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艾瑞:物联网赛道观察之无源物联网

来源:艾瑞咨询 作者: 2022/4/14 16:51:12

导语:无源物联网,即终端无外接能量源,采用获取环境能量的方式进行供能的物联网技术。

无源物联网,即终端无外接能量源,采用获取环境能量的方式进行供能的物联网技术。在当前物联网技术发展条件下,终端覆盖率是一个亟待解决的问题,而无源物联网凭借其极低的部署和维护成本、灵活多变的应用场景成为解决更广范围内终端供能需求问题、实现“千亿级互联”愿景的关键,而无源物联网技术的发展则最终有赖于环境能量采集、低功耗计算与反向散射等低功耗通讯技术的进步。目前无源物联网应用较为成熟的路线主要包括射频识别技术(RFID)与近场通信技术(NFC)两类,覆盖仓储物流、智能制造、智慧零售、资产管理、物业服务等多元应用场景。未来,随着物联网行业的碎片化整合以及以Bluetooth、5G、LoRa等为媒介进行能量采集与信息传输的技术路线的逐渐成熟,当前困扰行业的诸多问题将会逐步得到解决,随之而来的是更包罗多样的无源终端需求与极具潜力的应用场景。

一、万物互联时代的物联网终端供能需求

(一)物联网与万物互联

物联网是在互联网和通信网络的基础上,将日常用品、设施、设备、车辆和其他物品互相连通的网络。作为一个广义的概念,物联网利用传感器、通信网络、软件、控制系统等将物品、网络和其他物品进行连接和互动,实现对现实世界的数字化和自动化。传统互联网时代,以人为中心,通过电脑、手机、平板等终端设备进行信息传递,而物联网终端是基于互联网终端延伸至那些“从未联网”的物理世界的万物:通过向物体嵌入传感器、微控制单元(MCU)等,配合射频识别、通信、边缘计算等技术使得这些物体具备相互感知、信息交互、计算以及标识自身的能力,从而具备与数字世界有机相连的能力。小到传感器、电子标签,大到个人智能设备、城市系统,甚至自然界的一切生物与物体,都属于物联网终端的覆盖范围。

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(二)终端覆盖率问题凸显

自2009年“感知中国”的概念提出以来,随着国家层面的政策推动与科技巨头的业务探索,当前物联网应用逐渐渗透至社会生活的各个领域。2016年至2020年中国物联网连接量复合增长率高达69.1%,预计2025年中国物联网连接量将达156亿。

然而,市场的爆发增长背后,物联网终端的部署数量实际却远远低于预期,从2015年到2025年,各研究机构对于全球物联网节点连接数的预期在逐年下调,增长速度也在逐年放缓。

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面对日益繁杂的应用场景,提升承载感知、计算、通信功能的物联网的终端覆盖率已成为万物互联道路上一个亟待解决的问题。具体到技术层面,通讯技术、芯片设计、与能源方案从不同方面制约着物联终端的普及。本报告旨在从物联网终端的无源供能路线入手,遍历目前主流的无源物联网终端供能方案,为万物互联时代的到来提供一份信息注解。[1]

二、不同终端供能模式如何满足多元场景

面对横跨产业物联网与消费物联网领域截然不同的需求场景,物联网终端的供能方案亦存在差异。现存的物联网终端设备供能方式,按照是否拥有供电系统进行区分,分别对应由电池或电源供能的有源供能、无需电池供能的无源供能与介于无源方案与有源方案之间的半有源供能:

1.依托电源线或电池功能的有源供能方案,因其具有高功率的能源输入所以能满足一些对终端性能要求较高的场合,常用于复杂环境的感知、高速率、远距离的通讯与大数据量的吞吐计算

2.无源物联网则因其不受电源线与电池的束缚,能够适应对设备性能需求不高、但对终端体积、成本、使用环境要求较高的场合,例如应用于极端环境下的工业传感器、对终端需求量很大的物流包裹跟踪。   

3.半有源方案将物联网终端的应用场景需求一分为二,例如接受信号激活响应这类低功耗的需求交由无源功能方案承担;而涉及复杂运算、大数据量通讯的需求场景则由有源供电方案负责。通过对两种功能方案的结合,在保证终端性能的基础上,减少对于电池的依赖,从而降低长期维护成本。

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三、无源物联网的应用示例与技术原理

无源物联网终端主要通过能量采集的方式获取环境中的能量,依托低功耗计算和反向散射技术完成低功率输出下的计算与通信,具有终端设备节点无需电池供电的优势。

以无源物联网RFID技术在仓储物流管理中的应用为例。货物入库前会在货箱上加贴搭载射频感应芯片的RFID标签(形态类似于普通热敏纸,成本以分计算)。在入库时,库门上方的RFID读写器向RFID标签发射射频信号实现供能与激活,并通过读取RFID标签反射而来的射频信号实现对货物的信息识别录入,实时精准地完成入库清点工作。货物入库后,搭载读写器的运输车辆会读取货物标签取走货物,运输到贴有对应RFID标签品类的货架上,数以千计的数据标签的读写过程可在毫秒内完成定位,误差小于1厘米。在此过程中,计算机系统用时会根据仓库实时情况计算无人运输的辆最优行驶路线,高效快捷的完成货物分检与储存。

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能够实现上述应用,无源物联网主要依托于以下三大技术:

(一)环境能量采集

无源物联网设备不依赖电池或者电源线供电,而是通过捕捉环境中的能量,转化为电能使用。能量的来源可包括光能、热能、动能和射频。上述采集方式中,光能的收集受环境、天气影响较大,热能收集主要应用于可穿戴设备,射频技术因同时可以满足终端对于能量采集与数据通讯的需求,是目前应用度最高的能量采集方式。射频能量采集的基本原理是通过电磁感应实现对空间电磁波能量的采集,将射频能量转化为电能用以免电池驱动负载电路。

(二)低功耗计算

受制于能量采集方式,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太高,目前比较成熟的用于低功耗计算的MCU一般的功耗在 uW 级别。选择低功耗的 MCU 和传感器芯片,完成低压驱动的电路设计,是实现低功耗运行的关键和挑战。[2]

(三)低功耗数据通信(反向散射)

因当前能量采集技术的发展水平限制,无源物联网终端的数据传输往往以低耗能的近距离低速率通信技术为主。而在传输方式上,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的方式反射接收到的射频信号以传输数据

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四、无源物联网的技术路线

截止目前,无源物联网技术大致可分为以RFID、NFC为代表的较为成熟的技术应用、以Wiliot公司为代表的新兴技术以及尚处于理论研究阶段的LoRa、Passive Wi-Fi、5G、Sig-Fox等技术三类。

(一)成熟技术路线

射频(RF)是无源物联网最重要且最成熟的能量采集方案,作为一种高频交流变化电磁波的简称,代表了辐射至环境空间中的电磁频率,范围一般在300千赫兹(kHz)到300吉赫(GHz)之间。目前最为常见的无源物联网射频技术是射频识别技术(RFID)和近场通信技术(NFC)。其中NFC作为高频RFID的一种,在各领域都有广泛应用。

(1) 射频识别技术(RFID)

RFID即射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),属于自动识别技术类别,利用电子标签和读写器组成物联网应用,是当前最为普及的无源物联网技术路线

1.RFID技术原理

RFID整体系统比较复杂,由电子标签(包含芯片与天线)、读写器、应用系统组成。

电子标签:由芯片及内置天线组成,芯片内包有一定格式的数据,作为待识别物品的识别性信息,是射频识别系统的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信;     

读写器:读取或写入电子标签信息的设备,主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接受标签的应答,对标签对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输至主机或云端以供处理;

天线:标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置;

应用系统:包含中间件与应用系统软件,扮演RFID标签和物品之间的中介角色,从应用系统端使用中间件所提供的一组通用的应用程序接口(API),便可以连接到RFID读写器,读取RFID标签数据。

RFID结构也涉及电子标签与读写器连接的空中接口(Air Interface),其工作原理是读写器发射一特定频率的无线电波能量,用以驱动电路将电子标签内部的数据送出,此时读写器便依序接收解读数据,送给应用系统做相应的处理。[3]

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2.RFID技术分类

根据有无电源、系统工作频段及工作机理的不同,RFID技术有不同的分类。业内以RFID芯片为例,主要分为低频、高频、超高频和微波,在不同的应用场景有各自的优势取向

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3.RFID应用场景

RFID作为无源物联网底层核心技术,在各场景下得到广泛的应用,如仓储物流、智慧零售、智能制造、服装管理、智慧医疗、航空运输等,赋能千行百业。RFID最主要的两类应用场景包括识别认证与仓物管理类应用。[4]

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(2) 近场通信技术(NFC)

NFC(Near Field CommunicaTIon)近场通信技术又称近距离无线通信,是一种短距离的高频无线通信物联网技术。NFC通过射频传输数据,属于高频RFID技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点(在十厘米内)交换数据。[5]

1.NFC技术原理

NFC主要包括三种工作模式,主动模式、被动模式和双向模式。

主动模式:在主动模式下NFC终端可以作为一个读写器,发出射频场去识别和读/写别的NFC设备信息。

被动模式:这个模式正好和主动模式相反,此时NFC终端被模拟成一张卡,它只在其他设备发出的射频场中被动响应,被读/写信息。

双向模式:在此模式下NFC终端双方都主动发出射频场来建立点对点的通信。相当于两个NFC设备都处于主动模式。

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2.NFC主要应用场景

 NFC应用模式主要分为点对点模式、读写模式与卡模拟模式,同一设备具备搭载三种不同应用模式的能力,以适配不同场景下的全功能NFC应用。

点对点模式:在点对点模式下,两部支持NFC功能的设备通过同样的速度与频率开始传输通讯并产生射频场;数据传输时,两部设备的距离通常在10cm以内。

读写模式:读写模式指的是NFC设备可以采集数据,然后根据应用要求进行处理,简单一点说就是把NFC设备当作一台读卡器来使用,可以读到非接触式卡上的数据。

卡模拟模式:通过NFC芯片将设备模拟成一张非接触卡,可以和正常的卡片一样能有许多应用,主要这种实现交通刷卡、手机支付、门禁等功能。

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(3)  RFID与NFC的对比分析

NFC虽然属于RFID技术的变种,但在各方面都与RFID的技术应用有很大差异,两者分别覆盖了不同的应用场景,不存在替代关系。应用方向的不同使得RFID和NFC在工作频段、硬件要求、集成能力、传输距离、能耗要求、应用方向、信息安全、适配场景等方面有诸多差异。NFC主要运用于信息交互,场景较为固定,其整体技术集成在一块芯片之上,搭载在不同的终端中;而RFID则主要运用于信息读取与判定,依赖读写器、中控系统与标签的统一协同,应用场景更为多元。在安全性能上,由于NFC的传输距离小于0.1m,安全性能有显著优势。

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(二)新兴技术路线

随着技术革新与行业成熟,多家企业、研究机构完成了自主的无源物联网能源获取技术路线规划。其中,最为著名的是以色列科创企业Wiliot创新研发的基于蓝牙的传感器芯片Wiliot IoT Pixels,该技术已经发布并投入商业运作;此外,还有基于LoRa、5G、Wi-Fi等环境能量采集技术的各种方案正在理论建设阶段亟待落地。未来,随着多种新兴技术路线方案发布,无源物联网行业将迎来井喷式增长。

(1)  Wiliot IoT Pixels蓝牙贴纸传感

Wiliot于2017年成立,注册于以色列,作为一家无晶圆半导体科创公司,由于其几近颠覆RFID市场的革新思想与引导物联网未来规模化发展的核心技术,赢得全球芯片、云服务、运营商等领域巨头青睐,累积获超2亿美元融资。

Wiliot IoT Pixels(蓝牙贴纸传感器)是一种小型低成本、自供电标签,可附加到任何产品或包装上。标签通过吸收周遭环境中的电磁波辐射能量,包含蓝牙、蜂窝和 WiFi 等信号,进而将之转换成电能来驱动内置的低功耗处理器。通过感受粘贴物品的温度、液位、运动、位置变化、湿度和接近度等具体数据,将之传输到基于 Wiliot IoT Pixels 和 Wiliot Cloud 的平台进行具体分析。

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由于Wiliot IoT Pixels尺寸较小且无需供电,还可以检测并传达产品的各种信息,意味着他可以廉价生产并且适用于几乎任何物之上,未来主要运用场景包括消费生产、物流运输、产品零售以及家居生活场景。[6]

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(2) 其它无源物联网技术

在无源物联网技术路线中,最大的难点就是如何去获取工作电流,因为电磁能量的密度随着距离的变远衰减很多。因此,获取能量的距离就是无源物联网方案的工作距离。目前,由华盛顿大学、麻省理工学院等世界一流大学以及华为、IBM等头部科技公司主导的新兴无源物联网能源获取技术研究已经提上日程,以LoRa、5G、Wi-Fi、sig-fox为能量采集路线的无源物联网技术正在理论研究阶段。

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五、千亿物联蓝图与无源物联网的未来

物联网连接数快速扩展使物联网终端面临更多变的应用场景。在过去的数十年,以NB-IoT、LoRa等为代表的LPWAN技术之所以成功,是因其解决了百亿规模的物联网连接面临低成本、低功耗、大连接的需求问题。但面对更加复杂的通信环境、多变的终端形态限制、与通信成本需求,受制于电池的体积与成本,通过电池供能的物联网终端难以满足未来需求。凭借能量采集、反向散射以及低功耗计算,无源物联或成为实现“千亿级互联”愿景落地实现的关键。

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从产业支持侧看,国家大力推行物联网等战略性新兴产业发展;无源物联网符合国家生态文明建设与碳中和要求。作为物联网的最重要组成部分之一,是继LPWAN之后的另一个“万物互联”发力点。随着万物互联进程与无源物联网的进一步发展,人们对物联网的认可度将获得进一步提高。

从竞争格局看,无源物联网市场将走向产业融合、标准统一的新格局,由“企业级”向“产业级”生态迈进,形成“大杂居、小聚居、共联盟”的群体智能生态融合态势,统一协议,减少普及阻力。

从用户及消费者角度看,随着无源技术的普及,千亿级链接将覆盖更为丰富的应用场景;多传感器、多功能融合以及边缘计算更大规模开发,在产品质量、数据安全方面将会获得更好保障。

从技术发展看,射频、环境能量采集、电磁波等无源设备获取能量的途径未来将获得进一步开拓,能量获取效率获得更大提高,供能与信号传输解耦;读写终端受限变少,强兼容性适配多种终端和使用场景。

艾瑞战略咨询中心:随着政策推动与物联网行业的进一步发展,当前困扰行业的标准协议不统一、应用碎片化等问题将会逐步得到解决、行业生态融将逐步走向融合,而能量采集与通讯技术的突破亦将带来无源设备应用场景的爆发。

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[1] 数据来源自2012-2020,IBM、CISCO、GSMA智库
[2] oppo零功耗通信白皮书,2022.1
[3] 蒋皓石,张成,林嘉宇.无线射频识别技术及其应用和发展趋势[J].电子技术应用,2005(05):1-4.
[4] 荣庆.RFID技术在供应链管理中的作用及价值应用[J].数字技术与应用,,2021,39(12):56-58.DOI:10.19695/j.cnki.cn12-1369.2021.12.18.
[5] 王惟洁,陈金鹰,朱军.NFC技术及其应用前景[J].通信与信息技术,2013(06):67-69.
[6] 资料源网页:https://www.wiliot.com/product/iot-pixel#01

(本文为艾瑞网独家原创稿件 转载请注明出处)
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