導 讀：所謂無源物聯網，就是沒有(you)“源”的物聯網，這個“源”指的是電源、能量源。
都說這是(shi)一(yi)個萬物互聯時代，這些終端(duan)“上線(xian)”、“聊(liao)天”便不是(shi)難題，但真的世(shi)間萬物都能接入網絡嗎(ma)?
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，目前沒有資格申請加入群(qun)聊。
這是為什么?
我們(men)(men)知道(dao)，每一個在線的(de)物件，必須要有電(dian)力的(de)支(zhi)持才能支(zhi)撐它們(men)(men)完成(cheng)“群聊(liao)”(數(shu)據(ju)的(de)采集、傳輸(shu)及計算(suan)等)的(de)過程。
如今，隨著無源物聯網技術的發(fa)展讓這(zhe)類物(wu)件加(jia)入網(wang)絡(luo)世界(jie)變成可能。
什么是無源物聯網?
所謂無源物聯網，就是沒有“源”的物聯網，這個“源”指的是電源、能量源。
現在備受關注的“無源物聯網”，本質上是終(zhong)端節(jie)點無源，它們不帶電源線、沒有內置電池，而是從環境中獲取能源，比(bi)如，基于無(wu)(wu)線(xian)電磁(ci)能(neng)量(liang)捕捉技術的(de)物聯網，無(wu)(wu)源物聯網終(zhong)端(duan)通過(guo)采集(ji)網絡側(ce)發射過(guo)來的(de)無(wu)(wu)線(xian)電波，捕捉和(he)收集(ji)能(neng)量(liang)，從而以完成數據的(de)采集(ji)、傳輸和(he)分布(bu)式(shi)計算。
事實(shi)上，無源(yuan)物(wu)聯網(wang)早(zao)幾年就(jiu)已經被提出。從現有的資料上看(kan)，最早(zao)可(ke)以追(zhui)溯到2014年，國家自然(ran)科學(xue)基(ji)金(jin)正(zheng)式啟動了(le)“無源(yuan)感(gan)知網(wang)絡基(ji)礎理論與關鍵(jian)技(ji)術”重點項(xiang)目，資助金(jin)額350萬元，希望在傳感(gan)方向(xiang)走出更(geng)新(xin)、更(geng)現實(shi)的道(dao)路。
只(zhi)是，早些年，很(hen)多(duo)人都覺得無源物(wu)聯網是無稽之談。那(nei)為什么現(xian)在就覺得有(you)可(ke)行性了呢?
因為隨著半導體技術的進步，終端芯片的功耗降低到mW級甚(shen)至更低，再加(jia)上能(neng)量轉換技術的不斷(duan)升級，才讓遠(yuan)距離(li)通信技術的能(neng)量捕獲和使用進入現實。
為什么需要無源物聯網?
現實生活中(zhong)，我們習慣了電的(de)存在，對有源(yuan)與(yu)無源(yuan)產品感受不到強烈的(de)區別。但是，對于(yu)(yu)每一個處于(yu)(yu)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)世界中(zhong)的(de)物(wu)(wu)件而言，電源(yuan)是不可或缺的(de)，它之于(yu)(yu)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)終(zhong)端(duan)就像(xiang)空氣(qi)、水之于(yu)(yu)人(ren)類。
人類可(ke)以不費吹灰之(zhi)力就擁有空氣，但是物聯網終端(duan)卻不一(yi)定能有電源。
一方面，由于成本制約或產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、需靈活移動等因素，導致許多應用終端電池更換困難或無法直接靠電池供電。
從物(wu)(wu)聯網(wang)連接發(fa)展的(de)趨勢(shi)來看，特(te)別當面對海(hai)量(liang)物(wu)(wu)件“上線”的(de)需求，必須要采用“無源”的(de)形式來實(shi)現(xian)，因而無源物(wu)(wu)聯網(wang)技術都將是(shi)一個主要推動力量(liang)。
關于無(wu)源(yuan)物聯網(wang)，其能(neng)量(liang)來源(yuan)可(ke)以(yi)是光、4G、5G信號等，甚(shen)至物體(ti)形變都(dou)能(neng)產生微能(neng)量(liang)從而被利用，因此(ci)無(wu)源(yuan)物聯網(wang)的實現方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)劃分為以(yi)下三種(zhong)：
第一種是采集太陽能供電；
第二種是按壓式發電；
第三種是無(wu)線電(dian)波能量(liang)轉(zhuan)換，通(tong)過采集周圍環(huan)境中的(de)RFID、NFC、藍(lan)牙、4G，5G、WiFi等無(wu)線電(dian)波能量(liang)，并將其(qi)轉(zhuan)換成(cheng)電(dian)能。這也是無(wu)源物(wu)聯(lian)網最(zui)受關注(zhu)的(de)方(fang)式(shi)，因(yin)為(wei)一(yi)個正常(chang)工作的(de)物(wu)聯(lian)網設(she)備要正常(chang)運作，除獲(huo)取(qu)工作能量(liang)之外，還需將數據通(tong)過無(wu)線電(dian)信號(hao)進行(xing)傳(chuan)輸。借(jie)助這種方(fang)式(shi)，無(wu)源物(wu)聯(lian)網終端既可(ke)以獲(huo)取(qu)能量(liang)，也可(ke)以傳(chuan)輸信號(hao)，同時成(cheng)本(ben)、尺寸等都可(ke)做到很低，一(yi)舉多得。
我們見過哪些無源物聯網應用?
幾年(nian)來，無源物(wu)聯(lian)網(wang)一(yi)直默(mo)默(mo)發展(zhan)，而(er)最近又(you)一(yi)次得到(dao)業(ye)界的關注(zhu)，被稱為是繼Cat.1之后(hou)，2021年(nian)的物(wu)聯(lian)網(wang)行業(ye)又(you)一(yi)個新的“風(feng)口”。
這與各類通信技(ji)術的快速發展(zhan)不無關系。如今，無源(yuan)物聯網(wang)進一步延伸，擴(kuo)展(zhan)基于(yu)藍(lan)牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信技(ji)術的無源(yuan)互聯。下(xia)圖中關于(yu)未(wei)來高中低(di)速物聯網(wang)連接(jie)需(xu)求的模型在業界是非常典(dian)型的模型。
我們知道，LPWAN的(de)(de)出現正式開啟了電池供(gong)電物(wu)聯(lian)網規模化發(fa)展的(de)(de)時(shi)代，解(jie)決了數百億連接規模的(de)(de)低功耗物(wu)聯(lian)網市場需求(qiu)，而(er)數千億無源(yuan)物(wu)聯(lian)網的(de)(de)痛點(dian)成為了接下來需要(yao)解(jie)決的(de)(de)問題。對于(yu)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網的(de)(de)關(guan)注也就隨之開始(shi)。于(yu)是，上圖的(de)(de)模型便發(fa)生了改變。
日常(chang)生(sheng)活中(zhong)，我(wo)們被各種無(wu)線電信(xin)號(hao)包圍著，通過這些信(xin)號(hao)所能收集的(de)能量雖然非常(chang)微量，但對于大量無(wu)源(yuan)物聯(lian)網節(jie)點的(de)工作(zuo)來說已經(jing)足(zu)夠，而且可借助(zhu)信(xin)號(hao)實現數據的(de)回傳。
可以說，無源物聯網(wang)技術(shu)正在拓展物聯網(wang)連接“金字(zi)塔(ta)”的底(di)座(zuo)。那(nei)么，在這(zhe)個(ge)物聯網(wang)連接金字(zi)塔(ta)的底(di)座(zuo)中，有(you)哪些(xie)應用呢?
基于RFID的無源物聯網
目前， RFID技術是我們最為熟悉、應用最廣泛的無源物聯網技術，其原理非常簡單。當RFID標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發出的射頻信號，產生感應電流，獲得能量。通過收集的這點能量，標簽發送信息，實現與閱讀器的通信。
目前(qian)，這種方案的無源物聯網產品出貨量(liang)已達到每年數百(bai)億(yi)的級別(bie)。NFC作(zuo)為高頻(pin)RFID的一種，該技(ji)術(shu)在智能手(shou)機中幾乎(hu)成為標配，也可(ke)視為是一個典型的無源物聯網技(ji)術(shu)應用(yong)。
基于藍牙的無源物聯網
無源藍牙低功耗傳感器標簽無需供電，也可完成感知、存儲和通信，該標簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并借助這些能量發送標簽唯一標識碼的數據以及傳感器讀數。一家名為Wiliot的初創公司(si)，其產(chan)品(pin)正是一款無源(yuan)藍牙低功耗傳感(gan)器標簽，因(yin)(yin)為不需要外加電池，因(yin)(yin)此該產(chan)品(pin)的尺寸僅(jin)是郵票大(da)小，能便捷地粘(zhan)貼(tie)在各種物品(pin)之上。
基于WiFi的無源物聯網
該方案的原理是利用射頻信號的后向反射通信技術，當附近WiFi路由器發射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯網節點吸收射頻信號并調制天線反射系數，將傳感器信息傳遞出去。
這(zhe)一技術早(zao)在2016年，美(mei)國華盛頓大學(xue)電(dian)子工程(cheng)學(xue)院的(de)研究(jiu)人員就(jiu)已研發出，稱(cheng)之為Passive WiFi。Passive WiFi無源節點傳輸(shu)1Mbps和11Mbps所(suo)消耗(hao)的(de)電(dian)量(liang)分別僅(jin)為14.5μW和59.2μW，能夠(gou)實現30米的(de)回傳距離，甚至有(you)一定(ding)的(de)穿墻能力。
基于LoRa的無源物聯網
2017年，美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員采用線性擴頻技術，提升無源標簽回傳能力，并與商用的LoRa設備兼容，形成基于LoRa的反射調制系統。在測(ce)試中，研究人(ren)員成(cheng)功地從射頻源(yuan)和(he)接收器(qi)之(zhi)間相隔475米的任(ren)何位(wei)置(zhi)可以實現無(wu)源(yuan)節點(dian)反射調制，成(cheng)功回(hui)傳傳感器(qi)信息(xi);將無(wu)源(yuan)節點(dian)與射頻源(yuan)位(wei)于同一位(wei)置(zhi)時，接收器(qi)最遠可達2.8公里。
基于5G的無源物聯網
通過5G蜂窩網絡支持無源物聯，一個難點是無源終端節點如何獲取能量，另一個難點在于如何實現長距離回傳，尤其是后者的難度更大。因為無源終端通過各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過長，信號會快速衰減。目前在實驗室階段最先進的技術，已經可以做到在180米的范圍內，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。
國內外無源物聯網的布局
目前，關于無源物聯(lian)網的(de)研(yan)究尚(shang)屬(shu)早期，來自于環境的(de)能量的(de)微弱及不穩定、節點(dian)中(zhong)能源獲取(qu)存的(de)隨機(ji)性等原(yuan)因，導致無源物聯(lian)網節點(dian)連接相對脆弱，難(nan)以保持持續連通(tong)，這些都制約了無源物聯(lian)網的(de)應(ying)用，盡管如此，國內外仍有一大批(pi)的(de)企業正(zheng)在努力(li)。
資訊來源(yuan)：物聯(lian)傳(chuan)媒(mei)
