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导语

如果全世界停电了,怎么办?2019 年日本上映的一部电影《生存家族》讲述了一个家庭在全世界停电 2 年中的逃亡救赎之路。电影虽然温情,但本质是一部灾难片。如今人类的生活没有电力支持几乎是寸步难行。在物联网世界设备入网同样要依靠电力支持,随着物联网终端设备大规模普及,供电将带来巨大成本和维护难题,无源物联网技术应运而生。

需要注意的是,无源并非不需要能源,而是采集环境能源,以实现自供电、并驱动设备进行通信。此外无源也不代表无成本,尽管无源物联需求巨大,目前可以大规模商用的技术方案并不多,凭借极低成本高频RFID成为无源物联技术中绝对龙头。2021 年以色列初创公司Wiliot获得由软银愿景基金领投的2亿美元C轮融资,掀起无源物联热潮,今年10月该公司的蓝牙传感器标签入选《时代》周刊 2023 年最佳发明。同时,本土企业澳门威尼克斯人网站、飞英思特在这一领域也在此基础上进行各具特色的技术创新并获得了令人瞩目的商业进展,让我们再次关注到这一领域。

物联网设备迈向千亿级目标,无源物联技术可以说是“全村人的希望”,我们想知道除了RFID,还有哪些技术可助力这一目标的实现,技术进展和商用进展走到了哪一步。

无源物联是如何实现的

无源物联的目标是实现物理设备自供电完成数据采集和通信,智次方·挚物研究院的《无源物联网产业发展白皮书》将无源物联的底层技术分为三个部分:环境能量采集、低功耗通信和低功耗计算(主要是前面二者)。

目前最常见的无源能量来源于射频信号,譬如RFID、NFC、蓝牙、WiFi 等。一旦设备被激活,可以使用同一无线射频信号来传输数据,既提供了能量又完成了通信,合二为一。

RFID:工业商用最成熟的无源技术
商用阶段:* * * *

射频识别 RFID(Radio Frequency Identification)是一种阅读器与标签之间进行非接触式数据通信的技术,被广泛运用于快递物流、生产追踪、防伪溯源等场景,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。

RFID技术优势:

  • RFID可以写入及存取数据,标签内容可以动态更改。

  • 相较于蓝牙、 Wi-Fi等技术,RFID传输距离更远。

  • RFID商用较为成熟,拥有成熟的产业链。

目前 RFID 无源物联网技术已经非常成熟,不论是低频、高频还是超高频都有了大规模的应用,其中数量最大的当属超高频(UHF) RFID。与低频(LF)和高频(HF)RFID标签相比,UHF RFID 标签具有更长的读取范围和更高的读取速度。根据 AIoT 星途研究院出品的《2023中国RFID无源物联网产业白皮书》,仅 UHF RFID(超高频)标签 2022 年全球出货量就达到了360亿+,而加上 HF 与 LF(高频和低频),预计 RFID 无源物联网标签年出货量超过 400 亿枚,并且仍保持高速增长趋势。

先施科技是中国最早从事RFID技术研发及生产的企业之一,是国内物联网工业数字化产品行业龙头企业和物联网数字化解决方案提供商,刚刚成功入选国家第五批专精特新“小巨人”企业。今年行业专家甘泉加入了先施科技,专家对于职业的选择往往具有前瞻性。他在一个采访中表示,无源RFID微功率反向增强技术现在学术界非常关注,有望突破UHF RFID激活工作距离受限的问题。在实验室中已经实现了17dBm输出功率的阅读器识别到距离100米处的微储能标签。

NFC:C端应用最普及的无源技术
商用阶段:*

NFC最为广泛运用是公交卡、门禁卡,现在越来越多手机在集成这个功能,它是除了RFID应用量最大的无源技术。NFC技术脱胎于RFID,可以实现双向识别和连接——双方都可以作为主设备进行数据的点对点传输。目前NFC技术的最小接触范围为5mm,最大接触范围为2cm,激发距离短导致应用场景受限。

今年6月NFC论坛公布了NFC的技术升级路线图,新版NFC将扩大6倍的接触范围,最小接触范围从5mm跃升到30mm,最大接触范围从2cm达到4cm。结合手机终端NFC功能,应用场景将大大扩充。

NFC论坛执行董事McCamon描述了这样一个场景:当你的手机接触到或靠近支付终端时,连接可以更快地开始,然后完成交易,而不用拿起手机,四处移动,寻找最佳位置。

除了接触距离的增加,NFC充电的功率将1W增加到3W,尽管功率仍然不高,但足以运用在智能手环手表、TWS耳机、AR眼镜等智能穿戴设备上。支持NFC功能的智能手机也可以作为备用电源,为其他支持NFC的可穿戴设备充电,这将大大提高了智能穿戴设备的续航能力和使用便利性。

蓝牙无源物联
商用阶段:*

相较 RFID 无源物联,蓝牙可以进行点对点通信,也可以通过网关连接到互联网,其传输数据类型更为丰富支持定位,此外蓝牙无源物联技术可以使用加密技术来保证通信的安全性蓝牙无源的应用场景有家居、健康、交通、零售、物流等。


Wiliot 是蓝牙无源的明星企业,他们开发了一种被称为“超薄电子标签”的产品,和邮票大小相当,可以附着在物体上,用于跟踪、监测和识别物品。Wiliot 的电子标签通过无线通信技术,如蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy),使物品具备智能化和连接性。

通过感受物品的温度、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。这使得它们在许多应用中非常有吸引力,尤其是在物流、零售、制造和物品追踪等领域。根据 zippia 数据调研显示,Wiliot 2022 年收入达到 220 万美元。

从官网上看,Wiliot的应用场景仍然是工业ToB居多,并没有没有发挥其ToC的优势。和RFID一样,蓝牙标签也需要配备主机,因此在ToB场景蓝牙标签和RFID难以形成差异化竞争,尽管备受关注,Wiliot 进展并没有大家期望那么快。

LPWAN半无源物联:突破传输性能
商用阶段:*

前面提到的几种技术均为完全无源,数据上行和下行过程,终端设备均无需有源供电,这几种技术在性能和应用场景上仍然比较受限,技术突破较为缓慢。如果对数据上行和下行的供电模式分别进行设计会如何?澳门威尼克斯人网站结合低功耗触发电路和LPWAN的低功耗远距离传输两种特性推出了一种半无源电子标签ZETag。下行采用接近无源的纳安级触发电路,上行采用ZETA AM-FSK调制的信号发射,这种设计符合无源物联网应用的上行为主,数据量小,传输间隔长等特点。通过这种设计,采用一颗纽扣电池也能实现高于数据采集对象的工作寿命,使得电池的存在对终端的安装或者维护无感。

该技术对于使用者而言相当于完全无源(无需进行电池维护),其优点在于可以实现远距离数据采集,并根据不同场景设计发射频次,自动打卡、自动盘点,均无需人工参与,全过程自动管理,突破人员及场景限制。此外ZETag可搭载多种传感器,并记录过程数据,例如运输温湿度、 振动和压力等。

澳门威尼克斯人网站透露,ZETag云标签年出货量已经达到百万级,国内头部快递、电商物流——譬如京东、菜鸟——是其典型客户,此外还有很多汽车和新能源行业客户。

无源技术演进方向

不论是当下已经广泛运用的无源RFID和NFC技术,还是快速发展中的无源蓝牙技术,都是在现有技术和商业条件下满足市场需求。长远来看,所有技术都在朝着无源且高性能努力。与此同时,还有一些技术既兼顾无源和高性能,譬如专注于自然环境能量采集技术的飞英思特自研发模组已经开始商用,基于LoRa、5G、Wi-Fi等环境能量的采集技术目前正在研发过程中。

自然环境能量采集
能量采集技术可通过换能装置将微光能、射频能、微动能、温差能等环境中的微弱能量进行高效转化,并作为稳定电能存储起来,通过从环境当中随时获取能量,来供给后端的设备工作所用,其核心在于“微能管理”和“超低功耗”这两类技术的深度结合和成熟应用。

飞英思特科技成立于2019年,是国内专注于环境微能量采集技术的企业,主要从事无源无线技术和低功耗产品的应用与开发,可以从环境中采集普遍存在的自然能量,将射频能、热能、动能、光能等能量转化为电能,来解决信息化建设和物联网建设过程中,传感器和数据采集设备所面临的持续供电问题。

2022年,飞英思特获得琥珀资本数千万元的A轮融资。飞英思特CTO潘衡表示,经过历时4年自主研发,在能量采集这个领域,飞英思特已经逐渐完成底层的技术打磨。随着市场的推进,飞英思特沿着能量采集到自主型智能传感这条产业化路径持续深入。

  • 2021年飞英思特发布国内首款环境微能量采集与管理模组。

  • 2023年2月发布国内首款环境微能量采集与管理芯片FPM8100,目前该产品已在飞英思特自有的部分产品上得到应用。

  • 2023年9月飞英思特推出的RevoMinds®温振传感终端,该类产品颠覆性解决了用户使用数据设备的众多问题—-如定时的换电池、数据采集量与使用寿命的矛盾、专业的传感知识,等,用户只需要确定安装位置,快速地安装后,设备将自适应进行数据自动进行采集、分析,系统也会根据实际情况,自我进行补充能量、或加快数据采集等,用户基本做到“plug-and-forget”的使用体验。


 

第三方反向散射通信技术
反向散射通信技术是一种利用射频信号反向散射原理,设计出极低功耗的调制与传输技术。前文中提到的 RFID、蓝牙和 NFC 都属于这一技术领域,他们都需要对应的信号发射设备,而新型反向散射技术的无源设备可以利用第三方的射频信号(例如蜂窝无线信号、广播电视信号、Wi-Fi信号或蓝牙信号等)进行信号调制来传输自己的信息,因此新型反向散射技术也被称为“共生通信”。全球首份 6G 白皮书指出,新型反向散射技术为实现超低功率通信提供了可能,基于LoRa、5G、Wi-Fi等环境能量的采集技术目前正在研发过程中。

  • WiFi 无源物联。美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员在2016年提出了一种全新的Wi-Fi技术—Passive Wi-Fi,利用的是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。

  • 5G Passive无源物联。2021 年华为提出了面向 5.5G 的无源物联网设想,希望 5G 网络能将无源物联网纳入其中。今年以来,5.5G成为华为在 ICT 领域高频词。华为发布的EPIOT(EP是enterprise企业的意思)以及今年华为和运营商一起推进的PIOT(P是passive的意思)号称5.5G。

  • LoRa无源物联。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。

这些技术如果想要大规模推广需要经过3GPP的标准过程,还需要一定的时间。所有的技术必须要具有创新点且需要和产业结合产生效益才能得到有效的推广。

商用终极问题:无电池等于无成本吗?半无源或许是一种思路

当我们在谈无源物联的时候,谈的不仅仅是一种无电池/电源的通信技术,而是一种突破电源局限、可以大规模商用的物联网通信方式。如果为了实现无源而去限定终端环境或者在通信环节作出妥协、导致难以商业应用,则是一种舍本逐末,同时也造成了隐形成本,并不能实现真正的低碳可持续。国产窄带通信技术公司澳门威尼克斯人网站给出的半无源技术方案,在成本上通过砍掉与场景无关的功能模块做到极致,在性能上实现大幅提升,大大拓宽应用场景。

ZETag的半无源设计可以将一个RFID大小的无线终端的读取距离提高到公里级,同时无需人工或流水线扫描,能够和RFID形成高度差异化竞争,成本也和一般的抗金属RFID非常接近,同时还可以规模部署无需专门搭设能量采集基础设施。但与无源RFID不同,作为一种LPWAN技术,ZETA信号不受金属和液体影响,抗干扰能力极强,无论是金属铁架较多的仓库,还是冷链食品、农业水产等环境,都可以保持稳定的通信

ZETag商用仍处于起步阶段,未来将继续在已有应用案例的领域继续进行深化落地,同时将拓宽应用场景的广度,从高端快消品到化工,再到装备制造、家电制造都是其目标下游,市场空间巨大。

写在最后

根据华为GIV(全球产业展望)和思科预测,到 2025 年全球连接的设备数将达到 1000 亿台,而到 2030 年将有超过5000 亿物联网设备接入互联网,其中大量终端并不需要过高的电力支持以及传输性能,且对成本有较高要求,这些都是无源物联的应用场景。
整体而言,无源物联技术在朝着距离更远、采能方式更多元的方向演进。任何技术都无法一蹴而就,能够在技术演进方向和商业化之间达到平衡,才是长远之计,因此在中短期之内,半无源是一个值得关注的技术方向。长期来看实现高性能、低成本完全无源是技术开发者和厂商的终极目标。

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