无源物联网(Passive Internet of Things, Passive IoT)是一种物联网技术，它依赖于无源设备来进行数据采集和通信。无源设备通常不包含内置电源，而是通过外部能量源(如射频信号、光能、热能等)来供电。以下是无源物联网的基本概念、特点、应用和技术实现方式：
一、 无源物联网简介
1. 基本概念
无源物联网设备不需要内置电池或其他电源，而是通过接收外部能量来进行操作。这些设备通常包括无源RFID标签、无源传感器等。无源物联网系统通过读取器或网关设备与无源设备进行通信，获取数据并进行处理。
2. 主要特点
- 无内置电源：无源设备没有内置电池或其他电源，依赖外部能量源供电。
- 低成本：由于不需要内置电源和复杂的电子元件，无源设备通常成本较低，适合大规模部署。
- 长寿命：无源设备没有电池寿命限制，理论上可以无限期使用，减少了维护和更换的需求。
- 低功耗：无源设备的功耗极低，通常只在接收到外部能量时才进行工作。
- 有限的功能：由于能量限制，无源设备的计算和通信能力有限，通常用于简单的数据采集和传输。
3. 应用场景
- 资产追踪：无源RFID标签广泛用于资产管理和追踪，如物流、仓储、零售等领域。
- 供应链管理：无源设备可以用于监控供应链中的物品状态，提供实时数据以优化管理流程。
- 环境监测：无源传感器可以用于监测环境参数，如温度、湿度、压力等，应用于农业、工业和智能城市等领域。
- 身份识别：无源RFID标签常用于身份识别和访问控制，如门禁系统、电子票务等。
- 智能包装：无源设备可以嵌入到产品包装中，提供产品信息和状态监测，提升用户体验。
4. 技术实现
- RFID（射频识别）：无源RFID标签通过接收读取器发出的射频信号供电，并将存储的数据反射回读取器。
- 能量收集：无源设备通过能量收集技术(如光伏、热电、振动能量收集等)获取外部能量供电。
- 低功耗通信协议：无源物联网设备通常使用低功耗通信协议，如TPUNB、LoRa、Zigbee等，以减少能量消耗。
- 传感技术：无源传感器通过简单的传感技术(如电阻变化、电容变化等)进行数据采集，并通过无源通信方式传输数据。
5. 优点与缺点
优点：
- 成本低：无源设备制造成本低，适合大规模部署。
- 维护简单：没有电池寿命限制，减少了维护需求。
- 环保：无源设备不需要电池，减少了电子废物。
缺点：
- 通信距离速率有限：受限于能量获取和传输能力，无源设备的传输速率和距离通常较低。
- 功能有限：由于能量限制，无源设备的计算和通信能力有限，适用于简单应用。
无源物联网通过利用外部能量源供电，实现了低成本、低功耗和长寿命的物联网解决方案，广泛应用于各种需要大规模部署和长期使用的场景。
二、 无源物联网技术中有哪些环境能量收集方式
在无源物联网技术中，环境能量收集方式主要包括光能、热能、动能和射频等。其中，光能和射频能量收集方式较为常见且有效。
- 光能收集：基于光能的无源物联网设备可以在农业、环境监测以及道路交通等露天场景下广泛应用。然而，光能的供应不稳定性和外部环境变化(如气候变化)可能会影响设备性能。为克服这些挑战，可以采用高效的能量采集与管理芯片来提高能量利用效率。
- 射频能量收集：射频识别(RFID)技术是典型的射频能量收集应用之一，通过捕捉环境中的射频信号实现自供电。尽管射频能量收集技术已经取得了一定进展，但其能量密度较低，需要进一步优化能量转换效率和管理策略。
- 热能收集：温差能量采集是一种新兴的无源物联网能量收集方式，特别适用于需要长期运行的传感器节点。然而，热能收集的稳定性和能量密度也面临挑战，需要开发更高效的热电材料和能量管理系统。
- 振动能量收集：基于振动能量的无源物联网设备可以通过捕捉机械振动来获取能量，这在工业设备监控等领域有广泛应用前景。然而，振动能量的强度和频率变化较大，需要设计灵敏度高且适应性强的能量采集模块。
为了克服上述技术挑战，以下措施可以被采纳：
- 提高能量采集效率：采用先进的能量采集技术和材料，如高效光伏电池、新型热电材料和灵敏的振动传感器。
- 能量管理与存储：开发高效的能量管理系统和微型储能装置，以确保能量的有效存储和稳定输出。
- 智能化控制：利用低功耗计算和反向散射通信技术，实现智能化的能量管理和设备状态监控。
- 系统集成与优化：将多种能量采集方式结合使用，并进行系统级优化，以最大化能量利用率。
三、 目前的无源物联网应用案例
目前在工业和智能家居领域，无源物联网技术已经成功部署了多个具体应用案例。以下是一些详细的例子：
北京奥尔斯智能科技有限公司为该项目提供了全屋智能家居解决方案。该方案采用EnOcean无线无源技术产品，如智能灯控面板等，旨在为业主打造舒适、安全、时尚的科技家居生活方式。
SAUTER(瑞士索特)为该大楼提供了一套室内自动化控制整体方案。该方案包括SAUTER Vision Center和SAUTER moduWeb Vision系统，使楼宇管理者能够在任何时间、任何地点调节HVAC系统和照明等。此外，大楼内还安装了基于EnOcean无源无线标准的多功能室内控制面板ecoUnit110和280个SAUTER ecos504及ecos500房间自动化站，并与BACnet/IP系统对接，以实现个性化调节。这些措施不仅为员工提供了舒适宜人的办公环境，还帮助大楼获得了LEED金质认证，并降低了运行成本。
EnOcean联盟提供的无需电池的无线物联网整体解决方案已成功应用于多个大型公共项目和商用建筑。这些应用案例展示了无源无线开关、传感器、执行器等产品的实际效果，特别是在楼宇自动化及智能家居系统中的广泛应用。
EnOcean联盟的自供能传感解决方案已成功应用于智慧空间和物联网项目中。这些项目利用标准的环境能量采集模组及芯片，实现了高效的数据采集和传输。
四、 如何解决无源物联网节点能源获取的随机性和不稳定性问题?
解决无源物联网节点能源获取的随机性和不稳定性问题，可以从以下几个方面入手：
- 能量收集与管理策略：根据，大连海事大学海洋微纳能源与自驱动系统实验室王昊/徐敏义团队开发了一种摩擦纳米-电磁复合型流能发电装置，该装置能够为温湿度传感器、电荷放大器、单片机、Wi-Fi模块等用电设备供电，并且周期性地将传感器数据上传到物联网云端。这表明通过有效的能量管理策略，可以提高能量收集的效率和稳定性。
- 能耗优化技术：指出，研究节点能耗优化技术有助于提高物联网系统的可靠性和稳定性，减少能耗，提高节点能耗效率。这意味着通过优化节点的能耗，可以间接缓解能源获取的随机性和不稳定性问题。
- 调度器优化策略：提到，针对物联网边缘节点能源消耗需求快速增长问题，提出了一种调度器优化策略，整体降低边缘节点能耗。这表明通过优化调度器，可以更有效地利用有限的能源资源，提高能源使用的稳定性和可靠性。
五、 无源物联网的标准制定进展
无源物联网的标准制定进展正在稳步推进，主要的技术标准和协议正在开发中。以下是目前主要的进展和相关技术标准：
1. 3GPP标准：
中国移动研究院等机构积极参与了3GPP关于无源物联网的标准化研究，并提出了基于蜂窝网络的无源物联网相关提案。
根据3GPP的相关标准定义，无源物联网支持A类、B类和C类三种类型的标签，这些标签可以根据不同的业务需求灵活选择，以提升在不同场景中的适用性。
在2024年6月27日的3GPP RAN第102次会议上，通过了一个无源物联网研究项目(SI)立项，预期将在5G R19阶段版本中发布。
2. IEEE标准：
高通公司刘洋在2024年8月22日的会议上介绍了无源物联网技术在IEEE等国际标准组织的最新进展，包括标签、设备架构和帧结构等方面的最新技术情况。
3. 中国移动内部研发：
中国移动与华为合作开展面向5G-A的无源物联网联合样机研发，截至2022年4月已完成一体式样机与小型化半无源标签的开发，通信距离已超过200米，并计划于2022年9月打通业务层端到端通信。
4. 其他技术标准：
当前物联网连接标准多种多样，包括3GPP推出的用于机器通信的新类别标准、增强型覆盖GSM-IoT和窄带物联网等。此外，还有Wi-Fi HaLow和蓝牙低功耗(BLE)等短程连接解决方案。
无源物联网的标准制定工作主要集中在3GPP和IEEE两大国际标准组织，同时中国移动也在积极推动相关技术的研发和标准提案。
六、 无源物联网通信距离短的缺点有哪些解决方案
针对无源物联网通信距离短的问题，最新的研究和改进方案主要集中在以下几个方面：
- 环境反向散射通信系统：通过设计环境反向散射通信系统，可以显著降低干扰和功耗，从而大幅提升通信距离。
- 基于蜂窝网络的无线网络架构与关键技术：中国移动提出了联合干扰抑制、极简空口协议栈设计、基于蜂窝网络的粗定位等关键技术，以解决现有RFID技术面临的通信距离受限问题。
- 5G无源物联网系统：中国联通联合联想集团等合作伙伴，探索了基于微波变频直驱技术(MDFC)的5G无源物联网系统。这种技术利用微波交流信号进行直接驱动，无需交直流转化，提高了能量利用效率，提升了作用距离。
- 组网式无源物联网（无源2.0）和蜂窝式无源物联网（无源3.0） ：中国移动积极推进这些技术，通过组网和蜂窝网络的深度融合，解决了传统无源物联技术的痛点问题。
- 5G-A蜂窝技术：采用5G-A蜂窝技术的无源物联网在室内的读取距离提升至10-24米，在室外长距可以达到300-500米，能实现多场景组网。
