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無源物聯網的技術路線與應用場景
作者 | 摯物產(chan)業研究院2023-01-13

 無源物聯網三大底層技術

無源物聯網的(de)工(gong)作(zuo)主要依賴于環境能量采集、低功(gong)耗計算和低功(gong)耗通信(xin)三大底層技術(shu)。

環境能量采集技術

無源物聯網設備不依賴電池或布設電源線供電,而是通過捕捉環境中的能量,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境能量捕捉和使用成為現實。目前,從環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,無源物聯網應用中(zhong)較(jiao)具規模(mo)、成熟度較(jiao)高的環境能量采集(ji)方式主要為光能和無線電射(she)頻(pin)能量采集(ji)。

不同環境能量采集方式的特(te)點、優劣勢、主要應用場景(jing)如下:

無源(yuan)物聯(lian)網不(bu)同采能方式的發(fa)展(zhan)現(xian)狀(zhuang)、優劣勢及主要(yao)應用場景(jing)

能量采集方式

發展現狀

優劣勢

應用場景

光能采集

光能(neng)(neng)/太(tai)陽能(neng)(neng)采集(ji)是(shi)目前(qian)較為普遍、成(cheng)熟(shu)的(de)環境能(neng)(neng)量采集(ji)方式,其已成(cheng)為清潔能(neng)(neng)源(yuan)中規(gui)模最大(da)的(de)能(neng)(neng)量源(yuan)之一。

優點:

?    能(neng)量密度大

?    獲(huo)取難度低

?    產業鏈較成熟

缺點:

?    成本高

?    尺寸大

?    安裝維護成本高

?    受(shou)時間、天氣等諸多外界條件影響

?    交通路燈

?    環境監測

?    海上勘探

?    通信基站

?    太(tai)陽能停車場

?    光伏發(fa)電等

?    農業監測

?    智能家居

振動能量采集

振動能量采集在工業物聯網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生能量供采集。

優點:

?    振(zhen)動采(cai)集能量的3種(zhong)轉換方式都易(yi)于MEMS技術集成

?    壓電(dian)轉換無需(xu)驅動電(dian)源,機(ji)電(dian)轉換性能(neng)高、輸(shu)出電(dian)壓高、環境(jing)適應能(neng)力好、結(jie)構緊湊

?    磁電(dian)轉換無需額外的驅(qu)動電(dian)源與功能材料,且(qie)輸出電(dian)流大

?    靜電轉換(huan)無需功能(neng)材料(liao)且輸出(chu)電壓(ya)較高

缺點:

?    磁(ci)電轉換(huan)輸出(chu)電壓低磁(ci)體與線圈(quan)尺寸較大

?    靜(jing)電(dian)轉換需要(yao)外(wai)部電(dian)壓(ya)源,且產生電(dian)流低、電(dian)容氣隙小

?    智能可穿戴設備

?    開關

?    遙控器(qi)

?    工業生產

溫差轉換采集

部分可(ke)穿(chuan)戴及工業監測設備(bei)正探索使用溫(wen)(wen)差熱能(neng)收(shou)集技術,因為(wei)不(bu)斷散發熱量的(de)物(wu)體可(ke)作(zuo)(zuo)為(wei)熱的(de)一(yi)端(duan),環(huan)(huan)境則成為(wei)冷的(de)一(yi)端(duan),二者間(jian)的(de)溫(wen)(wen)差將產生能(neng)量。不(bu)過,物(wu)體體表(biao)溫(wen)(wen)度較(jiao)其外部環(huan)(huan)境溫(wen)(wen)度的(de)溫(wen)(wen)差并(bing)不(bu)會有較(jiao)大(da)差異,因而輸出電壓將較(jiao)小,難以支撐大(da)功率設備(bei)正常工作(zuo)(zuo),一(yi)般只能(neng)為(wei)低(di)功耗(hao)設備(bei)供能(neng)。

優點:

?    能量(liang)環境適用廣

?    能(neng)量獲取難(nan)度低

缺點:

?    能(neng)量密度(du)低

?    輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)小

?    限于低功(gong)耗設(she)備

?    低功耗設備

?    微型體積設(she)備

?    煙(yan)感防火

無線電射頻采集

無(wu)線電(dian)射頻(pin)(pin)采集(ji)(ji)能(neng)量(liang)的(de)來(lai)源廣泛,手機、移動通信(xin)基站、電(dian)視、電(dian)臺(tai)信(xin)號基站、Wi-Fi、微波(bo)爐等設備都可(ke)以發射射頻(pin)(pin)能(neng)量(liang)。目前通過射頻(pin)(pin)方式可(ke)采集(ji)(ji)到的(de)能(neng)量(liang)較少,更多應用于(yu)超(chao)低功(gong)耗傳感器(qi)。射頻(pin)(pin)能(neng)量(liang)采集(ji)(ji)技術(shu)如(ru)果(guo)得以進一步突破,可(ke)作為極佳的(de)能(neng)量(liang)采集(ji)(ji)方式。

優點:

?    電子設(she)備使用(yong)廣(guang)泛

?    射頻源豐富

?    可復(fu)用(yong)、小尺寸、易部(bu)署、低成(cheng)本

缺點:

?    能量密度(du)小

?    物流包裹

?    服(fu)裝零售

?    圖書管(guan)理

?    防偽追溯(su)

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不同的環(huan)境能(neng)量采集方式的技術原理(li)如下:

1.光能采(cai)集技(ji)術原理

光能采(cai)(cai)集(ji)(ji)的(de)(de)核心技術(shu)原(yuan)理是(shi)利用(yong)半導體材(cai)料(liao)的(de)(de)光電(dian)效應(ying),將光能直接轉變為電(dian)能。光能采(cai)(cai)集(ji)(ji)量和(he)利用(yong)效率(lv),主要取決(jue)于光伏材(cai)料(liao)性質、光照(zhao)強度及轉換(huan)效率(lv)。隨著光能采(cai)(cai)集(ji)(ji)技術(shu)發展,以及光伏材(cai)料(liao)研究的(de)(de)突破,光能采(cai)(cai)集(ji)(ji)和(he)轉化的(de)(de)效率(lv)已(yi)(yi)達到較高水平。目前,光能采(cai)(cai)集(ji)(ji)在(zai)物聯網傳感設備中已(yi)(yi)有若干應(ying)用(yong),如太陽(yang)能監控(kong)攝(she)像機等。

2.振動能量采集技術原理

通(tong)過(guo)振動(dong)收集到的(de)能(neng)(neng)量(liang)一般可以(yi)通(tong)過(guo)壓(ya)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)、靜電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)和磁(ci)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)3種方(fang)式(shi)進行能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)。其中,靜電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式(shi)可以(yi)通(tong)過(guo)靜電(dian)感應,將機械(xie)能(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)成電(dian)能(neng)(neng);壓(ya)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式(shi)在進行能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)時(shi),需(xu)要形成初始電(dian)壓(ya)差(cha)才能(neng)(neng)進行設備供電(dian)的(de)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan);磁(ci)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式(shi)則(ze)通(tong)過(guo)振動(dong)使導體切割(ge)磁(ci)感線產生(sheng)能(neng)(neng)量(liang)。目前(qian),具有較高能(neng)(neng)量(liang)密度(du)的(de)壓(ya)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)和磁(ci)電(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)應用較為(wei)廣泛(fan)。

振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)能(neng)(neng)量(liang)采集(ji)在工業和室(shi)(shi)內(nei)等(deng)場景(jing)下已有一定范圍的(de)應(ying)用(yong)。例如,工廠中的(de)電動(dong)(dong)(dong)機、變速箱、泵等(deng)設備的(de)工作過程中會(hui)產生(sheng)輕微振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong),通過壓電材料可以對這(zhe)些微動(dong)(dong)(dong)能(neng)(neng)量(liang)進行(xing)采集(ji)和儲(chu)存(cun),得到足(zu)以支撐低功耗傳感器(qi)運行(xing)的(de)能(neng)(neng)量(liang);在室(shi)(shi)內(nei)場景(jing)下,自供能(neng)(neng)開關、自供能(neng)(neng)門(men)鈴等(deng)無源產品通過按壓振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)結構可形成電磁切割現象從(cong)而產生(sheng)電能(neng)(neng),相(xiang)關能(neng)(neng)量(liang)可被實時采集(ji)和釋(shi)放,實現隨產隨用(yong)。

振(zhen)動能量采(cai)集(ji)方式技(ji)術原理(li)示(shi)意(yi)圖

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3.溫差能量采集技(ji)術原理

溫差能量(liang)(liang)采(cai)(cai)集(ji)主要是通過賽貝克(ke)效應原(yuan)理把熱(re)能轉(zhuan)換(huan)為電能,亦即,通過熱(re)電發生器中(zhong)的(de)溫差產(chan)生的(de)電勢,將熱(re)源(yuan)中(zhong)的(de)廢(fei)熱(re)轉(zhuan)換(huan)為電能。這種特性決定(ding)了溫差能量(liang)(liang)采(cai)(cai)集(ji)須具備(bei)(bei)穩定(ding)的(de)熱(re)源(yuan),還需要散熱(re)器來制造溫差并使熱(re)量(liang)(liang)在設(she)(she)備(bei)(bei)中(zhong)流動,從而(er)持續產(chan)生微電流。目前,溫差能量(liang)(liang)采(cai)(cai)集(ji)的(de)方(fang)式已在可穿戴設(she)(she)備(bei)(bei)、工業監測等領域有若干應用。

4.無(wu)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、數字芯片或(huo)傳感器件等,完成對反(fan)向散射(she)(she)信號的(de)調制和發射(she)(she),以及(ji)傳感信息(xi)的(de)采集與(yu)處理等。

需要(yao)注意的(de)是,無線發(fa)射(she)器和(he)(he)能(neng)量采集器分(fen)別通(tong)過自身(shen)的(de)天(tian)線發(fa)射(she)/接收(shou)信(xin)號(hao),因此(ci),須(xu)保證二者天(tian)線的(de)工作頻率與收(shou)發(fa)信(xin)號(hao)的(de)頻率相(xiang)同(tong)。同(tong)時(shi),空間距離(li)和(he)(he)采集到的(de)能(neng)量成反比(bi),因此(ci),無線發(fa)射(she)器和(he)(he)能(neng)量采集器的(de)空間距離(li)須(xu)在(zai)合乎要(yao)求的(de)范圍內(nei)。

射(she)頻(pin)(pin)能(neng)量(liang)在(zai)(zai)日常生活中廣泛存(cun)在(zai)(zai)。目前,基(ji)于RFID和NFC的射(she)頻(pin)(pin)能(neng)量(liang)采集(ji)技(ji)術已(yi)在(zai)(zai)公交(jiao)卡、ETC、工業設備(bei)監(jian)測、無(wu)線供電手持(chi)設備(bei)、可穿戴低功耗(hao)設備(bei)以(yi)及(ji)RFID標簽等(deng)領域(yu)有廣泛應用。基(ji)于Wi-Fi、藍牙以(yi)及(ji)蜂窩網絡等(deng)的射(she)頻(pin)(pin)能(neng)量(liang)采集(ji)技(ji)術相(xiang)對仍不成熟(shu),還處于小批量(liang)試應用探索或理論研究階段。

各類射頻能量(liang)采集技術發(fa)展概況

射頻(pin)能量采集技術(shu)路線

射頻技術簡介

技術成熟度

代表企業

RFID

RFID技術(shu)是應用最為最廣泛和成熟的(de)(de)(de)無源物(wu)聯(lian)網(wang)技術(shu)。其原理為是當RFID標(biao)簽靠近閱(yue)(yue)讀(du)器(qi)(qi)后,接收閱(yue)(yue)讀(du)器(qi)(qi)發出的(de)(de)(de)射頻信號(hao),產生感應電流,獲得能量(liang)。通過收集相(xiang)關微弱能量(liang),標(biao)簽發送信息,實(shi)現與閱(yue)(yue)讀(du)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)通信。目前,這種方(fang)案的(de)(de)(de)無源物(wu)聯(lian)網(wang)產品每年的(de)(de)(de)出貨量(liang)已(yi)達(da)數百億級別(bie)。

規模應用

遠望谷

微標科技

廈門信達

NFC

NFC作為(wei)高頻(pin)RFID的(de)一種,已基本成(cheng)為(wei)智能手機的(de)標配。不過,NFC有其局限(xian)性(xing),例如傳輸(shu)距離(li)短、對專(zhuan)用(yong)讀寫器(qi)的(de)依賴度高等,應用(yong)的(de)場景相對有限(xian)。

規模應用

啟緯智芯

藍牙

無(wu)(wu)源藍牙(ya)低功耗傳感(gan)器(qi)標(biao)簽(qian)無(wu)(wu)需供電,也可完成感(gan)知(zhi)、存儲和(he)通信(xin),該標(biao)簽(qian)通過收集周圍(wei)的無(wu)(wu)線(xian)射頻能(neng)量(liang)(liang)來為其供電,并(bing)借助(zhu)這(zhe)些(xie)能(neng)量(liang)(liang)發送標(biao)簽(qian)唯一標(biao)識碼的數據以及傳感(gan)器(qi)讀數。

應用探索

Wiliot

Atmosic

Wi-Fi

美國(guo)華盛(sheng)頓大(da)學電子(zi)工程(cheng)學院的(de)研(yan)究人員(yuan)在(zai)2016年研(yan)發出一種全新(xin)的(de)名為Passive   Wi-Fi的(de)技(ji)術,設計原理類(lei)似RFID芯片,利用(yong)射(she)(she)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)后向反射(she)(she)通信(xin)技(ji)術,當附近Wi-Fi路由器發射(she)(she)功率相(xiang)對較高的(de)射(she)(she)頻(pin)信(xin)號(hao)后,無源物聯網節(jie)點吸收射(she)(she)頻(pin)信(xin)號(hao)并調制天線反射(she)(she)系(xi)數,將傳感(gan)器信(xin)息傳遞出去。

Passive Wi-Fi無源節點(dian)傳輸1Mbps和11Mbps所消(xiao)耗的(de)(de)電(dian)量分別僅為14.5μW和59.2μW,僅正常Wi-Fi節點(dian)電(dian)量消(xiao)耗的(de)(de)萬分之一。且能實現30米回(hui)傳,并(bing)有(you)一定(ding)的(de)(de)穿(chuan)墻能力(li)。

研究階段

-

5G

2021年華為提出面向5.5G的無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian)網設想(xiang),希望將無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian)網納入5G網絡體系。通(tong)過5G蜂窩網絡支持無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian),一個難點(dian)(dian)是無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)終端節(jie)點(dian)(dian)如何獲取(qu)能(neng)量,另一個難點(dian)(dian)在(zai)于(yu)如何實(shi)現長距(ju)離(li)回傳(chuan),尤其后者的難度更大。無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)終端通(tong)過各種方(fang)式(shi)獲得(de)的能(neng)量非常微弱,回傳(chuan)路(lu)徑過長,信號會(hui)快速衰減。目前(qian)在(zai)實(shi)驗室階段最先進的技術已經可以(yi)做到在(zai)180米(mi)范圍內,收集特定頻段的5G射(she)頻能(neng)量,采集到約(yue)6μW的電(dian)力(li)。

研究階段

華為

Lora

2021年日本(ben)村田公司(si)與(yu)Nowi公司(si)合(he)作(zuo)推出無(wu)電(dian)池LoRa方案參(can)考平(ping)臺,使用村田的LoRa模(mo)塊和Nowi的能量采(cai)集電(dian)源(yuan)管(guan)理(PMIC)芯片供給能量。這類無(wu)源(yuan)方案大多由模(mo)組(zu)廠商和能源(yuan)芯片企業(ye)合(he)作(zuo),推出兼(jian)容LoRa/NB-IoT模(mo)組(zu)的模(mo)塊,采(cai)用線性(xing)擴頻(pin)技(ji)術提升回(hui)傳能力,借(jie)助反(fan)射(she)調制系統實現(xian)永久供能。

研究階段

村田公司

Nowi公司

來源:公開資料,摯物產業研究院整理

低功耗計算技術

無(wu)源(yuan)物聯網(wang)終端運行時可利用的(de)能(neng)量有限,這決定了(le)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)或芯片(pian)用于計算(suan)的(de)功(gong)耗需(xu)求不(bu)能(neng)過(guo)高(gao)。因此,選擇低功(gong)耗芯片(pian),同時配(pei)合(he)簡單編碼和調制,完成簡化的(de)低壓(ya)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)設計,以及低功(gong)耗接收(shou)機等,是實現(xian)低功(gong)耗運行的(de)關鍵和挑戰。

低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)芯片一般包(bao)括MCU和傳感(gan)器等。隨著半(ban)導體技術(shu)的進步,終端芯片功(gong)(gong)耗(hao)(hao)已實現降(jiang)低(di)到μW級甚(shen)至更低(di)的nW級,例如,目前應(ying)用成熟的低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)計算MCU芯片的功(gong)(gong)耗(hao)(hao)即(ji)已在μW級別,這(zhe)為無源物聯網的技術(shu)發展和應(ying)用探索奠(dian)定了堅實基礎。

簡(jian)單編碼和(he)調制可(ke)以在很大程(cheng)度降低通信(xin)的(de)計算(suan)功耗,這要求相應的(de)電路設計采(cai)取盡可(ke)能(neng)簡(jian)化的(de)原則。

低功(gong)耗接收機降(jiang)低了相應(ying)組建/終(zhong)端(duan)節點設備的(de)復(fu)雜度,將大大有益于(yu)實現簡(jian)單(dan)的(de)調制/解碼功(gong)能,從(cong)而降(jiang)低功(gong)耗。

低功耗通信技術

因當前能量(liang)采(cai)集技(ji)(ji)術的發展水平限制(zhi),無源(yuan)物聯網終端數據的傳(chuan)輸(shu)往往以低耗能的近距離、低速率(lv)通信(xin)技(ji)(ji)術為(wei)主。在傳(chuan)輸(shu)方(fang)式上,相比需要耗費更多能量(liang)主動生成(cheng)信(xin)號(hao),無源(yuan)物聯網終端更多依靠反向散射(she)方(fang)式,對接收到(dao)的射(she)頻信(xin)號(hao)進行反射(she)以傳(chuan)輸(shu)數據。

反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)(she)技術(shu)是一種無需(xu)有(you)(you)源(yuan)發(fa)射(she)(she)(she)機而(er)實(shi)(shi)現(xian)信(xin)(xin)號(hao)傳(chuan)輸與編碼的(de)(de)無線技術(shu)。類(lei)似于雷(lei)(lei)達原理,電磁波在(zai)(zai)到達物(wu)體表面(mian)時(shi)有(you)(you)一部(bu)分會被(bei)反(fan)(fan)射(she)(she)(she),被(bei)反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)強弱取決(jue)于此物(wu)體的(de)(de)形狀、材質與距(ju)離,從雷(lei)(lei)達的(de)(de)角度講,每個物(wu)體都有(you)(you)其(qi)雷(lei)(lei)達截面(mian)(RCS,Radar Cross-Section),標簽(tag)通(tong)過改變其(qi)RCS實(shi)(shi)現(xian)對(dui)反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)調制(zhi)(zhi)。反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)(she)發(fa)射(she)(she)(she)機調制(zhi)(zhi)接收到的(de)(de)射(she)(she)(she)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)以(yi)傳(chuan)輸數據,而(er)無須(xu)自己生成射(she)(she)(she)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)。不過,傳(chuan)統(tong)反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)(she)(she)技術(shu)受限于傳(chuan)輸距(ju)離短、對(dui)專用讀(du)寫器依賴度高(gao)、存在(zai)(zai)較(jiao)強的(de)(de)系統(tong)自干(gan)擾(rao)和(he)互干(gan)擾(rao)、被(bei)動性(xing)操作導(dao)致自動化管(guan)理難(nan)等問題,目前應用較(jiao)為成熟的(de)(de)路線僅限于RFID和(he)NFC兩類(lei)。

展望(wang)(wang)未來,環境反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)(Ambient Backscatter Communication,AmBC)有(you)望(wang)(wang)成為使能低功(gong)耗通(tong)信(xin)(xin)的一(yi)項更(geng)有(you)前途(tu)的技(ji)術。它(ta)可(ke)以(yi)(yi)有(you)效地解決傳統反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)系統中的上(shang)述局限(xian)性,從而使AmBC技(ji)術在(zai)實際應(ying)用中得到(dao)更(geng)廣泛采用。在(zai)環境反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)通(tong)信(xin)(xin)系統中,反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)設(she)(she)備可(ke)以(yi)(yi)通(tong)過利用從環境射(she)(she)頻(pin)源(例如電(dian)視塔、FM塔、蜂窩基站和(he)Wi-Fi AP等)發出的無線信(xin)(xin)號來相互通(tong)信(xin)(xin)。同時(shi),進一(yi)步通(tong)過分(fen)離載波發射(she)(she)器和(he)反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)接(jie)收(shou)器,反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)設(she)(she)備的射(she)(she)頻(pin)組件數量(liang)(liang)可(ke)以(yi)(yi)被最小化,且設(she)(she)備可(ke)以(yi)(yi)主動運行(xing),即反(fan)向(xiang)(xiang)散(san)射(she)(she)發射(she)(she)器可(ke)以(yi)(yi)從射(she)(she)頻(pin)源采集到(dao)足夠(gou)能量(liang)(liang)時(shi),無需(xu)接(jie)收(shou)機(ji)啟動即可(ke)發送數據。



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