深度解析無源物聯網，它距離千億級的目標還有多遠？

最近，無源物聯網概念開始熱起來了。在國際上，一家名為Wiliot的初創公司宣布獲得了由軟銀願景基金領投的2億美元C輪融資，這個公司最典型的產品就是一款藍牙傳感器標籤，不用電池，採用周圍基於藍牙協議的無線電波供電。在國內，也有深圳市每開信息技術有限公司等創新企業在嘗試在這個領域進行突破。這個新興的領域正在聚攏更多的目光。

1 什麼是無源物聯網

無源物聯網顧名思義，就是物聯網設備沒有採用電源（電池或者電線），也能正常工作，這聽起來不可思議，甚至是違背物理學能量守恆的原理。

但事實上，無源物聯網設備工作並不是不用電，而是它能夠從周圍環節中捕捉能源，以維持設備的正常工作。

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

第一種就是通過採集周圍環節中的無線電波能量來實現。比如說4G信號，5G信號，wifi信號，藍牙信號等等，每一種無線電信號，都是一種能量傳輸。

這也是無源物聯網最受關注的方式，因為一個物聯網設備要正常運作，除了獲取工作能量之外，還需要將數據信息進行傳輸，而信號的傳輸也是依靠無線電信號，因此，採用無線電方式既可以獲取能量，也可以傳輸信號，讓系統非常的簡潔，同時成本、尺寸等都可以做到很低。

第二種常見的就是採集太陽能供電，太陽能供電可以獲取很多電能，但是系統複雜，成本高，在某些場景適用，但是對於大規模，低成本的物聯網應用場景而言，很明顯是不適用的。

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

所以，在本文中，我們重點討論無線電信號的無源物聯網方式。

2 為什麼需要無源物聯網，它有啥意義

為什麼無源物聯網的概念能夠如此吸引人？我們可以看下面這個圖。

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

其中低速物聯網設備數量可以達到百億級別,現在加上無源物聯網之後，IoT的設備連接數量可以達到千億級別，相信，在未來的各類PPT中，我們會經常看到這個圖。

當然，無源物聯網的意義也不只是將IoT設備的潛在市場擴大了一個數量級這麼簡單，因為無源物聯網設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着成本的降低，在有源物聯網中，電池本身的成本以及電池的替換成本也都比較高，無源物聯網標籤就可以做到很低的成本，比如說目前的通用型UHF RFID標籤的價格可以做到2-3毛錢（RMB）的水平，這在有源物聯網中是不敢想像的。

另外一方面就是對節能環保的友好，電池的生產使用了大量的金屬與化學物品，在環保政策日趨嚴格之下，無源物聯網是一種趨勢。

第二，就是標籤可以做到很輕巧，沒有了電池的束縛，無源物聯網的標籤可以做到貼片式的產品形態，有更高的應用靈活性。

3 無源物聯網的技術可行性

關於無源物聯網的技術可行性，筆者與行業的資深人士也有過交流。

從技術角度來說，無源物聯網也不是啥新鮮概念，RFID就是一種很成熟的無源物聯網技術，並且每年的出貨量都有數百億的級別。

無線電波的無源物聯網的方案主要分為吸收無線電供電環節與發射信號被接收機接收這兩個環節。

先說從無線電信號獲取能量環節，這個環節最關鍵的器件就是天線，天線獲取電磁能力按照技術種類的區別主要分為兩類。

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

線圈型RFID天線圖

第二類為微波輻射系統，電磁能量的傳送是在遠場區域(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，遠場輻射天線通常是諧振式的。

（a）標籤偶極子天線

（b）閱讀器平板微帶天線

常見超高頻RFID天線代表，來源：《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》

UHF RFID、藍牙、wif等通信技術的無源物聯網方案的天線是採用這種方式才能有更遠的工作距離，（主要是取電的距離）。

再說信號發射方面，當電子元器件獲取了正常的工作電流，其發射信號的距離與方式就與有源物聯網沒有區別了。

所以，在無源物聯網方案中，最大的技術難點就是如何去獲取工作電流，因為電磁能量的密度隨着距離的變遠衰減很多，因此，獲取能量的距離就是無源物聯網方案的工作距離。

在實際應用中，無源物聯網方案都會盡量採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行工作。

很明顯，周圍微弱環節的藍牙或者wifi信號是無法實現能量供給的，一般需要單獨加一個能量源，RFID系統中是讀寫器提供能量源，藍牙或者wifi方案也需要單獨的基站或者類似的裝置。

所以，典型的無源物聯網系統工作流程為：

4 無源物聯網的商業可行性

除了技術可行性，無源物聯網的商業可行性又如何呢？

目前RFID是一種非常成熟的無源物聯網技術，不論是低頻、高頻還是超高頻都有了大規模的應用，其中數量最大的當屬超高頻RFID，其標籤全球出貨量每年已經達到接近200億的級別，而中國市場也是RFID最重要的地區。

在無源RFID方案中，讀寫器不僅提供能量，還負責接收標籤發射的信號，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，因為目前NFC已經成為了智能手機的標配，因此，在NFC方案中，很多應用場景只需要考慮標籤成本，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都有了廣泛的應用，不過NFC最致命的弱點就是工作距離短。

而用藍牙、WiFi等小無線技術做無源物聯網方案，最大的優勢就是智能手機都有植入，並且工作距離相比於NFC而言，也比較遠。

不過藍牙與WiFi的無源物聯網方案需要單獨一個能量信號源，並且藍牙、WiFi傳輸能量的效率比較低，它獲取工作電流的距離較短，意味着這個方案整體的成本不會太低。

當然，相較於有源方案來說，它的標籤成本極低，並且尺寸小，能夠在一些標籤節點集中的場景有比較好的替代。但是在節點零散的場景中，有源的方式更為合適。

5 為什麼說RFID是最好的無源物聯網技術

目前RFID每年有數百億的出貨量，累計的量也早已達到千億級，甚至以後做到每年千億級的量也不是沒可能。

RFID技術之所以如此受歡迎，主要因為它是一種非常好的無源物聯網技術。

第一，從技術層面來說，無源物聯網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據：固定發射天線輸出功率及接收天線（RFID標籤天線）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：《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》

可以發現，UHF RFID工作的840M-960MHz是能量傳輸效率最高，工作距離最遠的頻段，而藍牙、WiFi等技術工作的2.4G頻段，能量傳輸的距離要短了很多。Wiliot的藍牙無源標籤工作距離目前最遠就3m，而UHF RFID的距離可以有10來米。

第二，就是產業成熟度，目前市場上的UHF RFID標籤的尺寸很小，也很輕薄，這是因為經過數十年的發展，UHF RFID的標籤生產環節已經有一套非常完善的產業鏈。無論是蝕刻天線的生產，還是綁定機，再到複合機，這些工藝流程都已經非常完善。

標籤的成本與尺寸也幾乎做到了極致，後面的玩家在生產工藝方面也只能去模仿，難以去超越。

RFID技術的應用落地也越來越廣，產業也在快速成長，已經成為IoT圈子的一股中堅力量。今年，IOTE 2021第十六屆國際物聯網展·深圳站將會於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行業的不少知名企業蒞臨參展，包括復旦微電子、遠望谷、優博訊 、菜鳥網絡、信達、思創醫惠、英頻傑、意法半導體、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、羅丹貝爾、匯成芯通、源明傑、馳立、博思得、悅和、盈達聚力、東信源芯、中控瑞迪優、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、銳馳、融智興、芯聯創展、常達、藍暢、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、思遠創、制聯、斯科、北斗星通、紐豹、立芯 、榮睿、艾達、凱路威、騰彩、芯誠、華昇智能、摩爾佳、聯點、萬全、東芝等全產業鏈企業的鼎力支持！

本文參考資料：

《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》，作者：甘泉

《這家獲得軟銀/高通/三星青睞的初創企業，能顛覆傳統RFID市場么？》，作者：趙小飛，物聯網智庫