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)(bei)的(de)增長(chang)。近期，市場研(yan)究公司ABI Research發布(bu)報告預測(ce)，到(dao)2030 年，在能(neng)量(liang)收集(ji)技術推動下，無源物聯(lian)網設(she)備(bei)(bei)的(de)出貨量(liang)將(jiang)達到(dao)11億臺(tai)。
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(zhi)力于開發能夠以最有效的方式將收集的能量通過一(yi)顆芯片進行管(guan)理(li)。
能(neng)(neng)量(liang)收集(ji)技(ji)(ji)術(shu)(shu)并非(fei)一(yi)個(ge)新事物，多年前已開始了研發和商用(yong)，利用(yong)該技(ji)(ji)術(shu)(shu)，可以從周圍環境中捕獲能(neng)(neng)量(liang)并轉(zhuan)化為電(dian)能(neng)(neng)，能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)來源可能(neng)(neng)包括多種途徑，如環境光、振動、熱量(liang)或(huo)射頻等，捕捉的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)化成的(de)(de)電(dian)能(neng)(neng)雖(sui)然并不(bu)多，但對于一(yi)些超低功(gong)耗的(de)(de)節點完全足夠。物聯網的(de)(de)發展，使無線傳感網絡大規模應(ying)用(yong)，能(neng)(neng)量(liang)收集(ji)技(ji)(ji)術(shu)(shu)作為一(yi)種可持續的(de)(de)、綠(lv)色(se)環保的(de)(de)供電(dian)方式，為傳感網絡數據收集(ji)和傳輸提供解決(jue)方案。
目前，主要的能(neng)量收集方(fang)式(shi)包括：
（1）環境光能收集
光能(neng)(neng)收集(ji)是最為(wei)常(chang)見的能(neng)(neng)量(liang)收集(ji)方式，當(dang)前(qian)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)光伏發電已初具規(gui)模，為(wei)未(wei)來(lai)能(neng)(neng)源結構變化做出貢(gong)獻(xian)。當(dang)然，光能(neng)(neng)采(cai)集(ji)的局限性(xing)也非(fei)常(chang)明顯，其(qi)收集(ji)能(neng)(neng)量(liang)的強度(du)往往受(shou)到(dao)時間、天(tian)氣等諸多外界條件的影(ying)響，在夜晚(wan)或者陰天(tian)等太(tai)陽(yang)光照不(bu)足的情況下，收集(ji)到(dao)的光能(neng)(neng)特別少(shao)，這將導致光能(neng)(neng)收集(ji)的不(bu)可控性(xing)和不(bu)可持續(xu)性(xing)。不(bu)過，隨著光相(xiang)關儲能(neng)(neng)技術(shu)的發展，相(xiang)應(ying)問(wen)題正在得(de)到(dao)解(jie)決(jue)。一些(xie)相(xiang)對固定的無(wu)線傳感(gan)器(qi)場景(jing)(jing)可以配備光能(neng)(neng)收集(ji)技術(shu)，如(ru)環境監測場景(jing)(jing)。
（2）振動能量收集
一般(ban)情況下通過(guo)振(zhen)動(dong)收(shou)集到的(de)能(neng)量，可(ke)以通過(guo)以下3種方(fang)式進行(xing)(xing)能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)：壓電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)、靜(jing)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)和磁(ci)(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)。其中(zhong)，靜(jing)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式可(ke)以通過(guo)靜(jing)電(dian)(dian)(dian)(dian)感應，將機械能(neng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)化(hua)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)；壓電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式在進行(xing)(xing)能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)時，需要形(xing)成(cheng)初始電(dian)(dian)(dian)(dian)壓差，才能(neng)進行(xing)(xing)設備(bei)供電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)能(neng)量轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)；磁(ci)(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)方(fang)式，通過(guo)振(zhen)動(dong)使導(dao)體切割磁(ci)(ci)感線(xian)產生能(neng)量。振(zhen)動(dong)能(neng)量收(shou)集應用范圍(wei)比(bi)較廣，如(ru)物流、可(ke)穿(chuan)戴設備(bei)等場景。
（3）熱能收集
熱(re)(re)(re)(re)能(neng)轉(zhuan)化(hua)，是基(ji)于熱(re)(re)(re)(re)電(dian)(dian)材料(liao)的(de)賽貝克效應，通過熱(re)(re)(re)(re)電(dian)(dian)發生器，將熱(re)(re)(re)(re)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)。部分(fen)可(ke)穿戴(dai)設備探索(suo)使用(yong)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)收集(ji)的(de)技(ji)術，因為(wei)不斷散發熱(re)(re)(re)(re)量的(de)人體(ti)(ti)可(ke)以作為(wei)熱(re)(re)(re)(re)的(de)一(yi)端，環境(jing)則(ze)成(cheng)為(wei)冷的(de)一(yi)端，產生能(neng)量的(de)多(duo)少取決于高低溫(wen)度之間的(de)值。不過，在很多(duo)情(qing)況下，人體(ti)(ti)體(ti)(ti)表(biao)溫(wen)度較(jiao)外部環境(jing)溫(wen)度來(lai)說，溫(wen)差并沒(mei)有那么大(da)，而(er)輸出電(dian)(dian)壓(ya)較(jiao)小，將不足以支撐智能(neng)穿戴(dai)設備的(de)正常使用(yong)，一(yi)般只能(neng)為(wei)部分(fen)低功耗可(ke)穿戴(dai)設備供能(neng)。
（4）射頻能量收集
射(she)頻能(neng)(neng)(neng)收集的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)，不(bu)僅來源手機，還來源于移動(dong)通信基(ji)(ji)站(zhan)、電(dian)視、電(dian)臺信號(hao)基(ji)(ji)站(zhan)、wifi、微波爐等。我們每天都被各種射(she)頻信號(hao)包圍，可(ke)以隨時(shi)作為能(neng)(neng)(neng)量(liang)收集的(de)(de)來源，但射(she)頻方式可(ke)收集到(dao)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)很少(shao)，更多(duo)應(ying)用于超低功耗傳感器(qi)。隨著射(she)頻能(neng)(neng)(neng)量(liang)發射(she)器(qi)用戶的(de)(de)增加，平均收集到(dao)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)也(ye)逐步(bu)增多(duo)，通過使用最大功率點追蹤(zong)的(de)(de)方法，并通過提(ti)高能(neng)(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)轉換(huan)效率，可(ke)以應(ying)用的(de)(de)場景不(bu)斷增長。
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，未來(lai)無源物聯(lian)網的能量收(shou)集技術將以環(huan)境光和射頻能量收(shou)集為主。
能量(liang)(liang)收集的(de)產(chan)業生態也(ye)逐漸形成，ABI Research跟(gen)蹤了Wiliot、Exeger、Energous、Epishine、Powercast、EnOcean 和 Ossia等(deng)廠商，主要研究能量(liang)(liang)轉化的(de)設(she)計，另外以e-peas和安世半導體為(wei)代表的(de)電(dian)源管理芯片（PMIC）廠商，這些廠商為(wei)整(zheng)個物聯網領域的(de)新(xin)應用(yong)(yong)開辟新(xin)的(de)應用(yong)(yong)，以使(shi)用(yong)(yong)可靠的(de)無電(dian)池(chi)系統，以及用(yong)(yong)于電(dian)池(chi)充電(dian)和能量(liang)(liang)收集組合的(de)混合模型。
其(qi)中(zhong)，電(dian)(dian)源管理(li)(li)芯(xin)片得到了成為業界關注的(de)(de)一個重點(dian)，該(gai)產品目標是(shi)實(shi)現“與能(neng)源無關”的(de)(de)電(dian)(dian)源管理(li)(li)，可以管理(li)(li)從(cong)任何能(neng)量收集(ji)的(de)(de)輸入中(zhong)捕獲的(de)(de)能(neng)量，無論是(shi)環境光、射頻、壓(ya)電(dian)(dian)還是(shi)熱(re)電(dian)(dian)收集(ji)，設(she)備廠商采用芯(xin)片，可以根(gen)據設(she)備附(fu)近環境能(neng)量輸入的(de)(de)性(xing)質來選擇所需的(de)(de)輸入。
e-peas和安世半(ban)導(dao)體都擁有(you)電源管理芯(xin)片(pian)的(de)能(neng)(neng)(neng)力，其中安世半(ban)導(dao)體是中國廠(chang)商聞泰科(ke)技控股(gu)的(de)廠(chang)商。2022年11月(yue)，安世半(ban)導(dao)體宣布(bu)收購了荷蘭(lan)半(ban)導(dao)體公(gong)司Nowi，該公(gong)司成立(li)于2016年，主要產品為(wei)能(neng)(neng)(neng)量采集(ji)提(ti)供(gong)電源管理芯(xin)片(pian)，其芯(xin)片(pian)可以對從環境收集(ji)到的(de)微弱能(neng)(neng)(neng)量進行有(you)效管理，為(wei)物聯網傳感器、電子標簽、智能(neng)(neng)(neng)手環等場景(jing)提(ti)供(gong)能(neng)(neng)(neng)量支持(chi)。
無源物聯網蓬勃發展
當前，無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)得(de)到業(ye)界高度重視。今年(nian) 2 月，包(bao)(bao)括英(ying)飛凌、英(ying)特爾、百事可樂和高通(tong)在內的領(ling)先行業(ye)公(gong)司聯(lian)(lian)合(he)成立了(le)無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)聯(lian)(lian)盟(meng)（AIoTA）。該聯(lian)(lian)盟(meng)特別關注WiFi、藍牙和5G設備中的無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)。其他創始單位(wei)還包(bao)(bao)括Atmosic、 VusionGroup以及知名無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)創業(ye)企(qi)業(ye)Wiliot。
Wiliot在去年(nian)10月宣布與(yu)英(ying)國皇家(jia)郵(you)政(zheng)合(he)作，部署250萬(wan)個(ge)無(wu)源物(wu)聯網(wang)標(biao)簽，來(lai)提升(sheng)皇家(jia)郵(you)政(zheng)包裹的處理效率。這些標(biao)簽并(bing)不是粘(zhan)(zhan)(zhan)貼在每一個(ge)包裹上，而是粘(zhan)(zhan)(zhan)貼在皇家(jia)郵(you)政(zheng)的周(zhou)轉籠(long)上。周(zhou)轉籠(long)用于批量地(di)將包裹從一個(ge)分檢地(di)轉運至另一個(ge)分檢地(di)。目(mu)前，英(ying)國皇家(jia)郵(you)政(zheng)有(you)85萬(wan)個(ge)周(zhou)轉籠(long)，這意味著本次合(he)作中，每個(ge)周(zhou)轉籠(long)將粘(zhan)(zhan)(zhan)貼3個(ge)無(wu)源物(wu)聯網(wang)標(biao)簽，做到冗余備份，保證Wiliot系統(tong)能(neng)對每個(ge)轉運籠(long)的持續訪問。
3GPP也正(zheng)在推進相(xiang)關(guan)工作將無源(yuan)物(wu)(wu)(wu)聯網(wang)納(na)入5G R19和(he)R20標準中(zhong)(zhong)。在R19規范中(zhong)(zhong)，3GPP SA1中(zhong)(zhong)啟動(dong)了(le)一(yi)項(xiang)(xiang)無源(yuan)物(wu)(wu)(wu)聯網(wang)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)，以確定用例(li)、流量場景、服(fu)務要求和(he) KPI，這項(xiang)(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)結果記(ji)錄(lu)在TR 22.840 中(zhong)(zhong)；其他SA工作組(zu)也在研(yan)究(jiu)(jiu)無源(yuan)物(wu)(wu)(wu)聯網(wang)設備(bei)的(de)(de)服(fu)務架構、安全(quan)方面和(he)充電方面。另(ling)外(wai)，RAN全(quan)體會(hui)議上也進行了(le)一(yi)項(xiang)(xiang)平(ping)行研(yan)究(jiu)(jiu)，以檢(jian)查無源(yuan)物(wu)(wu)(wu)聯網(wang)相(xiang)關(guan)用例(li)的(de)(de)設計目標的(de)(de)可行性，這項(xiang)(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)結果記(ji)錄(lu)在 TR 38.848 中(zhong)(zhong)。
其(qi)他陣營(ying)也(ye)(ye)在推進無源(yuan)物(wu)聯網相關工作，包括IEEE和藍(lan)牙(ya)SIG開展的(de)(de)工作，LoRaWAN 和 Sigfox 社區也(ye)(ye)在做類似的(de)(de)工作。
同(tong)時(shi)，無源(yuan)物聯(lian)支持的(de)智能標簽(qian)也得到(dao)快速發(fa)展(zhan)，這種用完可棄的(de)標簽(qian)采(cai)用可生物降解的(de)材料(liao)，為綠(lv)色發(fa)展(zhan)帶來解決方案。到(dao)2025年，預計(ji)每(mei)天有7800萬塊電(dian)池被丟棄，無源(yuan)物聯(lian)網標簽(qian)的(de)大(da)規模采(cai)用，避免了電(dian)池供電(dian)對環境(jing)的(de)污染。
