隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我們在日常生活中的方方面面都可以感受到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的力量。
無需發(fā)短信或打電話特意通知的智能快遞柜；道路兩邊隨處可見的共享單車；諸如智能手表、智能手環(huán)等可以采集心率、步數(shù)、睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)的可穿戴設(shè)備；諸如智能電視、智能音響等通過手機(jī)或聲音控制的智能家電……這些都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
除了日常生活，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能城市、智能交通、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療等各個領(lǐng)域中都發(fā)揮著不可替代的作用。
近期的亞運(yùn)會就用到了一項(xiàng)“黑科技”無源物聯(lián)網(wǎng)。無源物聯(lián)網(wǎng)和一般的物聯(lián)網(wǎng)有什么區(qū)別？它又有哪些優(yōu)勢呢？
智能家居（圖片來源：veer圖庫）
走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的世界
無源物聯(lián)網(wǎng)和一般的物聯(lián)網(wǎng)最大的區(qū)別在于電源。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)從人與人通信、人與物通信再到物與物通信的發(fā)展和轉(zhuǎn)變，應(yīng)用前景廣泛。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要內(nèi)置電池或連接到電源插座以提供所需能源。這使得一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在部署位置和使用時間上受到限制。
例如，設(shè)備的電池電量耗盡就需要及時充電或更換新電池。同時，電池使用壽命短，更換頻繁給使用者帶來了不便，而且電池的使用增加了設(shè)備成本和體積，電池的不當(dāng)處理也會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。
此外，有線的電源設(shè)備可能由于布線的復(fù)雜性和需求而在部署上造成許多問題，如為了在戶外部署物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備可能就需要花費(fèi)大量精力和成本來布設(shè)電源線路。由此，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它的目標(biāo)就是解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)在能源供應(yīng)方面的問題。
無源物聯(lián)網(wǎng)中的“源”指的是電源，這一技術(shù)的設(shè)備不依賴于內(nèi)部電池或外部電源，而是通過從周圍環(huán)境中捕集能量來運(yùn)作，如光、熱量、無線電波等，實(shí)現(xiàn)自我供電。
這種技術(shù)既可以滿足人們對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備長時間無電源供應(yīng)的需求，也降低了對環(huán)境的潛在負(fù)面影響。
無源物聯(lián)網(wǎng)主要通過能量采集、反向散射通信、低功耗計算的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。能量采集方式主要有光能、振動能量、熱能、射頻等能量采集，其中射頻能量由于可以同時解決能量獲取和信號傳輸調(diào)制兩個功能而成為無源物聯(lián)網(wǎng)研究的重點(diǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)概念圖（圖片來源：veer圖庫）
另外，反向散射技術(shù)是無源物聯(lián)網(wǎng)通信模式的核心，它允許設(shè)備通過反射或者轉(zhuǎn)發(fā)從無線傳輸塔收到的信號來進(jìn)行通信。設(shè)備接收到的信號能量既用來驅(qū)動設(shè)備的運(yùn)行，也用來作為信息的載波反向發(fā)送出去。
想象一下，一面在海面上反射陽光的鏡子，該鏡子既利用陽光提供照明，又通過反射陽光形成信號。類似地，無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備既利用無線電波進(jìn)行自我供電，也利用這些波來傳輸信息，這就是無源物聯(lián)網(wǎng)的工作原理。
目前最具代表性的傳統(tǒng)無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是RFID即射頻識別技術(shù)，第二代身份證、食堂飯卡、公交卡等物品都是日常生活中常見的無源RFID產(chǎn)品。
它們的主要工作原理是：閱讀器發(fā)射一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽即無源節(jié)點(diǎn)靠近閱讀器進(jìn)入有效工作范圍后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號就會產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，利用這點(diǎn)能量，標(biāo)簽可以將信息發(fā)送出去，閱讀器接收到后傳送到后臺主機(jī)進(jìn)行處理，主機(jī)控制閱讀器完成讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽和閱讀器之間的通信。
射頻識別標(biāo)簽（圖片來源：veer圖庫）
從日常生活的使用中我們也不難看出，無源RFID技術(shù)的局限性在于標(biāo)簽和閱讀器必須在足夠近的距離范圍內(nèi)，即通信距離太短。另外，閱讀器讀寫的數(shù)據(jù)比較簡單，讀寫能力弱。
由此，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)致力于在RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展基于WiFi、藍(lán)牙、3G、4G甚至5G通信技術(shù)的新型無源互聯(lián)，可以利用周邊環(huán)境中廣泛存在的射頻信號，如蜂窩基站、WiFi路由器、電視塔等作為射頻能量來源，向無源節(jié)點(diǎn)發(fā)送射頻信號使無源節(jié)點(diǎn)可以從中獲取足夠的能量完成與閱讀器的通信過程，從而顯著擴(kuò)大通信距離。
無源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景有哪些？
目前無源RFID標(biāo)簽在庫存管理和防盜系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。它們可以幫助跟蹤和管理商品的庫存、銷售情況等，增加經(jīng)營效率。使用無源RFID系統(tǒng)的物品追蹤可以實(shí)時更新庫存信息，提升庫存準(zhǔn)確度，減少工作人員的負(fù)擔(dān)。
在運(yùn)輸業(yè)，無源RFID系統(tǒng)可以用于自動收費(fèi)、車輛識別和貨物追蹤。無人收費(fèi)系統(tǒng)可以借助射頻識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛的自動識別和收費(fèi)，提高通行效率。
RFID從“識別”到“感知”的蛻變（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
同時，無源物聯(lián)網(wǎng)也可以用于航空行李的管理，通過掃描行李上的RFID標(biāo)簽，即可實(shí)現(xiàn)行李的實(shí)時追蹤，減少行李丟失的可能。
新型無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于通信距離、設(shè)備體積、設(shè)備成本的優(yōu)化，可以進(jìn)一步擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范圍。
在醫(yī)療領(lǐng)域，無源物聯(lián)網(wǎng)逐步在病人管理和疾病監(jiān)視中發(fā)揮作用。例如，使用無源傳感器可以無創(chuàng)地監(jiān)測患者的生理狀況，如心率、血壓等，并將數(shù)據(jù)無線傳送到醫(yī)護(hù)人員的設(shè)備上。這不僅可以減少傳統(tǒng)人工檢測的人力負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，還可為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供可能。
在制造業(yè)，工廠可以通過使用無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如溫度和壓力傳感器，實(shí)時監(jiān)測工廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，防止過早的設(shè)備故障。這些設(shè)備可以無線發(fā)送故障警報，減少了定期維護(hù)和檢查的成本。
在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上，無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如環(huán)境和土壤傳感器，可以幫助農(nóng)民全方位監(jiān)測種植環(huán)境，可以自動監(jiān)測土壤濕度、光照強(qiáng)度、溫度等指標(biāo)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的農(nóng)事決策。
隨著無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，它在不同行業(yè)中的應(yīng)用潛力將越來越大，將帶來更多效率的提升和新應(yīng)用的出現(xiàn)。
在2023年的杭州亞運(yùn)會上，無源物聯(lián)網(wǎng)也發(fā)揮了巨大的作用。在亞運(yùn)村充電站中，借助一片無源物聯(lián)標(biāo)簽，充電站資產(chǎn)盤點(diǎn)系統(tǒng)能夠自動識別體驗(yàn)車，從而實(shí)時掌握體驗(yàn)車的出入庫時間、次數(shù)等信息。
杭州亞運(yùn)會中的無源物聯(lián)技術(shù)（圖片來源：新華社）
在杭州亞運(yùn)會電競項(xiàng)目競賽場館內(nèi)，通過無源物聯(lián)標(biāo)簽和傳感器等技術(shù)，場館環(huán)境的溫度、濕度等信息能被實(shí)時獲取，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度和濕度的實(shí)時監(jiān)控。
無源物聯(lián)標(biāo)簽（圖片來源：新華社）
無源物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用離不開它顯著的優(yōu)點(diǎn)。
首先，它降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗和維護(hù)成本，無需為保持設(shè)備電力充足而定期更換電池，也不需頻繁維護(hù)。其次，由于省去了電源，設(shè)備可以設(shè)計得更小，更方便安裝和部署。此外，無源物聯(lián)網(wǎng)更為環(huán)保，因?yàn)樗苊饬穗姵氐扔泻ξ镔|(zhì)的產(chǎn)生和處置。
然而，挑戰(zhàn)同樣存在。能量采集技術(shù)難以提供大規(guī)模、穩(wěn)定的電源，且在能量稀缺的環(huán)境中無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能無法正常工作。另外，無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計算和存儲能力有限，可能無法滿足某些復(fù)雜任務(wù)的需求。
結(jié)語
物聯(lián)網(wǎng)、5G等各種現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展速度極快，無源物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)讓我們看到了其蘊(yùn)含的巨大前景價值。它已經(jīng)被視為實(shí)現(xiàn)“千億級互聯(lián)”愿景的關(guān)鍵，隨著能量采集、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們終將迎來萬物互聯(lián)時代。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王楚豫,謝磊,趙彥超等.基于RFID的無源感知機(jī)制研究綜述[J].軟件學(xué)報,2022,33(01):297-323.DOI:10.13328/j.cnki.jos.006344.
出品：科普中國
作者：沐桔（科普創(chuàng)作者）
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