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物联网iot技术分析,中国物联网产业及发展现状

发布时间:2023-11-27 浏览量:6536

物联网作为一种综合性的技术,其核心在于实现设备之间的互联互通。而物联网的发展离不开各种技术的突破和创新。在iot技术方面,无线通信技术、传感器技术、云计算技术等都起到了至关重要的作用。

物联网产业能够快速发展的一个重要原因是市场需求的不断增长。随着社会的进步和人们对生活质量的要求不断提高,各行各业对物联网技术的需求也越来越大。比如,智能家居、智能城市、智能交通等领域都成为物联网产业快速发展的热点。而在疫情期间,物联网技术的应用更是被大量推广,比如无接触配送、远程医疗等,这些都为物联网产业的发展提供了巨大的机遇。

政府的政策支持也是推动物联网产业快速发展的重要因素。在我国,政府对物联网产业的支持力度越来越大。出台了一系列的政策措施,包括财税优惠政策、技术研发支持政策等,以鼓励企业加大物联网技术的研发和推广应用。这些政策的出台为物联网产业提供了良好的发展环境和政策保障,推动了物联网产业的快速发展。

无源物联网的研究主要基于以下三种底层技术:

环境能量采集

无源物联网标签设备不需要电池或电源线来供电,而是通过捕捉环境中的能量并将其转换为电能来使用。能量来源包括光能、热能、动能和射频等。目前太阳能是最高效的转换方案,电磁波在单一频段下能量转换效率可达50%,但在多频段复杂场景下仅有1-2%的效率,而温度差热能采集需要特定的使用环境,其转换效率低于10%。

低功耗计算

在无源物联网终端运行时,可利用的能量有限,因此驱动电路或芯片用于计算的功耗需求不能太高。目前,成熟的应用低功耗计算的MCU芯片通常功耗在微瓦级别。

“反向散射”

无源物联网终端通常采用低能耗的近距离、低速率通信技术,主要利用反向散射的方式,以反射接收到的射频信号传输数据。


物联网iot技术分析,中国物联网产业及发展现状

图源OPPO《零功耗通信》报告

在3.0阶段,可以进一步利用蜂窝网络的优势来拓展通信距离,满足更大范围和更复杂场景的组网应用需求,例如资产全生命周期管理。以2021年华为提出的5.5G无源物联网(PassiveIoT)方案为例,通过蜂窝网络将RFID技术所支持的场景传输距离从10米级别扩大至百米级别,省去了专用的读写器,使终端设备可以直接通过蜂窝网关节点进行自我回传。

这种技术在产业物联网领域中广泛应用于工业传感器、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、和能源领域等。同时,在消费物联网领域中,无源物联网也被广泛用于智能穿戴、智能家居、医疗护理等领域。

在工业传感器领域的典型场景中,如要实现工业自动化、环境传感和安全监控等应用,需要在复杂危险环境中布置大量的传感器节点。在这个领域,通信设备需要具备低成本、低功耗和微小体积的基本要求。无源物联网通过能量采集和反向散射等技术,可以延长传感器节点的生命周期并降低维护成本。

目前广泛使用的无源物联网技术包括射频识别(RFID)、蓝牙低功耗(BLE)、近场通讯(NFC)等。这些技术都具有低成本、低功耗、小型化等特点,并且可以广泛应用于各种物联网场景。

根据技术成熟度来看,无源物联网技术可以分为两大类:一类是以RFID和NFC为代表的成熟应用,另一类是以采集Wi-Fi、蓝牙、5G、LoRa等作为能量供电的理论研究路线。

RFID

无源物联网(RFID)是将RFID技术应用于物联网中的一种新型方式。该技术可以实现对物品的无线识别和追踪,并能够与其他设备进行数据交换和通信。与传统物联网系统相比,基于RFID的无源物联网具有更低的功耗和更长的传输距离,同时可以支持更多的设备连接。此外,RFID技术还能够提供更高的安全性和数据隐私保护,为物联网应用提供更可靠的基础。无论是在物流管理、智能交通还是智能家居等领域,基于RFID的无源物联网都有着广阔的应用前景。

RFID技术是一种无源物联网技术,我们非常熟悉且广泛应用。其原理很简单,当RFID标签靠近阅读器时,标签接收阅读器发送的射频信号并产生感应电流,从而获取能量。通过利用获得的能量,标签通过内置的天线发送信息,实现与阅读器之间的通信。

RFID技术是无源物联网的核心技术,广泛应用于仓储物流、智能零售、智能制造、服装管理、智慧医疗、航空运输等需要识别和管理的众多行业,这些行业中的数量庞大的物理设备都可以成为千亿物联网的节点。根据AIoT星图研究院的统计与分析,仅UHFRFID在2021年的全球出货量约为230亿,加上低频和高频RFID,全球无源RFID的总出货量接近300亿。

由于成本优势,RFID技术是当前千亿级无源物联网技术的最佳解决方案。然而,它在数据传输和存储量方面存在局限性,同时与蓝牙、NFC、5G技术和手机互动性相比较差。因此,在不同的应用场景中,需要结合其他无源物联网技术来满足需求。

NFC

近场通信技术(NFC)是一种高频无线通信技术,可以在短距离内实现设备之间的非接触式数据交换。它与RFID技术有所不同,NFC采用高集成度的单体芯片,价格相对较高,主要应用于安全性要求较高的信息传输场景,例如交通、门禁和手机支付等功能。

WIFI

2016年,美国华盛顿大学的研究团队开发了一项名为PassiveWi-Fi的技术。这项技术可以在消耗更少电量的情况下,无源节点传输1Mbps和11Mbps的数据,分别仅需14.5µW和59.2µW的电量。此外,PassiveWi-Fi还具备30米的回传距离,并且在一定程度上具备穿墙的能力。

这个方案的设计原理与RFID芯片相似,使用射频信号的反射通信技术。当附近的Wi-Fi路由器发射较高功率的射频信号时,无源物联网节点会吸收射频信号,并调制天线的反射系数,从而将传感器信息传递出去。

5G/6G蜂窝网络


物联网iot技术分析,中国物联网产业及发展现状


华为ICT总裁汪涛认为,目前大量的物联网应用都是基于无源连接的。通过网络化技术来提升无源物联的识别率、覆盖范围和定位精度,是5G网络未来的创新方向。蜂窝信号是环境中最常见的无线射频信号之一。实现无源连接面临两个核心难题,第一个是如何获取能量,另一个是如何实现长距离的回传。特别是后者,保持高效通信的难度更大。无源终端通过各种途径获得的能量非常微弱,回传的路径过长,信号衰减速度很快。

目前在实验室阶段最先进的技术已经能够在180米范围内收集特定频段的5G射频能量,获得约6µW的电力。

LoRa和NB-IoT

LoRa、NB-IoT等低功耗广域网终端的核心技术之一就是低功耗,而对功耗的研究则朝着无源化的方向发展。

日本村田公司与Nowi公司在2021年合作推出了一款无电池LoRa方案参考平台。该平台采用了村田的LoRa模块和Nowi的能量采集电源管理(PMIC)芯片为设备提供能量。此类无源方案通常需要模组厂商和能源芯片企业进行定制合作,推出兼容LoRa/NB-IoT模组的模块,并通过线性扩频技术提升回传能力。同时,这种方案还能够利用反射调制系统来实现永久供能。

无线通信技术的未来展望

1、需要开发更加丰富多样的无源标签功能。目前无源标签功能单一,急需开发能够融合识别、感知、定位和通信等多种功能于一身的无源标签,以便在未来广泛应用于生产制造、仓储物流、医疗健康等行业。

2、“开源节流”技术需要更加成熟。目前反向散射技术正在商业化的早期阶段,其通信距离、吞吐量和安全性等方面还需要改善,因此能够应用的场景相对较少。为了实现更加成熟和大规模的无源物联网商业应用,需要在提高能量利用率、提升系统通信效率和升级安全保障机制这三个方面进行努力。

3、一种通用的协议标准用于无源物联网。作为新型通信技术,无源物联网有望与6G深度融合,并成为下一代智能高效通信的标准。

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