無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在低功耗行業(yè)的應(yīng)用

摘 要：隨著國內(nèi)對(duì)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的大力推行，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)數(shù)量持續(xù)提升，并且不斷朝著萬物互聯(lián)的愿景邁進(jìn)。在此背景下，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借其小尺寸、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)逐漸進(jìn)入各物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的視野。文中系統(tǒng)介紹了無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的硬件組成，包括能量采集、存儲(chǔ)、控制及通信單元；分析了無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)方案的改進(jìn)。通過對(duì)比不同能量（光能、溫差能、振動(dòng)能、電磁波能量）采集方式的優(yōu)劣，評(píng)估了無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。結(jié)合移動(dòng)定位、農(nóng)業(yè)種植、智能家居、工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)景，分析了無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有成本低、維護(hù)成本低、環(huán)?？沙掷m(xù)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，其在多種應(yīng)用場(chǎng)景中均表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善和產(chǎn)能的提升，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將得到進(jìn)一步普及和推廣。

關(guān)鍵詞：低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；CM32M433R；能量采集；能量存儲(chǔ)；NB-IoT

中圖分類號(hào)：TP39；TN929.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

目前低功耗物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)主要還是以鋰電池供電方案為主，設(shè)備的使用年限一般為5～10年。由于設(shè)備二次拆卸成本較高，電池壽命耗盡后無論是更換電池還是更換新的設(shè)備都會(huì)帶來額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。此外，據(jù) IDC、Gatner 等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展與成熟，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能需要超過400億塊電池來支持其日常運(yùn)營(yíng)。如此巨大的電池需求量不僅給能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)帶來了極大的挑戰(zhàn)，甚至可能引發(fā)環(huán)境危機(jī)。因此，無源技術(shù)在低功耗物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的市場(chǎng)前景。

無源物聯(lián)網(wǎng)是指接入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在不帶電源線和無內(nèi)置電池的情況下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分布式計(jì)算等功能[1-5]。無源并非指設(shè)備工作不需要能量，而是指設(shè)備在不接電源、不用電池的前提下，能夠?qū)h(huán)境中的微弱能量收集起來供自身使用。另外，設(shè)備的數(shù)據(jù)上報(bào)模式?jīng)]有發(fā)生變化，設(shè)備仍通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等無線方式接入路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)上傳到后端服務(wù)器上。

相較于傳統(tǒng)低功耗物聯(lián)網(wǎng)方案，無源物聯(lián)網(wǎng)方案主要具備以下四方面的優(yōu)勢(shì)：第一個(gè)優(yōu)勢(shì)為成本較低，無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不需要電池或外部電源，因此制造成本較低，使其在構(gòu)建大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)或需要分散部署傳感器設(shè)備的成本敏感型場(chǎng)景中更具競(jìng)爭(zhēng)力。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)為維護(hù)成本低，由于無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不需要更換電池或維護(hù)外部電源，因此在部署后的維護(hù)成本較低，使其在遠(yuǎn)程或偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)景更有優(yōu)勢(shì)。第三個(gè)優(yōu)勢(shì)為環(huán)?？沙掷m(xù)，無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不需要電池，從而減少了電池的使用和處理，有利于減輕廢棄電池對(duì)環(huán)境的影響，更符合可持續(xù)發(fā)展的理念。第四個(gè)優(yōu)勢(shì)為使用壽命長(zhǎng)，由于無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不依賴電池，因此可以實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的使用壽命，使其在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1 低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一套采用無源技術(shù)的低能耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)硬件通常由以下幾個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成：能量采集單元、能量存儲(chǔ)單元、控制單元以及通信單元。

1.1 能量采集器

能量采集單元作為無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心組成部分，負(fù)責(zé)從周圍環(huán)境中捕獲能量并將其轉(zhuǎn)化為電能[6]。能量的來源包括光能、熱能、動(dòng)能、電磁波等。常見的能量采集器如下：

（1）光能采集器

光能采集器主要對(duì)太陽能進(jìn)行采集，是目前轉(zhuǎn)化率最高的能量采集方案。其原理是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，是目前較為成熟的技術(shù)[7]。目前基于太陽能的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已在室外監(jiān)控等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）溫差能采集器

溫差能采集器的工作原理是通過塞貝克效應(yīng)原理把熱能轉(zhuǎn)換為電能，溫度差能量采集的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到10%左右，并且其特性決定了設(shè)備必須處于溫差波動(dòng)較大的環(huán)境中[8-9]。目前基于溫差能的設(shè)備主要應(yīng)用在穿戴行業(yè)。

（3）振動(dòng)能采集器

振動(dòng)能采集主要通過壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。其中靜電轉(zhuǎn)換是通過靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；壓電轉(zhuǎn)換是利用壓電效應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；磁電轉(zhuǎn)換方式主要通過電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。目前振動(dòng)能采集器主要應(yīng)用在工業(yè)和室內(nèi)場(chǎng)景，通過設(shè)備產(chǎn)生的輕微振動(dòng)收集能量，給低功耗設(shè)備提供能量。

（4）電磁波能量采集器

電磁波能量采集器能將環(huán)境中的射頻等電磁波能轉(zhuǎn)換為直流電能。對(duì)于單一頻段的電磁波，該技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)50%，但在復(fù)雜環(huán)境下，其轉(zhuǎn)換率可能會(huì)降至1～2%。盡管目前電磁波能量采集器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)較少，但索尼等公司已開發(fā)出能夠高效利用電磁波噪聲發(fā)電的產(chǎn)品，預(yù)示著電磁波能量收集技術(shù)在未來可能會(huì)在復(fù)雜場(chǎng)景中得到更廣泛的應(yīng)用。

1.2 能量存儲(chǔ)單元

首先對(duì)設(shè)備一天需要的電能以及峰值電流等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。以某典型的低功耗物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品為例，該設(shè)備一般采用斷電省電模式或PSM（Power Save Mode）省電模式，以降低能耗。在PSM模式下，該設(shè)備執(zhí)行單次業(yè)務(wù)的平均電流為16.61 mA，耗時(shí)3.56 s，其余時(shí)間處于省電模式，平均電流低至2 μA?；谶@些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該設(shè)備在1天執(zhí)行1次業(yè)務(wù)和1天執(zhí)行2次業(yè)務(wù)的耗電量分別為 231.92 mA·s和291.05 mA·s。而在斷電模式下，執(zhí)行單次業(yè)務(wù)的平均電流為12.77 mA，耗時(shí)21.26 s。計(jì)算出設(shè)備1天執(zhí)行1次業(yè)務(wù)和1天執(zhí)行2次業(yè)務(wù)的耗電量分別為271.29 mA·s和542.98 mA·s。

通過對(duì)比可知，PSM模式在節(jié)能方面表現(xiàn)更佳。假設(shè)設(shè)備每天上報(bào)2次數(shù)據(jù)，并選用PSM省電模式，考慮到電量使用的情況，放電量最高的時(shí)間段為數(shù)據(jù)上報(bào)期間，耗電量為59.13 mA·s，而一般的電池容量都在100 mA·h以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于需求量。但在極端環(huán)境下，設(shè)備的最大工作電流可能會(huì)攀升至1 000 mA左右，這就要求所選電池能在高發(fā)射功率下保持穩(wěn)定的供電。目前市面上較為契合的產(chǎn)品有億緯鋰能的542067BH型號(hào)的軟包鋰電池，其最大放電電流可達(dá)1 020 mA，電池容量1 070 mA·h，可以滿足一般的低功耗物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品供電需求。

1.3 控制單元

控制單元在無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中扮演著核心角色。鑒于無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能源供應(yīng)受限的特點(diǎn)，支持超低功耗成為設(shè)計(jì)這類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的基本要求。為了最大限度地降低能耗，控制單元從休眠到喚醒的時(shí)間也需盡量縮短。此外，控制單元還需要支持液晶顯示、FLASH讀寫等基本功能。目前，各大芯片制造商均在這一領(lǐng)域推出了主流產(chǎn)品，其中芯科技所推出的CM32M433R芯片便是該領(lǐng)域的代表產(chǎn)品之一[4]。該芯片采用32位RISC-V內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)144 MHz，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP指令，并集成了豐富的外設(shè)資源，支持多達(dá)24個(gè)通道的電容式觸摸按鍵，以及包括多路USART、I2C、SPI、QSPI、CAN在內(nèi)的多種通信接口。待機(jī)模式下，CM32M433R芯片的最低功耗低至2.7 μA，并內(nèi)置了密碼算法。在休眠模式下，該芯片能夠自動(dòng)備份所有寄存器狀態(tài)，可配置I/O保持，支持快速喚醒并減少喚醒過程中的功耗。目前該芯片已經(jīng)應(yīng)用于計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等領(lǐng)域，其卓越的性能與參數(shù)指標(biāo)也使其在低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.4 通信單元

當(dāng)前的低功耗通信方案主要包括以下幾種：LoRa、ZigBee、WiFi、NB-IoT。其中最受行業(yè)青睞的是NB-IoT，它相較于其他幾種通信方案，主要有以下優(yōu)勢(shì)：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 km；功耗低，低功耗狀態(tài)下電流可以控制在1 μA左右；部署成本低，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。目前，在低功耗物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，NB-IoT模組主要由移遠(yuǎn)、中移物聯(lián)、利爾達(dá)等主流廠家生產(chǎn)。其中，中移物聯(lián)開發(fā)的MN316 NB-IoT通信模組是該領(lǐng)域的一款代表性產(chǎn)品。該模組在休眠狀態(tài)下的平均功耗[10]低至1 μA，并且支持TCP/IP、HTTP等主流協(xié)議，可以滿足各種低功耗物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

2 低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

當(dāng)前低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括移動(dòng)定位、農(nóng)業(yè)種植、智能家居、工業(yè)控制等場(chǎng)景。

移動(dòng)定位場(chǎng)景：移動(dòng)定位場(chǎng)景一般是在戶外，擁有豐富的光照資源，設(shè)備可通過光能收集模塊獲取需要的能量并轉(zhuǎn)換成電能使用，并通過物聯(lián)網(wǎng)通信模塊將設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)傳輸至基站，后臺(tái)利用LBS數(shù)據(jù)向高德或OneOS等平臺(tái)申請(qǐng)位置信息并反饋給后臺(tái)。

農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)景：目前農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)景中采用鋰電池進(jìn)行供電的方案居多，續(xù)航時(shí)間有限，并且存在對(duì)環(huán)境造成污染的風(fēng)險(xiǎn)。無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正好可以彌補(bǔ)這一短板，農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)景擁有豐富的光照資源以及溫差能資源，設(shè)備可采用溫差能量收集模塊或光照能量收集模塊收集能量并轉(zhuǎn)換為需要的電能，通過NB蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至設(shè)備管理平臺(tái)，平臺(tái)處理后再將數(shù)據(jù)推送至手機(jī)APP，方便人們對(duì)農(nóng)作物的管理，避免對(duì)土壤造成破壞，節(jié)約成本。

智能家電場(chǎng)景：無源智能家電方案解決了傳統(tǒng)智能家電設(shè)備布線難，供電難的問題，使智能家電不再受充電位置拘束。在智能家電的應(yīng)用環(huán)境里，電磁波噪聲能源最豐富，無論是家里的電視、照明燈具，還是電磁爐、抽油煙機(jī)等，都會(huì)釋放出電磁噪聲，無源智能家電設(shè)備可以通過電磁波噪聲能量收集器將電磁波噪聲轉(zhuǎn)換成可用的直流電并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，供設(shè)備使用，設(shè)備可以通過WiFi或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至設(shè)備管理平臺(tái)，平臺(tái)處理后再將數(shù)據(jù)推送至手機(jī)APP，同時(shí)也可以支持手機(jī)APP向下控制，提升人機(jī)交互體驗(yàn)，降低成本。

工業(yè)控制場(chǎng)景：無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在工業(yè)控制場(chǎng)景中的應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)設(shè)備的溫濕度檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)等。工廠環(huán)境中，電機(jī)等設(shè)備工作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，設(shè)備可以通過振動(dòng)能量采集器，將振動(dòng)的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能供設(shè)備使用，設(shè)備通過藍(lán)牙或WiFi將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而把數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

3 結(jié) 語

隨著低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，逐步解決了因能量造成的技術(shù)限制。無源低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將得到進(jìn)一步普及；隨著無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，將會(huì)形成一套完善的架構(gòu)、接口、安全等方面的標(biāo)準(zhǔn)體系，會(huì)有更多的企業(yè)投入到低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中；隨著低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)產(chǎn)能的持續(xù)提升，制造商將不斷地推出更低價(jià)更優(yōu)化的低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品；隨著低功耗物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求的快速增長(zhǎng)，低功耗無源物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。通過以上分析可知，無源技術(shù)在低功耗物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

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