導(dǎo)語
如果全世界停電了，怎么辦？2019 年日本上映的一部電影《生存家族》講述了一個家庭在全世界停電 2 年中的逃亡救贖之路。電影雖然溫情，但本質(zhì)是一部災(zāi)難片。如今人類的生活沒有電力支持幾乎是寸步難行。在物聯(lián)網(wǎng)世界設(shè)備入網(wǎng)同樣要依靠電力支持，隨著物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備大規(guī)模普及，供電將帶來巨大成本和維護難題，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。
需要注意的是，無源并非不需要能源，而是采集環(huán)境能源，以實現(xiàn)自供電、并驅(qū)動設(shè)備進行通信。此外無源也不代表無成本，盡管無源物聯(lián)需求巨大，目前可以大規(guī)模商用的技術(shù)方案并不多，憑借極低成本高頻RFID成為無源物聯(lián)技術(shù)中絕對龍頭。2021 年以色列初創(chuàng)公司W(wǎng)iliot獲得由軟銀愿景基金領(lǐng)投的2億美元C輪融資，掀起無源物聯(lián)熱潮，今年10月該公司的藍牙傳感器標(biāo)簽入選《時代》周刊 2023 年最佳發(fā)明。同時，本土企業(yè)縱行科技、飛英思特在這一領(lǐng)域也在此基礎(chǔ)上進行各具特色的技術(shù)創(chuàng)新并獲得了令人矚目的商業(yè)進展，讓我們再次關(guān)注到這一領(lǐng)域。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備邁向千億級目標(biāo)，無源物聯(lián)技術(shù)可以說是“全村人的希望”，我們想知道除了RFID，還有哪些技術(shù)可助力這一目標(biāo)的實現(xiàn)，技術(shù)進展和商用進展走到了哪一步。
無源物聯(lián)是如何實現(xiàn)的
無源物聯(lián)的目標(biāo)是實現(xiàn)物理設(shè)備自供電完成數(shù)據(jù)采集和通信，智次方·摯物研究院的《無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》將無源物聯(lián)的底層技術(shù)分為三個部分：環(huán)境能量采集、低功耗通信和低功耗計算（主要是前面二者）。 目前最常見的無源能量來源于射頻信號，譬如RFID、NFC、藍牙、WiFi 等。一旦設(shè)備被激活，可以使用同一無線射頻信號來傳輸數(shù)據(jù)，既提供了能量又完成了通信，合二為一。
RFID：工業(yè)商用最成熟的無源技術(shù)
商用階段：??????????
射頻識別 RFID（Radio Frequency Identification）是一種閱讀器與標(biāo)簽之間進行非接觸式數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，被廣泛運用于快遞物流、生產(chǎn)追蹤、防偽溯源等場景，是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其原理非常簡單，當(dāng) RFID 標(biāo)簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過收集的這點能量，標(biāo)簽發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。
RFID技術(shù)優(yōu)勢：
RFID可以寫入及存取數(shù)據(jù)，標(biāo)簽內(nèi)容可以動態(tài)更改。
相較于藍牙、 Wi-Fi等技術(shù)，RFID傳輸距離更遠。
RFID商用較為成熟，擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。
目前 RFID 無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，不論是低頻、高頻還是超高頻都有了大規(guī)模的應(yīng)用，其中數(shù)量最大的當(dāng)屬超高頻（UHF） RFID。與低頻（LF）和高頻（HF）RFID標(biāo)簽相比，UHF RFID 標(biāo)簽具有更長的讀取范圍和更高的讀取速度。根據(jù) AIoT 星途研究院出品的《2023中國RFID無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)白皮書》，僅 UHF RFID（超高頻）標(biāo)簽 2022 年全球出貨量就達到了360億+，而加上 HF 與 LF（高頻和低頻），預(yù)計 RFID 無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽?zāi)瓿鲐浟砍^ 400 億枚，并且仍保持高速增長趨勢。
先施科技是中國最早從事RFID技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)之一，是國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)數(shù)字化產(chǎn)品行業(yè)龍頭企業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化解決方案提供商，剛剛成功入選國家第五批專精特新“小巨人”企業(yè)。今年行業(yè)專家甘泉加入了先施科技，專家對于職業(yè)的選擇往往具有前瞻性。他在一個采訪中表示，無源RFID微功率反向增強技術(shù)現(xiàn)在學(xué)術(shù)界非常關(guān)注，有望突破UHF RFID激活工作距離受限的問題。在實驗室中已經(jīng)實現(xiàn)了17dBm輸出功率的閱讀器識別到距離100米處的微儲能標(biāo)簽。
NFC：C端應(yīng)用最普及的無源技術(shù)
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NFC最為廣泛運用是公交卡、門禁卡，現(xiàn)在越來越多手機在集成這個功能，它是除了RFID應(yīng)用量最大的無源技術(shù)。NFC技術(shù)脫胎于RFID，可以實現(xiàn)雙向識別和連接——雙方都可以作為主設(shè)備進行數(shù)據(jù)的點對點傳輸。目前NFC技術(shù)的最小接觸范圍為5mm，最大接觸范圍為2cm，激發(fā)距離短導(dǎo)致應(yīng)用場景受限。
今年6月NFC論壇公布了NFC的技術(shù)升級路線圖，新版NFC將擴大6倍的接觸范圍，最小接觸范圍從5mm躍升到30mm，最大接觸范圍從2cm達到4cm。結(jié)合手機終端NFC功能，應(yīng)用場景將大大擴充。 NFC論壇執(zhí)行董事McCamon描述了這樣一個場景：當(dāng)你的手機接觸到或靠近支付終端時，連接可以更快地開始，然后完成交易，而不用拿起手機，四處移動，尋找最佳位置。 除了接觸距離的增加，NFC充電的功率將1W增加到3W，盡管功率仍然不高，但足以運用在智能手環(huán)手表、TWS耳機、AR眼鏡等智能穿戴設(shè)備上。支持NFC功能的智能手機也可以作為備用電源，為其他支持NFC的可穿戴設(shè)備充電，這將大大提高了智能穿戴設(shè)備的續(xù)航能力和使用便利性。
藍牙無源物聯(lián)
商用階段：??
相較 RFID 無源物聯(lián)，藍牙可以進行點對點通信，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，其傳輸數(shù)據(jù)類型更為豐富，支持定位，此外藍牙無源物聯(lián)技術(shù)可以使用加密技術(shù)來保證通信的安全性。藍牙無源的應(yīng)用場景有家居、健康、交通、零售、物流等。
Wiliot 是藍牙無源的明星企業(yè)，他們開發(fā)了一種被稱為“超薄電子標(biāo)簽”的產(chǎn)品，和郵票大小相當(dāng)，可以附著在物體上，用于跟蹤、監(jiān)測和識別物品。Wiliot 的電子標(biāo)簽通過無線通信技術(shù)，如藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy），使物品具備智能化和連接性。 通過感受物品的溫度、液位、運動、位置變化、濕度和接近度等具體數(shù)據(jù)，將之傳輸?shù)交? Wiliot IoT Pixels 和 Wiliot Cloud 的平臺進行具體分析。這使得它們在許多應(yīng)用中非常有吸引力，尤其是在物流、零售、制造和物品追蹤等領(lǐng)域。根據(jù) zippia 數(shù)據(jù)調(diào)研顯示，Wiliot 2022 年收入達到 220 萬美元。 從官網(wǎng)上看，Wiliot的應(yīng)用場景仍然是工業(yè)ToB居多，并沒有沒有發(fā)揮其ToC的優(yōu)勢。和RFID一樣，藍牙標(biāo)簽也需要配備主機，因此在ToB場景藍牙標(biāo)簽和RFID難以形成差異化競爭，盡管備受關(guān)注，Wiliot 進展并沒有大家期望那么快。
LPWAN半無源物聯(lián)：突破傳輸性能
商用階段：??????????
前面提到的幾種技術(shù)均為完全無源，數(shù)據(jù)上行和下行過程，終端設(shè)備均無需有源供電，這幾種技術(shù)在性能和應(yīng)用場景上仍然比較受限，技術(shù)突破較為緩慢。如果對數(shù)據(jù)上行和下行的供電模式分別進行設(shè)計會如何？縱行科技結(jié)合低功耗觸發(fā)電路和LPWAN的低功耗遠距離傳輸兩種特性推出了一種半無源電子標(biāo)簽ZETag。下行采用接近無源的納安級觸發(fā)電路，上行采用ZETA AM-FSK調(diào)制的信號發(fā)射，這種設(shè)計符合無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的上行為主，數(shù)據(jù)量小，傳輸間隔長等特點。通過這種設(shè)計，采用一顆紐扣電池也能實現(xiàn)高于數(shù)據(jù)采集對象的工作壽命，使得電池的存在對終端的安裝或者維護無感。
該技術(shù)對于使用者而言相當(dāng)于完全無源（無需進行電池維護），其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)不同場景設(shè)計發(fā)射頻次，自動打卡、自動盤點，均無需人工參與，全過程自動管理，突破人員及場景限制。此外ZETag可搭載多種傳感器，并記錄過程數(shù)據(jù)，例如運輸溫濕度、 振動和壓力等。
縱行科技透露，ZETag云標(biāo)簽?zāi)瓿鲐浟恳呀?jīng)達到百萬級，國內(nèi)頭部快遞、電商物流——譬如京東、菜鳥——是其典型客戶，此外還有很多汽車和新能源行業(yè)客戶。
無源技術(shù)演進方向
不論是當(dāng)下已經(jīng)廣泛運用的無源RFID和NFC技術(shù)，還是快速發(fā)展中的無源藍牙技術(shù)，都是在現(xiàn)有技術(shù)和商業(yè)條件下滿足市場需求。長遠來看，所有技術(shù)都在朝著無源且高性能努力。與此同時，還有一些技術(shù)既兼顧無源和高性能，譬如專注于自然環(huán)境能量采集技術(shù)的飛英思特自研發(fā)模組已經(jīng)開始商用，基于LoRa、5G、Wi-Fi等環(huán)境能量的采集技術(shù)目前正在研發(fā)過程中。
自然環(huán)境能量采集能量采集技術(shù)可通過換能裝置將微光能、射頻能、微動能、溫差能等環(huán)境中的微弱能量進行高效轉(zhuǎn)化，并作為穩(wěn)定電能存儲起來，通過從環(huán)境當(dāng)中隨時獲取能量，來供給后端的設(shè)備工作所用，其核心在于“微能管理”和“超低功耗”這兩類技術(shù)的深度結(jié)合和成熟應(yīng)用。
飛英思特科技成立于2019年，是國內(nèi)專注于環(huán)境微能量采集技術(shù)的企業(yè)，主要從事無源無線技術(shù)和低功耗產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)，可以從環(huán)境中采集普遍存在的自然能量，將射頻能、熱能、動能、光能等能量轉(zhuǎn)化為電能，來解決信息化建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中，傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備所面臨的持續(xù)供電問題。
2022年，飛英思特獲得琥珀資本數(shù)千萬元的A輪融資。飛英思特CTO潘衡表示，經(jīng)過歷時4年自主研發(fā)，在能量采集這個領(lǐng)域，飛英思特已經(jīng)逐漸完成底層的技術(shù)打磨。隨著市場的推進，飛英思特沿著能量采集到自主型智能傳感這條產(chǎn)業(yè)化路徑持續(xù)深入。
2021年飛英思特發(fā)布國內(nèi)首款環(huán)境微能量采集與管理模組。
2023年2月發(fā)布國內(nèi)首款環(huán)境微能量采集與管理芯片FPM8100，目前該產(chǎn)品已在飛英思特自有的部分產(chǎn)品上得到應(yīng)用。
2023年9月飛英思特推出的RevoMinds?溫振傳感終端，該類產(chǎn)品顛覆性解決了用戶使用數(shù)據(jù)設(shè)備的眾多問題—-如定時的換電池、數(shù)據(jù)采集量與使用壽命的矛盾、專業(yè)的傳感知識，等，用戶只需要確定安裝位置，快速地安裝后，設(shè)備將自適應(yīng)進行數(shù)據(jù)自動進行采集、分析，系統(tǒng)也會根據(jù)實際情況，自我進行補充能量、或加快數(shù)據(jù)采集等，用戶基本做到“plug-and-forget”的使用體驗。
第三方反向散射通信技術(shù)反向散射通信技術(shù)是一種利用射頻信號反向散射原理，設(shè)計出極低功耗的調(diào)制與傳輸技術(shù)。前文中提到的 RFID、藍牙和 NFC 都屬于這一技術(shù)領(lǐng)域，他們都需要對應(yīng)的信號發(fā)射設(shè)備，而新型反向散射技術(shù)的無源設(shè)備可以利用第三方的射頻信號（例如蜂窩無線信號、廣播電視信號、Wi-Fi信號或藍牙信號等）進行信號調(diào)制來傳輸自己的信息，因此新型反向散射技術(shù)也被稱為“共生通信”。全球首份 6G 白皮書指出，新型反向散射技術(shù)為實現(xiàn)超低功率通信提供了可能，基于LoRa、5G、Wi-Fi等環(huán)境能量的采集技術(shù)目前正在研發(fā)過程中。
WiFi 無源物聯(lián)。美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員在2016年提出了一種全新的Wi-Fi技術(shù)—Passive Wi-Fi，利用的是射頻信號的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近Wi-Fi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。
5G Passive無源物聯(lián)。2021 年華為提出了面向 5.5G 的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，希望 5G 網(wǎng)絡(luò)能將無源物聯(lián)網(wǎng)納入其中。今年以來，5.5G成為華為在 ICT 領(lǐng)域高頻詞。華為發(fā)布的EPIOT（EP是enterprise企業(yè)的意思）以及今年華為和運營商一起推進的PIOT（P是passive的意思）號稱5.5G。
LoRa無源物聯(lián)。2017年，美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員采用線性擴頻技術(shù)，提升無源標(biāo)簽回傳能力，并與商用的LoRa設(shè)備兼容，形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。
這些技術(shù)如果想要大規(guī)模地推廣需要經(jīng)過3GPP的標(biāo)準(zhǔn)過程，還需要一定的時間。所有的技術(shù)必須要具有創(chuàng)新點且需要和產(chǎn)業(yè)結(jié)合產(chǎn)生效益才能得到有效的推廣。
商用終極問題：無電池等于無成本嗎？半無源或許是一種思路
當(dāng)我們在談無源物聯(lián)的時候，談的不僅僅是一種無電池/電源的通信技術(shù)，而是一種突破電源局限、可以大規(guī)模商用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式。如果為了實現(xiàn)無源而去限定終端環(huán)境或者在通信環(huán)節(jié)作出妥協(xié)、導(dǎo)致難以商業(yè)應(yīng)用，則是一種舍本逐末，同時也造成了隱形成本，并不能實現(xiàn)真正的低碳可持續(xù)。國產(chǎn)窄帶通信技術(shù)公司縱行科技給出的半無源技術(shù)方案，在成本上通過砍掉與場景無關(guān)的功能模塊做到極致，在性能上實現(xiàn)大幅提升，大大拓寬應(yīng)用場景。 ZETag的半無源設(shè)計可以將一個RFID大小的無線終端的讀取距離提高到公里級，同時無需人工或流水線掃描，能夠和RFID形成高度差異化競爭，成本也和一般的抗金屬RFID非常接近，同時還可以規(guī)模部署無需專門搭設(shè)能量采集基礎(chǔ)設(shè)施。但與無源RFID不同，作為一種LPWAN技術(shù)，ZETA信號不受金屬和液體影響，抗干擾能力極強，無論是金屬鐵架較多的倉庫，還是冷鏈?zhǔn)称贰⑥r(nóng)業(yè)水產(chǎn)等環(huán)境，都可以保持穩(wěn)定的通信 ZETag商用仍處于起步階段，未來將繼續(xù)在已有應(yīng)用案例的領(lǐng)域繼續(xù)進行深化落地，同時將拓寬應(yīng)用場景的廣度，從高端快消品到化工，再到裝備制造、家電制造都是其目標(biāo)下游，市場空間巨大。
寫在最后
根據(jù)華為GIV（全球產(chǎn)業(yè)展望）和思科預(yù)測，到 2025 年全球連接的設(shè)備數(shù)將達到 1000 億臺，而到 2030 年將有超過5000 億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，其中大量終端并不需要過高的電力支持以及傳輸性能，且對成本有較高要求，這些都是無源物聯(lián)的應(yīng)用場景。 整體而言，無源物聯(lián)技術(shù)在朝著距離更遠、采能方式更多元的方向演進。任何技術(shù)都無法一蹴而就，能夠在技術(shù)演進方向和商業(yè)化之間達到平衡，才是長遠之計，因此在中短期之內(nèi)，半無源是一個值得關(guān)注的技術(shù)方向。長期來看實現(xiàn)高性能、低成本完全無源是技術(shù)開發(fā)者和廠商的終極目標(biāo)。
參考文章
「飛英思特科技」獲數(shù)千萬元A輪融資，專注無源物聯(lián)網(wǎng)能量采集技術(shù) https://36kr.com/p/1886688595202049
NFC與RFID、藍牙、紅外的區(qū)別 https://zhuanlan.zhihu.com/p/434281842
從“入門”到“頭禿”，一文搞懂“無源物聯(lián)網(wǎng)”http://hajtoos.com/news/5442.html
一文徹底讀懂無源物聯(lián)網(wǎng)，它為啥能成新風(fēng)口？https://news.rfidworld.com.cn/2021_11/a78d468699c35b5e.html
反向散射通信的未來應(yīng)用與技術(shù)挑戰(zhàn) https://faculty.bjtu.edu.cn/media/rte/file/2023/1/28/1674874118.pdf
基于電磁能量收集的無源WiFi物聯(lián)網(wǎng)散射通信https://jeit.ac.cn/cn/article/doi/10.11999/JEIT220951?viewType=HTML
