一文搞懂“无源物联网”

Cherry

什么是无源物联网？

所谓无源物联网，就是没有“源”的物联网，这个“源”指的是电源、能量源。

现在备受关注的“无源物联网”，本质上是终端节点无源，它们不带电源线、没有内置电池，而是从环境中获取能源，比如，基于无线电磁能量捕捉技术的物联网，无源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，从而以完成数据的采集、传输和分布式计算。

事实上，无源物联网早几年就已经被提出。从现有的资料上看，最早可以追溯到2014年，国家自然科学基金正式启动了“无源感知网络基础理论与关键技术”重点项目，资助金额350万元，希望在传感方向走出更新、更现实的道路。

只是，早些年，很多人都觉得无源物联网是无稽之谈。那为什么现在就觉得有可行性了呢？

因为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进入现实。



为什么需要无源物联网？

我们见过哪些无源物联网应用？

几年来，无源物联网一直默默发展，而最近又一次得到业界的关注，被称为是继Cat.1之后，2021年的物联网行业又一个新的“风口”。

这与各类通信技术的快速发展不无关系。如今，无源物联网进一步延伸，扩展基于蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信技术的无源互联。下图中关于未来高中低速物联网连接需求的模型在业界是非常典型的模型。

我们知道，LPWAN的出现正式开启了电池供电物联网规模化发展的时代，解决了数百亿连接规模的低功耗物联网市场需求，而数千亿无源物联网的痛点成为了接下来需要解决的问题。对于无源物联网的关注也就随之开始。于是，上图的模型便发生了改变。

日常生活中，我们被各种无线电信号包围着，通过这些信号所能收集的能量虽然非常微量，但对于大量无源物联网节点的工作来说已经足够，而且可借助信号实现数据的回传。

可以说，无源物联网技术正在拓展物联网连接“金字塔”的底座。


现实生活中，我们习惯了电的存在，对有源与无源产品感受不到强烈的区别。但是，对于每一个处于物联网世界中的物件而言，电源是不可或缺的，它之于物联网终端就像空气、水之于人类。

人类可以不费吹灰之力就拥有空气，但是物联网终端却不一定能有电源。

一方面，由于成本制约或产品体积等原因使得物件本身不具备电池供电的条件。

另一方面，有上线需求的物件受限于其分布广泛、需灵活移动等因素，导致许多应用终端电池更换困难或无法直接靠电池供电。

从物联网连接发展的趋势来看，特别当面对海量物件“上线”的需求，必须要采用“无源”的形式来实现，因而无源物联网技术都将是一个主要推动力量。



关于无源物联网，其能量来源可以是光、4G、5G信号等，甚至物体形变都能产生微能量从而被利用，因此无源物联网的实现方式可以划分为以下三种：

第一种是采集太阳能供电；

第二种是按压式发电；

第三种是无线电波能量转换，通过采集周围环境中的RFID、NFC、蓝牙、4G，5G、WiFi等无线电波能量，并将其转换成电能。这也是无源物联网最受关注的方式，因为一个正常工作的物联网设备要正常运作，除获取工作能量之外，还需将数据通过无线电信号进行传输。借助这种方式，无源物联网终端既可以获取能量，也可以传输信号，同时成本、尺寸等都可做到很低，一举多得。

那么有哪些相关应用呢？


基于RFID的无源物联网

目前， RFID技术是我们最为熟悉、应用最广泛的无源物联网技术，其原理非常简单。当RFID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。通过收集的这点能量，标签发送信息，实现与阅读器的通信。

目前，这种方案的无源物联网产品出货量已达到每年数百亿的级别。NFC作为高频RFID的一种，该技术在智能手机中几乎成为标配，也可视为是一个典型的无源物联网技术应用。

基于蓝牙的无源物联网

无源蓝牙低功耗传感器标签无需供电，也可完成感知、存储和通信，该标签通过收集周围的无线射频能量来为其供电，并借助这些能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。

基于WiFi的无源物联网

该方案的原理是利用射频信号的后向反射通信技术，当附近WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号后，无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数，将传感器信息传递出去。

这一技术早在2016年，美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员就已研发出，称之为Passive WiFi。Passive WiFi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5μW和59.2μW，能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。


基于LoRa的无源物联网

2017年，美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员采用线性扩频技术，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa设备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究人员成功地从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置可以实现无源节点反射调制，成功回传传感器信息；将无源节点与射频源位于同一位置时，接收器最远可达2.8公里。

基于5G的无源物联网

通过5G蜂窝网络支持无源物联，一个难点是无源终端节点如何获取能量，另一个难点在于如何实现长距离回传，尤其是后者的难度更大。因为无源终端通过各种方式获得的能量是非常微弱的，回传路径过长，信号会快速衰减。目前在实验室阶段最先进的技术，已经可以做到在180米的范围内，收集特定频段的5G射频能量，采集到约6μW的电力。

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。

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我们见过哪些无源物联网应用？

几年来，无源物联网一直默默发展，而最近又一次得到业界的关注，被称为是继Cat.1之后，2021年的物联网行业又一个新的“风口”。

这与各类通信技术的快速发展不无关系。如今，无源物联网进一步延伸，扩展基于蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G通信技术的无源互联。下图中关于未来高中低速物联网连接需求的模型在业界是非常典型的模型。

我们知道，LPWAN的出现正式开启了电池供电物联网规模化发展的时代，解决了数百亿连接规模的低功耗物联网市场需求，而数千亿无源物联网的痛点成为了接下来需要解决的问题。对于无源物联网的关注也就随之开始。于是，上图的模型便发生了改变。

日常生活中，我们被各种无线电信号包围着，通过这些信号所能收集的能量虽然非常微量，但对于大量无源物联网节点的工作来说已经足够，而且可借助信号实现数据的回传。

可以说，无源物联网技术正在拓展物联网连接“金字塔”的底座。

Cherry

基于RFID的无源物联网

目前， RFID技术是我们最为熟悉、应用最广泛的无源物联网技术，其原理非常简单。当RFID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。通过收集的这点能量，标签发送信息，实现与阅读器的通信。

目前，这种方案的无源物联网产品出货量已达到每年数百亿的级别。NFC作为高频RFID的一种，该技术在智能手机中几乎成为标配，也可视为是一个典型的无源物联网技术应用。

        基于蓝牙的无源物联网



        基于WiFi的无源物联网

         该方案的原理是利用射频信号的后向反射通信技术，当附近WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号后，无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数，将传感器信息传递出去。

基于LoRa的无源物联网

2017年，美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员采用线性扩频技术，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa设备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究人员成功地从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置可以实现无源节点反射调制，成功回传传感器信息；将无源节点与射频源位于同一位置时，接收器最远可达2.8公里。

基于5G的无源物联网

通过5G蜂窝网络支持无源物联，一个难点是无源终端节点如何获取能量，另一个难点在于如何实现长距离回传，尤其是后者的难度更大。因为无源终端通过各种方式获得的能量是非常微弱的，回传路径过长，信号会快速衰减。目前在实验室阶段最先进的技术，已经可以做到在180米的范围内，收集特定频段的5G射频能量，采集到约6μW的电力。

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。