到底什么是“无源物联网”

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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?
 
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
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。
 
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
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。
 
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
 
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
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。
 
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
 
“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
 
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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