導 讀：所謂無源物聯網，就是沒有“源”的物(wu)聯網，這個“源”指(zhi)的是電源、能(neng)量源。
都說這是一個萬(wan)物互聯(lian)時代，這些(xie)終端“上線”、“聊天”便(bian)不是難題，但真的世間萬(wan)物都能(neng)接入網絡嗎?
這顯然是不能的！快(kuai)遞(di)包裹、服裝等很多都有在線(xian)管理的需(xu)求，但它(ta)們，目前沒有資格申(shen)請(qing)加入群聊。
這是為什么?
我們知道，每一個(ge)在線的物件，必須要有電力的支持才能支撐它們完成“群聊(liao)”(數據的采集(ji)、傳輸及計算(suan)等)的過程。
如今，隨著無源物聯網技術的發展(zhan)讓這類物件加入網(wang)絡世(shi)界變成可能。
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”，本質上是終端節點無源，它們不帶電源線、沒有內置電池，而是從環境中獲取能源，比如，基(ji)于無(wu)線電磁能量捕(bu)捉技(ji)術的物(wu)聯(lian)網，無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)網終(zhong)端通過(guo)采(cai)集(ji)網絡側發射過(guo)來的無(wu)線電波，捕(bu)捉和收集(ji)能量，從而以完成數據的采(cai)集(ji)、傳輸(shu)和分布式計算。
事實上(shang)(shang)，無源物聯(lian)網早(zao)幾年(nian)就已經被提出。從現有的(de)(de)資料上(shang)(shang)看，最早(zao)可以追(zhui)溯到2014年(nian)，國家自然科學基金正式啟動了“無源感知(zhi)網絡基礎理(li)論與關鍵技術”重點(dian)項目，資助金額350萬元，希望在傳感方(fang)向走出更新、更現實的(de)(de)道路。
只是(shi)，早(zao)些年，很(hen)多人都覺(jue)得(de)無源物(wu)聯網是(shi)無稽之談。那(nei)為什(shen)么(me)現在就覺(jue)得(de)有可行性了呢?
因為隨著半導體技術的進步，終端芯片的(de)功(gong)耗降(jiang)低到(dao)mW級甚至更低，再加上能量(liang)轉(zhuan)換技術的(de)不(bu)斷升級，才讓(rang)遠距離通信技術的(de)能量(liang)捕獲和使(shi)用進入現實。
為什么需要無源物聯網?
現實生(sheng)活中(zhong)，我(wo)們(men)習慣了(le)電的(de)存在(zai)，對(dui)有源(yuan)與(yu)無源(yuan)產品(pin)感受不到強(qiang)烈的(de)區別。但(dan)是，對(dui)于每(mei)一個處于物(wu)聯(lian)網世界中(zhong)的(de)物(wu)件而言，電源(yuan)是不可或缺的(de)，它之于物(wu)聯(lian)網終端就像(xiang)空氣、水(shui)之于人(ren)類。
人類可(ke)以不費吹(chui)灰之力就擁(yong)有空(kong)氣，但是物(wu)聯網終端卻(que)不一定能(neng)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。
從物聯(lian)網連接發(fa)展的趨勢來看，特別當面對海量物件“上線”的需求，必須要采(cai)用“無源”的形式來實現，因而無源物聯(lian)網技術都(dou)將(jiang)是一個主要推(tui)動力(li)量。
關于無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)，其能(neng)(neng)量來源(yuan)可以是光(guang)、4G、5G信號(hao)等，甚至物(wu)體形變(bian)都能(neng)(neng)產生微(wei)能(neng)(neng)量從而(er)被利用，因(yin)此無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)的實現方式可以劃分為以下三種：
第一種是采集太陽能供電；
第二種是按壓式發電；
第三種是無線電波能量(liang)轉換，通過(guo)采集(ji)周圍環境中的(de)RFID、NFC、藍牙、4G，5G、WiFi等(deng)無線電波能量(liang)，并將(jiang)其轉換成電能。這也是無源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)最受關注的(de)方式，因為一個正常工作(zuo)的(de)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)設備要正常運(yun)作(zuo)，除獲取(qu)(qu)工作(zuo)能量(liang)之(zhi)外，還需將(jiang)數據通過(guo)無線電信號進行傳輸。借助這種方式，無源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)終端既可以獲取(qu)(qu)能量(liang)，也可以傳輸信號，同時成本、尺寸等(deng)都可做到很低，一舉多得。
我們見過哪些無源物聯網應用?
幾年(nian)來，無(wu)源物聯(lian)網一直默默發展，而最近又一次得到(dao)業(ye)界的(de)(de)(de)關注，被稱為(wei)是(shi)繼Cat.1之后，2021年(nian)的(de)(de)(de)物聯(lian)網行業(ye)又一個新的(de)(de)(de)“風口”。
這與各類通信(xin)技術的(de)(de)快速發展不無關系。如(ru)今，無源物(wu)聯網進一步延伸，擴展基于藍(lan)牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信(xin)技術的(de)(de)無源互聯。下圖中關于未來高中低(di)速物(wu)聯網連(lian)接需求的(de)(de)模型在業界(jie)是(shi)非常典(dian)型的(de)(de)模型。
我(wo)們知道，LPWAN的(de)(de)出現正式開(kai)啟了電池供(gong)電物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)規模化發(fa)(fa)展的(de)(de)時代，解(jie)決了數百億連接(jie)(jie)規模的(de)(de)低功(gong)耗(hao)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)市場需求(qiu)，而數千億無源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)(de)痛點(dian)成為了接(jie)(jie)下來(lai)需要(yao)解(jie)決的(de)(de)問題。對于無源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)(de)關注也就(jiu)隨之(zhi)開(kai)始(shi)。于是，上圖的(de)(de)模型便(bian)發(fa)(fa)生(sheng)了改(gai)變。
日常生活中，我們被各種無(wu)線電(dian)信(xin)號包圍著，通過(guo)這些(xie)信(xin)號所能收集的(de)能量雖然(ran)非(fei)常微量，但對于大量無(wu)源物聯網(wang)節點的(de)工(gong)作(zuo)來說已經足夠，而且可借助信(xin)號實現數據的(de)回傳(chuan)。
可(ke)以(yi)說(shuo)，無源物聯網技(ji)術(shu)正在(zai)拓展(zhan)物聯網連(lian)接“金(jin)字(zi)塔”的底座。那么(me)，在(zai)這個物聯網連(lian)接金(jin)字(zi)塔的底座中，有哪(na)些應用呢?
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，這種方(fang)案的(de)無源物聯網產品出貨量已達到每年數百億的(de)級別。NFC作(zuo)為(wei)高(gao)頻RFID的(de)一(yi)(yi)種，該技術在智能手機中(zhong)幾乎(hu)成(cheng)為(wei)標配，也可視為(wei)是一(yi)(yi)個典型的(de)無源物聯網技術應(ying)用。
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(de)初創公司，其產品正(zheng)是(shi)一款無源藍牙(ya)低功耗(hao)傳感器標簽，因為不需要外加電池(chi)，因此(ci)該產品的(de)尺寸僅(jin)是(shi)郵票大小(xiao)，能便(bian)捷地粘貼在各種物品之上(shang)。
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。
這一(yi)技術早在2016年，美國華盛頓大學電子(zi)工程學院的研(yan)(yan)究(jiu)人(ren)員就已研(yan)(yan)發(fa)出(chu)，稱之為Passive WiFi。Passive WiFi無源節點傳(chuan)輸(shu)1Mbps和(he)11Mbps所消(xiao)耗的電量分別僅(jin)為14.5μW和(he)59.2μW，能夠實現30米(mi)的回傳(chuan)距(ju)離，甚至(zhi)有一(yi)定(ding)的穿墻能力。
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。在測試中，研究人員成(cheng)功(gong)地從射頻源(yuan)和接收器之間相(xiang)隔475米(mi)的任何位置(zhi)(zhi)可(ke)(ke)以實現無源(yuan)節(jie)點(dian)反射調制，成(cheng)功(gong)回傳傳感器信息;將(jiang)無源(yuan)節(jie)點(dian)與射頻源(yuan)位于(yu)同一(yi)位置(zhi)(zhi)時(shi)，接收器最(zui)遠可(ke)(ke)達(da)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(guan)于無(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)研究尚屬(shu)早期，來自于環境的(de)能(neng)量的(de)微弱及(ji)不(bu)穩定(ding)、節點中能(neng)源獲(huo)取存(cun)的(de)隨機性等原因，導致無(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)節點連接相對(dui)脆弱，難以保持(chi)(chi)持(chi)(chi)續連通，這些都(dou)制約了無(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)應用，盡管如此，國內外仍有(you)一大批的(de)企業正在努力(li)。
資訊來源：物聯(lian)傳媒
