科普:到底什么是“无源物联网”

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。

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