深度解析无源物联网,它距离千亿级的目标还有多远?

2021-09-07 15:38
最近,无源物联网概念开始热起来了。在国际上,一家名为Wiliot的初创公司宣布获得了由软银愿景基金领投的2亿美元C轮融资,这个公司最典型的产品就是一款蓝牙传感器标签,不用电池,采用周围基于蓝牙协议的无线电波供电。在国内,也有深圳市每开信息技术有限公司等创新企业在尝试在这个领域进行突破。这个新兴的领域正在聚拢更多的目光。
 
1 什么是无源物联网
 
无源物联网顾名思义,就是物联网设备没有采用电源(电池或者电线),也能正常工作,这听起来不可思议,甚至是违背物理学能量守恒的原理。
 
但事实上,无源物联网设备工作并不是不用电,而是它能够从周围环节中捕捉能源,以维持设备的正常工作。
 
在我们周围,有很多能量可以使用,比如说光、4G、5G信号等等,无源物联网就是打这些微能量的主意。无源物联网也可以通过多种方式实现。
 
第一种就是通过采集周围环节中的无线电波能量来实现。比如说4G信号,5G信号,wifi信号,蓝牙信号等等,每一种无线电信号,都是一种能量传输。
 
这也是无源物联网最受关注的方式,因为一个物联网设备要正常运作,除了获取工作能量之外,还需要将数据信息进行传输,而信号的传输也是依靠无线电信号,因此,采用无线电方式既可以获取能量,也可以传输信号,让系统非常的简洁,同时成本、尺寸等都可以做到很低。
 
第二种常见的就是采集太阳能供电,太阳能供电可以获取很多电能,但是系统复杂,成本高,在某些场景适用,但是对于大规模,低成本的物联网应用场景而言,很明显是不适用的。
 
第三种,就是按压式发电,通过机械力改变材料的形变而产生电流,这种方式也有一些比较适用的场景,比如说开关,遥控器等。但这种需要直接动手的方式,很明显,在大多数的场景中也不适合。
 
所以,在本文中,我们重点讨论无线电信号的无源物联网方式。
 
2 为什么需要无源物联网,它有啥意义
 
 
为什么无源物联网的概念能够如此吸引人?我们可以看下面这个图。
 
 
在之前各类关于物联网市场前景介绍的PPT中,都只有上面的3层,即高速物联网(比如5G,LTE Cat.4等),中速物联网(LTE Cat.1、eMTC等)、与低速物联网(NB-IoT、LoRa等),这些都是有源的物联网技术。
 
其中低速物联网设备数量可以达到百亿级别,现在加上无源物联网之后,IoT的设备连接数量可以达到千亿级别,相信,在未来的各类PPT中,我们会经常看到这个图。
 
当然,无源物联网的意义也不只是将IoT设备的潜在市场扩大了一个数量级这么简单,因为无源物联网设备的特性越来越受市场的追捧。
 
第一,就是不需要电池,不用电池一方面是意味着成本的降低,在有源物联网中,电池本身的成本以及电池的替换成本也都比较高,无源物联网标签就可以做到很低的成本,比如说目前的通用型UHF RFID标签的价格可以做到2-3毛钱(RMB)的水平,这在有源物联网中是不敢想象的。
 
另外一方面就是对节能环保的友好,电池的生产使用了大量的金属与化学物品,在环保政策日趋严格之下,无源物联网是一种趋势。
 
第二,就是标签可以做到很轻巧,没有了电池的束缚,无源物联网的标签可以做到贴片式的产品形态,有更高的应用灵活性。
 
3 无源物联网的技术可行性
 
 
关于无源物联网的技术可行性,笔者与行业的资深人士也有过交流。
 
从技术角度来说,无源物联网也不是啥新鲜概念,RFID就是一种很成熟的无源物联网技术,并且每年的出货量都有数百亿的级别。
 
无线电波的无源物联网的方案主要分为吸收无线电供电环节与发射信号被接收机接收这两个环节。
 
先说从无线电信号获取能量环节,这个环节最关键的器件就是天线,天线获取电磁能力按照技术种类的区别主要分为两类。
 
一类是感应耦合,天线的形状为线圈,电磁能量的传送是在感应场区域(似稳场)中完成,因此工作的距离就会很近,比如NFC(高频RFID的一种)的工作距离就小于10cm,低频RFID(125kHz-132kHz)与高频RFID(13.56MHz)的天线就采用的这种方式。
 
线圈型RFID天线图
 
第二类为微波辐射系统,电磁能量的传送是在远场区域(辐射场)中完成,因此天线的种类主要是偶极子天线和微带天线,远场辐射天线通常是谐振式的。
 
(a)标签偶极子天线 (b)阅读器平板微带天线
常见超高频RFID天线代表,来源:《物联网UHF RFID技术、产品及应用》
 
UHF RFID、蓝牙、wif等通信技术的无源物联网方案的天线是采用这种方式才能有更远的工作距离,(主要是取电的距离)。
 
再说信号发射方面,当电子元器件获取了正常的工作电流,其发射信号的距离与方式就与有源物联网没有区别了。
 
所以,在无源物联网方案中,最大的技术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。
 
在实际应用中,无源物联网方案都会尽量采用工作电流很低的元器件,如果工作频次不是很高,但元器件的工作电流又相对较高的话,可以通过加电容储存一定的电量,再通过电容放电的形式进行工作。
 
很明显,周围微弱环节的蓝牙或者wifi信号是无法实现能量供给的,一般需要单独加一个能量源,RFID系统中是读写器提供能量源,蓝牙或者wifi方案也需要单独的基站或者类似的装置。
 
所以,典型的无源物联网系统工作流程为:
 
 
4 无源物联网的商业可行性
 
 
除了技术可行性,无源物联网的商业可行性又如何呢?
 
目前RFID是一种非常成熟的无源物联网技术,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RFID,其标签全球出货量每年已经达到接近200亿的级别,而中国市场也是RFID最重要的地区。
 
 
在无源RFID方案中,读写器不仅提供能量,还负责接收标签发射的信号,因此,无源RFID需要额外增加读写器成本。
 
不过NFC是其中的一个变数,因为目前NFC已经成为了智能手机的标配,因此,在NFC方案中,很多应用场景只需要考虑标签成本,而不用考虑读写器成本。
 
所以,NFC在很多偏消费类场景中比较适用,比如高端白酒、珠宝等贵重物品的防伪溯源,以及一些锁类或者门禁类场景,NFC都有了广泛的应用,不过NFC最致命的弱点就是工作距离短。
 
而用蓝牙、WiFi等小无线技术做无源物联网方案,最大的优势就是智能手机都有植入,并且工作距离相比于NFC而言,也比较远。
 
不过蓝牙与WiFi的无源物联网方案需要单独一个能量信号源,并且蓝牙、WiFi传输能量的效率比较低,它获取工作电流的距离较短,意味着这个方案整体的成本不会太低。
 
当然,相较于有源方案来说,它的标签成本极低,并且尺寸小,能够在一些标签节点集中的场景有比较好的替代。但是在节点零散的场景中,有源的方式更为合适。
 
5 为什么说RFID是最好的无源物联网技术
 
 
目前RFID每年有数百亿的出货量,累计的量也早已达到千亿级,甚至以后做到每年千亿级的量也不是没可能。
 
RFID技术之所以如此受欢迎,主要因为它是一种非常好的无源物联网技术。
 
第一,从技术层面来说,无源物联网方案最大的难点是如何从电磁波中获取电能,人们通过一组测试数据:固定发射天线输出功率及接收天线(RFID标签天线)尺寸,记录不同频率下读距,得到如下图所示为不同频率下的工作距离图。
 
不同频率下的工作距离图,来源:《物联网UHF RFID技术、产品及应用》
 
可以发现,UHF RFID工作的840M-960MHz是能量传输效率最高,工作距离最远的频段,而蓝牙、WiFi等技术工作的2.4G频段,能量传输的距离要短了很多。Wiliot的蓝牙无源标签工作距离目前最远就3m,而UHF RFID的距离可以有10来米。
 
第二,就是产业成熟度,目前市场上的UHF RFID标签的尺寸很小,也很轻薄,这是因为经过数十年的发展,UHF RFID的标签生产环节已经有一套非常完善的产业链。无论是蚀刻天线的生产,还是绑定机,再到复合机,这些工艺流程都已经非常完善。
 
标签的成本与尺寸也几乎做到了极致,后面的玩家在生产工艺方面也只能去模仿,难以去超越。
 
RFID技术的应用落地也越来越广,产业也在快速成长,已经成为IoT圈子的一股中坚力量。今年,IOTE 2021第十六届国际物联网展·深圳站将会于10月23-25日在深圳福田会展中心举办。