無源物聯網作為一類新的連接設備，可以通過周圍環境中的幾乎任何可用的能量來源收集能量，為物聯網設備提供支持。這類設備的背后是能量收集（Energy Harvesting）技術，近年來，一個由能量收集器件制造商組成的生態系統已經出現，推動了無源物聯網設(she)備(bei)的增長。近期，市場研究公司ABI Research發布報告(gao)預測，到(dao)2030 年(nian)，在能量收(shou)集技術推動下，無源物聯網設(she)備(bei)的出貨量將達到(dao)11億臺。
能量收集技術產業生態形成
能量收集技術生態主要關注兩個方面，一是專注于能量轉化，通過技術優化創新，實現環境能量更高效轉化為物聯網設備可用的能源；另一個是專注于電源管理芯片（PMIC）的設計，致力于開發(fa)能夠以最(zui)有(you)效的方式將收集的能量通(tong)過一顆芯片(pian)進行管理。
能(neng)(neng)量(liang)收集(ji)(ji)技(ji)術(shu)并非一個(ge)新事物(wu)，多(duo)(duo)年前已開始了(le)研(yan)發(fa)和商用，利(li)用該技(ji)術(shu)，可以從周(zhou)圍環境中捕(bu)獲能(neng)(neng)量(liang)并轉(zhuan)化(hua)為電(dian)能(neng)(neng)，能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)來源可能(neng)(neng)包(bao)括多(duo)(duo)種(zhong)途徑，如環境光、振動、熱量(liang)或射頻等(deng)，捕(bu)捉的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)化(hua)成的(de)(de)(de)電(dian)能(neng)(neng)雖(sui)然并不多(duo)(duo)，但(dan)對于一些超低功耗的(de)(de)(de)節點完全足夠(gou)。物(wu)聯(lian)網的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，使(shi)無線(xian)傳感網絡大(da)規模應用，能(neng)(neng)量(liang)收集(ji)(ji)技(ji)術(shu)作為一種(zhong)可持(chi)續(xu)的(de)(de)(de)、綠色環保的(de)(de)(de)供電(dian)方(fang)式，為傳感網絡數據收集(ji)(ji)和傳輸提供解決方(fang)案。
目前(qian)，主要的能量(liang)收集(ji)方(fang)式包括：
（1）環境光能收集
光(guang)(guang)能收(shou)集(ji)(ji)(ji)是(shi)最為常見的(de)(de)(de)能量(liang)收(shou)集(ji)(ji)(ji)方式，當前太(tai)陽(yang)能光(guang)(guang)伏發電已初具規模，為未來(lai)能源結構變化做出貢獻。當然(ran)，光(guang)(guang)能采集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)局限性(xing)也(ye)非常明(ming)顯(xian)，其收(shou)集(ji)(ji)(ji)能量(liang)的(de)(de)(de)強度(du)往往受到時間、天氣等諸多外界條件(jian)的(de)(de)(de)影響，在夜晚或者陰天等太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)照不足的(de)(de)(de)情況(kuang)下，收(shou)集(ji)(ji)(ji)到的(de)(de)(de)光(guang)(guang)能特別少(shao)，這將導致光(guang)(guang)能收(shou)集(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)不可(ke)(ke)控性(xing)和不可(ke)(ke)持續性(xing)。不過，隨著(zhu)光(guang)(guang)相(xiang)關儲能技術的(de)(de)(de)發展，相(xiang)應(ying)問(wen)題正在得到解決(jue)。一些相(xiang)對固定的(de)(de)(de)無線傳(chuan)感器場(chang)景可(ke)(ke)以(yi)配備光(guang)(guang)能收(shou)集(ji)(ji)(ji)技術，如環境監測場(chang)景。
（2）振動能量收集
一般情況下(xia)通(tong)過振動(dong)(dong)收集到的(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)通(tong)過以(yi)(yi)下(xia)3種方式進行能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)：壓電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)、靜電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)和(he)磁(ci)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)。其中，靜電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方式可(ke)(ke)以(yi)(yi)通(tong)過靜電(dian)(dian)(dian)感應(ying)，將機械能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)化成電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)；壓電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方式在進行能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)時，需要形(xing)成初始(shi)電(dian)(dian)(dian)壓差，才能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)進行設備供電(dian)(dian)(dian)的(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)；磁(ci)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方式，通(tong)過振動(dong)(dong)使(shi)導體切割磁(ci)感線產(chan)生能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)。振動(dong)(dong)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)收集應(ying)用(yong)范圍(wei)比(bi)較廣，如物流(liu)、可(ke)(ke)穿戴設備等場景。
（3）熱能收集
熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉化，是基于熱(re)電(dian)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)賽貝克效應，通過熱(re)電(dian)發(fa)生器，將(jiang)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉化為(wei)電(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)。部(bu)(bu)分可穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)探索使用(yong)熱(re)能(neng)(neng)(neng)(neng)收(shou)集的(de)(de)(de)(de)技術，因為(wei)不斷散發(fa)熱(re)量的(de)(de)(de)(de)人體(ti)(ti)可以(yi)作為(wei)熱(re)的(de)(de)(de)(de)一(yi)端，環境則(ze)成為(wei)冷(leng)的(de)(de)(de)(de)一(yi)端，產生能(neng)(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)(de)(de)多少(shao)取(qu)決于高低溫度(du)(du)之間的(de)(de)(de)(de)值。不過，在(zai)很多情況下(xia)，人體(ti)(ti)體(ti)(ti)表溫度(du)(du)較外部(bu)(bu)環境溫度(du)(du)來說，溫差并沒(mei)有那么大，而輸出電(dian)壓較小，將(jiang)不足以(yi)支撐智能(neng)(neng)(neng)(neng)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)(de)正常使用(yong)，一(yi)般(ban)只能(neng)(neng)(neng)(neng)為(wei)部(bu)(bu)分低功耗可穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)供(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)。
（4）射頻能量收集
射頻能(neng)(neng)收(shou)(shou)集(ji)的(de)(de)能(neng)(neng)量，不(bu)僅來(lai)源手機(ji)，還來(lai)源于(yu)移動通信基站、電視(shi)、電臺信號基站、wifi、微波爐(lu)等。我們(men)每天(tian)都(dou)被各種射頻信號包圍，可(ke)以隨(sui)時作為能(neng)(neng)量收(shou)(shou)集(ji)的(de)(de)來(lai)源，但射頻方式可(ke)收(shou)(shou)集(ji)到的(de)(de)能(neng)(neng)量很少，更(geng)多應用(yong)于(yu)超低功耗傳感器。隨(sui)著射頻能(neng)(neng)量發(fa)射器用(yong)戶(hu)的(de)(de)增(zeng)加，平(ping)均收(shou)(shou)集(ji)到的(de)(de)能(neng)(neng)量也逐步增(zeng)多，通過使(shi)用(yong)最大功率(lv)點追蹤的(de)(de)方法，并通過提高(gao)能(neng)(neng)量的(de)(de)轉換效率(lv)，可(ke)以應用(yong)的(de)(de)場景不(bu)斷增(zeng)長。
各類能量收集技術各有優劣，隨著時間推移會形成相對穩定的市場格局。ABI Research預測，到2030年環境光能量收集將成為無源物聯網設備供電的最常用方法，占設備出貨量的57%，其次是射頻能量收集，占比為36%，而以壓電為代表的振動能量收集和熱能收集預計占比分別為4%和3%。因此，未(wei)來無(wu)源物聯網(wang)的能量(liang)收(shou)(shou)集技術將(jiang)以環境光和射(she)頻(pin)能量(liang)收(shou)(shou)集為(wei)主(zhu)。
能(neng)量收集(ji)的產業(ye)生態(tai)也逐漸(jian)形成，ABI Research跟蹤了Wiliot、Exeger、Energous、Epishine、Powercast、EnOcean 和(he) Ossia等(deng)廠(chang)(chang)(chang)商，主要(yao)研究(jiu)能(neng)量轉(zhuan)化的設計，另外以e-peas和(he)安(an)世半導體為代表的電(dian)源管理芯片（PMIC）廠(chang)(chang)(chang)商，這(zhe)些廠(chang)(chang)(chang)商為整個物(wu)聯網領域的新(xin)應用開辟新(xin)的應用，以使用可靠的無電(dian)池系統，以及用于電(dian)池充電(dian)和(he)能(neng)量收集(ji)組合的混合模型。
其中(zhong)，電源管(guan)理(li)(li)芯片得到了成(cheng)為業界關注的(de)(de)一(yi)個重(zhong)點，該產品(pin)目標是實現“與能(neng)(neng)源無關”的(de)(de)電源管(guan)理(li)(li)，可以管(guan)理(li)(li)從任何(he)能(neng)(neng)量(liang)收(shou)(shou)集的(de)(de)輸入(ru)中(zhong)捕獲的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)，無論是環境(jing)光(guang)、射頻、壓電還(huan)是熱電收(shou)(shou)集，設備廠商(shang)采用芯片，可以根據設備附近(jin)環境(jing)能(neng)(neng)量(liang)輸入(ru)的(de)(de)性質來選擇所需的(de)(de)輸入(ru)。
e-peas和安(an)世(shi)半(ban)導體(ti)都擁有電源管理(li)(li)芯片的能(neng)力(li)，其(qi)中安(an)世(shi)半(ban)導體(ti)是中國廠(chang)商聞(wen)泰科技控(kong)股的廠(chang)商。2022年11月，安(an)世(shi)半(ban)導體(ti)宣布收購了(le)荷蘭半(ban)導體(ti)公司Nowi，該公司成立于2016年，主要(yao)產(chan)品為能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)提供電源管理(li)(li)芯片，其(qi)芯片可以對從環(huan)(huan)境收集(ji)到(dao)的微弱能(neng)量(liang)進行(xing)有效(xiao)管理(li)(li)，為物聯網(wang)傳感器、電子(zi)標簽(qian)、智能(neng)手環(huan)(huan)等場景提供能(neng)量(liang)支持。
無源物聯網蓬勃發展
當前，無源(yuan)物(wu)聯網(wang)(wang)得到業(ye)界高度重視。今年 2 月，包(bao)括英(ying)飛(fei)凌、英(ying)特爾(er)、百事可樂和高通在內的(de)領先行業(ye)公(gong)司聯合成立了(le)無源(yuan)物(wu)聯網(wang)(wang)聯盟(meng)（AIoTA）。該(gai)聯盟(meng)特別關(guan)注WiFi、藍(lan)牙和5G設備中的(de)無源(yuan)物(wu)聯網(wang)(wang)。其他(ta)創始單位還包(bao)括Atmosic、 VusionGroup以及知名無源(yuan)物(wu)聯網(wang)(wang)創業(ye)企業(ye)Wiliot。
Wiliot在去年10月(yue)宣布(bu)與英國(guo)皇家(jia)郵政合作(zuo)，部署(shu)250萬個(ge)(ge)(ge)(ge)無源物聯網(wang)標簽(qian)，來(lai)提升皇家(jia)郵政包(bao)裹的(de)處理效率。這些標簽(qian)并(bing)不(bu)是粘(zhan)貼(tie)在每(mei)一個(ge)(ge)(ge)(ge)包(bao)裹上，而(er)是粘(zhan)貼(tie)在皇家(jia)郵政的(de)周(zhou)轉(zhuan)籠(long)上。周(zhou)轉(zhuan)籠(long)用于批(pi)量地將包(bao)裹從一個(ge)(ge)(ge)(ge)分檢地轉(zhuan)運至另一個(ge)(ge)(ge)(ge)分檢地。目前，英國(guo)皇家(jia)郵政有85萬個(ge)(ge)(ge)(ge)周(zhou)轉(zhuan)籠(long)，這意味著本次(ci)合作(zuo)中，每(mei)個(ge)(ge)(ge)(ge)周(zhou)轉(zhuan)籠(long)將粘(zhan)貼(tie)3個(ge)(ge)(ge)(ge)無源物聯網(wang)標簽(qian)，做到(dao)冗余備(bei)份，保證Wiliot系(xi)統能對(dui)每(mei)個(ge)(ge)(ge)(ge)轉(zhuan)運籠(long)的(de)持續訪問。
3GPP也正在(zai)(zai)推進相(xiang)關(guan)工作(zuo)將無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)納入5G R19和R20標準中。在(zai)(zai)R19規范中，3GPP SA1中啟動了一(yi)項無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)，以確(que)定用例、流量場景、服務(wu)要(yao)求和 KPI，這(zhe)項研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)的(de)結(jie)果記(ji)錄在(zai)(zai)TR 22.840 中；其他SA工作(zuo)組也在(zai)(zai)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)設備的(de)服務(wu)架構、安全(quan)方面和充電方面。另外，RAN全(quan)體會議上也進行了一(yi)項平行研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)，以檢查(cha)無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)相(xiang)關(guan)用例的(de)設計目(mu)標的(de)可行性，這(zhe)項研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)的(de)結(jie)果記(ji)錄在(zai)(zai) TR 38.848 中。
其他陣營也(ye)(ye)在推(tui)進無(wu)源物(wu)聯網(wang)相關工(gong)作，包括IEEE和(he)藍牙SIG開展的(de)工(gong)作，LoRaWAN 和(he) Sigfox 社區(qu)也(ye)(ye)在做類似(si)的(de)工(gong)作。
同時，無源物聯(lian)支持(chi)的(de)智能標簽也得(de)到(dao)快速發(fa)(fa)展(zhan)，這(zhe)種用完可棄的(de)標簽采(cai)用可生物降解(jie)(jie)的(de)材料，為綠色發(fa)(fa)展(zhan)帶來解(jie)(jie)決(jue)方案。到(dao)2025年，預計每天(tian)有7800萬(wan)塊電(dian)池(chi)被丟棄，無源物聯(lian)網標簽的(de)大規模采(cai)用，避(bi)免了(le)電(dian)池(chi)供電(dian)對(dui)環(huan)境的(de)污染。
