供電受限是未來數(shù)百億物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點面臨的最大挑戰(zhàn)之一，除了少部分物聯(lián)網(wǎng)終端外，大部分終端都不具備持續(xù)電源供電的條件，因此各類節(jié)電技術持續(xù)成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重點，過去幾年備受業(yè)界關注的低功耗廣域網(wǎng)絡（LPWAN）正是為了解決電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器的痛點而生，足以說明這一領域的重要性。
隨著物聯(lián)網(wǎng)場景的快速擴大，更加節(jié)能甚至無源的物聯(lián)網(wǎng)技術成為重要發(fā)展方向，其中能量收集技術這一方案再次得到業(yè)界關注。
多種方式的能量收集技術
能量收集技術并非一個新事物，多年前已開始了研發(fā)和商用，利用該技術，可以從周圍環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化為電能，能量的來源可能包括多種途徑，如環(huán)境光、振動、熱量或射頻等，捕捉的能量轉(zhuǎn)化成的電能雖然并不多，但對于一些超低功耗的節(jié)點完全足夠。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使無線傳感網(wǎng)絡大規(guī)模應用，能量收集技術作為一種可持續(xù)的、綠色環(huán)保的供電方式，為傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集和傳輸提供解決方案。
目前，主要的能量收集方式包括：
?。?）環(huán)境光能收集
光能收集是最為常見的能量收集方式，當前太陽能光伏發(fā)電已初具規(guī)模，為未來能源結(jié)構(gòu)變化做出貢獻。當然，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強度往往受到時間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導致光能收集的不可控性和不可持續(xù)性。不過，隨著光相關儲能技術的發(fā)展，相應問題正在得到解決。一些相對固定的無線傳感器場景可以配備光能收集技術，如環(huán)境監(jiān)測場景。
?。?）振動能量收集
一般情況下通過振動收集到的能量，可以通過以下3種方式進行能量轉(zhuǎn)換：壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式可以通過靜電感應，將機械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進行能量轉(zhuǎn)換時，需要形成初始電壓差，才能進行設備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式，通過振動使導體切割磁感線產(chǎn)生能量。振動能量收集應用范圍比較廣，如物流、可穿戴設備等場景。
（3）熱能收集
熱能轉(zhuǎn)化，是基于熱電材料的賽貝克效應，通過熱電發(fā)生器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。部分可穿戴設備探索使用熱能收集的技術，因為不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端，產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的值。不過，在很多情況下，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來說，溫差并沒有那么大，而輸出電壓較小，將不足以支撐智能穿戴設備的正常使用，一般只能為部分低功耗可穿戴設備供能。
（4）射頻能量收集
射頻能收集的能量，不僅來源手機，還來源于移動通信基站、電視、電臺信號基站、wifi、微波爐等。我們每天都被各種射頻信號包圍，可以隨時作為能量收集的來源，但射頻方式可收集到的能量很少，更多應用于超低功耗傳感器。隨著射頻能量發(fā)射器用戶的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過使用最大功率點追蹤的方法，并通過提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應用的場景不斷增長。
這些能量收集技術已有多年歷史，也在多個物聯(lián)網(wǎng)場景中或多或少實現(xiàn)落地。目前，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)快速增長，對于無源傳感器部署需求也不斷增長，業(yè)界正在根據(jù)場景的特點，推進能量收集技術的創(chuàng)新。其中，RFID是最為成熟的技術，目前已實現(xiàn)規(guī)?；?；另外，EnOcean無線無源解決方案在智能建筑自動化領域已有一定規(guī)模，EnOcean聯(lián)盟也在全球不斷推動基于該技術生態(tài)的擴展，EnOcean也在智能建筑領域向醫(yī)療、物流等行業(yè)擴展。
推動電池供電擴大到無源物聯(lián)網(wǎng)
當前，以NB-IoT、LoRa為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡（LPWAN）技術不斷成熟，商用規(guī)模持續(xù)擴大。截至目前，預計NB-IoT連接數(shù)已超過2億，LoRa的全球節(jié)點數(shù)也超過1億，廣泛應用于大量行業(yè)。NB-IoT、LoRa等技術適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端，可以保證在數(shù)年不更換電池的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、通信。眾所周知，目前業(yè)界已形成“60-30-10”物聯(lián)網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)的共識，即需要電池供電場景的低速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占60%以上，中速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占20%，高速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)占10%，而且速率要求和功耗要求基本成正比。
LPWAN技術已經(jīng)開啟了電池供電物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展之路，這一領域技術、商業(yè)模式開始成熟，那么對于無源物聯(lián)網(wǎng)的關注也隨之開始。因為LPWAN解決了數(shù)十億連接規(guī)模的低功耗物聯(lián)網(wǎng)市場痛點，數(shù)百億無源物聯(lián)網(wǎng)的痛點就是接下來需要解決的問題。一方面，很多行業(yè)有對其海量廉價物品管理的需求，采用電池供電的傳感器和通訊模塊時體積過大，且成本較高；另一方面，大量物品并不具備配備電池供電的條件。
筆者曾在之前的文章中提過，2020年我國快遞業(yè)務量為830億件，規(guī)模以上服裝企業(yè)服裝產(chǎn)量223.7億件，當前很多快遞包裹、服裝都有在線管理的需求，而這些物品若通過NB-IoT、LoRa等技術連接會增加硬件成本和維護成本，更加廉價、無需電池的無源物聯(lián)網(wǎng)技術可以滿足其管理需求。相關傳感器和通信模組的功耗要求將遠低于NB-IoT、LoRa等LPWAN技術支持的終端功耗，或?qū)⒊蔀長PWAN之后又一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大推手。推動電池供電物聯(lián)網(wǎng)擴大到無源物聯(lián)網(wǎng)，在一定程度上是將物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)從超過百億級推向超過千億級，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)更深更廣服務于各行各業(yè)。
從物聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)展趨勢來看，尤其是面對海量無線傳感器部署的需求，可以看得出通過射頻能量收集技術是一個較好的方向。雖然目前已有成熟的RFID技術，但RFID的一些天然的短板，使得目前大量企業(yè)在推進射頻能量收集技術創(chuàng)新來服務無源物聯(lián)網(wǎng)。
射頻能量收集創(chuàng)新助推無源物聯(lián)網(wǎng)落地
正如前文所述，我們?nèi)粘１桓鞣N無線射頻信號包圍，除了收音機、電視，還有2G/3G/4G/5G/NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡，以及WiFi、ZigBee智能家居，采用LoRa遠程通信等，借助這些射頻信號進行能量收集雖然獲取的只有非常少的電量，但對于大量無源傳感器工作來說是足夠的，而且可以借助射頻信號實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的回傳，這也是當前通過射頻能量收集進行無源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的重要原因。
筆者曾在此前文章中提出，當前探索集成傳感、通信、計算的無源方案是物聯(lián)網(wǎng)的一個典型創(chuàng)新方向，很多企業(yè)在這方面已形成初步的成果。目前，已有基于藍牙、WiFi、LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)方案，基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)已被提出。
基于低功耗藍牙實現(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新已有不少成果，并實現(xiàn)一定規(guī)模的落地，對于未來RFID市場有一定的沖擊。筆者在《這家獲得軟銀/高通/三星青睞的初創(chuàng)企業(yè)，能顛覆傳統(tǒng)RFID市場么？》中詳細介紹了Wiliot這家公司，該公司核心產(chǎn)品為一款小型低成本、自供電的藍牙傳感器標簽。標簽僅郵票大小，可以貼在任何產(chǎn)品或包裝上，感知一系列物理和環(huán)境數(shù)據(jù)，并將信息傳輸至網(wǎng)關、手機或支持低功耗藍牙（BLE）的設備上，再發(fā)送至Wiliot云平臺。該產(chǎn)品的最大亮點是標簽完成感知、存儲和通信的能量來自于收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并使用該能量發(fā)送標簽唯一標識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。由于這些方面的創(chuàng)新，該公司近期獲得了軟銀愿景基金2億美元C輪融資。
另一家基于藍牙技術推出的無源物聯(lián)網(wǎng)方案的公司為Atmosic，是一家創(chuàng)新型無晶圓廠半導體公司，該公司宣稱在超低功耗射頻、射頻喚醒和受控能量收集三大技術方面發(fā)力。其中，超低功耗射頻技術是在藍牙5平臺上實現(xiàn)了超低功耗射頻功能；射頻喚醒技術是為射頻提供了輕度休眠模式和深度休眠模式兩套感知系統(tǒng)；受控能量收集技術目的是保證功能穩(wěn)定可用，同時最大限度減少設備和系統(tǒng)對電池電源的依賴。在三大技術支持下，Atmosic目前有兩款藍牙芯片產(chǎn)品，其中其M3系列產(chǎn)品綜合應用這三大技術，支持無電池狀態(tài)下的運行。目前，該公司產(chǎn)品已用于醫(yī)療、穿戴設備等領域。
基于WiFi和LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新，筆者在《徹底拋棄電池，5G支持無源物聯(lián)網(wǎng)，比NB-IoT影響更廣泛的技術要來了？》一文中也進行了介紹，主要源于美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員提出了通過對射頻信號的反射調(diào)制技術來實現(xiàn)無源設備供電和傳輸數(shù)據(jù)。在這一技術指引下，該研究團隊研發(fā)除了Passive WiFi的無源技術，并進一步將該技術用于LoRa中，實現(xiàn)數(shù)百米長距離無源節(jié)點傳輸。
上月，華為常務董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤在一次公開演講中，提出了面向5.5G的無源物聯(lián)網(wǎng)設想，希望5G網(wǎng)絡能將無源物聯(lián)網(wǎng)納入其中，5G無源物聯(lián)網(wǎng)的探索開始。
雖然無源物聯(lián)網(wǎng)會帶來海量的連接規(guī)模，但目前相關技術還并不成熟，接下來可能會經(jīng)過百家爭鳴階段，隨著商用落地，部分技術會形成事實標準，在此之后推動無源物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?？焖贁U展。從目前看，無源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還是非常分散，正如LPWAN發(fā)展歷程一樣，這一過程也需要很長時間，建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)更為關鍵。
作者：趙小飛
