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一文搞懂“無源物聯(lián)網(wǎng)”

機(jī)智云 ? 2022-11-24 10:09 ? 次閱讀
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“無源物聯(lián)網(wǎng)”,顧名思義,就是不接外部電源、不帶電池的物聯(lián)網(wǎng)。

需要注意的是,這個“無源“,不是網(wǎng)絡(luò)無源,而是聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點無源,既不帶電源線,也不內(nèi)置電池。

看到這,顯然會認(rèn)為“無源”有悖于常理,畢竟芯片要靠電驅(qū)動,而能量不能憑空產(chǎn)生?

究竟是怎么回事呢?

原來是“終端節(jié)點無源”是指通過其他形式來獲取能源。

舉個例子

按壓式發(fā)電:通過動能轉(zhuǎn)化為電能,如手搖式發(fā)電機(jī)

光伏發(fā)電:太陽能路燈將收集到的光能轉(zhuǎn)換成電能

摩擦力發(fā)電:含有動力回收系統(tǒng)的電動車,將減速時的摩擦力積蓄的動能轉(zhuǎn)換成電能

......

那么,這些和物聯(lián)網(wǎng)有什么關(guān)系呢?

除了常見的使用太陽能、動能、熱能等方式獲得電能,還能通過無線電波能量轉(zhuǎn)換獲得能量。其原理是通過采集周圍環(huán)境中的RFIDNFC藍(lán)牙4G5G、WiFi等無線電波能量,并將其轉(zhuǎn)換成電能。

這也是無源物聯(lián)網(wǎng)最受關(guān)注的方式,因為一個正常工作的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要正常運作,除獲取工作能量之外,還需將數(shù)據(jù)通過無線電信號進(jìn)行傳輸。借助這種方式,無源物聯(lián)網(wǎng)終端既可以獲取能量,也可以傳輸信號,同時成本、尺寸等都可做到很低,一舉多得。

那么這方面有什么應(yīng)用呢?

最主流的當(dāng)屬基于RFID的無源物聯(lián)網(wǎng),即RFID技術(shù),俗稱“電子標(biāo)簽NFC”,是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

其原理非常簡單,當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近閱讀器后,接收閱讀器發(fā)出的射頻信號,產(chǎn)生感應(yīng)電流,獲得能量。通過收集的這點能量,標(biāo)簽發(fā)送信息,實現(xiàn)與閱讀器的通信

目前,基于RFID的無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品NFC,幾乎成了智能手機(jī)的標(biāo)配。

然而,無線通信技術(shù)有多種,為什么常見的只有RFID應(yīng)用,為啥極少見到基于藍(lán)牙、Wi-Fi等無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呢?

主要是因為,距離越遠(yuǎn),電磁能量的密度越低,獲取能量的難度越大。

NFC之所以能普及,很大的一點在于標(biāo)簽和閱讀器的距離很近,通過感應(yīng)耦合就能實現(xiàn)電池傳送。而Ble、Wi-Fi、4G/5G的工作距離遠(yuǎn)大于RFID,若是采用天線技術(shù)完成電磁能量的傳送,難度極大。

而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,對終端設(shè)備體積性能更優(yōu)體積更小的追求,以及對未來科技趨勢的預(yù)判,所以人類對遠(yuǎn)距離通信技術(shù)的能量捕獲和使用從未停止,所以還有這些無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

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基于藍(lán)牙的無源物聯(lián)網(wǎng)

無源藍(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽無需供電,也可完成感知、存儲和通信,該標(biāo)簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電,并借助這些能量發(fā)送標(biāo)簽唯一標(biāo)識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。

基于WiFi的無源物聯(lián)網(wǎng)

該方案的原理是利用射頻信號的后向反射通信技術(shù),當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后,無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù),將傳感器信息傳遞出去。

基于LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)

2017年,美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員采用線性擴(kuò)頻技術(shù),提升無源標(biāo)簽回傳能力,并與商用的LoRa設(shè)備兼容,形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。在測試中,研究人員成功地從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置可以實現(xiàn)無源節(jié)點反射調(diào)制,成功回傳傳感器信息;將無源節(jié)點與射頻源位于同一位置時,接收器最遠(yuǎn)可達(dá)2.8公里。

基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)

通過5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián),一個難點是無源終端節(jié)點如何獲取能量,另一個難點在于如何實現(xiàn)長距離回傳,尤其是后者的難度更大。因為無源終端通過各種方式獲得的能量是非常微弱的,回傳路徑過長,信號會快速衰減。

目前在實驗室階段最先進(jìn)的技術(shù),已經(jīng)可以做到在180米的范圍內(nèi),收集特定頻段的5G射頻能量,采集到約6μW的電力。

事實上,現(xiàn)在對無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究有了進(jìn)一步發(fā)展,但是受制于無源物聯(lián)網(wǎng)自身缺陷,如節(jié)點能源獲取存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定性,導(dǎo)致能量變化非靜態(tài)性,甚至是存在信號斷斷續(xù)續(xù),使得這種技術(shù)目前還無法很好的賦能工業(yè)場景。

究其原因,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,通常具備分布式特點,需求穩(wěn)定可靠的運行。因此無源物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用并不多,網(wǎng)關(guān)一般也采用電池進(jìn)行供電,以保證設(shè)備數(shù)據(jù)實時傳輸,7*24小時的自動采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程運維,提高工作效率,避免設(shè)備停工損失。這對企業(yè)而言,可以收獲的好處便利遠(yuǎn)比節(jié)約能源成本來的重要。

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機(jī)智云智能云網(wǎng)關(guān),智能選擇通信方式,支持Wi-Fi/Ethernet/4G全網(wǎng)通等,免開發(fā)快速接入機(jī)智云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺,實現(xiàn)設(shè)備可視化動態(tài)運維和管理,廣泛適用于智能家居、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、冷鏈追蹤等行業(yè),方便企業(yè)進(jìn)行工業(yè)智能化升級改造。

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