一文搞懂“無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)”

“無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)”，顧名思義，就是不接外部電源、不帶電池的物聯(lián)網(wǎng)。

需要注意的是，這個(gè)“無(wú)源“，不是網(wǎng)絡(luò)無(wú)源，而是聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)無(wú)源，既不帶電源線，也不內(nèi)置電池。

看到這，顯然會(huì)認(rèn)為“無(wú)源”有悖于常理，畢竟芯片要靠電驅(qū)動(dòng)，而能量不能憑空產(chǎn)生？

究竟是怎么回事呢？

原來(lái)是“終端節(jié)點(diǎn)無(wú)源”是指通過(guò)其他形式來(lái)獲取能源。

舉個(gè)例子

按壓式發(fā)電：通過(guò)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，如手搖式發(fā)電機(jī)

光伏發(fā)電：太陽(yáng)能路燈將收集到的光能轉(zhuǎn)換成電能

摩擦力發(fā)電：含有動(dòng)力回收系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)，將減速時(shí)的摩擦力積蓄的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能

......

那么，這些和物聯(lián)網(wǎng)有什么關(guān)系呢？

除了常見(jiàn)的使用太陽(yáng)能、動(dòng)能、熱能等方式獲得電能，還能通過(guò)無(wú)線電波能量轉(zhuǎn)換獲得能量。其原理是通過(guò)采集周?chē)h(huán)境中的RFID、NFC、藍(lán)牙、4G，5G、WiFi等無(wú)線電波能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能。

這也是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最受關(guān)注的方式，因?yàn)橐粋€(gè)正常工作的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要正常運(yùn)作，除獲取工作能量之外，還需將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行傳輸。借助這種方式，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端既可以獲取能量，也可以傳輸信號(hào)，同時(shí)成本、尺寸等都可做到很低，一舉多得。

那么這方面有什么應(yīng)用呢？

最主流的當(dāng)屬基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，即RFID技術(shù)，俗稱(chēng)“電子標(biāo)簽NFC”，是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

其原理非常簡(jiǎn)單，當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過(guò)收集的這點(diǎn)能量，標(biāo)簽發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信。

目前，基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品NFC，幾乎成了智能手機(jī)的標(biāo)配。

然而，無(wú)線通信技術(shù)有多種，為什么常見(jiàn)的只有RFID應(yīng)用，為啥極少見(jiàn)到基于藍(lán)牙、Wi-Fi等無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呢？

主要是因?yàn)椋嚯x越遠(yuǎn)，電磁能量的密度越低，獲取能量的難度越大。

NFC之所以能普及，很大的一點(diǎn)在于標(biāo)簽和閱讀器的距離很近，通過(guò)感應(yīng)耦合就能實(shí)現(xiàn)電池傳送。而B(niǎo)le、Wi-Fi、4G/5G的工作距離遠(yuǎn)大于RFID，若是采用天線技術(shù)完成電磁能量的傳送，難度極大。

而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對(duì)終端設(shè)備體積性能更優(yōu)體積更小的追求，以及對(duì)未來(lái)科技趨勢(shì)的預(yù)判，所以人類(lèi)對(duì)遠(yuǎn)距離通信技術(shù)的能量捕獲和使用從未停止，所以還有這些無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

基于藍(lán)牙的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)

無(wú)源藍(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽無(wú)需供電，也可完成感知、存儲(chǔ)和通信，該標(biāo)簽通過(guò)收集周?chē)臒o(wú)線射頻能量來(lái)為其供電，并借助這些能量發(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)。

基于WiFi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)

該方案的原理是利用射頻信號(hào)的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。

基于LoRa的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)

2017年，美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員采用線性擴(kuò)頻技術(shù)，提升無(wú)源標(biāo)簽回傳能力，并與商用的LoRa設(shè)備兼容，形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。在測(cè)試中，研究人員成功地從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源節(jié)點(diǎn)反射調(diào)制，成功回傳傳感器信息；將無(wú)源節(jié)點(diǎn)與射頻源位于同一位置時(shí)，接收器最遠(yuǎn)可達(dá)2.8公里。

基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)

通過(guò)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無(wú)源物聯(lián)，一個(gè)難點(diǎn)是無(wú)源終端節(jié)點(diǎn)如何獲取能量，另一個(gè)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離回傳，尤其是后者的難度更大。因?yàn)闊o(wú)源終端通過(guò)各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)會(huì)快速衰減。

目前在實(shí)驗(yàn)室階段最先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)可以做到在180米的范圍內(nèi)，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。

事實(shí)上，現(xiàn)在對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究有了進(jìn)一步發(fā)展，但是受制于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)自身缺陷，如節(jié)點(diǎn)能源獲取存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致能量變化非靜態(tài)性，甚至是存在信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)，使得這種技術(shù)目前還無(wú)法很好的賦能工業(yè)場(chǎng)景。

究其原因，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，通常具備分布式特點(diǎn)，需求穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。因此無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用并不多，網(wǎng)關(guān)一般也采用電池進(jìn)行供電，以保證設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，7*24小時(shí)的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程運(yùn)維，提高工作效率，避免設(shè)備停工損失。這對(duì)企業(yè)而言，可以收獲的好處便利遠(yuǎn)比節(jié)約能源成本來(lái)的重要。

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