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[導(dǎo)讀]物聯(lián)傳媒本文作者:銀匠最近,無源物聯(lián)網(wǎng)概念開始熱起來了。在國際上,一家名為Wiliot的初創(chuàng)公司宣布獲得了由軟銀愿景基金領(lǐng)投的2億美元C輪融資,這個公司最典型的產(chǎn)品就是一款藍(lán)牙傳感器標(biāo)簽,不用電池,采用周圍基于藍(lán)牙協(xié)議的無線電波供電。在國內(nèi),也有深圳市每開信息技術(shù)有限公司等創(chuàng)新企...

本文來源:物聯(lián)傳媒

本文作者:銀匠


最近,無源物聯(lián)網(wǎng)概念開始熱起來了。在國際上,一家名為Wiliot的初創(chuàng)公司宣布獲得了由軟銀愿景基金領(lǐng)投的2億美元C輪融資,這個公司最典型的產(chǎn)品就是一款藍(lán)牙傳感器標(biāo)簽,不用電池,采用周圍基于藍(lán)牙協(xié)議的無線電波供電。在國內(nèi),也有深圳市每開信息技術(shù)有限公司等創(chuàng)新企業(yè)在嘗試在這個領(lǐng)域進(jìn)行突破。這個新興的領(lǐng)域正在聚攏更多的目光。


1 什么是無源物聯(lián)網(wǎng)



無源物聯(lián)網(wǎng)顧名思義,就是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備沒有采用電源(電池或者電線),也能正常工作,這聽起來不可思議,甚至是違背物理學(xué)能量守恒的原理。


但事實上,無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作并不是不用電,而是它能夠從周圍環(huán)節(jié)中捕捉能源,以維持設(shè)備的正常工作。


在我們周圍,有很多能量可以使用,比如說光、4G、5G信號等等,無源物聯(lián)網(wǎng)就是打這些微能量的主意。無源物聯(lián)網(wǎng)也可以通過多種方式實現(xiàn)。


第一種就是通過采集周圍環(huán)節(jié)中的無線電波能量來實現(xiàn)。比如說4G信號,5G信號,wifi信號,藍(lán)牙信號等等,每一種無線電信號,都是一種能量傳輸。


這也是無源物聯(lián)網(wǎng)最受關(guān)注的方式,因為一個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要正常運作,除了獲取工作能量之外,還需要將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸,而信號的傳輸也是依靠無線電信號,因此,采用無線電方式既可以獲取能量,也可以傳輸信號,讓系統(tǒng)非常的簡潔,同時成本、尺寸等都可以做到很低。


第二種常見的就是采集太陽能供電,太陽能供電可以獲取很多電能,但是系統(tǒng)復(fù)雜,成本高,在某些場景適用,但是對于大規(guī)模,低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景而言,很明顯是不適用的。


第三種,就是按壓式發(fā)電通過機械力改變材料的形變而產(chǎn)生電流,這種方式也有一些比較適用的場景,比如說開關(guān),遙控器等。但這種需要直接動手的方式,很明顯,在大多數(shù)的場景中也不適合。


所以,在本文中,我們重點討論無線電信號的無源物聯(lián)網(wǎng)方式。


2 為什么需要無源物聯(lián)網(wǎng),它有啥意義



為什么無源物聯(lián)網(wǎng)的概念能夠如此吸引人?我們可以看下面這個圖。



在之前各類關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)市場前景介紹的PPT中,都只有上面的3層,即高速物聯(lián)網(wǎng)(比如5G,LTE Cat.4等),中速物聯(lián)網(wǎng)(LTE Cat.1、eMTC等)、與低速物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT、LoRa等),這些都是有源的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。


其中低速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到百億級別,現(xiàn)在加上無源物聯(lián)網(wǎng)之后,IoT的設(shè)備連接數(shù)量可以達(dá)到千億級別,相信,在未來的各類PPT中,我們會經(jīng)常看到這個圖。


當(dāng)然,無源物聯(lián)網(wǎng)的意義也不只是將IoT設(shè)備的潛在市場擴大了一個數(shù)量級這么簡單,因為無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特性越來越受市場的追捧。


第一,就是不需要電池,不用電池一方面是意味著成本的降低,在有源物聯(lián)網(wǎng)中,電池本身的成本以及電池的替換成本也都比較高,無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽就可以做到很低的成本,比如說目前的通用型UHF RFID標(biāo)簽的價格可以做到2-3毛錢(RMB)的水平,這在有源物聯(lián)網(wǎng)中是不敢想象的。


另外一方面就是對節(jié)能環(huán)保的友好,電池的生產(chǎn)使用了大量的金屬與化學(xué)物品,在環(huán)保政策日趨嚴(yán)格之下,無源物聯(lián)網(wǎng)是一種趨勢。


第二,就是標(biāo)簽可以做到很輕巧,沒有了電池的束縛,無源物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)簽可以做到貼片式的產(chǎn)品形態(tài),有更高的應(yīng)用靈活性。


3 無源物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)可行性



關(guān)于無源物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)可行性,筆者與行業(yè)的資深人士也有過交流。


從技術(shù)角度來說,無源物聯(lián)網(wǎng)也不是啥新鮮概念,RFID就是一種很成熟的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),并且每年的出貨量都有數(shù)百億的級別。


無線電波的無源物聯(lián)網(wǎng)的方案主要分為吸收無線電供電環(huán)節(jié)發(fā)射信號被接收機接收這兩個環(huán)節(jié)。


先說從無線電信號獲取能量環(huán)節(jié),這個環(huán)節(jié)最關(guān)鍵的器件就是天線,天線獲取電磁能力按照技術(shù)種類的區(qū)別主要分為兩類。


一類是感應(yīng)耦合,天線的形狀為線圈,電磁能量的傳送是在感應(yīng)場區(qū)域(似穩(wěn)場)中完成,因此工作的距離就會很近,比如NFC(高頻RFID的一種)的工作距離就小于10cm,低頻RFID(125kHz-132kHz)與高頻RFID(13.56MHz)的天線就采用的這種方式。


線圈型RFID天線圖


第二類為微波輻射系統(tǒng),電磁能量的傳送是在遠(yuǎn)場區(qū)域(輻射場)中完成,因此天線的種類主要是偶極子天線和微帶天線,遠(yuǎn)場輻射天線通常是諧振式的。


(a)標(biāo)簽偶極子天線 (b)閱讀器平板微帶天線

常見超高頻RFID天線代表,來源:《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》


UHF RFID、藍(lán)牙、wif等通信技術(shù)的無源物聯(lián)網(wǎng)方案的天線是采用這種方式才能有更遠(yuǎn)的工作距離,(主要是取電的距離)。


再說信號發(fā)射方面,當(dāng)電子元器件獲取了正常的工作電流,其發(fā)射信號的距離與方式就與有源物聯(lián)網(wǎng)沒有區(qū)別了。


所以,在無源物聯(lián)網(wǎng)方案中,最大的技術(shù)難點就是如何去獲取工作電流,因為電磁能量的密度隨著距離的變遠(yuǎn)衰減很多,因此,獲取能量的距離就是無源物聯(lián)網(wǎng)方案的工作距離。


在實際應(yīng)用中,無源物聯(lián)網(wǎng)方案都會盡量采用工作電流很低的元器件,如果工作頻次不是很高,但元器件的工作電流又相對較高的話,可以通過加電容儲存一定的電量,再通過電容放電的形式進(jìn)行工作。


很明顯,周圍微弱環(huán)節(jié)的藍(lán)牙或者wifi信號是無法實現(xiàn)能量供給的,一般需要單獨加一個能量源,RFID系統(tǒng)中是讀寫器提供能量源,藍(lán)牙或者wifi方案也需要單獨的基站或者類似的裝置。


所以,典型的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程為:



4 無源物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)可行性



除了技術(shù)可行性,無源物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)可行性又如何呢?


目前RFID是一種非常成熟的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),不論是低頻、高頻還是超高頻都有了大規(guī)模的應(yīng)用,其中數(shù)量最大的當(dāng)屬超高頻RFID,其標(biāo)簽全球出貨量每年已經(jīng)達(dá)到接近200億的級別,而中國市場也是RFID最重要的地區(qū)。



在無源RFID方案中,讀寫器不僅提供能量,還負(fù)責(zé)接收標(biāo)簽發(fā)射的信號,因此,無源RFID需要額外增加讀寫器成本。


不過NFC是其中的一個變數(shù),因為目前NFC已經(jīng)成為了智能手機的標(biāo)配,因此,在NFC方案中,很多應(yīng)用場景只需要考慮標(biāo)簽成本,而不用考慮讀寫器成本。


所以,NFC在很多偏消費類場景中比較適用,比如高端白酒、珠寶等貴重物品的防偽溯源,以及一些鎖類或者門禁類場景,NFC都有了廣泛的應(yīng)用,不過NFC最致命的弱點就是工作距離短。


而用藍(lán)牙、WiFi等小無線技術(shù)做無源物聯(lián)網(wǎng)方案,最大的優(yōu)勢就是智能手機都有植入,并且工作距離相比于NFC而言,也比較遠(yuǎn)。


不過藍(lán)牙與WiFi的無源物聯(lián)網(wǎng)方案需要單獨一個能量信號源,并且藍(lán)牙、WiFi傳輸能量的效率比較低,它獲取工作電流的距離較短,意味著這個方案整體的成本不會太低。


當(dāng)然,相較于有源方案來說,它的標(biāo)簽成本極低,并且尺寸小,能夠在一些標(biāo)簽節(jié)點集中的場景有比較好的替代。但是在節(jié)點零散的場景中,有源的方式更為合適。


5 為什么說RFID是最好的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)



目前RFID每年有數(shù)百億的出貨量,累計的量也早已達(dá)到千億級,甚至以后做到每年千億級的量也不是沒可能。


RFID技術(shù)之所以如此受歡迎,主要因為它是一種非常好的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。


第一,從技術(shù)層面來說,無源物聯(lián)網(wǎng)方案最大的難點是如何從電磁波中獲取電能,人們通過一組測試數(shù)據(jù):固定發(fā)射天線輸出功率及接收天線(RFID標(biāo)簽天線)尺寸,記錄不同頻率下讀距,得到如下圖所示為不同頻率下的工作距離圖。


不同頻率下的工作距離圖,來源:《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》


可以發(fā)現(xiàn),UHF RFID工作的840M-960MHz是能量傳輸效率最高,工作距離最遠(yuǎn)的頻段,而藍(lán)牙、WiFi等技術(shù)工作的2.4G頻段,能量傳輸?shù)木嚯x要短了很多。Wiliot的藍(lán)牙無源標(biāo)簽工作距離目前最遠(yuǎn)就3m,而UHF RFID的距離可以有10來米。


第二,就是產(chǎn)業(yè)成熟度,目前市場上的UHF RFID標(biāo)簽的尺寸很小,也很輕薄,這是因為經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,UHF RFID的標(biāo)簽生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)有一套非常完善的產(chǎn)業(yè)鏈。無論是蝕刻天線的生產(chǎn),還是綁定機,再到復(fù)合機,這些工藝流程都已經(jīng)非常完善。


標(biāo)簽的成本與尺寸也幾乎做到了極致,后面的玩家在生產(chǎn)工藝方面也只能去模仿,難以去超越。


RFID技術(shù)的應(yīng)用落地也越來越廣,產(chǎn)業(yè)也在快速成長,已經(jīng)成為IoT圈的一股中堅力量。今年,IOTE 2021第十六屆國際物聯(lián)網(wǎng)展·深圳站將會于10月23-25日在深圳福田會展中心舉辦。


在本屆展會上,邀請到了深耕RFID行業(yè)的不少知名企業(yè)蒞臨參展,包括復(fù)旦微電子、遠(yuǎn)望谷、優(yōu)博訊 、菜鳥網(wǎng)絡(luò)、信達(dá)、思創(chuàng)醫(yī)惠、英頻杰、意法半導(dǎo)體、佐藤、斑馬、艾利 、永奕、奧奕、傳麒、哈德勝、成為、漢德霍爾、東大集成、宇寧、銓順宏、安的、銷邦、鴻陸、鷗思物聯(lián)、羅丹貝爾、匯成芯通、源明杰、馳立、博思得、悅和、盈達(dá)聚力、東信源芯、中控瑞迪優(yōu)、國芯、安智博、保點、得實、德佟、新歌山、新晶路、祥承通訊、國聚、驕冠、品冠、先施、商米、鑫業(yè)、銳馳、融智興、芯聯(lián)創(chuàng)展、常達(dá)、藍(lán)暢、思必拓、金瑞銘、建和、芯頻跳動、哈深智材、博緯、澳普、德聚、華士精成、思遠(yuǎn)創(chuàng)、制聯(lián)、斯科、北斗星通、紐豹、立芯 、榮睿、艾達(dá)、凱路威、騰彩、芯誠、華昇智能、摩爾佳、聯(lián)點、萬全、東芝等全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的鼎力支持!


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本文參考資料:

《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》,作者:甘泉

《這家獲得軟銀/高通/三星青睞的初創(chuàng)企業(yè),能顛覆傳統(tǒng)RFID市場么?》,作者:趙小飛,物聯(lián)網(wǎng)智庫


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展位

#?深圳站

2021年10月23-25日

深圳會展中心(福田)


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