供電受限是未來(lái)數(shù)百億物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(shù)持續(xù)成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，過(guò)去幾年備受業(yè)界關(guān)注的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（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(diǎn)而生，足以說(shuō)明這一領(lǐng)域的重要性。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的快速擴(kuò)大，更加節(jié)能甚至無(wú)源的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為重要發(fā)展方向，其中能量收集技術(shù)這一方案再次得到業(yè)界關(guān)注。

　　多種方式的能量收集技術(shù)

　　能量收集技術(shù)并非一個(gè)新事物，多年前已開(kāi)始了研發(fā)和商用，利用該技術(shù)，可以從周圍環(huán)境中捕獲能量并轉(zhuǎn)化為電能，能量的來(lái)源可能包括多種途徑，如環(huán)境光、振動(dòng)、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(duì)于一些超低功耗的節(jié)點(diǎn)完全足夠。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用，能量收集技術(shù)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(luò)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(jiàn)的能量收集方式，當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電已初具規(guī)模，為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)變化做出貢獻(xiàn)。當(dāng)然，光能采集的局限性也非常明顯，其收集能量的強(qiáng)度往往受到時(shí)間、天氣等諸多外界條件的影響，在夜晚或者陰天等太陽(yáng)光照不足的情況下，收集到的光能特別少，這將導(dǎo)致光能收集的不可控性和不可持續(xù)性。不過(guò)，隨著光相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)問(wèn)題正在得到解決。一些相對(duì)固定的無(wú)線傳感器場(chǎng)景可以配備光能收集技術(shù)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。

　?。?）振動(dòng)能量收集

　　一般情況下通過(guò)振動(dòng)收集到的能量，可以通過(guò)以下3種方式進(jìn)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(guò)靜電感應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，需要形成初始電壓差，才能進(jìn)行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式，通過(guò)振動(dòng)使導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生能量。振動(dòng)能量收集應(yīng)用范圍比較廣，如物流、可穿戴設(shè)備等場(chǎng)景。

　?。?）熱能收集

　　熱能轉(zhuǎn)化，是基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，通過(guò)熱電發(fā)生器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。部分可穿戴設(shè)備探索使用熱能收集的技術(shù)，因?yàn)椴粩嗌l(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(guò)，在很多情況下，人體體表溫度較外部環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)，溫差并沒(méi)有那么大，而輸出電壓較小，將不足以支撐智能穿戴設(shè)備的正常使用，一般只能為部分低功耗可穿戴設(shè)備供能。

　　（4）射頻能量收集

　　射頻能收集的能量，不僅來(lái)源手機(jī)，還來(lái)源于移動(dòng)通信基站、電視、電臺(tái)信號(hào)基站、wifi、微波爐等。我們每天都被各種射頻信號(hào)包圍，可以隨時(shí)作為能量收集的來(lái)源，但射頻方式可收集到的能量很少，更多應(yīng)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(guò)使用最大功率點(diǎn)追蹤的方法，并通過(guò)提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應(yīng)用的場(chǎng)景不斷增長(zhǎng)。

　　這些能量收集技術(shù)已有多年歷史，也在多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中或多或少實(shí)現(xiàn)落地。目前，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)快速增長(zhǎng)，對(duì)于無(wú)源傳感器部署需求也不斷增長(zhǎng)，業(yè)界正在根據(jù)場(chǎng)景的特點(diǎn)，推進(jìn)能量收集技術(shù)的創(chuàng)新。其中，RFID是最為成熟的技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?；另外，EnOcean無(wú)線無(wú)源解決方案在智能建筑自動(dòng)化領(lǐng)域已有一定規(guī)模，EnOcean聯(lián)盟也在全球不斷推動(dòng)基于該技術(shù)生態(tài)的擴(kuò)展，EnOcean也在智能建筑領(lǐng)域向醫(yī)療、物流等行業(yè)擴(kuò)展。

　　推動(dòng)電池供電擴(kuò)大到無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)

　　當(dāng)前，以NB-IoT、LoRa為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）技術(shù)不斷成熟，商用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。截至目前，預(yù)計(jì)NB-IoT連接數(shù)已超過(guò)2億，LoRa的全球節(jié)點(diǎn)數(shù)也超過(guò)1億，廣泛應(yīng)用于大量行業(yè)。NB-IoT、LoRa等技術(shù)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(shí)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(shí)，即需要電池供電場(chǎng)景的低速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)占60%以上，中速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)占20%，高速率物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)占10%，而且速率要求和功耗要求基本成正比。

　　LPWAN技術(shù)已經(jīng)開(kāi)啟了電池供電物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化發(fā)展之路，這一領(lǐng)域技術(shù)、商業(yè)模式開(kāi)始成熟，那么對(duì)于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注也隨之開(kāi)始。因?yàn)長(zhǎng)PWAN解決了數(shù)十億連接規(guī)模的低功耗物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)痛點(diǎn)，數(shù)百億無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的痛點(diǎn)就是接下來(lái)需要解決的問(wèn)題。一方面，很多行業(yè)有對(duì)其海量廉價(jià)物品管理的需求，采用電池供電的傳感器和通訊模塊時(shí)體積過(guò)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(guò)，2020年我國(guó)快遞業(yè)務(wù)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(dāng)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(guò)NB-IoT、LoRa等技術(shù)連接會(huì)增加硬件成本和維護(hù)成本，更加廉價(jià)、無(wú)需電池的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足其管理需求。相關(guān)傳感器和通信模組的功耗要求將遠(yuǎn)低于NB-IoT、LoRa等LPWAN技術(shù)支持的終端功耗，或?qū)⒊蔀長(zhǎng)PWAN之后又一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大推手。推動(dòng)電池供電物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大到無(wú)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(guò)百億級(jí)推向超過(guò)千億級(jí)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)更深更廣服務(wù)于各行各業(yè)。

　　從物聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，尤其是面對(duì)海量無(wú)線傳感器部署的需求，可以看得出通過(guò)射頻能量收集技術(shù)是一個(gè)較好的方向。雖然目前已有成熟的RFID技術(shù)，但RFID的一些天然的短板，使得目前大量企業(yè)在推進(jìn)射頻能量收集技術(shù)創(chuàng)新來(lái)服務(wù)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)。

　　射頻能量收集創(chuàng)新助推無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)落地

　　正如前文所述，我們?nèi)粘１桓鞣N無(wú)線射頻信號(hào)包圍，除了收音機(jī)、電視，還有2G/3G/4G/5G/NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及WiFi、ZigBee智能家居，采用LoRa遠(yuǎn)程通信等，借助這些射頻信號(hào)進(jìn)行能量收集雖然獲取的只有非常少的電量，但對(duì)于大量無(wú)源傳感器工作來(lái)說(shuō)是足夠的，而且可以借助射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的回傳，這也是當(dāng)前通過(guò)射頻能量收集進(jìn)行無(wú)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(dāng)前探索集成傳感、通信、計(jì)算的無(wú)源方案是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)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(lán)牙、WiFi、LoRa的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)方案，基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)已被提出。

　　基于低功耗藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新已有不少成果，并實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的落地，對(duì)于未來(lái)RFID市場(chǎng)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(chǎng)么？》中詳細(xì)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(lán)牙傳感器標(biāo)簽。標(biāo)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(guān)、手機(jī)或支持低功耗藍(lán)牙（BLE）的設(shè)備上，再發(fā)送至Wiliot云平臺(tái)。該產(chǎn)品的最大亮點(diǎn)是標(biāo)簽完成感知、存儲(chǔ)和通信的能量來(lái)自于收集周圍的無(wú)線射頻能量來(lái)為其供電，并使用該能量發(fā)送標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)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(lán)牙技術(shù)推出的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)方案的公司為Atmosic，是一家創(chuàng)新型無(wú)晶圓廠半導(dǎo)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(shù)方面發(fā)力。其中，超低功耗射頻技術(shù)是在藍(lán)牙5平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了超低功耗射頻功能；射頻喚醒技術(shù)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(shù)目的是保證功能穩(wěn)定可用，同時(shí)最大限度減少設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)電池電源的依賴。在三大技術(shù)支持下，Atmosic目前有兩款藍(lán)牙芯片產(chǎn)品，其中其M3系列產(chǎn)品綜合應(yīng)用這三大技術(shù)，支持無(wú)電池狀態(tài)下的運(yùn)行。目前，該公司產(chǎn)品已用于醫(yī)療、穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。

　　基于WiFi和LoRa的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新，筆者在《徹底拋棄電池，5G支持無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，比NB-IoT影響更廣泛的技術(shù)要來(lái)了？》一文中也進(jìn)行了介紹，主要源于美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員提出了通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)的反射調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)源設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。在這一技術(shù)指引下，該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)除了Passive WiFi的無(wú)源技術(shù)，并進(jìn)一步將該技術(shù)用于LoRa中，實(shí)現(xiàn)數(shù)百米長(zhǎng)距離無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸。

　　上月，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤在一次公開(kāi)演講中，提出了面向5.5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，希望5G網(wǎng)絡(luò)能將無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)納入其中，5G無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的探索開(kāi)始。

　　雖然無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)會(huì)帶來(lái)海量的連接規(guī)模，但目前相關(guān)技術(shù)還并不成熟，接下來(lái)可能會(huì)經(jīng)過(guò)百家爭(zhēng)鳴階段，隨著商用落地，部分技術(shù)會(huì)形成事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，在此之后推動(dòng)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模快速擴(kuò)展。從目前看，無(wú)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(guò)程也需要很長(zhǎng)時(shí)間，建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)更為關(guān)鍵。

　　作者：趙小飛