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导  读

对于物联网世界内更大一部分终端和传感器来说,由于节点数量巨大、分布广泛,导致许多应用电池更换困难,或者无法直接靠电池供电,这使得供电受限成为其落地的“拦路虎”,因而必须要采用“无源物联网”的形式来实现。

未来,物联网将是无处不在的,每一件衣服、每一个包裹、每一把钥匙……几乎所有的离线物品都将在物联网技术的赋能下实现在线。但与此同时,实现万物互联的过程也给产业界带来了不小的挑战,首当其冲的便是供电问题。

对于每一个处于物联网世界中的物品而言,电源就像“生命”之于人一样重要,失去电源也就意味着它的“死亡”。

从这个角度来看,不少物联网终端和传感器都需要通过有线连接或者时而更换的电池来维持其“生命”,但对于物联网世界内更大一部分终端和传感器来说,由于节点数量巨大、分布广泛,导致许多应用电池更换困难,或者无法直接靠电池供电,这使得供电受限成为其落地的“拦路虎”,因而必须要采用“无源物联网”的形式来实现。

什么是无源物联网

无源物联网顾名思义,就是在网络节点中可以是无源(Batter Free)的,即节点自身不配备或不主要依赖于电池/有线等电源供电。当然,无源物联网不采用电源形式并不意味着它就不需要用电,它是从环境中获取能量,从而支撑起物联网数据的感知、无线的传输和分布式的计算。

无源物联网技术是真正能够覆盖千亿物联网节点的关键技术之一,因而产业界也一直对无源物联网的相关发展保持着高度关注。

从技术角度来看,能量收集并不算一种新事物,业界早在多年前就开始了对该类技术的研发和应用。对于物联网,随着无线传感网络大规模的应用,能量收集技术作为一种可持续、绿色环保的供电方式,也为其发展提供了可行的解决方案。

虽然能量收集转化成的电能并不多,但对于超低功耗的物联网节点却也完全足够。目前,能量收集的来源主要有几种,包括环境光、震动、热量或者射频等。

不过,由于无源物联网节点能量不是其固有的,节点之间通过无线的方式从环境中收集能量进行能电转换,因而也就存在一定的局限性,其要实现数据的感知、无线的传输以及分布式的计算,都要受到能量的限制。

具体来看,无源物联网包含以下几个特性:

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。

连接不确定性。无源物联网节点连接性受到各节点能量的影响。

因而,在物联网节点进行核心任务的过程中,如何节省能量,提高任务效率就不再是第一要务,如何利用节点当前的能量来尽可能完成多的数据感知、传输、计算任务才是其首要目标。

可以简单理解,无源物联网是一张“以能量为中心,以数据为核心”的无线网络。

为什么需要无源物联网

日前,一家名为Wiliot的初创公司获得了软银愿景基金领投的2亿美元C轮融资,让无源物联网的概念再次火了起来。细扒其背景,我们会发现这家成立仅4年的公司的投资机构不仅有软银,还有高通、三星、AWS、NTT Docomo、Verizon等一众科技巨头的影子。

那么,为什么他们如此看重这样一家微不足道的“小企业”呢?

答案其实很简单,Wiliot的产品代表了物联网领域未来规模化发展的一个重要方向,而这些公司早就盯准了这块蛋糕。

众所周知,物联网主要分为高速物联、中速物联和窄带物联三个不同的速率档位,其中大概占比为“10%-30%-60%”的金字塔分布已经成为业界共识。其中高速物联主要通过5G eMBB、LTE Cat．4+来承载,中速率档位主要以LTE Cat．1来承载,最大盘的窄带物联网则是以NB-IoT、Lora来承载。但这些都是基于有源物联网技术而实现的。

这些技术加起来仅仅能够支撑起一个百亿级的物联网连接,而接下来要面临的却是千亿级的物联网连接市场的痛点。

一方面,大量物品并不具备配备电池供电的条件。

以往NB-IoT等LPWAN技术针对的是大量仅仅发送低频、小数据包但供电不方便的场景,比如水表、气表、烟感报警器等,但即便如此,通常LPWAN模组中还是会植入一个小型电池来供电,基本可以做到数年,甚至10年不用更换电池。

但是,还有海量的物品受限于廉价的成本限制,或者本身就不具备电池供电的条件,比如一些快销品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点等等。

另一方面,还有很多行业对其海量廉价物品有管理需求,但受限于产品体积、成本等多重因素限制,采用有源物联网的方式也不适合。

以物流行业为例,数据显示,2020年我国快递业务量为830亿件,若实现每个快件的上线用NB-IoT、Lora等技术显然是不可行的,必须要更廉价、无源的物联网技术实现。

因而,从物联网连接发展的趋势来看,特别当面对海量物品“上线”的需求,无源物联网技术都将是一个主要推动力量。

无源物联网进入商用还远吗

无处不在的物联网让一切实现“信息化”,使得人们越来越能体会到万物互联带来的奇妙和高效,而无源物联网技术无疑将是把这一体验带入深水区的关键,并且已经在某些领域得到了应用。

上述提到的Wiliot公司,其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。

在Wiliot的新闻稿中,其声称Wiliot IoT Pixels可以集成到疫苗小瓶、食品包装等中,为供应链带来实时透明度,并使品牌商能够首次了解整个零售渠道的库存水平。它们甚至可以通过一个高度安全、保护隐私的平台了解他们的产品在客户那里的使用情况。

从Wiliot布局来看,这家公司还要将其方案广泛应用于零售、医疗、食品等供应链各个环节,让所有环节都实现在线和可视化。

而在国内,也有一家企业——启纬智芯提出了基于射频能量采集技术实现电子产品“无源化”、“无电池化”的方案。他们面向消费类市场推出了一款无源小吊牌产品,是传统吊牌和挂饰电子化、信息化后的形态。当用户想要将自己创作的作品或者任意图片“投射”到这款小吊牌的屏幕上时,用户通过NFC就能向其供电,然后利用手机APP连接操作,随后将物件靠近手机,小屏幕上就会显示出投影的照片。

除此之外,启纬智芯还与客户合作有无源化智能锁,使用无源化智能锁不需要指纹或者密码,只要用手机靠一下就可以刷开锁。同样,无源化智能锁也不需要电池,通过NFC能在户外苛刻环境中近乎永久地工作。

另外,成立于2019年的成都飞英思特科技有限公司在2020年9月完成了初代产品开发,采用其核心技术无源+超低功耗边缘智能,推出了用于感知建筑、智慧电力、智慧农业、智慧工业的专业解决方案。目前已在成都及周边地区的园区、酒店、工厂等多个场景下展开试点,并且还针对在线上电商平台布局了针对C端消费电子产品的业务线。

据了解,成都飞英思特科技旗下的智能硬件产品包括了自供能无线开关、无源无线智能烟感、无源室内环境监测节点(温湿度/CO/CO2)、无源室外微纳节点(温湿度、气体监测、光照度)、TEG工业监测节点、自供能AI摄像头等。

另一家成立于2020年7月的铖月科技,主要生产智能照明、智能电工等智能家居产品,并提供智能全屋方案。目前拥有智能家庭、智能照明、智能电工以及智能安防这四大产品线,已经完成涵盖20个品类、40款智能家居产品的量产,包括无电池无线开关、通断器、门铃搭配门铃接收器,SOS按键搭配安防网关、弱光版的门窗磁、温湿度传感器等品类。

据新闻稿介绍,铖月科技的产品主要是基于自主研发的依托 ALLN 协议,通过采集环境及人体活动中的声、光、热、力等各种形式的能量,将其转化为电能,为低功耗电子产品或系统供电 ( 如传感器、控制器等 ) ,从而能让产品及系统 " 永久 " 使用。

不仅如此,上个月,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,还提出了面向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,自此开启对5G无源物联网的探索。

结尾

总而言之,在方兴未艾的物联网推进过程中,“无源化”一定是重要方向之一,无论是基于蓝牙、WiFi、Lora,还是基于蜂窝的NB-IoT,甚至5G,都与之产生了交集,当然,在技术的融合过程中还需要经历一定的过程,并在业界形成认可。

参考资料:

1．《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?》,物联网智库

2．《远低于NB-IoT功耗,无源物联网才是实现千亿级IoT连接的“杀器”!》,物联网智库

3．《深度解析无源物联网,它距离千亿级的目标还有多远?》,物联传媒

4．《启纬智芯周若谷:无源化开启产品“新玩法”,物联网传感器领域市场前景广阔 | 镁客请讲》,镁客网