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)為僅需微瓦級別功(gong)耗的反向散射通(tong)信節點提供能(neng)(neng)量來(lai)源，也能(neng)(neng)夠(gou)在(zai)一定(ding)場景下為NB-IoT、LoRa等低功(gong)耗廣域網絡(luo)（LPWAN）終(zhong)端提供能(neng)(neng)量支持(chi)，讓此前依賴于(yu)電池(chi)工作的節點可以徹底擺脫電池(chi)，實(shi)現(xian)更長生命(ming)周期。
無源物聯網已成(cheng)為(wei)業界(jie)關注(zhu)的(de)一個(ge)熱點(dian)，隨著5G Advanced和6G研(yan)究和討(tao)論不斷深(shen)入，無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)也作為(wei)未來(lai)升級版5G和6G的(de)重點(dian)研(yan)究課題，并(bing)承載著蜂窩網(wang)(wang)絡支撐海量(liang)節點(dian)乃至千億級連(lian)接的(de)任務(wu)。對(dui)于無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)的(de)研(yan)究，重點(dian)集中在能(neng)量(liang)獲取、低功耗通信(xin)(xin)、低功耗計算、低功耗傳感等方向，其(qi)中前兩項是無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)的(de)重點(dian)，相應(ying)的(de)主流的(de)技術(shu)是環境能(neng)量(liang)采集和反(fan)向散射(she)通信(xin)(xin)技術(shu)。
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(rang)此(ci)前依賴(lai)于電池工作的節(jie)點可以(yi)徹底(di)擺脫(tuo)電池，實現更(geng)長生(sheng)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(zai)非(fei)蜂(feng)窩物聯(lian)網領域，最為(wei)典型的低(di)功(gong)耗廣域網絡(luo)技術LoRa也是近年來(lai)物聯(lian)網的熱點，支持(chi)了大量(liang)傳感(gan)器(qi)終端低(di)功(gong)耗接入；局域物聯(lian)領域也將降低(di)功(gong)耗作(zuo)為(wei)其核心(xin)技術路徑之一(yi)，如藍牙每推出一(yi)代新(xin)技術都會將低(di)功(gong)耗作(zuo)為(wei)其重要亮點，WiFi聯(lian)盟推出專門的低(di)功(gong)耗標準WiFi Halow來(lai)支持(chi)海量(liang)節點通過WiFi接入。
以上各類低功(gong)耗(hao)的(de)技術和標準(zhun)大大擴展了(le)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)連接的(de)范疇。近年來，物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)新增的(de)連接節(jie)點(dian)中(zhong)，采用低功(gong)耗(hao)技術的(de)連接占比最大，可以說(shuo)低功(gong)耗(hao)已成(cheng)為物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)連接的(de)絕對主(zhu)力。不過，現有低功(gong)耗(hao)技術支(zhi)持(chi)的(de)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)節(jie)點(dian)依然需要各種形式主(zhu)動供電，雖然大部分僅需普通電池或紐(niu)扣電池，但很(hen)多場(chang)景并不具(ju)備電池供電的(de)條件，或者場(chang)景生命(ming)周期大于電池壽命(ming)會產生較高維護成(cheng)本(ben)，這些是無(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)需要支(zhi)持(chi)的(de)場(chang)景。
目前大(da)規模商(shang)用的(de)低(di)功耗(hao)廣域網(wang)絡主要(yao)以NB-IoT、LoRa為代表，相(xiang)關節點通(tong)過電池驅(qu)動工作(zuo)。不過，業(ye)界已經(jing)開始(shi)探索對(dui)其(qi)無源化升級，通(tong)過環(huan)境能(neng)(neng)量采集技術，為NB-IoT、LoRa節點提供能(neng)(neng)量支持，做到免(mian)電池、免(mian)維(wei)護并永(yong)久(jiu)供能(neng)(neng)，在很(hen)多場景擴大(da)了NB-IoT、LoRa的(de)應用范圍和降(jiang)低(di)成本。
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)量收(shou)集(ji)(ji)供(gong)能(neng)為(wei)芯片和(he)模組長期供(gong)電，支持(chi)NB-IoT傳輸。Nowi是(shi)一(yi)家專注于(yu)能(neng)量采集(ji)(ji)管(guan)理的初創公司，核心技術為(wei)環境(jing)能(neng)源收(shou)集(ji)(ji)管(guan)理，其目標(biao)是(shi)為(wei)低功耗連接應用提(ti)供(gong)“一(yi)插永(yong)逸”（Plug & Forget）的供(gong)電方案。
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(he)作，推出自供電(dian)的(de)(de)LTE-M/NB-IoT解決(jue)方案(an)。該方案(an)采用e-peas的(de)(de)能(neng)(neng)量收集管(guan)理(li)IC和Sequans的(de)(de)Monarch LTE-M/NB-IoT芯(xin)片，e-peas的(de)(de)能(neng)(neng)量管(guan)理(li)IC將能(neng)(neng)量從光伏接收電(dian)量傳(chuan)輸(shu)到儲存組(zu)(zu)件，然后供給Sequans的(de)(de)LTE-M/NB-IoT組(zu)(zu)件工作。雙(shuang)方推出的(de)(de)示(shi)范(fan)套裝附帶(dai)一個小型的(de)(de)室內光伏電(dian)池單元，該電(dian)池單元可使用室內照明作為(wei)環境能(neng)(neng)量來源。
2021年4月，日本村田公司（Murata）與Nowi公司合作推出無電池LoRa方(fang)案參考(kao)(kao)平(ping)臺，該(gai)平(ping)臺使(shi)用村田的(de)LoRa模塊，由Nowi的(de)能量采集電源(yuan)管理(li)(li)(PMIC)芯(xin)片，該(gai)電源(yuan)管理(li)(li)芯(xin)片為Smtech的(de)LoRa收發器(qi)以及(ji)意法半導(dao)體的(de)MCU供給能量。在(zai)這一參考(kao)(kao)平(ping)臺下，一些場景(jing)可以大范圍部署無電池的(de)低功耗廣(guang)域網絡節點。
在今年的MWC期間，村田公司、德國電信以及Nowi公司合作推出(chu)了“能(neng)源(yuan)自主蜂(feng)窩物聯網開(kai)發(fa)解(jie)決方(fang)(fang)案(an)(an)”，這(zhe)(zhe)一(yi)方(fang)(fang)案(an)(an)被稱為(wei)NB-IoT自主開(kai)發(fa)方(fang)(fang)案(an)(an)（Autonomous NB-IoT Development Solution，ANDS），號稱全球最小(xiao)的能(neng)源(yuan)采(cai)集NB-IoT模塊。在這(zhe)(zhe)一(yi)方(fang)(fang)案(an)(an)中，村田(tian)提(ti)供(gong)其小(xiao)尺(chi)寸(cun)的1YS NB-IoT模組，德國電信(xin)的nuSIM直接集成到(dao)村田(tian)公司的模組，Nowi提(ti)供(gong)其NH2能(neng)源(yuan)采(cai)集芯(xin)(xin)片，該芯(xin)(xin)片體(ti)積為(wei)3x3mm，可為(wei)解(jie)決方(fang)(fang)案(an)(an)提(ti)供(gong)永(yong)久(jiu)供(gong)能(neng)。這(zhe)(zhe)一(yi)方(fang)(fang)案(an)(an)涵蓋了無線通信(xin)、電源(yuan)管理和SIM管理。
筆者了解到，國內一家名為飛英思特的無源物聯網(wang)公司，也在和相關物聯網(wang)模組廠商合作，通過其微能管理模塊，為(wei)NB-IoT模組提供能源，支(zhi)持一些場景下(xia)NB-IoT免電池工作。
目前，NB-IoT、LoRa已經形(xing)成(cheng)上億級的(de)連接規模，廣泛分(fen)布于多個場(chang)景(jing)(jing)。若(ruo)無(wu)源化技術能夠成(cheng)熟，則會進一步擴(kuo)展NB-IoT、LoRa的(de)應用場(chang)景(jing)(jing)，為其(qi)打開(kai)新的(de)市場(chang)空間。
進一步破解NB-IoT、LoRa無源化的壁壘
目前(qian)，低(di)(di)功耗廣域網絡終端(duan)(duan)節點(dian)普(pu)遍采(cai)用(yong)電池供(gong)電來(lai)驅動(dong)其工作，基本滿足了(le)智(zhi)能(neng)(neng)水表(biao)、智(zhi)能(neng)(neng)燃氣表(biao)、智(zhi)能(neng)(neng)煙感、智(zhi)能(neng)(neng)追(zhui)蹤定位等場景終端(duan)(duan)生命周期供(gong)電的需(xu)求。不過，低(di)(di)功耗廣域網絡終端(duan)(duan)無(wu)源化依然有不少(shao)需(xu)求，在(zai)(zai)筆者(zhe)看來(lai)，這些需(xu)求主要表(biao)現在(zai)(zai)以下(xia)兩方面：
（1）NB-IoT、LoRa等技術比(bi)較適合部分場(chang)景(jing)對通信(xin)技術的(de)需求，但電(dian)池供(gong)電(dian)周期低于(yu)場(chang)景(jing)對終端節點(dian)生(sheng)命周期的(de)要(yao)求，由此產生(sheng)更換電(dian)池等維(wei)護成本；
（2）反向(xiang)散射(she)通信技術目前還(huan)處于商(shang)業化早期，其通信距離、吞吐量、安全性(xing)等各方面尚不完善，能夠應用的場景有限。
以NB-IoT為例，雖然NB-IoT相比(bi)LTE功(gong)(gong)耗(hao)大(da)幅下降(jiang)，而且引入了(le)eDRX和(he)PSM省電(dian)模式進一(yi)步降(jiang)低終(zhong)(zhong)端能(neng)耗(hao)來提(ti)升(sheng)電(dian)池(chi)使用(yong)時間，但在實(shi)際(ji)部署(shu)(shu)場(chang)景中，具體環境(jing)和(he)業(ye)務模型差別很大(da)，普通電(dian)池(chi)不一(yi)定能(neng)夠支持所宣稱的5-10年的周期，用(yong)更(geng)大(da)容量電(dian)池(chi)會造成成本提(ti)升(sheng)和(he)終(zhong)(zhong)端體積增大(da)，不利于(yu)終(zhong)(zhong)端快速部署(shu)(shu)。例如，針(zhen)對牛羊等牲畜的定位終(zhong)(zhong)端，尤其是對大(da)量牲畜群(qun)或(huo)者(zhe)散養牲畜，由(you)于(yu)環境(jing)復雜，定位終(zhong)(zhong)端功(gong)(gong)耗(hao)大(da)于(yu)理論功(gong)(gong)耗(hao)，往往需要在牲畜生長周期內重(zhong)新更(geng)換電(dian)池(chi)。
不過，NB-IoT、LoRa等技(ji)(ji)術是目(mu)前成(cheng)熟(shu)的大(da)連接、長距離物聯網通信(xin)(xin)技(ji)(ji)術，在(zai)這些(xie)場(chang)景(jing)中非常適合(he)支持感(gan)知(zhi)節點(dian)數據回傳。目(mu)前成(cheng)熟(shu)的反(fan)向散射通信(xin)(xin)技(ji)(ji)術的距離僅有10米級，傳輸速率也(ye)非常低，相關性(xing)能替(ti)代NB-IoT、LoRa技(ji)(ji)術，所以NB-IoT、LoRa依然是一些(xie)低功(gong)耗廣域場(chang)景(jing)的首(shou)選。此(ci)(ci)時就(jiu)需(xu)要采(cai)用免(mian)電池供(gong)電的技(ji)(ji)術，支持NB-IoT、LoRa終端(duan)節點(dian)更長時間、更低成(cheng)本運行(xing)，因此(ci)(ci)環境(jing)能量采(cai)集技(ji)(ji)術就(jiu)派上用場(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(ke)學院北京納米能源與(yu)系(xi)統研究所專家張小(xiao)涵等(deng)人在(zai)一篇學術論文中總結了(le)典(dian)型的(de)環境能量采集技術能夠(gou)獲取的(de)能量密度如下：
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(wei)通(tong)過太陽能(neng)、溫(wen)差、振動、射頻采集轉換形成(cheng)(cheng)的能(neng)量比(bi)較微弱且不穩(wen)定，需要能(neng)源(yuan)管理(li)相(xiang)關(guan)技術有效整(zheng)合起來，才能(neng)為(wei)節點(dian)供電或(huo)存(cun)儲到能(neng)量儲能(neng)單元(yuan)中形成(cheng)(cheng)連(lian)續(xu)供能(neng)。
目前，很多(duo)新興的(de)無源物(wu)聯網(wang)廠(chang)商(shang)都將能量管(guan)理作為(wei)其核心技術，不斷提升對(dui)采(cai)(cai)(cai)集的(de)微弱(ruo)能量管(guan)理的(de)效率，比如(ru)采(cai)(cai)(cai)用(yong)采(cai)(cai)(cai)用(yong)優(you)化(hua)的(de)最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking）算法等手段。筆者曾和飛英思(si)特(te)團隊交流，獲(huo)(huo)知其為(wei)了獲(huo)(huo)得較(jiao)好的(de)微能量管(guan)理效率，嘗試過(guo)數百種(zhong)組(zu)合，實現七(qi)種(zhong)模塊(kuai)組(zu)合的(de)低(di)功耗(hao)微能管(guan)理架(jia)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管理(li)技術(shu)和產品的(de)提(ti)升。當(dang)然，還(huan)有一(yi)個(ge)老生(sheng)常談的(de)因素就(jiu)是(shi)成本，當(dang)能量(liang)采集系列(lie)技術(shu)支撐(cheng)的(de)自供(gong)(gong)能方案能夠(gou)顯著低于現有電池供(gong)(gong)電的(de)方案，相(xiang)信在很多場(chang)(chang)景能夠(gou)得到NB-IoT、LoRa方案商的(de)青睞，也就(jiu)能大幅擴展(zhan)NB-IoT、LoRa的(de)市場(chang)(chang)空間(jian)。
