遠(yuǎn)低于NB-IoT功耗，無源物聯(lián)網(wǎng)才是實現(xiàn)千億級IoT連接的“殺器”

供電受限是未來數(shù)百億物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點面臨的最大挑戰(zhàn)之一，除了少部分物聯(lián)網(wǎng)終端外，大部分終端都不具備持續(xù)電源供電的條件，因此各類節(jié)電技術(shù)持續(xù)成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重點，過去幾年備受業(yè)界關(guān)注的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）正是為了解決電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器的痛點而生，足以說明這一領(lǐng)域的重要性。

隨著物聯(lián)網(wǎng)場景的快速擴大，更加節(jié)能甚至無源的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為重要發(fā)展方向，其中能量收集技術(shù)這一方案再次得到業(yè)界關(guān)注。

多種方式的能量收集技術(shù)

能量收集技術(shù)并非一個新事物，多年前已開始了研發(fā)和商用，利用該技術(shù)，可以從周圍環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化為電能，能量的來源可能包括多種途徑，如環(huán)境光、振動、熱量或射頻等，捕捉的能量轉(zhuǎn)化成的電能雖然并不多，但對于一些超低功耗的節(jié)點完全足夠。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使無線傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用，能量收集技術(shù)作為一種可持續(xù)的、綠色環(huán)保的供電方式，為傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集和傳輸提供解決方案。

目前，主要的能量收集方式包括：

（1）環(huán)境光能收集

光能收集是最為常見的能量收集方式，當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電已初具規(guī)模，為未來能源結(jié)構(gòu)變化做出貢獻(xiàn)。當(dāng)然，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強度往往受到時間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導(dǎo)致光能收集的不可控性和不可持續(xù)性。不過，隨著光相關(guān)儲能技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)問題正在得到解決。一些相對固定的無線傳感器場景可以配備光能收集技術(shù)，如環(huán)境監(jiān)測場景。

（2）振動能量收集

一般情況下通過振動收集到的能量，可以通過以下3種方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換：壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式可以通過靜電感應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時，需要形成初始電壓差，才能進(jìn)行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式，通過振動使導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生能量。振動能量收集應(yīng)用范圍比較廣，如物流、可穿戴設(shè)備等場景。

（3）熱能收集

熱能轉(zhuǎn)化，是基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，通過熱電發(fā)生器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。部分可穿戴設(shè)備探索使用熱能收集的技術(shù)，因為不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端，產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的值。不過，在很多情況下，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來說，溫差并沒有那么大，而輸出電壓較小，將不足以支撐智能穿戴設(shè)備的正常使用，一般只能為部分低功耗可穿戴設(shè)備供能。

（4）射頻能量收集

射頻能收集的能量，不僅來源手機，還來源于移動通信基站、電視、電臺信號基站、wifi、微波爐等。我們每天都被各種射頻信號包圍，可以隨時作為能量收集的來源，但射頻方式可收集到的能量很少，更多應(yīng)用于超低功耗傳感器。隨著射頻能量發(fā)射器用戶的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過使用最大功率點追蹤的方法，并通過提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應(yīng)用的場景不斷增長。

這些能量收集技術(shù)已有多年歷史，也在多個物聯(lián)網(wǎng)場景中或多或少實現(xiàn)落地。目前，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)快速增長，對于無源傳感器部署需求也不斷增長，業(yè)界正在根據(jù)場景的特點，推進(jìn)能量收集技術(shù)的創(chuàng)新。其中，RFID是最為成熟的技術(shù)，目前已實現(xiàn)規(guī)?；涣硗?，EnOcean無線無源解決方案在智能建筑自動化領(lǐng)域已有一定規(guī)模，EnOcean聯(lián)盟也在全球不斷推動基于該技術(shù)生態(tài)的擴展，EnOcean也在智能建筑領(lǐng)域向醫(yī)療、物流等行業(yè)擴展。

推動電池供電擴大到無源物聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)前，以NB-IoT、LoRa為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）技術(shù)不斷成熟，商用規(guī)模持續(xù)擴大。截至目前，預(yù)計NB-IoT連接數(shù)已超過2億，LoRa的全球節(jié)點數(shù)也超過1億，廣泛應(yīng)用于大量行業(yè)。NB-IoT、LoRa等技術(shù)適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端，可以保證在數(shù)年不更換電池的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、通信。眾所周知，目前業(yè)界已形成“60-30-10”物聯(lián)網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)的共識，即需要電池供電場景的低速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占60%以上，中速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占20%，高速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占10%，而且速率要求和功耗要求基本成正比。

LPWAN技術(shù)已經(jīng)開啟了電池供電物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展之路，這一領(lǐng)域技術(shù)、商業(yè)模式開始成熟，那么對于無源物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注也隨之開始。因為LPWAN解決了數(shù)十億連接規(guī)模的低功耗物聯(lián)網(wǎng)市場痛點，數(shù)百億無源物聯(lián)網(wǎng)的痛點就是接下來需要解決的問題。一方面，很多行業(yè)有對其海量廉價物品管理的需求，采用電池供電的傳感器和通訊模塊時體積過大，且成本較高；另一方面，大量物品并不具備配備電池供電的條件。

筆者曾在之前的文章中提過，2020年我國快遞業(yè)務(wù)量為830億件，規(guī)模以上服裝企業(yè)服裝產(chǎn)量223.7億件，當(dāng)前很多快遞包裹、服裝都有在線管理的需求，而這些物品若通過NB-IoT、LoRa等技術(shù)連接會增加硬件成本和維護成本，更加廉價、無需電池的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足其管理需求。相關(guān)傳感器和通信模組的功耗要求將遠(yuǎn)低于NB-IoT、LoRa等LPWAN技術(shù)支持的終端功耗，或?qū)⒊蔀長PWAN之后又一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大推手。推動電池供電物聯(lián)網(wǎng)擴大到無源物聯(lián)網(wǎng)，在一定程度上是將物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)從超過百億級推向超過千億級，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)更深更廣服務(wù)于各行各業(yè)。

從物聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)展趨勢來看，尤其是面對海量無線傳感器部署的需求，可以看得出通過射頻能量收集技術(shù)是一個較好的方向。雖然目前已有成熟的RFID技術(shù)，但RFID的一些天然的短板，使得目前大量企業(yè)在推進(jìn)射頻能量收集技術(shù)創(chuàng)新來服務(wù)無源物聯(lián)網(wǎng)。

射頻能量收集創(chuàng)新助推無源物聯(lián)網(wǎng)落地

正如前文所述，我們?nèi)粘１桓鞣N無線射頻信號包圍，除了收音機、電視，還有2G/3G/4G/5G/NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及WiFi、ZigBee智能家居，采用LoRa遠(yuǎn)程通信等，借助這些射頻信號進(jìn)行能量收集雖然獲取的只有非常少的電量，但對于大量無源傳感器工作來說是足夠的，而且可以借助射頻信號實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的回傳，這也是當(dāng)前通過射頻能量收集進(jìn)行無源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的重要原因。

筆者曾在此前文章中提出，當(dāng)前探索集成傳感、通信、計算的無源方案是物聯(lián)網(wǎng)的一個典型創(chuàng)新方向，很多企業(yè)在這方面已形成初步的成果。目前，已有基于藍(lán)牙、WiFi、LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)方案，基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)已被提出。

基于低功耗藍(lán)牙實現(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新已有不少成果，并實現(xiàn)一定規(guī)模的落地，對于未來RFID市場有一定的沖擊。筆者在《這家獲得軟銀/高通/三星青睞的初創(chuàng)企業(yè)，能顛覆傳統(tǒng)RFID市場么？》中詳細(xì)介紹了Wiliot這家公司，該公司核心產(chǎn)品為一款小型低成本、自供電的藍(lán)牙傳感器標(biāo)簽。標(biāo)簽僅郵票大小，可以貼在任何產(chǎn)品或包裝上，感知一系列物理和環(huán)境數(shù)據(jù)，并將信息傳輸至網(wǎng)關(guān)、手機或支持低功耗藍(lán)牙（BLE）的設(shè)備上，再發(fā)送至Wiliot云平臺。該產(chǎn)品的最大亮點是標(biāo)簽完成感知、存儲和通信的能量來自于收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并使用該能量發(fā)送標(biāo)簽唯一標(biāo)識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。由于這些方面的創(chuàng)新，該公司近期獲得了軟銀愿景基金2億美元C輪融資。

另一家基于藍(lán)牙技術(shù)推出的無源物聯(lián)網(wǎng)方案的公司為Atmosic，是一家創(chuàng)新型無晶圓廠半導(dǎo)體公司，該公司宣稱在超低功耗射頻、射頻喚醒和受控能量收集三大技術(shù)方面發(fā)力。其中，超低功耗射頻技術(shù)是在藍(lán)牙5平臺上實現(xiàn)了超低功耗射頻功能；射頻喚醒技術(shù)是為射頻提供了輕度休眠模式和深度休眠模式兩套感知系統(tǒng)；受控能量收集技術(shù)目的是保證功能穩(wěn)定可用，同時最大限度減少設(shè)備和系統(tǒng)對電池電源的依賴。在三大技術(shù)支持下，Atmosic目前有兩款藍(lán)牙芯片產(chǎn)品，其中其M3系列產(chǎn)品綜合應(yīng)用這三大技術(shù)，支持無電池狀態(tài)下的運行。目前，該公司產(chǎn)品已用于醫(yī)療、穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。

基于WiFi和LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新，筆者在《徹底拋棄電池，5G支持無源物聯(lián)網(wǎng)，比NB-IoT影響更廣泛的技術(shù)要來了？》一文中也進(jìn)行了介紹，主要源于美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員提出了通過對射頻信號的反射調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)無源設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。在這一技術(shù)指引下，該研究團隊研發(fā)除了Passive WiFi的無源技術(shù)，并進(jìn)一步將該技術(shù)用于LoRa中，實現(xiàn)數(shù)百米長距離無源節(jié)點傳輸。

上月，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤在一次公開演講中，提出了面向5.5G的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，希望5G網(wǎng)絡(luò)能將無源物聯(lián)網(wǎng)納入其中，5G無源物聯(lián)網(wǎng)的探索開始。

雖然無源物聯(lián)網(wǎng)會帶來海量的連接規(guī)模，但目前相關(guān)技術(shù)還并不成熟，接下來可能會經(jīng)過百家爭鳴階段，隨著商用落地，部分技術(shù)會形成事實標(biāo)準(zhǔn)，在此之后推動無源物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?？焖贁U展。從目前看，無源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還是非常分散，正如LPWAN發(fā)展歷程一樣，這一過程也需要很長時間，建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)更為關(guān)鍵。

作者：趙小飛