無源物聯網三大底層技術
無源物聯網的工作主要依賴于環境能量采集、低功耗計算和低功耗通信三大底層技術。
無源物聯網設備不依賴電池或布設電源線供電，而是通過捕捉環境中的能量，并轉化為電能支持設備工作。近年來，能量轉化技術的不斷升級和成熟使得環境能量捕捉和使用成為現實。目前，從環境中采集能量的方式主要包括四種，即光能采集、振動能量采集、溫差轉換能量采集以及無線電射頻能量采集。其中無線電射頻能量采集方式下根據不同的通信制式又可以再作進一步的技術路線劃分。目前，無源物聯網應用中較具規模、成熟度較高的環境能量采集方式主要為光能和無線電射頻能量采集。
不同環境能量采集方式的特點、優劣勢、主要應用場景如下：
無源物聯網不同采能方式的發展現狀、優劣勢及主要應用場景
能量采集方式 | 發展現狀 | 優劣勢 | 應用場景 |
光能采集 | 光能/太陽能采集是目前較為普遍、成熟的環境能量采集方式，其已成為清潔能源中規模最大的能量源之一。 | 優點： ? 能量密度大 ? 獲取難度低 ? 產業鏈較成熟 缺點： ? 成本高 ? 尺寸大 ? 安裝維護成本高 ? 受時間、天氣等諸多外界條件影響 | ? 交通路燈 ? 環境監測 ? 海上勘探 ? 通信基站 ? 太陽能停車場 ? 光伏發電等 ? 農業監測 ? 智能家居 |
振動能量采集 | 優點： ? 振動采集能量的3種轉換方式都易于MEMS技術集成 ? 壓電轉換無需驅動電源，機電轉換性能高、輸出電壓高、環境適應能力好、結構緊湊 ? 磁電轉換無需額外的驅動電源與功能材料，且輸出電流大 ? 靜電轉換無需功能材料且輸出電壓較高 缺點： ? 磁電轉換輸出電壓低磁體與線圈尺寸較大 ? 靜電轉換需要外部電壓源，且產生電流低、電容氣隙小 | ? 智能可穿戴設備 ? 開關 ? 遙控器 ? 工業生產 | |
溫差轉換采集 | 部分可穿戴及工業監測設備正探索使用溫差熱能收集技術，因為不斷散發熱量的物體可作為熱的一端，環境則成為冷的一端，二者間的溫差將產生能量。不過，物體體表溫度較其外部環境溫度的溫差并不會有較大差異，因而輸出電壓將較小，難以支撐大功率設備正常工作，一般只能為低功耗設備供能。 | 優點： ? 能量環境適用廣 ? 能量獲取難度低 缺點： ? 能量密度低 ? 輸出電壓小 ? 限于低功耗設備 | ? 低功耗設備 ? 微型體積設備 ? 煙感防火 |
無線電射頻采集 | 無線電射頻采集能量的來源廣泛，手機、移動通信基站、電視、電臺信號基站、Wi-Fi、微波爐等設備都可以發射射頻能量。目前通過射頻方式可采集到的能量較少，更多應用于超低功耗傳感器。射頻能量采集技術如果得以進一步突破，可作為極佳的能量采集方式。 | 優點： ? 電子設備使用廣泛 ? 射頻源豐富 ? 可復用、小尺寸、易部署、低成本 缺點： ? 能量密度小 | ? 物流包裹 ? 服裝零售 ? 圖書管理 ? 防偽追溯 |
來源：公開資料，摯物產業研究院整理
不同的環境能量采集方式的技術原理如下：
1.光能采集技術原理
光能采集的核心技術原理是利用半導體材料的光電效應，將光能直接轉變為電能。光能采集量和利用效率，主要取決于光伏材料性質、光照強度及轉換效率。隨著光能采集技術發展，以及光伏材料研究的突破，光能采集和轉化的效率已達到較高水平。目前，光能采集在物聯網傳感設備中已有若干應用，如太陽能監控攝像機等。
2.振動能量采集技術原理
通過振動收集到的能量一般可以通過壓電轉換、靜電轉換和磁電轉換3種方式進行能量轉換。其中，靜電轉換方式可以通過靜電感應，將機械能轉化成電能；壓電轉換方式在進行能量轉換時，需要形成初始電壓差才能進行設備供電的能量轉換；磁電轉換方式則通過振動使導體切割磁感線產生能量。目前，具有較高能量密度的壓電轉換和磁電轉換應用較為廣泛。
振動能量采集在工業和室內等場景下已有一定范圍的應用。例如，工廠中的電動機、變速箱、泵等設備的工作過程中會產生輕微振動，通過壓電材料可以對這些微動能量進行采集和儲存，得到足以支撐低功耗傳感器運行的能量；在室內場景下，自供能開關、自供能門鈴等無源產品通過按壓振動結構可形成電磁切割現象從而產生電能，相關能量可被實時采集和釋放，實現隨產隨用。
振動能量采集方式技術原理示意圖
來源：公開資料，摯物產業研究院整理
3.溫差能量采集技術原理
溫差能量采集主要是通過賽貝克效應原理把熱能轉換為電能，亦即，通過熱電發生器中的溫差產生的電勢，將熱源中的廢熱轉換為電能。這種特性決定了溫差能量采集須具備穩定的熱源，還需要散熱器來制造溫差并使熱量在設備中流動，從而持續產生微電流。目前，溫差能量采集的方式已在可穿戴設備、工業監測等領域有若干應用。
4.無線電射頻能量采集技術原理
無線電射頻又簡稱為射頻。射頻能量采集的核心是將射頻能量轉換為直流能量。相關能量可存儲在儲能單元（如電容）中，也可采集后直接用于驅動邏輯電路、數字芯片或傳感器件等，完成對反向散射信號的調制和發射，以及傳感信息的采集與處理等。
需要注意的是，無線發射器和能量采集器分別通過自身的天線發射/接收信號，因此，須保證二者天線的工作頻率與收發信號的頻率相同。同時，空間距離和采集到的能量成反比，因此，無線發射器和能量采集器的空間距離須在合乎要求的范圍內。
射頻能量在日常生活中廣泛存在。目前，基于RFID和NFC的射頻能量采集技術已在公交卡、ETC、工業設備監測、無線供電手持設備、可穿戴低功耗設備以及RFID標簽等領域有廣泛應用。基于Wi-Fi、藍牙以及蜂窩網絡等的射頻能量采集技術相對仍不成熟，還處于小批量試應用探索或理論研究階段。
射頻能量采集技術路線 | 射頻技術簡介 | 技術成熟度 | 代表企業 |
RFID | RFID技術是應用最為最廣泛和成熟的無源物聯網技術。其原理為是當RFID標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發出的射頻信號，產生感應電流，獲得能量。通過收集相關微弱能量，標簽發送信息，實現與閱讀器的通信。目前，這種方案的無源物聯網產品每年的出貨量已達數百億級別。 | 規模應用 | 遠望谷 微標科技 廈門信達 |
NFC | NFC作為高頻RFID的一種，已基本成為智能手機的標配。不過，NFC有其局限性，例如傳輸距離短、對專用讀寫器的依賴度高等，應用的場景相對有限。 | 規模應用 | 啟緯智芯 |
藍牙 | 無源藍牙低功耗傳感器標簽無需供電，也可完成感知、存儲和通信，該標簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并借助這些能量發送標簽唯一標識碼的數據以及傳感器讀數。 | 應用探索 | Wiliot Atmosic |
Wi-Fi | 美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員在2016年研發出一種全新的名為Passive Wi-Fi的技術，設計原理類似RFID芯片，利用射頻信號的后向反射通信技術，當附近Wi-Fi路由器發射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯網節點吸收射頻信號并調制天線反射系數，將傳感器信息傳遞出去。 Passive Wi-Fi無源節點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，僅正常Wi-Fi節點電量消耗的萬分之一。且能實現30米回傳，并有一定的穿墻能力。 | 研究階段 | - |
5G | 2021年華為提出面向5.5G的無源物聯網設想，希望將無源物聯網納入5G網絡體系。通過5G蜂窩網絡支持無源物聯，一個難點是無源終端節點如何獲取能量，另一個難點在于如何實現長距離回傳，尤其后者的難度更大。無源終端通過各種方式獲得的能量非常微弱，回傳路徑過長，信號會快速衰減。目前在實驗室階段最先進的技術已經可以做到在180米范圍內，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。 | 研究階段 | 華為 |
Lora | 2021年日本村田公司與Nowi公司合作推出無電池LoRa方案參考平臺，使用村田的LoRa模塊和Nowi的能量采集電源管理（PMIC）芯片供給能量。這類無源方案大多由模組廠商和能源芯片企業合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，采用線性擴頻技術提升回傳能力，借助反射調制系統實現永久供能。 | 研究階段 | 村田公司 Nowi公司 |
低功耗計算技術
無源物聯網終端運行時可利用的能量有限，這決定了驅動電路或芯片用于計算的功耗需求不能過高。因此，選擇低功耗芯片，同時配合簡單編碼和調制，完成簡化的低壓驅動電路設計，以及低功耗接收機等，是實現低功耗運行的關鍵和挑戰。
低功耗芯片一般包括MCU和傳感器等。隨著半導體技術的進步，終端芯片功耗已實現降低到μW級甚至更低的nW級，例如，目前應用成熟的低功耗計算MCU芯片的功耗即已在μW級別，這為無源物聯網的技術發展和應用探索奠定了堅實基礎。
簡單編碼和調制可以在很大程度降低通信的計算功耗，這要求相應的電路設計采取盡可能簡化的原則。
低功耗接收機降低了相應組建/終端節點設備的復雜度，將大大有益于實現簡單的調制/解碼功能，從而降低功耗。
因當前能量采集技術的發展水平限制，無源物聯網終端數據的傳輸往往以低耗能的近距離、低速率通信技術為主。在傳輸方式上，相比需要耗費更多能量主動生成信號，無源物聯網終端更多依靠反向散射方式，對接收到的射頻信號進行反射以傳輸數據。
反向散射技術是一種無需有源發射機而實現信號傳輸與編碼的無線技術。類似于雷達原理，電磁波在到達物體表面時有一部分會被反射，被反射信號的強弱取決于此物體的形狀、材質與距離，從雷達的角度講，每個物體都有其雷達截面（RCS，Radar Cross-Section），標簽（tag）通過改變其RCS實現對反射信號的調制。反向散射發射機調制接收到的射頻信號以傳輸數據，而無須自己生成射頻信號。不過，傳統反向散射技術受限于傳輸距離短、對專用讀寫器依賴度高、存在較強的系統自干擾和互干擾、被動性操作導致自動化管理難等問題，目前應用較為成熟的路線僅限于RFID和NFC兩類。
展望未來，環境反向散射通信（Ambient Backscatter Communication，AmBC）有望成為使能低功耗通信的一項更有前途的技術。它可以有效地解決傳統反向散射通信系統中的上述局限性，從而使AmBC技術在實際應用中得到更廣泛采用。在環境反向散射通信系統中，反向散射設備可以通過利用從環境射頻源（例如電視塔、FM塔、蜂窩基站和Wi-Fi AP等）發出的無線信號來相互通信。同時，進一步通過分離載波發射器和反向散射接收器，反向散射設備的射頻組件數量可以被最小化，且設備可以主動運行，即反向散射發射器可以從射頻源采集到足夠能量時，無需接收機啟動即可發送數據。
