助推雙碳計劃，無源技術(shù)或成為下一個萬億藍海

近期，深圳市科技創(chuàng)新委員會披露了《深圳市科技創(chuàng)新"十四五"規(guī)劃》相關(guān)內(nèi)容。規(guī)劃中明確了“20+8”技術(shù)主攻方向，即圍繞深圳七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以及20個產(chǎn)業(yè)集群和八大未來產(chǎn)業(yè)開展技術(shù)攻關(guān)。其中，七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)就提到要在新型傳感器領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)。

作為智能制造關(guān)鍵的感知技術(shù)，傳感器已經(jīng)逐漸進入小型化、智能化和滿足低碳需求的研發(fā)階段。尤其是在近幾年雙碳政策的驅(qū)動下，越來越多的下游廠商也開始重視相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，各大廠商也開始后關(guān)注無源技術(shù)。

雖然無源技術(shù)目前更多還是應(yīng)用于智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通等物聯(lián)網(wǎng)場景，但是在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展無源技術(shù)的應(yīng)用場景也是趨勢所向。

何為無源？

無源技術(shù)顧名思義也就是沒有電源、能量源，與承載網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)和無源波分的無源概念類似。因為包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的部分場景對于低功耗的需求較為旺盛，加上雙碳計劃的逐步推行，目前無源技術(shù)應(yīng)用較為熱門領(lǐng)域主要是集中在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，可以稱為“無源物聯(lián)網(wǎng)”。

需要指出的是，無源物聯(lián)網(wǎng)并不是網(wǎng)絡(luò)無源，而是終端節(jié)點無源，也就是說接入網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點設(shè)備不帶電源線和電池。但是芯片、傳感器、模組等節(jié)點設(shè)備始終都是要用電來收發(fā)信號的，所以準(zhǔn)確來說這種無源技術(shù)實際上是需要獲取外部能量，例如太陽能、動能、熱能等，而且在智慧路燈、共享單車等領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用上述能源形式。

但是，今天所被熱議的無源物聯(lián)網(wǎng)更多的是指基于無線電磁能量捕捉技術(shù)，這項技術(shù)是通過互聯(lián)互通的終端利用采集網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)射過來的無線電波，捕捉和收集能量。

以這種技術(shù)實現(xiàn)無源應(yīng)用其實早已成熟，在工業(yè)和物流場景中已經(jīng)大量應(yīng)用，那就是RFID(射頻識別)技術(shù)。簡單來說，當(dāng)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。通過這點能量，標(biāo)簽發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。

不僅是RFID，在藍牙、WiFi等重要通信技術(shù)領(lǐng)域上，很多學(xué)術(shù)機構(gòu)都已經(jīng)做出相關(guān)技術(shù)模型。美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院層表示，通過對射頻信號的反射調(diào)制技術(shù)，可以實現(xiàn)無源設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。他們正在研發(fā)除了Passive WiFi的無源技術(shù)，并進一步將該技術(shù)用于LoRa中，實現(xiàn)數(shù)百米長距離無源節(jié)點傳輸。

2021年8月，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤也曾在會議上提出了面向5.5G的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，希望5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)。

概念先行，挑戰(zhàn)仍存

其實關(guān)于無源物聯(lián)網(wǎng)的研究尚屬早期，相關(guān)技術(shù)仍有很多缺點和痛點尚未解決。

1.能量震蕩性，能量不再是單一的由高至低的靜態(tài)變化趨勢，因為環(huán)境能量不斷變化，所以呈現(xiàn)出的將是時高時低的動態(tài)狀態(tài)。

2.節(jié)點失衡性，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中能源獲取存在隨機性和不穩(wěn)定性，整個網(wǎng)絡(luò)中能量分布可能并不均衡，也會導(dǎo)致每個節(jié)點的差異。

3.能源受限性，無源物聯(lián)網(wǎng)獲取能量的方式不同，采集的環(huán)境能量其實非常微弱，一般在納瓦(nW)到微瓦(μW)級。

4.連接脆弱性，當(dāng)某些節(jié)點的能量低于一定程度時，這些節(jié)點會成為孤立節(jié)點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通。

另外，在嚴苛環(huán)境下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、低成本高容量的物流倉儲場景等特殊應(yīng)用中，仍會面臨較大挑戰(zhàn)。

根據(jù)IDC、Gatner等機構(gòu)的預(yù)測，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展成熟之際，將會需要416億塊電池來提供所有在線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集、分析和發(fā)送數(shù)據(jù)所需的能量，這也引起了一場能源挑戰(zhàn)。

但是，目前來看，各應(yīng)用場景互聯(lián)互通設(shè)備的連接數(shù)并不及預(yù)期，而且機構(gòu)對于全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的預(yù)期也在不斷下調(diào)。筆者認為，這種情況的發(fā)生有一部分原因要歸結(jié)于背后供電方案表現(xiàn)出的問題，無法完全滿足實際場景應(yīng)用，主要表現(xiàn)為：供電問題導(dǎo)致的系統(tǒng)風(fēng)險、維護成本與人力成本在持續(xù)走高、使用場所有限、不利于雙碳政策落地、布線復(fù)雜等。

因此，很大一部分的物聯(lián)網(wǎng)終端需要一種新的、可持續(xù)供電解決方案，而無源物聯(lián)網(wǎng)也就是解題的根本，因為無源物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)能量的自給自足、極低的維護成本以及極低的持有成本。

另一方面，無源物聯(lián)網(wǎng)和無源技術(shù)的興起，實際上是全球思維轉(zhuǎn)變的正向反饋，即從制造更多能源到使用更少、利用周圍環(huán)境能源。從北美制定6G的組織Next G Alliance為例，其聚焦于研發(fā)、制造、標(biāo)準(zhǔn)化和市場等多個面向，并積極制定6G國家路線圖，確立6G技術(shù)核心優(yōu)先事項。從公開信息得知，該組織也正在將無源的特點加入其6G規(guī)劃路線中。

從應(yīng)用場景來看，無源技術(shù)行業(yè)應(yīng)用的想象空間是巨大的，幾乎涉及到物聯(lián)網(wǎng)的所有行業(yè)皆可應(yīng)用。例如能源行業(yè)的智能水表、智能氣表、智能電表等產(chǎn)品通過搭載無源模組，可實現(xiàn)無源化監(jiān)測及實時預(yù)警，具備成本低、部署快、免維護的特點。物流行業(yè)的集裝箱、快遞包裹等產(chǎn)品通過搭載無源微型傳感器，可以感知一系列物理和環(huán)境數(shù)據(jù),并將信息傳輸至網(wǎng)關(guān)、手機或支持低功耗藍牙(BLE)的設(shè)備上,供管理平臺參考使用。

無論是雙碳推行還是各大物聯(lián)網(wǎng)場景需求，無源技術(shù)都將會成為下一個藍海市場。不過，無源技術(shù)仍然處于早期階段，與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展類似，將會根據(jù)具體場景進行技術(shù)和項目落地。