物聯(lián)網(wǎng)作為一種綜合性的技術(shù)，其核心在于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)各種技術(shù)的突破和創(chuàng)新。在iot技術(shù)方面，無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等都起到了至關(guān)重要的作用。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)能夠快速發(fā)展的一個(gè)重要原因是市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)。隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們對(duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高，各行各業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求也越來(lái)越大。比如，智能家居、智能城市、智能交通等領(lǐng)域都成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的熱點(diǎn)。而在疫情期間，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用更是被大量推廣，比如無(wú)接觸配送、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，這些都為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇。

政府的政策支持也是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要因素。在我國(guó)，政府對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的支持力度越來(lái)越大。出臺(tái)了一系列的政策措施，包括財(cái)稅優(yōu)惠政策、技術(shù)研發(fā)支持政策等，以鼓勵(lì)企業(yè)加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用。這些政策的出臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境和政策保障，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的研究主要基于以下三種底層技術(shù)：

環(huán)境能量采集

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽設(shè)備不需要電池或電源線來(lái)供電，而是通過(guò)捕捉環(huán)境中的能量并將其轉(zhuǎn)換為電能來(lái)使用。能量來(lái)源包括光能、熱能、動(dòng)能和射頻等。目前太陽(yáng)能是最高效的轉(zhuǎn)換方案，電磁波在單一頻段下能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%，但在多頻段復(fù)雜場(chǎng)景下僅有1-2%的效率，而溫度差熱能采集需要特定的使用環(huán)境，其轉(zhuǎn)換效率低于10%。

低功耗計(jì)算

在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端運(yùn)行時(shí)，可利用的能量有限，因此驅(qū)動(dòng)電路或芯片用于計(jì)算的功耗需求不能太高。目前，成熟的應(yīng)用低功耗計(jì)算的MCU芯片通常功耗在微瓦級(jí)別。

“反向散射”

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端通常采用低能耗的近距離、低速率通信技術(shù)，主要利用反向散射的方式，以反射接收到的射頻信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。

圖源OPPO《零功耗通信》報(bào)告

在3.0階段，可以進(jìn)一步利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)來(lái)拓展通信距離，滿足更大范圍和更復(fù)雜場(chǎng)景的組網(wǎng)應(yīng)用需求，例如資產(chǎn)全生命周期管理。以2021年華為提出的5.5G無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)（PassiveIoT）方案為例，通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)將RFID技術(shù)所支持的場(chǎng)景傳輸距離從10米級(jí)別擴(kuò)大至百米級(jí)別，省去了專(zhuān)用的讀寫(xiě)器，使終端設(shè)備可以直接通過(guò)蜂窩網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自我回傳。

這種技術(shù)在產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳感器、智能交通、智慧物流、智能倉(cāng)儲(chǔ)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、和能源領(lǐng)域等。同時(shí)，在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)也被廣泛用于智能穿戴、智能家居、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域。

在工業(yè)傳感器領(lǐng)域的典型場(chǎng)景中，如要實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境傳感和安全監(jiān)控等應(yīng)用，需要在復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境中布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域，通信設(shè)備需要具備低成本、低功耗和微小體積的基本要求。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)能量采集和反向散射等技術(shù)，可以延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期并降低維護(hù)成本。

目前廣泛使用的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括射頻識(shí)別（RFID）、藍(lán)牙低功耗（BLE）、近場(chǎng)通訊（NFC）等。這些技術(shù)都具有低成本、低功耗、小型化等特點(diǎn)，并且可以廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。

根據(jù)技術(shù)成熟度來(lái)看，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是以RFID和NFC為代表的成熟應(yīng)用，另一類(lèi)是以采集Wi-Fi、藍(lán)牙、5G、LoRa等作為能量供電的理論研究路線。

RFID

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)（RFID）是將RFID技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的一種新型方式。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的無(wú)線識(shí)別和追蹤，并能夠與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相比，基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)具有更低的功耗和更長(zhǎng)的傳輸距離，同時(shí)可以支持更多的設(shè)備連接。此外，RFID技術(shù)還能夠提供更高的安全性和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更可靠的基礎(chǔ)。無(wú)論是在物流管理、智能交通還是智能家居等領(lǐng)域，基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)都有著廣闊的應(yīng)用前景。

RFID技術(shù)是一種無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們非常熟悉且廣泛應(yīng)用。其原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近閱讀器時(shí)，標(biāo)簽接收閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)并產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲取能量。通過(guò)利用獲得的能量，標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)置的天線發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)與閱讀器之間的通信。

RFID技術(shù)是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流、智能零售、智能制造、服裝管理、智慧醫(yī)療、航空運(yùn)輸?shù)刃枰R(shí)別和管理的眾多行業(yè)，這些行業(yè)中的數(shù)量龐大的物理設(shè)備都可以成為千億物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)AIoT星圖研究院的統(tǒng)計(jì)與分析，僅UHFRFID在2021年的全球出貨量約為230億，加上低頻和高頻RFID，全球無(wú)源RFID的總出貨量接近300億。

由于成本優(yōu)勢(shì)，RFID技術(shù)是當(dāng)前千億級(jí)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最佳解決方案。然而，它在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)量方面存在局限性，同時(shí)與藍(lán)牙、NFC、5G技術(shù)和手機(jī)互動(dòng)性相比較差。因此，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，需要結(jié)合其他無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)滿足需求。

NFC

近場(chǎng)通信技術(shù)（NFC）是一種高頻無(wú)線通信技術(shù)，可以在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的非接觸式數(shù)據(jù)交換。它與RFID技術(shù)有所不同，NFC采用高集成度的單體芯片，價(jià)格相對(duì)較高，主要應(yīng)用于安全性要求較高的信息傳輸場(chǎng)景，例如交通、門(mén)禁和手機(jī)支付等功能。

WIFI

2016年，美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)名為PassiveWi-Fi的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以在消耗更少電量的情況下，無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸1Mbps和11Mbps的數(shù)據(jù)，分別僅需14.5μW和59.2μW的電量。此外，PassiveWi-Fi還具備30米的回傳距離，并且在一定程度上具備穿墻的能力。

這個(gè)方案的設(shè)計(jì)原理與RFID芯片相似，使用射頻信號(hào)的反射通信技術(shù)。當(dāng)附近的Wi-Fi路由器發(fā)射較高功率的射頻信號(hào)時(shí)，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)會(huì)吸收射頻信號(hào)，并調(diào)制天線的反射系數(shù)，從而將傳感器信息傳遞出去。

5G/6G蜂窩網(wǎng)絡(luò)

華為ICT總裁汪濤認(rèn)為，目前大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都是基于無(wú)源連接的。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)來(lái)提升無(wú)源物聯(lián)的識(shí)別率、覆蓋范圍和定位精度，是5G網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的創(chuàng)新方向。蜂窩信號(hào)是環(huán)境中最常見(jiàn)的無(wú)線射頻信號(hào)之一。實(shí)現(xiàn)無(wú)源連接面臨兩個(gè)核心難題，第一個(gè)是如何獲取能量，另一個(gè)是如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的回傳。特別是后者，保持高效通信的難度更大。無(wú)源終端通過(guò)各種途徑獲得的能量非常微弱，回傳的路徑過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)衰減速度很快。

目前在實(shí)驗(yàn)室階段最先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)能夠在180米范圍內(nèi)收集特定頻段的5G射頻能量，獲得約6μW的電力。

LoRa和NB-IoT

LoRa、NB-IoT等低功耗廣域網(wǎng)終端的核心技術(shù)之一就是低功耗，而對(duì)功耗的研究則朝著無(wú)源化的方向發(fā)展。

日本村田公司與Nowi公司在2021年合作推出了一款無(wú)電池LoRa方案參考平臺(tái)。該平臺(tái)采用了村田的LoRa模塊和Nowi的能量采集電源管理（PMIC）芯片為設(shè)備提供能量。此類(lèi)無(wú)源方案通常需要模組廠商和能源芯片企業(yè)進(jìn)行定制合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，并通過(guò)線性擴(kuò)頻技術(shù)提升回傳能力。同時(shí)，這種方案還能夠利用反射調(diào)制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)永久供能。

無(wú)線通信技術(shù)的未來(lái)展望

1、需要開(kāi)發(fā)更加豐富多樣的無(wú)源標(biāo)簽功能。目前無(wú)源標(biāo)簽功能單一，急需開(kāi)發(fā)能夠融合識(shí)別、感知、定位和通信等多種功能于一身的無(wú)源標(biāo)簽，以便在未來(lái)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療健康等行業(yè)。

2、“開(kāi)源節(jié)流”技術(shù)需要更加成熟。目前反向散射技術(shù)正在商業(yè)化的早期階段，其通信距離、吞吐量和安全性等方面還需要改善，因此能夠應(yīng)用的場(chǎng)景相對(duì)較少。為了實(shí)現(xiàn)更加成熟和大規(guī)模的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用，需要在提高能量利用率、提升系統(tǒng)通信效率和升級(jí)安全保障機(jī)制這三個(gè)方面進(jìn)行努力。

3、一種通用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)用于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)。作為新型通信技術(shù)，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)有望與6G深度融合，并成為下一代智能高效通信的標(biāo)準(zhǔn)。