到底什么是“无源物联网”？

电子工程世界 2021-09-25 07:30

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继Cat.1之后，2021年的物联网行业，又“喜提”了一个新的“风口”。

这个“风口”的名字，叫做“无源物联网”。

无源物联网，到底是个啥东东？它和现有的物联网技术之间，有什么区别？它是真的有黑科技？还是资本又在炒作？

通过本文，小枣君将带领大家一探究竟。

█ 什么是无源物联网

无源物联网，顾名思义，就是没有“源”的物联网。

“源”，就是电源、能量源。

搞过承载网的童鞋，对“无源”肯定非常熟悉。我们常说的无源光网络（PON）、无源波分（WDM），都涉及到“无源”。

说白了，无源，就是不接外部电源、不带电池。

无源物联网，不是网络无源，而是终端节点无源。

也就是说，网络没啥变化，而连入网络的终端节点设备，不带电源线，也没有内置电池。

那么，问题来了。终端节点设备，有传感器需要产生数据，有芯片需要计算，有模组需要收发信号。没有电源，谁来提供干活的能量呢？

其实，所谓“无源”，并不是终端节点不用电，而是换了一种获取电（能量）的方式。

大家应该很快会想到，太阳能，就是一种获取电（能量）的常用方式。

太阳能路灯

通过光伏面板，将太阳能转化成电能，储备使用。

除了太阳能之外，还有动能和热能。

例如，有的共享单车，就带有发电模块。你踩踏板的时候，就给智能车锁充了电。

还有一些遥控器，采用按压式发电。你按的时候，通过机械力产生材料形变，动能变成电能，驱动设备工作。

注意！上述所说的太阳能、动能、热能，都不是我们今天“无源物联网”的讨论重点。

现在大家热议的“无源物联网”，主要是指基于无线电磁能量捕捉技术的物联网。

也就是说，是指物联网终端通过采集网络侧发射过来的无线电波，捕捉和收集能量的物联网技术。

大家想到了啥？

我觉得，很多人一定想到了RFID，也就是Radio Frequency Identification（射频识别）。

RFID

我们俗称的电子标签，就采用了RFID技术。

RFID的原理很简单，当标签靠近阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，产生感应电流，获得能量。通过这点能量，标签发送信息，实现与阅读器的通信。

除了RFID之外，我还想到了一个技术。那就是小米去年推出的隔空无线充电技术。

当时特别火，数米半径内，单设备5W隔空充电。

其实，RFID，就是一种无源物联网。

现在，在RFID的基础上，无源物联网希望进一步延伸，扩展基于Wi-Fi、蓝牙、3G、4G甚至5G通信技术的无源互联。

█ 无源物联网的技术挑战

大家都知道，RFID是非常成熟的技术。RFID之所以能够正常工作，最关键一点在于，标签和阅读器的距离很近。

距离越远，电磁能量的密度越低，获取能量的难度越大。

RFID属于感应耦合，天线的形状是线圈，电磁能量的传送，是在感应场区域内完成的，距离很短。

线圈

Wi-Fi、蓝牙工作距离远大于RFID，3G/4G/5G更远。这就不是感应场，而是辐射场。

辐射场采用的天线技术，主要是偶极子天线或微带天线。想要在辐射场中，借助这些天线完成电磁能量的传送，难度极大。

微带阵列天线

在以前，这都是不可想象的事情。现在，随着半导体技术的进步，终端芯片的功耗降低到mW级甚至更低，再加上能量转换技术的不断升级，才让远距离通信技术的能量捕获和使用成为一种可能性。

无源物联网，还有几个典型的特性：

能量震荡性

无源物联网节点的能量不再是单一的由高至低的静态变化趋势，由于能量来自于环境，其呈现出的将是时高时低的动态状态。

节点失衡性

无源物联网节点中能源获取存在随机性和不稳定性，整个网络中能量分布可能并不均衡，也会导致每个节点的差异。

能源受限性

无源物联网获取能量的方式不同，且所采集的环境能量非常微弱，一般在纳瓦（nW）到微瓦（μW）级，且受到节点蓄电能力的影响。

连接脆弱性

无源物联网的网络连通性直接受各节点能量的影响。当某些节点的能量低于一定程度时，这些节点则成为孤立节点，导致网络不连通。由于能量的震荡性，网络的连通性是脆弱的，时断时续，难以保持一直连通。

大家都看出来了，这些都不是什么好特性，都是缺点。这些缺点，制约了无源物联网的应用。

█ 无源物联网的研究进展

人们基于RFID的成功，产生了对无源物联网的美好憧憬。

但是，我们仍需注意到，目前我们在媒体上可以看到的无源物联网应用，还是处于初级阶段。

今年新冒出来的几个无源物联网明星企业及其研究成果，基本上以NFC和蓝牙为主。

关于Wi-Fi的，目前看到一篇关于“美国华盛顿大学电子工程学院”的报道。

他们的研究人员提出，通过对射频信号的反射调制技术，可以实现无源设备供电和传输数据。他们正在研发除了Passive WiFi的无源技术，并进一步将该技术用于LoRa中，实现数百米长距离无源节点传输。

至于4G/5G的无源物联网，好像是没有看到任何应用。

上个月，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛在5G-Advanced创新产业峰会上，提出了面向5.5G的无源物联网设想，希望5G网络能够实现无源物联网。

但是，3GPP是否会在R18中加入无源物联网的内容，目前好像还没有明确的消息。

█ 无源物联网的意义

无源物联网为什么会火？

说白了，还是因为它背后的庞大市场价值。

小枣君之前就和大家说过，蜂窝物联网的应用场景，分为高速、中速、低速。

“631”结构

低速物联网的主流技术，是NB-IoT、LoRa等。

在原定的发展规划，NB-IoT已经算是最“low”的蜂窝物联网技术了。它的速度最低，功耗最低、成本最低，电池待机时间号称10年。

结果，人们发现，想要实现千亿级别的物联网连接，NB-IoT仍然不够。

NB-IoT对能量（电池）的依赖，增加了自身成本，限制了更广泛的普及。

例如，我们可以给中国所有的电表、水表安装NB-IoT模组，但是，我们可以给所有的衣服、所有的商品、所有的快递包裹安装NB-IoT模组吗？不可以。

所以说，人们就提出了“无源物联网”，把物联网的网，撒得更大。

又加了一级

无源物联网的最大优势，就是完全不需要电池。

NB-IoT每10年换一次电池（理想情况下），无源物联网终身不需要。这不仅减少了换电池的人力成本，也减少了电池组件成本。

目前的通用型UHF RFID标签，价格可以做到2-3毛钱。NB-IoT模组，价格大概是十几块，差距有几十倍。

第二，不用电池，有利于环保。单个电池虽然很小，但千亿级的数量规模，环保影响不容小觑。

第三，没有电池，终端的体积可以进一步缩小。例如像RFID那样，就是一个小贴片，将大大有利于终端设计。

总而言之，无源物联网是一个非常不错的发展思路。然而，想要把这条路真正走通，我们可能还需要很长的时间。

以上就是今天文章的全部内容，感谢大家的耐心观看！

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