从传输到感知,无源物联网走出一条怎样的进化之路?
作者 | 物联网智库2022-05-28

本文来源智次方·物联网智库,转载请标明来源和出处

5月26日,在智次方·物联网智库举办的【风起·“无源”胜“有源”——感知无源·智能悠远】主题直播活动上,上海交通大学RFID与物联网研究所所长、博士、博士生导师王东、上海交通大学RFID与物联网研究所博士后张谦、OPPO高级标准研究员徐伟杰、每开创新科技CEO欧阳红军四位嘉宾,就无源物联网技术的发展脉络和应用前景,以及在“双碳”目标下的价值进行分享,为今后无源物联网产业加速商业化验证提供了丰富经验。

从传输到感知,无源物联网走出一条怎样的进化之路?「附直播回放」

从近年来物联网新增的连接节点来看,采用低功耗技术的连接占比最大,因此低功耗物联网已经成为产业连接的绝对主力。然而当前的某些物联网通信技术就是低功耗物联网的终极形态了吗?显然不是,随着物联网高速的发展,无源物联网技术作为物联网发展的一条主要路径,受到的关注程度在不断提高。

具体来说,无源物联网打破了物联网终端在供电、成本、终端体积以及可持续性方面的众多限制,为未来物联网连接数从百亿级迈向千亿级奠定了基础。物联网产业界也很早就已开始了对无源物联网的研究,除了已经非常成熟的RFID无源物联网技术之外,对新型无源物联网商用化的研究也已经提升上了日程。

5月26日,在智次方·物联网智库举办的【风起·“无源”胜“有源”——感知无源·智能悠远】主题直播活动上,上海交通大学RFID与物联网研究所所长、博士、博士生导师王东、上海交通大学RFID与物联网研究所博士后张谦、OPPO高级标准研究员徐伟杰、每开创新科技CEO欧阳红军四位嘉宾,就无源物联网技术的发展脉络和应用前景,以及在“双碳”目标下的价值进行分享,为今后无源物联网产业加速商业化验证提供了丰富经验。

上海交通大学RFID与物联网研究所所长、博士、博士生导师 王东

上海交通大学RFID与物联网研究所博士后 张谦

演讲主题:《基于RFID的无源感知技术及应用——从RFID识别到RFID感知》

从2003年沃尔玛宣布采用UHF RFID技术追踪其供应链系统中的商品开始,RFID技术、产业和应用的发展走过了漫长的道路,上海交通大学RFID与物联网研究所所长、博士、博士生导师王东表示,在近20年的时间里,RFID技术并没有出现所谓的“井喷”发展,碎片化的长尾市场使整个产业变得越来越“卷”。2022年初,沃尔玛再次宣布在2020年成功推动UHF RFID标签应用于零售服装的基础上,计划将RFID的使用扩展到其他零售部门,虽然这一爆炸性的新闻并不能说明RFID技术新一轮的发展热潮即将涌起,但确为RFID行业注入了一针发展强心剂,值得期待。

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王东介绍,国内近二十年RFID应用实践印证了这样一个共识,只有在供应链各环节(而不是单一环节)通过RFID技术实现实物流转信息的快速自动识别,进而实现整个供应链的可视化,支撑面向政府监管、企业产品溯源、消费者商品防伪等应用场景需求,才能为RFID应用客户带来真正的投资回报率。一个代表性的RFID应用是他们团队和合作伙伴共同推动的基于RFID/NFC的茅台酒防伪溯源系统,通过在每瓶酒的瓶盖内置RFID/NFC标签,可以实现每瓶酒从生产、包装、出入库、物流中转、分销、专卖店零售以及消费者防伪查询等整个供应链所有事件信息的可视化和可溯源,RFID技术为客户带来的价值在这个案例中得到极大提升。该项目的研究成果“基于射频识别的供应链事务数据模型”已经由工信部正式发布为行业标准。

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王东表示,RFID应用是一门复杂的工程技术,从标签天线设计、标签粘贴位置优化,到RFID读写器应用部署和情景匹配,以及应用方案设计,都需要经过设计、优化、仿真分析、应用测试、设计改进的循环往复过程。上海交通大学RFID与物联网研究所团队在近20年RFID研发和应用实践的基础上,凝练形成了一整套RFID应用工程方法论,建立了国内领先的RFID应用测试环境,帮助RFID系统集成商和客户完善RFID应用解决方案,迄今已经为物流、制造、石化、烟草、酒类等行业的数百家客户提供了RFID产品和方案应用测试、上线实施等服务。

王东强调,随着对RFID技术研究的深入,RFID的价值不仅仅是提供“身份识别”能力,RFID读写器除了能提供RFID标签的ID信息外,还能提供标签返回信号的强度值(RSSI)、相位值(Phase)以及多普勒频率(Doppler Frequency)等参数,利用这些参数可以实现基于RFID的厘米级精准定位、人动作和行为的感知等,这极大地拓展了RFID应用的范围和层次,使RFID技术从识别走向感知。一个典型的应用场景是线下服装零售店,每件服装中都已经植入了RFID标签,顾客取下衣服试穿还是在货架上翻看衣服等不同的行为,都会使读写器给出的每件服装RFID标签的相位信号发生不同变化,通过信号处理并借助深度学习等AI算法,可以识别出顾客与那件服装何种动作行为交互,这就可以帮助线下门店收集服装与消费者的交互数据,为客户画像、商品推荐等应用服务提供支持。交大团队已经在基于RFID的步态识别、工作流识别、呼吸心跳等生理体征识别、手势识别等方面做了大量研究和实验验证测试。

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最后王东表示,“RFID作为一种短距离的无线传输方式,其未来的技术发展方向之一就是要实现传输和感知一体化发展。”

随后,上海交通大学RFID与物联网研究所博士后张谦对基于RFID的无源感知原理及应用前景做了进一步的分享。

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张谦解释到,无线信号在空间中传播时会存在多径效应,读写器和标签之间,除了有直接路径信号之外,还有可能会有环境中物体或人等带来的反射路径信号,因此标签返回信号中就包含了周围环境中的多径信息,通过分析物理层参数的变化就可以实现对环境中对象行为活动的感知,这就将RFID技术的研究从传统的自动识别领域拓展到更为广阔的泛在感知领域,为人机交互和普适计算提供了一种崭新的技术手段。

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RFID标签低成本、易部署、无源的特性使RFID感知技术可以应用到很多领域。例如在室内定位领域,利用标签返回信号的变化就可以实现对贴有标签的物品的定位。他们团队将合成孔径技术和深度学习技术相融合,有效地解决了目前RFID定位易受噪声、多径、距离等影响的问题,可以将真实场景下的基于RFID的定位精度提升到厘米级。RFID传统意义上被认为是一种身份标识技术,但是无源感知技术可以让RFID在用户不需要携带标签的情况下实现身份识别,他们团队利用环境中部署的RFID标签捕捉人的步态信息,实现对用户的非接触式身份认证。在活动感知领域,RFID感知技术不仅可以将标签部署到环境中进行感知,还可以将标签贴到物品上,通过人与物品交互时引起的信号变化实现感知,例如可以利用服装上的RFID标签信号变化感知顾客的行为,通过在工厂或实验室的仪器设备上部署RFID标签对操作人员的工作流进行识别。

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事实上,除了RFID之外,空间中的无线信号是无处不在的,例如WiFi、4G/5G、超声波信号等。他们团队近年来在无线感知领域做了一系列的工作,从RFID感知到基于WiFi、超声波、毫米波雷达等其他无线信号的感知,再到与传感器等感知方式相融合的多模态人机交互技术。张谦着重介绍了团队目前在超声波感知领域做的一些工作。目前,智能移动设备(手机、智能手表、智能音箱等)上的扬声器和麦克风都可以收发24KHz以下的声波信号,而人耳一般只能听到17KHz以下的频率,因此在超声波感知中,智能设备可以通过扬声器和麦克风发射并接收 17∼24KHz 的声波,通过分析接收信号中蕴含的多径特征实现对周围环境的感知。超声波信号较短的波长(2cm左右)使其可以很好地捕捉人体细粒度的运动。例如,他们团队通过超声波信号感知人写字时的手指运动,实现对用户的手写识别以及手写签名认证。他们还将超声波感知应用到唇语识别上,通过端到端的网络框架既可以识别单词级别的唇语命令,也可以识别句子级别的唇语命令,使用户只通过唇语(不发出声音)就可以与智能设备进行交互。进一步地,他们还通过超声波感知实现了更具挑战性的语音增强。针对智能移动设备上的语音交互(语音消息、语音邮箱、语音笔记等)应用在实际场景中面临的各种噪声干扰问题,他们利用超声波捕捉到的唇部动作信息实现语音增强。由于超声波感知技术完全复用语音交互时使用的扬声器和麦克风,因此可以以一种非常自然的方式(无需额外设备、无需改变用户习惯)与语音信号协同工作。他们在高铁、地铁、餐厅等嘈杂环境中的现场测试都表明这种增强方法可以有效地去除音频信号中的环境噪声。

张谦表示,未来随着通信技术和人工智能的发展,包括RFID在内的无线感知技术凭借其非接触、全天候的优点会催生出各种各样的创新性应用,例如运动监测、位置追踪、步态识别、摔倒检测、手势交互、睡眠监测、饮食管理、情绪识别、生命体征监测等。

OPPO高级标准研究员 徐伟杰

演讲主题:《基于环境能量的零功耗物联网》

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当前,MTC、NB-IoT等通信技术作为5G时代使能万物互融的技术基础,已经大体实现了低功耗、低成本、大连接,但仍有很多未满足的物联网通信需求,如:适应极端工作环境的物联网、极低成本、极小终端尺寸,以及免维护的物联网需求。

OPPO高级标准研究员徐伟杰表示,零功耗物联网有望成为赋能万物互融的重要抓手,通过使用环境能量,如:无线电波,太阳能,热能,动能等,可以与现有的5G massive MTC形成良好互补,使得零功耗、极低成本、更小体积的终端成为可能。对于零功耗物联网来说,现在的典型应用场景包括工业生产与检测、智能物流与仓储、智能家居等。

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同时,他还介绍了三种零功耗物联网系统,如:基于蜂窝或基于侧行通信的零功耗物联网系统,以及二者混合的零功耗物联网系统。

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此外,徐伟杰还表示,现在的零功耗物联网设计面临着诸多挑战,包括终端极小的体积和极低的成本要求、多样化工作环境下的能量采集、极端的工作环境通信要求、通信安全等问题。

面对这些设计挑战,如今也有一系列关键技术来应对。在面对极低复杂度的通信技术要求时,可以采用ASK/FSK等低复杂度调制技术和反向散射通信等低功耗传输技术;在能量采集时,可以因地制宜、削峰填谷、开源节流;甚至还有具备简化的连接管理、轻量级安全机制、简化的网络架构等特点的轻量化协议。

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最后,徐伟杰表示,OPPO自去年5月开始,已经向国际标准化组织3GPP递交提案,建议研究零功耗物联网通信技术,该项目于今年2月成功立项,且OPPO为项目的报告人。还在业内首先发布了《零功耗通信》中/英文白皮书,并取得了广泛好评。未来,OPPO将持续关注零功耗物联网,并继续投入精力研发相关技术。

每开创新科技CEO 欧阳红军

演讲主题:《无源技术如何助力企业在“双碳”下变革 》

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自上世纪90年代第一个浏览器产生之后,IoT设备也开始出现;到了2000年左右的移动互联网时代,LG公司宣布进入互联网冰箱领域,宝马公司于次年发布了联网驾驶产品;而在2003年,“物联网”一词开始被广泛接受,RFID也开始被零售商大规模使用。

经过了多年的发展,人们已经走进万物互联的时代,以物品接入为驱动的物联网,会以更大的规模爆发。同时,在可持续发展和“双碳”的目标之下,支持低功耗或者零功耗的物联网设备,将迎来更大的发展空间。

对此,每开创新科技CEO欧阳红军表示,每开创新科技提出了“微能源抓取及通信解决方案”,通过自研的射频能量算法芯片,实现射频无线取电,在接触瞬间吸收发射端能量,转化成大功率储电,以进行安全驱动负载,解放电池电量的约束,为智能开关的新功能扩展带来更多发展机遇 。

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目前,该技术方案主要用于无源锁具、无源开关等产品场景。每开和行业合作伙伴一起,已经推出了基于每开无源NFC技术的消费级挂锁、柜锁、箱包锁、智能门锁等产品,以及工业级的设备管理锁具;和物流箱合作伙伴推出了流箱锁产品;和电子纸行业合作伙伴推出了无源NFC标签产品。在这些产品的实际应用中,用户只需将手机靠近芯片位置,通过APP、小程序等应用完成写入和解锁的过程,即可完成数据写入和解锁的过程,目前已经适配市面上90%以上的主流手机机型。针对工业、能源、交通等场景,也可通过定制读卡器的方式完成交互。

同时,每开创新科技还拥有自有的SaaS平台,可以实现设备及交互的实时管理,通过芯片记录设备ID、通过数据部署实现交互数据回传,助力企业全面数字化升级。

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据欧阳红军介绍,目前,每开创新科技已在无源NFC/BLE技术及解决方案领域完成多项重大突破,并已通过无电开关、无电包装、无电显示、无电测量等应用场景,为智能家居、能源通信、医药物流等行业300家客户提供软硬件一体化服务。

工业级场景解决方案

(工业级场景解决方案)

最后,欧阳红军还表示,“无电”方案具有安全、高效、降本、环保等行业应用价值。每开创新科技近十年一直在微能源通信领域进行深刻的探索和实践,团队曾在16年研发的BLE+GPRS双通信共享单车锁模组累计三年出货达到3000万台;目前其独有的无源NFC大功率能量算法引擎在空中交通、资产安全、交互追踪、信任交付等需求的应用特点备受认同,已签约应用于无电智能箱包达百万级的出货量。未来,每开创新科技将继续在微能源通信领域深耕,做出更优质的产品,服务更多的行业伙伴。

写在最后

直播的最后,四位嘉宾与线上的数百位观众进行了深入互动,就无源物联网在具体案例和应用中挑战和难点、关于无线感知技术的应用探讨,以及对无源物联网技术研究中存在的困难再次进行了解答和分析。毫无疑问,无源物联网作为物联网发展中的一条主要路径,在逐渐成熟的过程中还有更多创新的价值等待我们去解锁和挖掘!


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2022-05-28