无源物联网最早是在军事领域应用,后逐步渗透到工业、交通等民用商用领域,随着新兴数字标签技术的出现,在RFID的基础上,无源物联网进一步延伸拓展至 Wi-Fi、蓝牙、UWB、LoRa、5G等蜂窝/非蜂窝技术的无源互联。无需电池供电即可联网通信,是无源物联网最大的优势,凭借极低的部署和维护成本、灵活多变的应用场景,无源物联网成为解决更广范围内终端供能需求的希望。
无源物联网的研究主要依托这三类底层技术:
首先是环境能量采集。无源物联网标签侧设备不依赖电池或电源线供电,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、射频等。太阳能是目前转换效率最高的方案,电磁波在单一频段下能量转化效率可达到50%,在多频段的复杂场景下只有1~2%,温度差热能采集对使用环境有要求,转化效率低于10%。以下是几种成熟的能量采集技术优缺点:
其次是低功耗计算。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,目前成熟应用低功耗计算的MCU芯片一般功耗在 μW 级别。
最后是依靠低功耗通信——“反向散射”实现数据通信。无源物联网终端往往以低耗能的近距离低速率通信技术为主,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。
当前正处于无源技术革新的关键期,中国移动研究院IoT研究所认为无源物联技术演进路径可分为单点式无源1.0、组网式无源2.0、蜂窝式无源3.0三个阶段,传统RFID应用采取点对点近距离读写一体的架构,存在较强的自干扰和互干扰问题,主要应用在快销品、仓储领域。新型组网式无源2.0技术采取收发分离式系统,支持组网部署,解决干扰问题提升了接受距离,在一定程度上拓展RFID应用场景。
在3.0阶段,可以进一步发挥蜂窝网络优势,利用基站拓展通信距离,为更大范围和更复杂场景的组网应用需求,如资产全生命周期管理提供可能。如2021年华为提出5.5G无源物联网Passive IoT的方案构想,通过蜂窝网络将RFID支持的场景传输距离由10米级扩大至百米级别,砍掉专用的读写器,使终端向蜂窝网关节点进行自我回传。
凭借零功耗、小体积等优势,无源物联网可以在工业传感器、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等产业物联网领域以及智能穿戴、智能家居、医疗护理等消费物联网领域有广泛的应用前景。
典型场景如工业传感器领域要实现工业自动化、环境传感、安全监控等场景应用,需要在复杂危险环境布置大量的传感器节点,成本低、功耗低、体积微小是该领域对通信设备的基本要求,无源物联网可以通过能量采集和反向散射等技术,延长传感器节点的生命周期,降低维护成本。