無源物聯網技術在低功耗行業的應用

摘 要：隨著國內對綠色低碳經濟的大力推行，物聯網的應用場景和業務數量持續提升，并且不斷朝著萬物互聯的愿景邁進。在此背景下，無源物聯網技術憑借其小尺寸、低功耗、低成本的優勢逐漸進入各物聯網行業的視野。文中系統介紹了無源物聯網設備的硬件組成，包括能量采集、存儲、控制及通信單元；分析了無源物聯網技術的優勢及其對傳統物聯網方案的改進。通過對比不同能量（光能、溫差能、振動能、電磁波能量）采集方式的優劣，評估了無源物聯網技術在實際應用中的可行性。結合移動定位、農業種植、智能家居、工業控制等應用場景，分析了無源物聯網技術的實際應用效果。無源物聯網技術具有成本低、維護成本低、環保可持續、使用壽命長等優勢，其在多種應用場景中均表現出良好的應用效果。隨著技術標準的完善和產能的提升，無源物聯網技術將得到進一步普及和推廣。

關鍵詞：低功耗無源物聯網；蜂窩網絡；CM32M433R；能量采集；能量存儲；NB-IoT

中圖分類號：TP39；TN929.52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

目前低功耗物聯網行業主要還是以鋰電池供電方案為主，設備的使用年限一般為5～10年。由于設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備都會帶來額外的經濟負擔。此外，據 IDC、Gatner 等機構預測，隨著物聯網行業的不斷發展與成熟，全球物聯網設備可能需要超過400億塊電池來支持其日常運營。如此巨大的電池需求量不僅給能源供應和環境保護帶來了極大的挑戰，甚至可能引發環境危機。因此，無源技術在低功耗物聯網行業領域展現出了廣闊的市場前景。

無源物聯網是指接入網絡的終端節點設備，在不帶電源線和無內置電池的情況下，依然能夠實現數據的采集、傳輸和分布式計算等功能[1-5]。無源并非指設備工作不需要能量，而是指設備在不接電源、不用電池的前提下，能夠將環境中的微弱能量收集起來供自身使用。另外，設備的數據上報模式沒有發生變化，設備仍通過蜂窩網絡、藍牙等無線方式接入路由節點，進而將數據上傳到后端服務器上。

相較于傳統低功耗物聯網方案，無源物聯網方案主要具備以下四方面的優勢：第一個優勢為成本較低，無源物聯網設備不需要電池或外部電源，因此制造成本較低，使其在構建大規模傳感器網絡或需要分散部署傳感器設備的成本敏感型場景中更具競爭力。第二個優勢為維護成本低，由于無源物聯網設備不需要更換電池或維護外部電源，因此在部署后的維護成本較低，使其在遠程或偏遠地區的應用場景更有優勢。第三個優勢為環保可持續，無源物聯網設備不需要電池，從而減少了電池的使用和處理，有利于減輕廢棄電池對環境的影響，更符合可持續發展的理念。第四個優勢為使用壽命長，由于無源物聯網設備不依賴電池，因此可以實現很長的使用壽命，使其在農業、環境監測或結構健康監測等領域具有顯著優勢。

1 低功耗無源物聯網設備的系統設計

一套采用無源技術的低能耗物聯網設備的系統硬件通常由以下幾個關鍵組件構成：能量采集單元、能量存儲單元、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網設備的核心組成部分，負責從周圍環境中捕獲能量并將其轉化為電能[6]。能量的來源包括光能、熱能、動能、電磁波等。常見的能量采集器如下：

（1）光能采集器

光能采集器主要對太陽能進行采集，是目前轉化率最高的能量采集方案。其原理是利用半導體的光電效應，將光能轉化為電能，是目前較為成熟的技術[7]。目前基于太陽能的無源物聯網設備已在室外監控等行業得到了廣泛的應用。

（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原理把熱能轉換為電能，溫度差能量采集的轉化效率能達到10%左右，并且其特性決定了設備必須處于溫差波動較大的環境中[8-9]。目前基于溫差能的設備主要應用在穿戴行業。

（3）振動能采集器

振動能采集主要通過壓電轉換、靜電轉換和磁電轉換原理將機械能轉換為電能。其中靜電轉換是通過靜電感應將機械能轉換為電能；壓電轉換是利用壓電效應原理，將機械能轉換為電能；磁電轉換方式主要通過電磁感應原理，將機械能轉換為電能。目前振動能采集器主要應用在工業和室內場景，通過設備產生的輕微振動收集能量，給低功耗設備提供能量。

（4）電磁波能量采集器

電磁波能量采集器能將環境中的射頻等電磁波能轉換為直流電能。對于單一頻段的電磁波，該技術的能量轉換效率可以高達50%，但在復雜環境下，其轉換率可能會降至1～2%。盡管目前電磁波能量采集器的實際應用場景相對較少，但索尼等公司已開發出能夠高效利用電磁波噪聲發電的產品，預示著電磁波能量收集技術在未來可能會在復雜場景中得到更廣泛的應用。

1.2 能量存儲單元

首先對設備一天需要的電能以及峰值電流等參數進行評估。以某典型的低功耗物聯網產品為例，該設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，該設備執行單次業務的平均電流為16.61 mA，耗時3.56 s，其余時間處于省電模式，平均電流低至2 μA。基于這些數據，可以計算出該設備在1天執行1次業務和1天執行2次業務的耗電量分別為 231.92 mA·s和291.05 mA·s。而在斷電模式下，執行單次業務的平均電流為12.77 mA，耗時21.26 s。計算出設備1天執行1次業務和1天執行2次業務的耗電量分別為271.29 mA·s和542.98 mA·s。

通過對比可知，PSM模式在節能方面表現更佳。假設設備每天上報2次數據，并選用PSM省電模式，考慮到電量使用的情況，放電量最高的時間段為數據上報期間，耗電量為59.13 mA·s，而一般的電池容量都在100 mA·h以上，遠遠高于需求量。但在極端環境下，設備的最大工作電流可能會攀升至1 000 mA左右，這就要求所選電池能在高發射功率下保持穩定的供電。目前市面上較為契合的產品有億緯鋰能的542067BH型號的軟包鋰電池，其最大放電電流可達1 020 mA，電池容量1 070 mA·h，可以滿足一般的低功耗物聯網產品供電需求。

1.3 控制單元

控制單元在無源物聯網設備中扮演著核心角色。鑒于無源物聯網設備能源供應受限的特點，支持超低功耗成為設計這類物聯網產品的基本要求。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域推出了主流產品，其中芯科技所推出的CM32M433R芯片便是該領域的代表產品之一[4]。該芯片采用32位RISC-V內核，最高工作頻率可達144 MHz，支持浮點運算和DSP指令，并集成了豐富的外設資源，支持多達24個通道的電容式觸摸按鍵，以及包括多路USART、I2C、SPI、QSPI、CAN在內的多種通信接口。待機模式下，CM32M433R芯片的最低功耗低至2.7 μA，并內置了密碼算法。在休眠模式下，該芯片能夠自動備份所有寄存器狀態，可配置I/O保持，支持快速喚醒并減少喚醒過程中的功耗。目前該芯片已經應用于計數器、數字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等領域，其卓越的性能與參數指標也使其在低功耗無源物聯網行業中具有廣泛的應用前景。

1.4 通信單元

當前的低功耗通信方案主要包括以下幾種：LoRa、ZigBee、WiFi、NB-IoT。其中最受行業青睞的是NB-IoT，它相較于其他幾種通信方案，主要有以下優勢：網絡數據傳輸距離遠，最遠可達10 km；功耗低，低功耗狀態下電流可以控制在1 μA左右；部署成本低，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或者LTE網絡，實現平滑升級。目前，在低功耗物聯網行業中，NB-IoT模組主要由移遠、中移物聯、利爾達等主流廠家生產。其中，中移物聯開發的MN316 NB-IoT通信模組是該領域的一款代表性產品。該模組在休眠狀態下的平均功耗[10]低至1 μA，并且支持TCP/IP、HTTP等主流協議，可以滿足各種低功耗物聯網業務場景需求。

系統的整體框架如圖1所示。

2 低功耗無源物聯網的應用場景

當前低功耗無源物聯網的主要應用場景包括移動定位、農業種植、智能家居、工業控制等場景。

移動定位場景：移動定位場景一般是在戶外，擁有豐富的光照資源，設備可通過光能收集模塊獲取需要的能量并轉換成電能使用，并通過物聯網通信模塊將設備的相關數據通過蜂窩網傳輸至基站，后臺利用LBS數據向高德或OneOS等平臺申請位置信息并反饋給后臺。

農業種植場景：目前農業種植場景中采用鋰電池進行供電的方案居多，續航時間有限，并且存在對環境造成污染的風險。無源物聯網技術正好可以彌補這一短板，農業種植場景擁有豐富的光照資源以及溫差能資源，設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換為需要的電能，通過NB蜂窩網絡將數據發送至設備管理平臺，平臺處理后再將數據推送至手機APP，方便人們對農作物的管理，避免對土壤造成破壞，節約成本。

智能家電場景：無源智能家電方案解決了傳統智能家電設備布線難，供電難的問題，使智能家電不再受充電位置拘束。在智能家電的應用環境里，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、抽油煙機等，都會釋放出電磁噪聲，無源智能家電設備可以通過電磁波噪聲能量收集器將電磁波噪聲轉換成可用的直流電并存儲在儲能裝置中，供設備使用，設備可以通過WiFi或者蜂窩網絡將數據發送至設備管理平臺，平臺處理后再將數據推送至手機APP，同時也可以支持手機APP向下控制，提升人機交互體驗，降低成本。

工業控制場景：無源物聯網設備在工業控制場景中的應用主要實現了對工業設備的溫濕度檢測、振動檢測等。工廠環境中，電機等設備工作時不可避免地會產生一定的振動，設備可以通過振動能量采集器，將振動的勢能轉換成電能供設備使用，設備通過藍牙或WiFi將數據發送至網關，進而把數據上傳至后臺服務器。

3 結 語

隨著低功耗無源物聯網技術的持續演進，逐步解決了因能量造成的技術限制。無源低功耗物聯網技術將得到進一步普及；隨著無源物聯網技術標準的進一步完善，將會形成一套完善的架構、接口、安全等方面的標準體系，會有更多的企業投入到低功耗無源物聯網行業中；隨著低功耗無源物聯網行業產能的持續提升，制造商將不斷地推出更低價更優化的低功耗無源物聯網產品；隨著低功耗物聯網行業需求的快速增長，低功耗無源物聯網的行業市場規模將持續擴大。通過以上分析可知，無源技術在低功耗物聯網行業的應用是大勢所趨。

參考文獻

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[10]中移物聯網有限公司. MN316_DBRD硬件設計手冊[EB/OL].http：// onemo10086.com/#/product/detail/32.