無源物聯(lián)網(wǎng)再下一城，“高效”利用環(huán)境中的廢熱供電！

作者：Sophia，物聯(lián)網(wǎng)智庫 原創(chuàng)

過去多年間，降低終端節(jié)點(diǎn)功耗一直是物聯(lián)網(wǎng)核心研究方向之一，催生了NB-IoT、LoRa、5G RedCap、低功耗藍(lán)牙、WiFi Halow等多項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而，已有的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大部分需要電池供電，這存在很多問題：一方面，海量物品受限于成本剛性制約，難以采用有源物聯(lián)網(wǎng)模組實(shí)現(xiàn)連接；另一方面，眾多有連接需求的物件受限于其分布廣泛、需靈活移動(dòng)等因素，或者應(yīng)用于高溫、極低溫、高壓等極端場(chǎng)景，導(dǎo)致終端設(shè)備的電池更換困難或無法直接靠電池供電——無源物聯(lián)網(wǎng)正是解決這些需求的有效手段。

無源物聯(lián)網(wǎng)是指連入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備不接外部電源、不帶電池，而是從環(huán)境中獲取能量，從而支撐起數(shù)據(jù)感知、無線傳輸和分布式計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。創(chuàng)建無源物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心是“通過外界所獲得的能量必須超過設(shè)備運(yùn)行本身所需的功耗”。所以現(xiàn)有的無源物聯(lián)網(wǎng)解決方案廠商主要有兩大努力方向，一是盡量降低芯片和模組的能耗，另一個(gè)則是增加環(huán)境能量的收集。

就在近日，無源物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境能量收集方面取得重要進(jìn)展：1月16日，《自然通訊》上發(fā)表的一篇論文概述了一種新的制造方法，該方法使二維熱電材料的性能提高了四倍。作者表示，這一突破讓利用環(huán)境熱量為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供能量的夢(mèng)想又近了一步。

熱能采集技術(shù)重磅突破

外界環(huán)境中存在很多能量來源，環(huán)境能量采集技術(shù)將其采集并轉(zhuǎn)化為可供傳感節(jié)點(diǎn)工作的能量，主要的能量采集技術(shù)包括：環(huán)境光能采集、振動(dòng)能量采集、熱能采集和射頻能量采集。由于環(huán)境本身的特點(diǎn)，各類能量采集技術(shù)獲得的能量密度差別很大，以下為典型場(chǎng)景下四類環(huán)境能量的密度：

典型場(chǎng)景下四類環(huán)境能量的密度

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，各種機(jī)器和電子設(shè)備都能產(chǎn)生大量廢熱，所以熱能采集技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，其原理是基于熱電材料的“熱電效應(yīng)”。

德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克于1821年發(fā)現(xiàn)，將二種不同金屬各自的二端分別連接構(gòu)成的回路，如果兩種金屬的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處溫度不同時(shí)，指南針的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是他認(rèn)為溫差使金屬產(chǎn)生了磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為賽貝克效應(yīng)。但是當(dāng)時(shí)塞貝克并沒有發(fā)現(xiàn)金屬回路中的電流，后來，丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特重新研究了這個(gè)現(xiàn)象并稱之為“熱電效應(yīng)”。

熱電效應(yīng)能夠?qū)夭钪苯愚D(zhuǎn)化成電壓，雖然所有材料都具有熱電效應(yīng)，但大多數(shù)材料的熱電效應(yīng)很不明顯，無法付諸實(shí)際應(yīng)用。因此，尋找和制備高性能的固體熱電材料，持續(xù)提高材料的熱電效率，是許多科學(xué)家研究的方向。

Hicks-Dresselhaus理論

為了提高材料的熱電效率，研究人員需要降低材料的熱導(dǎo)率，同時(shí)提高其電導(dǎo)率和熱電勢(shì)（熱電勢(shì)是衡量每個(gè)單位溫差產(chǎn)生多少電壓的指標(biāo)）。但這存在很多挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些屬性是相互關(guān)聯(lián)的，并且在某個(gè)范圍內(nèi)，改進(jìn)一個(gè)屬性會(huì)對(duì)其他屬性產(chǎn)生負(fù)面影響。

1993年，麻省理工學(xué)院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾預(yù)言二維量子限域效應(yīng)引起的態(tài)密度增強(qiáng)現(xiàn)象會(huì)極大地提高材料的熱電功率因子，這為獲得高性能的熱電材料提供了非常重要的理論指導(dǎo)。這種效應(yīng)可以使用量子阱來完成，量子阱的特點(diǎn)是薄層半導(dǎo)體夾在具有不同帶隙的另一種半導(dǎo)體的兩層之間。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能量勢(shì)壘，將電子捕獲在薄薄的中間層中，電子只能在二維空間中移動(dòng)，從而導(dǎo)致一種被稱為“量子限制”的現(xiàn)象，即電子只能存在于特定的、離散的能級(jí)上，而不是像通常情況那樣存在于連續(xù)體上。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，一直沒有實(shí)驗(yàn)確切地證實(shí)這個(gè)理論預(yù)測(cè)。直到2018年，南京大學(xué)物理學(xué)院的梁世軍副研究員和繆峰教授開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)與吉林大學(xué)張立軍教授理論課題組合作，利用二維材料厚度和載流子濃度可控的特性，首次證實(shí)了著名的Hicks-Dresselhaus理論預(yù)言。

新型量子阱形狀使性能提高四倍

在最新研究中，中村團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整量子阱的設(shè)計(jì)將Hicks-Dresselhaus理論中的想法更進(jìn)一步。在概念層面上，典型的量子阱可以被認(rèn)為具有正方形邊，這是因?yàn)槟芰縿?shì)壘突然從阱底部的低勢(shì)能變?yōu)閮蓚?cè)的非常高的勢(shì)能。而中村的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三角形量子阱，其中能壘從阱底部逐漸向上傾斜。

中村表示，這種形狀顯著改變了阱內(nèi)能級(jí)的分布。雖然方形阱通常只有一兩個(gè)能級(jí)，但三角形阱可以有很多能級(jí)。他說，電子可用的能級(jí)越多，電子遷移率就越好，因此熱電勢(shì)就越好。更重要的是，三角阱中的能級(jí)聚集在更高的能量上，這進(jìn)一步增加了熱電勢(shì)。

當(dāng)然，形狀并不是唯一重要的因素——量子阱的中間層可以有多薄且仍然能實(shí)現(xiàn)量子限制因材料而異。材料的選擇也會(huì)影響可以擠入阱中的能級(jí)。中村的團(tuán)隊(duì)選擇了砷化鎵，它具有構(gòu)建量子阱的良好特性，而且也已用于商業(yè)用途，因此可以使用成熟的加工技術(shù)進(jìn)行精確制造。

研究人員在論文中表明，他們創(chuàng)造出的這種材料，其熱電功率是次優(yōu)二維材料的四倍。盡管這是一個(gè)令人印象深刻的飛躍，但在實(shí)際應(yīng)用中，這可能意味著發(fā)電量?jī)H為 100 微瓦左右。不過，這在很多場(chǎng)景中已經(jīng)足以消除微電子設(shè)備的廢熱，為微型物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電，而無需額外成本。

值得強(qiáng)調(diào)的是，研究人員正在使用的二維系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本意味著它們距離工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，但這依然對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)的未來具有重要意義。

無源物聯(lián)網(wǎng)悶聲發(fā)展

回顧2023年，無源物聯(lián)網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、應(yīng)用方面都持續(xù)悶聲發(fā)展。

標(biāo)準(zhǔn)層面

5G R18階段，相關(guān)機(jī)構(gòu)就在無線接入網(wǎng)技術(shù)組立項(xiàng)了名為“Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN”的研究課題，隨著R18階段標(biāo)準(zhǔn)化的工作接近尾聲，這一課題最終形成了編號(hào)為3GPP TR 38.848的技術(shù)報(bào)告，作為R18階段無線接入技術(shù)組無源物聯(lián)網(wǎng)的核心成果。

到了去年12月的時(shí)候，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP RAN102次會(huì)議結(jié)束，會(huì)議上通過了多項(xiàng)研究項(xiàng)目（SI）立項(xiàng)，其中包括無源物聯(lián)網(wǎng)研究項(xiàng)目“Study on solutions for Ambient IoT (Internet of Things) in NR”，成為R19階段在無線接入層面上無源物聯(lián)網(wǎng)的核心議題，為5G網(wǎng)絡(luò)引入無源物聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)。未來5G乃至6G網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)網(wǎng)成為大勢(shì)所趨。

如果將5G無源物聯(lián)網(wǎng)歸于3GPP陣營(yíng)，那么非3GPP陣營(yíng)的藍(lán)牙和WiFi無源物聯(lián)網(wǎng)也在加速發(fā)展。比如，藍(lán)牙聯(lián)盟在推動(dòng)基于藍(lán)牙技術(shù)的無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，知名無源物聯(lián)網(wǎng)廠商WilioT是其中的主力，在WilioT的帶動(dòng)下，全球已出現(xiàn)多家借助藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廠商。同時(shí)，WiFi陣營(yíng)的知名國(guó)際化組織IEEE也在持續(xù)推進(jìn)無源物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

技術(shù)層面

除了前文提及的能量采集，許多廠商也在降低芯片和模組的能耗方面取得了突出成果。

去年2月，飛英思特科技正式對(duì)外宣告，研發(fā)出旗下首款環(huán)境微能量采集與管理芯片——FPM8100，該款芯片是國(guó)內(nèi)無源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首款環(huán)境微能量采集與管理芯片。該款芯片主要以射頻能、溫差能、微光能、振動(dòng)能等環(huán)境中常見能量為采集目標(biāo)?？赏ㄟ^冷啟動(dòng)電路(Cold Start)、能量選擇切換(Power Switch)、邏輯控制狀態(tài)機(jī)(State Machine)、儲(chǔ)能管理（Storage Management）等主要模塊將前端無序、低品質(zhì)輸入能量，高效地管理、利用、存儲(chǔ)起來，形成新的“環(huán)境電池”形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的穩(wěn)定輸出。

去年4月，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員宣布研發(fā)了一款利用太赫茲頻段的新型芯片，該芯片作為喚醒接收器，其功耗僅為幾微瓦。由于太赫茲頻段較高，因此太赫茲調(diào)制過程較為復(fù)雜。MIT研究人員認(rèn)為，通過混頻調(diào)制的形式，會(huì)消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人員們開發(fā)了一種零功耗檢測(cè)器，可以在不需要混頻的情況下檢測(cè)太赫茲電磁波，其探測(cè)器采用一對(duì)微型晶體管作為天線，消耗的功率非常小。在多種技術(shù)的加持下，這一芯片的工作電壓為0.8V，功耗為2.88微瓦。

應(yīng)用層面

隨著5G-A逐步商用，無源物聯(lián)得以注入新的增長(zhǎng)動(dòng)能。

去年9月，華為與通信運(yùn)營(yíng)商、標(biāo)簽式終端供應(yīng)商以及平臺(tái)服務(wù)商共同推動(dòng)無源物聯(lián)試點(diǎn)在江蘇工業(yè)制造企業(yè)落地。技術(shù)人員計(jì)劃在該企業(yè)的物料托盤追蹤、人員管理兩大場(chǎng)景中，開展無源物聯(lián)試點(diǎn)。物料托盤貼上或植入無源物聯(lián)的“標(biāo)簽”，“標(biāo)簽”與網(wǎng)絡(luò)連接后，平臺(tái)便可自動(dòng)盤貨，比目前的人工盤貨大大節(jié)約成本、提高效率。在人員佩戴的工卡內(nèi)置一個(gè)標(biāo)簽式終端，可以加強(qiáng)人員管理，如通過實(shí)時(shí)定位進(jìn)行非安全區(qū)域預(yù)警。總之，通過無源物聯(lián)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)人、物、車等各類工業(yè)生產(chǎn)要素的透明可視，提高生產(chǎn)管理效率和安全系數(shù)。

浙江移動(dòng)則在杭州亞運(yùn)電競(jìng)中心的駕駛艙使用無源物聯(lián)，標(biāo)簽可結(jié)合各種環(huán)境傳感（溫濕度等），將環(huán)境信息實(shí)時(shí)上報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)將與亞運(yùn)村圓通物流合作進(jìn)行物流車輛和倉儲(chǔ)進(jìn)行跟蹤和資產(chǎn)盤點(diǎn)?；诜涓C網(wǎng)和無源物聯(lián)標(biāo)簽，通過電子圍欄、小區(qū)級(jí)位置識(shí)別觸發(fā)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)車輛、電動(dòng)自行車等貴重資產(chǎn)的管理和防盜。

寫在最后

根據(jù)GSMA（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)）預(yù)測(cè)，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)可以達(dá)到246億臺(tái)，2021-2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)12.8%。當(dāng)百億級(jí)甚至更遙遠(yuǎn)未來的千億級(jí)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，大量終端并不需要過高的電力支持以及傳輸性能，且對(duì)成本有較高要求，這些都是無源物聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著標(biāo)準(zhǔn)的日益完善和技術(shù)的不斷突破，無源物聯(lián)網(wǎng)將成為推動(dòng)智慧城市、智能制造、物流管理等領(lǐng)域發(fā)展的重要引擎，其低成本、低功耗等特性，將為未來的物聯(lián)網(wǎng)世界帶來更廣闊的應(yīng)用空間和更深遠(yuǎn)的影響。

參考資料：

Anomalous enhancement of thermoelectric power factor in multiple two-dimensional electron gas system，nature communications
IoT Devices Could Tap Ambient Heat for Power，IEEE Spectrum
張小涵, 趙俊青, 張弛. 基于微納環(huán)境能量收集技術(shù)的自驅(qū)動(dòng)無線傳感系統(tǒng)[J]. 微納電子與智能制造
《熱電領(lǐng)域著名的Hicks-Dresselhaus理論預(yù)言首次在二維層狀材料中得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)》，X-MOL
《從“入門”到“頭禿”，一文搞懂“無源物聯(lián)網(wǎng)”》，物聯(lián)網(wǎng)智庫
《“移”起開新局丨從“新”出發(fā) 中國(guó)移動(dòng)加快推進(jìn)5G-A技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用》，人民郵電報(bào)