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解锁千亿市场,无源物联网呼之欲出!华为率先入局,喜提新风口?

2022-01-04 10:37:00 庆云紫光
最近,无源物联网概念开始热起来了。在国际上,一家名为Wiliot的初创公司宣布获得了由软银愿景基金领投的2亿美元C轮融资,这个公司最典型的产品就是一款蓝牙传感器标签,不用电池,采用周围基于蓝牙协议的无线电波供电。



在国内,也有飞英思特等企业在尝试在这个领域进行突破。这个新兴的领域正在聚拢更多的目光。那么无源物联网是什么?它能应用到哪些领域?



无需电池也能工作



简单点说,无源物联网就是物联网设备不需要接入电源或电池,就可以从环境中获取能量的创新技术。在我们的印象中,以智能传感为代表的物联网设备一般都要靠电池供电,由于电池容量有限,这就导致需要经常更换电池以保证传感器正常工作。



但在一些特殊情况下,如传感器节点需要安装在边远地区或危险地区,这些应用场景都令传感器节点电源更换极其困难;另一方面,随着市场需求的上升,传感器的设计与制造成本也在上升,这也带来了比较高的维护成本。



因此,许多企业都将目光聚焦到了一种更小且无需电池的传感器上,也就是无源物联网。无源传感器能够做到系统非常简洁,因为不需要电池和能量源,所以其成本低、体积小,使传感器的应用面能够极大地扩展。



业内预测,无源物联网或能够实现千亿级市场规模,与传统物联网形成金字塔型市场结构。



无源物联网技术的显著特征是利用无源反向散射技术的传感器通过内部无线采集模块,将周围可利用的无线信号转化为可供自身工作的能量,同时利用反向散射技术手段实现目标节点的信息传递。



其实,在过去十多年里,基于点对点通信的反向散射技术在无源物联网中已经得到了广泛应用,即RFID(超高频的射频识别技),例如基于高频的门禁,银行卡等。



这也就解释了为什么我们不需要给门禁和银行卡装电池,却可以储存信息、传递信息。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。然而,这种方式虽然简单快捷,可距离受限。



物联网目标是实现万物互联并且可以实现多种功能,这就要求物联网必须具有更大的通信容量,更快的通信速率,更远的通信范围以及更广泛的装备(小型化)。也就是说,无源物联网想要进一步发展,就需要扩展到基于Wi-Fi、蓝牙、3G、4G甚至是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。小编之前就和大家说过,蜂窝物联网的应用场景,分为高速、中速、低速。



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。



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。



国内外无源物联网的布局



目前,关于无源物联网的研究尚属早期,来自于环境的能量的微弱及不稳定、节点中能源获取存的随机性等原因,导致无源物联网节点连接相对脆弱,难以保持持续连通,这些都制约了无源物联网的应用。



尽管如此,国内外仍有一大批的企业正在努力。正如前文所提,RFID是目前应用最为广泛且成熟的无源物联网应用,因此相关企业的布局可以参考《IOTE 2021深圳站展商全揭秘, 600+“靓仔们”在如何布局物联网》。



RFID以外的技术在无源物联网中的应用相对小众,以下表格整理了目前可查询到资料的部分企业的情况:





随着各类通信技术的发展,无源物联网确实再次引起业界的高度关注,但是未来能走到哪里还是个未知数,就让我们拭目以待吧。

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