在現代社會，智能化已經成為一種趨勢，無線智能物聯網已在各行業部署，其連接規模高速增長。在過去的3 年中，2020 年物聯網連接數達到113 億，直至2022 年增加到160 億，預計在2025 年連接數將突破270 億。然而，無線物聯網生態為用戶提供了極大便利的同時，大規模場景部署仍然受到環境、成本、節能環保等因素限制，傳統供電方式已無法滿足需求。

1 無線物聯網背景

1.1 物聯網通訊背景

自2010 至今，無線物聯網核心研究除了提高更高效的通訊方式，擴大更廣泛的部署領域外，降低終端節點的功耗也成為重要的一環，各通信組織、機構也為此陸續創新科技并提出相關標準。全球通訊標準化組織(3GPP) 提出了LTE CAT 1、LTE CATM、NB-IoT 標準，引入RedCap( 縮減能力終端) 成功降低了接入5G 網絡的物聯網終端功耗。LoRa 聯盟在LoRaWAN 協議中規定ClassA/B/C 三類終端設備類型支持所有低功耗設備進行快速場景部署。Wi-Fi、藍牙協會也推出低功耗技術來支持物聯網發展，滿足設備之間“一對一”、“一對多”和“多對多”的相互通訊。

1.2 物聯網市場痛點

目前，眾多無線通訊設備的終端節點依舊通過電池或電源線供給能量( 電能)，而這類供能方式在不同場景部署下暴露出的弊端制約了物聯網向著更廣闊的領域發展。

1.2.1 “雙碳政策”的要求

雙碳政策，是碳達峰與碳中和的簡稱，國家希望在2030 年實現碳達峰，隨后在2060 年實現碳中和。可是，假設一個物理網設備需配備兩塊供能電池使用，那么百億級的設備將消耗兩倍百億級的電池。當能源耗盡后，電池的遺留和降解會對環境帶來巨大負擔和不可逆的污染。因此，為了響應低碳政策實行，可持續、可再生的能源技術開發是推動物理網生態建設的重要支撐。

1.2.2 極端環境部署受限

無線傳感網絡的部署越來越廣泛，但一部分應用場景往往無法支持接線供電或更換電池，主要包括兩類環境：一是人們不長期活動的產所，如森林、山丘、沙漠等。二是惡劣的工作環境，如高空、高溫、高輻射作業和監測的環境。這些場所地域廣且人跡罕至，無線設備若采用電池供電，能源耗盡后對其補充能量的成本極高。

1.2.3 極低成本限制

隨著低功耗廣域網絡(LPWAN) 的快速發展，相關模組成本已經大幅降低，可是進一步下降的空間有限。在實踐中，如物流追蹤，當低價值物品有大量的連接需求，往往需要海量的終端，這就需要傳感器和通訊模組使用最低的成本實現最精準的通訊性能，最保守的方式則是通過減少器件實現成本縮減，電源部分成為了主要取舍對象。

1.2.4 終端尺寸限制

在很多場景中，如智慧倉庫、智慧農業、智慧城市、智慧穿戴等，終端尺寸也是制約應用部署的因素。隨著智慧產品變得越來越輕薄、小巧，對于供能模組的尺寸設計也變得越來越苛刻。現市場中部分電子價簽方案商開始布局，類似這一類尺寸小、厚度薄的信息載體產品已無多余空間放下常規電源模組，能夠自行持續供能的方案便成為了唯一解決方案。

總的來說，面對綜上所述的痛點，智能設備滿足免維護、低功耗、低成本、小尺寸的需求是現階段無線物理網生態建設中的研發目標之一，這也是無源物理網生態出現的重大意義。

2 無源物聯網方案

2.1 微能量采集

無源物理網主要是通過微能量采集技術、能量管理系統、低功耗計算模組3 個核心技術部分實現。首先，自然環境中存在著很多能量來源，如光能、熱能、振動能、射頻等，微能量采集技術就是通過將采集這些微小能量并將其轉化為電能的技術。

2.1.1 環境光能采集

運用半導體的光電效應，光伏板從太陽光或環境光取得能源，當電子吸收的能量足夠大時就能克服吸引力從金屬表面逃離形成光電子，金屬外層不同數量的電子使金屬形成P 型和N 型半導體，二者接觸面形成的電勢差產生電能。

2.1.2 熱能采集

運用熱電材料的塞貝克效應，使不同導電體或半導體構成閉合電路，當兩導體結合處溫度不同會出現“冷熱溫差”時，此時回路中產生的電勢差使熱能轉換成電能。

2.1.3 振動能采集

振動能又可定義為機械能，靜電、壓電、和電磁效應都可以將機械能轉化為電能。當移動設備在工作中產生輕微的振動時，壓電材料可以將這種微能量采集并轉化為電能。

2.1.4 射頻能采集

將包圍在設備周圍的射頻信號作為能量來源，通過電磁感應實現對空間射頻能量的采集并將其轉換成電能。

2.2 電源管理

在微能量采集技術實現中，能量微弱和隨機性明顯，尤其大部分情況下屬于微瓦級供能，因此除能量采集外，還需電源管理和能量儲存部分對這些微弱能量進行有效管理。其中，能量儲存部分可直接為負載供能，也可以被儲到能量存儲單元中供將來使用。最后，電源管理部分由穩壓器形成，根據系統的要求穩定電壓，并針對載體所需電壓進行轉換與分配。

2.3 低功耗通訊

為了實現無線設備間的通訊，現有組網方式主要為，ZigBee、Thread、Wi-Fi 和BLEMesh， 其中BluetoothSIG組織發布了藍牙Mesh標準可使網絡中的各個節點之間相互通訊。

SIG Mesh網絡由Mesh網絡中的控制端和節點設備組成，其廣播的實現步驟是：由設備A 廣播消息出去，當節點設備B 收到設備A 的消息后再把設備A 的消息廣播出去，直到讓有在無線范圍內的設備都收到此消息。相比于其他物理網組網方式( 見表1)，SIG Mesh 具備低功耗、低成本的優勢，同時還滿足：

1）網絡中某個節點出故障時，整個網絡依舊可保持正常通信，加入和脫離設置自由，具有組網方便，抗干擾的能力強；

2）所有節點都一致、平等，避免了節點連接中心點困難的情況；

3）所有節點都可以操作平臺，適合智能設備部署的各種場景；

4）可以信息加密，保證傳輸信息安全。

表1 現有組網方式對比

綜上所述，在無源物聯網設備中采用低功耗藍牙Mesh通訊既實現對多個終端節點的把控需求，又能在微能量采集技術供給微瓦級的環境下工作。

3 實際應用——雙“無”智能開關

3.1 整體系統分析

在此設計中，微能量采集技術方案采用的是e-peas的AEM10941 方案。如圖1 所示，采用光伏板采集微光能量，此時AEM10941 便能夠從光伏板( 連接SRC)獲取能源充電存儲元件( 電池、超級電容，連接到BATT)，同時在設定的電容電壓區間范圍內，通過兩個LDO 穩壓器(LVOUT 和HVOUT) 為低功耗藍牙模組提供電源。

圖1 系統框圖

在第1 次啟動時，一旦來自光伏板的輸入電壓達到所需的冷啟動電壓380 mV，并且有3 μW 微弱功率可用，AEM10941 就會進行冷啟動。在冷啟動后，輸入50 mV和5 V 電壓便可使模組提取存儲元件的可用能量，冷啟動的最小電壓可通過添加電阻來設置。當電池電壓耗盡，LDO 穩壓器將被斷電，控制器將不再由存儲元件供電以保護它免受進一步放電的影響。另外，如果存儲元件耗盡并且在PRIM 上連接了一個可選的主電池，芯片會自動將其用作重新充電存儲元件的能源，然后再切換回環境能源，這確保在最惡劣的條件下保持持續運行。此方案可有效的從環境中收集能量并轉換為穩定的電壓輸出，整個過程的功能轉換效率可達 90% 以上。

另一方面，低功耗藍牙通訊方案采用的是凌思微的LE5010 方案。LE5010 是一款高性能的低功耗BLESoC，它同時支持藍牙5.0 全協議棧、SIG Mesh 和私有Mesh。在32 bit MCU 內核、64 kB SRAM 和RTC 的超低功耗設計下待機電流低至1.1 μA。最新無線自組網的SIG Mesh 標準采用Flooding 中斷機制擴大了信號覆蓋圍和網絡容量，使得大量節點在更廣泛區域中進行互聯。

如圖2 所示，藍牙Mesh 的發布/ 訂閱消息系統類似于微信的公眾號訂閱模式，可以簡化設備之間的關系并降低耦合度。通過發布/ 訂閱模式，開關作為發布者可以發送控制消息給所有訂閱了該消息的燈，而不需要具體指定要控制哪些燈。同時，燈作為訂閱者只需關注自己感興趣的消息，而不需要知道是哪個開關控制它。這種解耦方式簡化了設備之間的關系，減少連接信息的維護，簡化網絡管理和維護的工作。這種系統還支持靈活的消息傳遞和響應機制，并提高了系統的可擴展性和靈活性。

圖2 Ble Mesh發布與訂閱

3.2 設計可行性分析

預估一天總共使用藍牙模組20 次，每次0.3 s，模組正常工作發射一次的功耗為1.2 mA，總共需要耗能2 μAh；藍牙模組進入淺睡眠后的功耗為0.04 mA，白天16 h 總共需要耗能640 μAh；藍牙模組進入深睡眠后的功耗為0.4 μA，夜晚8 h 總共需要耗能32 μAh。因此，1 d24 h 小時低功耗藍牙模組總需要耗能6452 μAh。

預估光伏板在白天500 lux 的可見光照條件下采集16小時能夠收集944 μAh 的能量，并在夜晚200 lux 的可見光照條件采集8 h 能夠收集248 μAh 的能量，總能量1.192 mAh 為可滿足負載藍牙模組工作。

4 結束語

總的來說，本文討論了微能量采集技術節能環保、延長設備壽命、降低成本，提高了部署靈活性和自主性；低功耗藍牙通訊技術支持設備間互聯互通，提高了使用的便利性。未來，隨著對無源物理網深入研究，此技術將為物聯網的發展和應用帶來更多的可能性和優勢。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年8月期）