无源物联网的技术路线与应用场景
作者 | 挚物产业研究院2023-01-13

 无源物联网三大底层技术

无源物联网的工作主要依赖于环境能量采集、低功耗计算和低功耗通信三大底层技术。

环境能量采集技术

无源物联网设备不依赖电池或布设电源线供电,而是通过捕捉环境中的能量,并转化为电能支持设备工作。近年来,能量转化技术的不断升级和成熟使得环境能量捕捉和使用成为现实。目前,从环境中采集能量的方式主要包括四种,即光能采集、振动能量采集、温差转换能量采集以及无线电射频能量采集。其中无线电射频能量采集方式下根据不同的通信制式又可以再作进一步的技术路线划分。目前,无源物联网应用中较具规模、成熟度较高的环境能量采集方式主要为光能和无线电射频能量采集。

不同环境能量采集方式的特点、优劣势、主要应用场景如下:

无源物联网不同采能方式的发展现状、优劣势及主要应用场景

能量采集方式

发展现状

优劣势

应用场景

光能采集

光能/太阳能采集是目前较为普遍、成熟的环境能量采集方式,其已成为清洁能源中规模最大的能量源之一。

优点:

Ø    能量密度大

Ø    获取难度低

Ø    产业链较成熟

缺点:

Ø    成本高

Ø    尺寸大

Ø    安装维护成本高

Ø    受时间、天气等诸多外界条件影响

Ø    交通路灯

Ø    环境监测

Ø    海上勘探

Ø    通信基站

Ø    太阳能停车场

Ø    光伏发电等

Ø    农业监测

Ø    智能家居

振动能量采集

振动能量采集在工业物联网和智能家居等领域已有一定范围的应用,工厂或家居场景多项设备的振动可以产生能量供采集。

优点:

Ø    振动采集能量的3种转换方式都易于MEMS技术集成

Ø    压电转换无需驱动电源,机电转换性能高、输出电压高、环境适应能力好、结构紧凑

Ø    磁电转换无需额外的驱动电源与功能材料,且输出电流大

Ø    静电转换无需功能材料且输出电压较高

缺点:

Ø    磁电转换输出电压低磁体与线圈尺寸较大

Ø    静电转换需要外部电压源,且产生电流低、电容气隙小

Ø    智能可穿戴设备

Ø    开关

Ø    遥控器

Ø    工业生产

温差转换采集

部分可穿戴及工业监测设备正探索使用温差热能收集技术,因为不断散发热量的物体可作为热的一端,环境则成为冷的一端,二者间的温差将产生能量。不过,物体体表温度较其外部环境温度的温差并不会有较大差异,因而输出电压将较小,难以支撑大功率设备正常工作,一般只能为低功耗设备供能。

优点:

Ø    能量环境适用广

Ø    能量获取难度低

缺点:

Ø    能量密度低

Ø    输出电压小

Ø    限于低功耗设备

Ø    低功耗设备

Ø    微型体积设备

Ø    烟感防火

无线电射频采集

无线电射频采集能量的来源广泛,手机、移动通信基站、电视、电台信号基站、Wi-Fi、微波炉等设备都可以发射射频能量。目前通过射频方式可采集到的能量较少,更多应用于超低功耗传感器。射频能量采集技术如果得以进一步突破,可作为极佳的能量采集方式。

优点:

Ø    电子设备使用广泛

Ø    射频源丰富

Ø    可复用、小尺寸、易部署、低成本

缺点:

Ø    能量密度小

Ø    物流包裹

Ø    服装零售

Ø    图书管理

Ø    防伪追溯

来源:公开资料,挚物产业研究院整理

不同的环境能量采集方式的技术原理如下:

1.光能采集技术原理

光能采集的核心技术原理是利用半导体材料的光电效应,将光能直接转变为电能。光能采集量和利用效率,主要取决于光伏材料性质、光照强度及转换效率。随着光能采集技术发展,以及光伏材料研究的突破,光能采集和转化的效率已达到较高水平。目前,光能采集在物联网传感设备中已有若干应用,如太阳能监控摄像机等。

2.振动能量采集技术原理

通过振动收集到的能量一般可以通过压电转换、静电转换和磁电转换3种方式进行能量转换。其中,静电转换方式可以通过静电感应,将机械能转化成电能;压电转换方式在进行能量转换时,需要形成初始电压差才能进行设备供电的能量转换;磁电转换方式则通过振动使导体切割磁感线产生能量。目前,具有较高能量密度的压电转换和磁电转换应用较为广泛。

振动能量采集在工业和室内等场景下已有一定范围的应用。例如,工厂中的电动机、变速箱、泵等设备的工作过程中会产生轻微振动,通过压电材料可以对这些微动能量进行采集和储存,得到足以支撑低功耗传感器运行的能量;在室内场景下,自供能开关、自供能门铃等无源产品通过按压振动结构可形成电磁切割现象从而产生电能,相关能量可被实时采集和释放,实现随产随用。

振动能量采集方式技术原理示意图

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来源:公开资料,挚物产业研究院整理

3.温差能量采集技术原理

温差能量采集主要是通过赛贝克效应原理把热能转换为电能,亦即,通过热电发生器中的温差产生的电势,将热源中的废热转换为电能。这种特性决定了温差能量采集须具备稳定的热源,还需要散热器来制造温差并使热量在设备中流动,从而持续产生微电流。目前,温差能量采集的方式已在可穿戴设备、工业监测等领域有若干应用。

4.无线电射频能量采集技术原理

无线电射频又简称为射频。射频能量采集的核心是将射频能量转换为直流能量。相关能量可存储在储能单元(如电容)中,也可采集后直接用于驱动逻辑电路、数字芯片或传感器件等,完成对反向散射信号的调制和发射,以及传感信息的采集与处理等。

需要注意的是,无线发射器和能量采集器分别通过自身的天线发射/接收信号,因此,须保证二者天线的工作频率与收发信号的频率相同。同时,空间距离和采集到的能量成反比,因此,无线发射器和能量采集器的空间距离须在合乎要求的范围内。

射频能量在日常生活中广泛存在。目前,基于RFID和NFC的射频能量采集技术已在公交卡、ETC、工业设备监测、无线供电手持设备、可穿戴低功耗设备以及RFID标签等领域有广泛应用。基于Wi-Fi、蓝牙以及蜂窝网络等的射频能量采集技术相对仍不成熟,还处于小批量试应用探索或理论研究阶段。

各类射频能量采集技术发展概况

射频能量采集技术路线

射频技术简介

技术成熟度

代表企业

RFID

RFID技术是应用最为最广泛和成熟的无源物联网技术。其原理为是当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。通过收集相关微弱能量,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每年的出货量已达数百亿级别。

规模应用

远望谷

微标科技

厦门信达

NFC

NFC作为高频RFID的一种,已基本成为智能手机的标配。不过,NFC有其局限性,例如传输距离短、对专用读写器的依赖度高等,应用的场景相对有限。

规模应用

启纬智芯

蓝牙

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。

应用探索

Wiliot

Atmosic

Wi-Fi

美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员在2016年研发出一种全新的名为Passive   Wi-Fi的技术,设计原理类似RFID芯片,利用射频信号的后向反射通信技术,当附近Wi-Fi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。

Passive Wi-Fi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5µW和59.2µW,仅正常Wi-Fi节点电量消耗的万分之一。且能实现30米回传,并有一定的穿墙能力。

研究阶段

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5G

2021年华为提出面向5.5G的无源物联网设想,希望将无源物联网纳入5G网络体系。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,尤其后者的难度更大。无源终端通过各种方式获得的能量非常微弱,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米范围内,收集特定频段的5G射频能量,采集到约6µW的电力。

研究阶段

华为

Lora

2021年日本村田公司与Nowi公司合作推出无电池LoRa方案参考平台,使用村田的LoRa模块和Nowi的能量采集电源管理(PMIC)芯片供给能量。这类无源方案大多由模组厂商和能源芯片企业合作,推出兼容LoRa/NB-IoT模组的模块,采用线性扩频技术提升回传能力,借助反射调制系统实现永久供能。

研究阶段

村田公司

Nowi公司

来源:公开资料,挚物产业研究院整理

低功耗计算技术

无源物联网终端运行时可利用的能量有限,这决定了驱动电路或芯片用于计算的功耗需求不能过高。因此,选择低功耗芯片,同时配合简单编码和调制,完成简化的低压驱动电路设计,以及低功耗接收机等,是实现低功耗运行的关键和挑战。

低功耗芯片一般包括MCU和传感器等。随着半导体技术的进步,终端芯片功耗已实现降低到μW级甚至更低的nW级,例如,目前应用成熟的低功耗计算MCU芯片的功耗即已在μW级别,这为无源物联网的技术发展和应用探索奠定了坚实基础。

简单编码和调制可以在很大程度降低通信的计算功耗,这要求相应的电路设计采取尽可能简化的原则。

低功耗接收机降低了相应组建/终端节点设备的复杂度,将大大有益于实现简单的调制/解码功能,从而降低功耗。

低功耗通信技术

因当前能量采集技术的发展水平限制,无源物联网终端数据的传输往往以低耗能的近距离、低速率通信技术为主。在传输方式上,相比需要耗费更多能量主动生成信号,无源物联网终端更多依靠反向散射方式,对接收到的射频信号进行反射以传输数据。

反向散射技术是一种无需有源发射机而实现信号传输与编码的无线技术。类似于雷达原理,电磁波在到达物体表面时有一部分会被反射,被反射信号的强弱取决于此物体的形状、材质与距离,从雷达的角度讲,每个物体都有其雷达截面(RCS,Radar Cross-Section),标签(tag)通过改变其RCS实现对反射信号的调制。反向散射发射机调制接收到的射频信号以传输数据,而无须自己生成射频信号。不过,传统反向散射技术受限于传输距离短、对专用读写器依赖度高、存在较强的系统自干扰和互干扰、被动性操作导致自动化管理难等问题,目前应用较为成熟的路线仅限于RFID和NFC两类。

展望未来,环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,AmBC)有望成为使能低功耗通信的一项更有前途的技术。它可以有效地解决传统反向散射通信系统中的上述局限性,从而使AmBC技术在实际应用中得到更广泛采用。在环境反向散射通信系统中,反向散射设备可以通过利用从环境射频源(例如电视塔、FM塔、蜂窝基站和Wi-Fi AP等)发出的无线信号来相互通信。同时,进一步通过分离载波发射器和反向散射接收器,反向散射设备的射频组件数量可以被最小化,且设备可以主动运行,即反向散射发射器可以从射频源采集到足够能量时,无需接收机启动即可发送数据。



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