作者:赵小飞

物联网智库 原创

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导  读

供电受限是未来数百亿物联网节点面临的最大挑战之一。随着物联网场景的快速扩大,更加节能甚至无源的物联网技术成为重要发展方向,其中能量收集技术这一方案再次得到业界关注。

供电受限是未来数百亿物联网节点面临的最大挑战之一,除了少部分物联网终端外,大部分终端都不具备持续电源供电的条件,因此各类节电技术持续成为物联网产业的重点,过去几年备受业界关注的低功耗广域网络(LPWAN)正是为了解决电池供电的物联网终端和传感器的痛点而生,足以说明这一领域的重要性。

随着物联网场景的快速扩大,更加节能甚至无源的物联网技术成为重要发展方向,其中能量收集技术这一方案再次得到业界关注。

多种方式的能量收集技术

能量收集技术并非一个新事物,多年前已开始了研发和商用,利用该技术,可以从周围环境中捕获能量并转化为电能,能量的来源可能包括多种途径,如环境光、振动、热量或射频等,捕捉的能量转化成的电能虽然并不多,但对于一些超低功耗的节点完全足够。物联网的发展,使无线传感网络大规模应用,能量收集技术作为一种可持续的、绿色环保的供电方式,为传感网络数据收集和传输提供解决方案。

目前,主要的能量收集方式包括:

(1)环境光能收集

光能收集是最为常见的能量收集方式,当前太阳能光伏发电已初具规模,为未来能源结构变化做出贡献。当然,光能采集的局限性也非常明显,其收集能量的强度往往受到时间、天气等诸多外界条件的影响,在夜晚或者阴天等太阳光照不足的情况下,收集到的光能特别少,这将导致光能收集的不可控性和不可持续性。不过,随着光相关储能技术的发展,相应问题正在得到解决。一些相对固定的无线传感器场景可以配备光能收集技术,如环境监测场景。

(2)振动能量收集

一般情况下通过振动收集到的能量,可以通过以下3种方式进行能量转换:压电转换、静电转换和磁电转换。其中,静电转换方式可以通过静电感应,将机械能转化成电能;压电转换方式在进行能量转换时,需要形成初始电压差,才能进行设备供电的能量转换;磁电转换方式,通过振动使导体切割磁感线产生能量。振动能量收集应用范围比较广,如物流、可穿戴设备等场景。

(3)热能收集

热能转化,是基于热电材料的赛贝克效应,通过热电发生器,将热能转化为电能。部分可穿戴设备探索使用热能收集的技术,因为不断散发热量的人体可以作为热的一端,环境则成为冷的一端,产生能量的多少取决于高低温度之间的值。不过,在很多情况下,人体体表温度较外部环境温度来说,温差并没有那么大,而输出电压较小,将不足以支撑智能穿戴设备的正常使用,一般只能为部分低功耗可穿戴设备供能。

(4)射频能量收集

射频能收集的能量,不仅来源手机,还来源于移动通信基站、电视、电台信号基站、wifi、微波炉等。我们每天都被各种射频信号包围,可以随时作为能量收集的来源,但射频方式可收集到的能量很少,更多应用于超低功耗传感器。随着射频能量发射器用户的增加,平均收集到的能量也逐步增多,通过使用最大功率点追踪的方法,并通过提高能量的转换效率,可以应用的场景不断增长。

这些能量收集技术已有多年历史,也在多个物联网场景中或多或少实现落地。目前,物联网连接数快速增长,对于无源传感器部署需求也不断增长,业界正在根据场景的特点,推进能量收集技术的创新。其中,RFID是最为成熟的技术,目前已实现规模化;另外,EnOcean无线无源解决方案在智能建筑自动化领域已有一定规模,EnOcean联盟也在全球不断推动基于该技术生态的扩展,EnOcean也在智能建筑领域向医疗、物流等行业扩展。

推动电池供电扩大到无源物联网

当前,以NB-IoT、LoRa为代表的低功耗广域网络(LPWAN)技术不断成熟,商用规模持续扩大。截至目前,预计NB-IoT连接数已超过2亿,LoRa的全球节点数也超过1亿,广泛应用于大量行业。NB-IoT、LoRa等技术适用于电池供电的物联网终端,可以保证在数年不更换电池的情况下实现数据感知、通信。众所周知,目前业界已形成“60-30-10”物联网连接结构的共识,即需要电池供电场景的低速率物联网节点数占60%以上,中速率物联网节点数占20%,高速率物联网节点数占10%,而且速率要求和功耗要求基本成正比。

LPWAN技术已经开启了电池供电物联网规模化发展之路,这一领域技术、商业模式开始成熟,那么对于无源物联网的关注也随之开始。因为LPWAN解决了数十亿连接规模的低功耗物联网市场痛点,数百亿无源物联网的痛点就是接下来需要解决的问题。一方面,很多行业有对其海量廉价物品管理的需求,采用电池供电的传感器和通讯模块时体积过大,且成本较高;另一方面,大量物品并不具备配备电池供电的条件。

笔者曾在之前的文章中提过,2020年我国快递业务量为830亿件,规模以上服装企业服装产量223．7亿件,当前很多快递包裹、服装都有在线管理的需求,而这些物品若通过NB-IoT、LoRa等技术连接会增加硬件成本和维护成本,更加廉价、无需电池的无源物联网技术可以满足其管理需求。相关传感器和通信模组的功耗要求将远低于NB-IoT、LoRa等LPWAN技术支持的终端功耗,或将成为LPWAN之后又一产业发展的重大推手。推动电池供电物联网扩大到无源物联网,在一定程度上是将物联网连接数从超过百亿级推向超过千亿级,实现物联网更深更广服务于各行各业。

从物联网连接发展趋势来看,尤其是面对海量无线传感器部署的需求,可以看得出通过射频能量收集技术是一个较好的方向。虽然目前已有成熟的RFID技术,但RFID的一些天然的短板,使得目前大量企业在推进射频能量收集技术创新来服务无源物联网。

射频能量收集创新助推无源物联网落地

正如前文所述,我们日常被各种无线射频信号包围,除了收音机、电视,还有2G/3G/4G/5G/NB-IoT等蜂窝网络,以及WiFi、ZigBee智能家居,采用LoRa远程通信等,借助这些射频信号进行能量收集虽然获取的只有非常少的电量,但对于大量无源传感器工作来说是足够的,而且可以借助射频信号实现传感器数据的回传,这也是当前通过射频能量收集进行无源物联网创新的重要原因。

笔者曾在此前文章中提出,当前探索集成传感、通信、计算的无源方案是物联网的一个典型创新方向,很多企业在这方面已形成初步的成果。目前,已有基于蓝牙、WiFi、LoRa的无源物联网方案,基于5G的无源物联网已被提出。

基于低功耗蓝牙实现无源物联网的创新已有不少成果,并实现一定规模的落地,对于未来RFID市场有一定的冲击。笔者在《这家获得软银/高通/三星青睐的初创企业,能颠覆传统RFID市场么?》中详细介绍了Wiliot这家公司,该公司核心产品为一款小型低成本、自供电的蓝牙传感器标签。标签仅邮票大小,可以贴在任何产品或包装上,感知一系列物理和环境数据,并将信息传输至网关、手机或支持低功耗蓝牙(BLE)的设备上,再发送至Wiliot云平台。该产品的最大亮点是标签完成感知、存储和通信的能量来自于收集周围的无线射频能量来为其供电,并使用该能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。由于这些方面的创新,该公司近期获得了软银愿景基金2亿美元C轮融资。

另一家基于蓝牙技术推出的无源物联网方案的公司为Atmosic,是一家创新型无晶圆厂半导体公司,该公司宣称在超低功耗射频、射频唤醒和受控能量收集三大技术方面发力。其中,超低功耗射频技术是在蓝牙5平台上实现了超低功耗射频功能;射频唤醒技术是为射频提供了轻度休眠模式和深度休眠模式两套感知系统;受控能量收集技术目的是保证功能稳定可用,同时最大限度减少设备和系统对电池电源的依赖。在三大技术支持下,Atmosic目前有两款蓝牙芯片产品,其中其M3系列产品综合应用这三大技术,支持无电池状态下的运行。目前,该公司产品已用于医疗、穿戴设备等领域。

基于WiFi和LoRa的无源物联网创新,笔者在《彻底抛弃电池,5G支持无源物联网,比NB-IoT影响更广泛的技术要来了?》一文中也进行了介绍,主要源于美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员提出了通过对射频信号的反射调制技术来实现无源设备供电和传输数据。在这一技术指引下,该研究团队研发除了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。

上月,华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛在一次公开演讲中,提出了面向5．5G的无源物联网设想,希望5G网络能将无源物联网纳入其中,5G无源物联网的探索开始。

虽然无源物联网会带来海量的连接规模,但目前相关技术还并不成熟,接下来可能会经过百家争鸣阶段,随着商用落地,部分技术会形成事实标准,在此之后推动无源物联网规模快速扩展。从目前看,无源物联网发展还是非常分散,正如LPWAN发展历程一样,这一过程也需要很长时间,建立产业生态更为关键。