一文搞懂“无源物联网”

 

“无源物联网”，顾名思义，就是不接外部电源、不带电池的物联网。

需要注意的是，这个“无源“，不是网络无源，而是联网的终端节点无源，既不带电源线，也不内置电池。

看到这，显然会认为“无源”有悖于常理，毕竟芯片要靠电驱动，而能量不能凭空产生？

究竟是怎么回事呢？

 

原来是“终端节点无源”是指通过其他形式来获取能源。

举个例子

按压式发电：通过动能转化为电能，如手摇式发电机

光伏发电：太阳能路灯将收集到的光能转换成电能

摩擦力发电：含有动力回收系统的电动车，将减速时的摩擦力积蓄的动能转换成电能

......
 

那么，这些和物联网有什么关系呢？

除了常见的使用太阳能、动能、热能等方式获得电能，还能通过无线电波能量转换获得能量。其原理是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。

那么这方面有什么应用呢？
 

最主流的当属基于RFID的无源物联网，即RFID技术，俗称“电子标签NFC”，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，基于RFID的无源物联网产品NFC，几乎成了智能手机的标配。

然而，无线通信技术有多种，为什么常见的只有RFID应用，为啥极少见到基于蓝牙、Wi-Fi等无源物联网应用呢？
 

主要是因为，距离越远，电磁能量的密度越低，获取能量的难度越大。

NFC之所以能普及，很大的一点在于标签和阅读器的距离很近，通过感应耦合就能实现电池传送。而Ble、Wi-Fi、4G/5G的工作距离远大于RFID，若是采用天线技术完成电磁能量的传送，难度极大。

而随着半导体技术的发展，对终端设备体积性能更优体积更小的追求，以及对未来科技趋势的预判，所以人类对远距离通信技术的能量捕获和使用从未停止，所以还有这些无源物联网应用

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。

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。

事实上，现在对无源物联网技术的研究有了进一步发展，但是受制于无源物联网自身缺陷，如节点能源获取存在随机性和不稳定性，导致能量变化非静态性，甚至是存在信号断断续续，使得这种技术目前还无法很好的赋能工业场景。

究其原因，工业物联网应用场景，通常具备分布式特点，需求稳定可靠的运行。因此无源物联网在工业领域应用并不多，网关一般也采用电池进行供电，以保证设备数据实时传输，7*24小时的自动采集数据和远程运维，提高工作效率，避免设备停工损失。这对企业而言，可以收获的好处便利远比节约能源成本来的重要。

机智云智能云网关，智能选择通信方式，支持Wi-Fi/Ethernet/4G全网通等，免开发快速接入机智云工业互联网云平台，实现设备可视化动态运维和管理，广泛适用于智能家居、智能交通、智慧农业、工业物联网、冷链追踪等行业，方便企业进行工业智能化升级改造。