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到底什么是“无源物联网”?

发表时间:2021-09-24 11:45:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【

本文来源:鲜枣课堂


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!


参考文献:

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

5.《物联网方兴未艾,无源传感器大行其道》,传感器技术

6.《物联网的未来——无源物联网技术》,卓信通信


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责任编辑:蔡学森