進一(yi)步擴展NB-IoT、LoRa的(de)應用場景(jing)，為其打開(kai)新(xin)的(de)市(shi)場空間。
進一步破解NB-IoT、LoRa無源化的壁壘
目前，低功耗廣域網絡終端節(jie)點普遍采用電(dian)池供電(dian)來驅動其(qi)工作，基(ji)本滿足了智(zhi)能(neng)(neng)水表、智(zhi)能(neng)(neng)燃(ran)氣表、智(zhi)能(neng)(neng)煙感、智(zhi)能(neng)(neng)追蹤定位等場景終端生命(ming)周期供電(dian)的需(xu)求。不(bu)過，低功耗廣域網絡終端無源化依然有不(bu)少(shao)需(xu)求，在筆者(zhe)看來，這些需(xu)求主要表現在以(yi)下兩方面：
（1）NB-IoT、LoRa等技(ji)術(shu)比較適合部分場(chang)景(jing)對(dui)通信技(ji)術(shu)的需求(qiu)，但電(dian)(dian)池(chi)供電(dian)(dian)周期(qi)低于(yu)場(chang)景(jing)對(dui)終端節(jie)點生命(ming)周期(qi)的要求(qiu)，由(you)此產(chan)生更換電(dian)(dian)池(chi)等維護成(cheng)本；
（2）反(fan)向散射通(tong)信技(ji)術目前(qian)還處于商業(ye)化早期，其通(tong)信距離(li)、吞(tun)吐(tu)量(liang)、安全性等各方面尚不(bu)完善(shan)，能夠應(ying)用(yong)的場(chang)景有限。
以NB-IoT為例，雖然NB-IoT相比(bi)LTE功耗(hao)大(da)(da)幅(fu)下降(jiang)，而(er)且引入了eDRX和(he)PSM省電模式進一(yi)步降(jiang)低終(zhong)端能耗(hao)來提(ti)升電池(chi)(chi)使用(yong)時間，但(dan)在實際(ji)部署場景中(zhong)，具體(ti)(ti)環(huan)境(jing)和(he)業務(wu)模型差別很大(da)(da)，普(pu)通電池(chi)(chi)不一(yi)定(ding)能夠支持所宣稱的5-10年的周(zhou)期，用(yong)更大(da)(da)容量電池(chi)(chi)會造(zao)成成本提(ti)升和(he)終(zhong)端體(ti)(ti)積增大(da)(da)，不利于(yu)(yu)終(zhong)端快速部署。例如(ru)，針對牛羊等牲(sheng)畜(chu)的定(ding)位(wei)終(zhong)端，尤其是對大(da)(da)量牲(sheng)畜(chu)群或(huo)者散養牲(sheng)畜(chu)，由于(yu)(yu)環(huan)境(jing)復雜，定(ding)位(wei)終(zhong)端功耗(hao)大(da)(da)于(yu)(yu)理論功耗(hao)，往往需要在牲(sheng)畜(chu)生長周(zhou)期內(nei)重新更換電池(chi)(chi)。
不過(guo)，NB-IoT、LoRa等技術(shu)是目前成(cheng)(cheng)熟的大連接、長距離(li)物聯網通信技術(shu)，在這些(xie)場(chang)景中非常(chang)適合支持(chi)感知節(jie)點(dian)數據回傳。目前成(cheng)(cheng)熟的反向散(san)射通信技術(shu)的距離(li)僅有10米(mi)級，傳輸速率(lv)也非常(chang)低(di)，相(xiang)關性能替代NB-IoT、LoRa技術(shu)，所以NB-IoT、LoRa依然(ran)是一(yi)些(xie)低(di)功耗廣(guang)域場(chang)景的首選(xuan)。此時(shi)就(jiu)需要采(cai)用免(mian)電池供電的技術(shu)，支持(chi)NB-IoT、LoRa終端(duan)節(jie)點(dian)更長時(shi)間、更低(di)成(cheng)(cheng)本(ben)運行，因此環(huan)境能量采(cai)集技術(shu)就(jiu)派上(shang)用場(chang)。
筆者曾在《遠低于NB-IoT功耗，無源物聯網才是實現千億級IoT連接的“殺器”！》一文中對環境能量采集進行總結，這一技術可以驅動物聯網終端節點擺脫電池困擾，實現長期供能。不過，環境能量采集技術對于NB-IoT、LoRa節點的支持面臨巨大的挑戰，集中體現在環境能量采集技術獲取的能量非常微弱，需要通過大量技術優化才能滿足NB-IoT、LoRa節點通信需求。
中國科學院北京納米(mi)能源與系統研究所專家張(zhang)小(xiao)涵等人在一(yi)篇學術(shu)論文(wen)中總結了典型的(de)環境能量(liang)(liang)采集技術(shu)能夠獲取的(de)能量(liang)(liang)密度如下：
可以看出，典型的環境能量采集技術如太陽能、溫差能、射頻能、振動能等所能獲取的能量密度大部分在微瓦級別，而NB-IoT、LoRa的模組的發射和接收功率都在毫瓦級別，尤其是發送數據的最大功率達到數百毫瓦。環境能量采集獲取的能量微弱性、隨機性使其驅動NB-IoT、LoRa模組工作面臨巨大挑戰。
因此，環境能量采集技術并非僅僅聚焦于能量采集，采集后對其微弱能量的管理、存儲等也非常重要，尤其是能量管理異常重要，因為通(tong)過(guo)太陽能(neng)(neng)、溫(wen)差、振動(dong)、射頻采(cai)集轉(zhuan)換形(xing)成的能(neng)(neng)量比較微(wei)弱且不穩定(ding)，需要(yao)能(neng)(neng)源(yuan)管理相關技術有效整合(he)起來，才能(neng)(neng)為節點供(gong)電或存(cun)儲到能(neng)(neng)量儲能(neng)(neng)單元中形(xing)成連續供(gong)能(neng)(neng)。
目前，很(hen)多新興的(de)(de)(de)無源物聯網廠商都將(jiang)能量管理(li)(li)作為其核心技術，不斷提升對采集的(de)(de)(de)微弱能量管理(li)(li)的(de)(de)(de)效(xiao)率，比如采用(yong)采用(yong)優化的(de)(de)(de)最大功率點跟(gen)蹤(zong)（Maximum Power Point Tracking）算法等手段。筆者曾和飛英思特團(tuan)隊交流，獲知其為了獲得較(jiao)好的(de)(de)(de)微能量管理(li)(li)效(xiao)率，嘗試過數百(bai)種組合，實現七種模塊組合的(de)(de)(de)低(di)功耗微能管理(li)(li)架構。
能量采集技術尤其是微能管理技術的進展，為NB-IoT、LoRa的無源化提供了解決方案。微能管理領域也吸引了大量廠商入局，除了新興的無源物聯網企業，一些傳統的半導體廠商如德州儀器、安美森等也非常重視微能(neng)(neng)管理技(ji)術和(he)產品的(de)(de)提升。當然，還有一個老生(sheng)常談(tan)的(de)(de)因素就是(shi)成本，當能(neng)(neng)量采集系列(lie)技(ji)術支撐的(de)(de)自供能(neng)(neng)方(fang)(fang)案能(neng)(neng)夠顯著低于(yu)現有電(dian)池(chi)供電(dian)的(de)(de)方(fang)(fang)案，相信在很多場景能(neng)(neng)夠得到NB-IoT、LoRa方(fang)(fang)案商的(de)(de)青(qing)睞，也就能(neng)(neng)大幅擴(kuo)展(zhan)NB-IoT、LoRa的(de)(de)市場空間。
