无源物联网再下一城，“高效”利用环境中的废热供电！

过去多年间，降低终端节点功耗一直是物联网核心研究方向之一，催生了NB-IoT、LoRa、5G RedCap、低功耗蓝牙、WiFi Halow等多项技术标准。然而，已有的低功耗物联网技术大部分需要电池供电，这存在很多问题：一方面，海量物品受限于成本刚性制约，难以采用有源物联网模组实现连接；另一方面，众多有连接需求的物件受限于其分布广泛、需灵活移动等因素，或者应用于高温、极低温、高压等极端场景，导致终端设备的电池更换困难或无法直接靠电池供电——无源物联网正是解决这些需求的有效手段。

无源物联网是指连入网络的终端节点设备不接外部电源、不带电池，而是从环境中获取能量，从而支撑起数据感知、无线传输和分布式计算的物联网技术。创建无源物联网解决方案的核心是“通过外界所获得的能量必须超过设备运行本身所需的功耗”。所以现有的无源物联网解决方案厂商主要有两大努力方向，一是尽量降低芯片和模组的能耗，另一个则是增加环境能量的收集。

就在近日，无源物联网在环境能量收集方面取得重要进展：1月16日，《自然通讯》上发表的一篇论文概述了一种新的制造方法，该方法使二维热电材料的性能提高了四倍。作者表示，这一突破让利用环境热量为物联网设备提供能量的梦想又近了一步。

热能采集技术重磅突破

外界环境中存在很多能量来源，环境能量采集技术将其采集并转化为可供传感节点工作的能量，主要的能量采集技术包括：环境光能采集、振动能量采集、热能采集和射频能量采集。由于环境本身的特点，各类能量采集技术获得的能量密度差别很大，以下为典型场景下四类环境能量的密度：

典型场景下四类环境能量的密度

在我们日常生活中，各种机器和电子设备都能产生大量废热，所以热能采集技术具有广阔的市场前景，其原理是基于热电材料的“热电效应”。

德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克于1821年发现，将二种不同金属各自的二端分别连接构成的回路，如果两种金属的两个结点处温度不同时，指南针的指针会发生偏转，于是他认为温差使金属产生了磁场，这种现象称为赛贝克效应。但是当时塞贝克并没有发现金属回路中的电流，后来，丹麦物理学家汉斯·奥斯特重新研究了这个现象并称之为“热电效应”。

热电效应（图源：搜狗百科）

热电效应能够将温差直接转化成电压，虽然所有材料都具有热电效应，但大多数材料的热电效应很不明显，无法付诸实际应用。因此，寻找和制备高性能的固体热电材料，持续提高材料的热电效率，是许多科学家研究的方向。

• Hicks-Dresselhaus理论

为了提高材料的热电效率，研究人员需要降低材料的热导率，同时提高其电导率和热电势（热电势是衡量每个单位温差产生多少电压的指标）。但这存在很多挑战，因为这些属性是相互关联的，并且在某个范围内，改进一个属性会对其他属性产生负面影响。

1993年，麻省理工学院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾预言二维量子限域效应引起的态密度增强现象会极大地提高材料的热电功率因子，这为获得高性能的热电材料提供了非常重要的理论指导。这种效应可以使用量子阱来完成，量子阱的特点是薄层半导体夹在具有不同带隙的另一种半导体的两层之间。这会产生一个能量势垒，将电子捕获在薄薄的中间层中，电子只能在二维空间中移动，从而导致一种被称为“量子限制”的现象，即电子只能存在于特定的、离散的能级上，而不是像通常情况那样存在于连续体上。

在很长一段时间内，一直没有实验确切地证实这个理论预测。直到2018年，南京大学物理学院的梁世军副研究员和缪峰教授开展实验，同时与吉林大学张立军教授理论课题组合作，利用二维材料厚度和载流子浓度可控的特性，首次证实了著名的Hicks-Dresselhaus理论预言。

• 新型量子阱形状使性能提高四倍

在最新研究中，中村团队通过调整量子阱的设计将Hicks-Dresselhaus理论中的想法更进一步。在概念层面上，典型的量子阱可以被认为具有正方形边，这是因为能量势垒突然从阱底部的低势能变为两侧的非常高的势能。而中村的团队设计了三角形量子阱，其中能垒从阱底部逐渐向上倾斜。

中村表示，这种形状显著改变了阱内能级的分布。虽然方形阱通常只有一两个能级，但三角形阱可以有很多能级。他说，电子可用的能级越多，电子迁移率就越好，因此热电势就越好。更重要的是，三角阱中的能级聚集在更高的能量上，这进一步增加了热电势。

当然，形状并不是唯一重要的因素——量子阱的中间层可以有多薄且仍然能实现量子限制因材料而异。材料的选择也会影响可以挤入阱中的能级。中村的团队选择了砷化镓，它具有构建量子阱的良好特性，而且也已用于商业用途，因此可以使用成熟的加工技术进行精确制造。

研究人员在论文中表明，他们创造出的这种材料，其热电功率是次优二维材料的四倍。尽管这是一个令人印象深刻的飞跃，但在实际应用中，这可能意味着发电量仅为 100 微瓦左右。不过，这在很多场景中已经足以消除微电子设备的废热，为微型物联网传感器供电，而无需额外成本。

值得强调的是，研究人员正在使用的二维系统的复杂性和成本意味着它们距离工业规模生产还有很长的路要走，但这依然对无源物联网的未来具有重要意义。

无源物联网闷声发展

回顾2023年，无源物联网在标准、技术、应用方面都持续闷声发展。

• 标准层面

5G R18阶段，相关机构就在无线接入网技术组立项了名为“Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN”的研究课题，随着R18阶段标准化的工作接近尾声，这一课题最终形成了编号为3GPP TR 38.848的技术报告，作为R18阶段无线接入技术组无源物联网的核心成果。

到了去年12月的时候，国际标准化组织3GPP RAN102次会议结束，会议上通过了多项研究项目（SI）立项，其中包括无源物联网研究项目“Study on solutions for Ambient IoT (Internet of Things) in NR”，成为R19阶段在无线接入层面上无源物联网的核心议题，为5G网络引入无源物联网打下基础。未来5G乃至6G网络支持无源物联网成为大势所趋。

如果将5G无源物联网归于3GPP阵营，那么非3GPP阵营的蓝牙和WiFi无源物联网也在加速发展。比如，蓝牙联盟在推动基于蓝牙技术的无源物联网标准化工作，知名无源物联网厂商WilioT是其中的主力，在WilioT的带动下，全球已出现多家借助蓝牙实现无源物联网应用的厂商。同时，WiFi阵营的知名国际化组织IEEE也在持续推进无源物联网的标准化工作。

• 技术层面

除了前文提及的能量采集，许多厂商也在降低芯片和模组的能耗方面取得了突出成果。

去年2月，飞英思特科技正式对外宣告，研发出旗下首款环境微能量采集与管理芯片——FPM8100，该款芯片是国内无源物联网领域的首款环境微能量采集与管理芯片。该款芯片主要以射频能、温差能、微光能、振动能等环境中常见能量为采集目标。可通过冷启动电路(Cold Start)、能量选择切换(Power Switch)、逻辑控制状态机(State Machine)、储能管理（Storage Management）等主要模块将前端无序、低品质输入能量，高效地管理、利用、存储起来，形成新的“环境电池”形态，以实现对后端电路的稳定输出。

去年4月，麻省理工学院（MIT）的研究人员宣布研发了一款利用太赫兹频段的新型芯片，该芯片作为唤醒接收器，其功耗仅为几微瓦。由于太赫兹频段较高，因此太赫兹调制过程较为复杂。MIT研究人员认为，通过混频调制的形式，会消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人员们开发了一种零功耗检测器，可以在不需要混频的情况下检测太赫兹电磁波，其探测器采用一对微型晶体管作为天线，消耗的功率非常小。在多种技术的加持下，这一芯片的工作电压为0.8V，功耗为2.88微瓦。

• 应用层面

随着5G-A逐步商用，无源物联得以注入新的增长动能。

去年9月，华为与通信运营商、标签式终端供应商以及平台服务商共同推动无源物联试点在江苏工业制造企业落地。技术人员计划在该企业的物料托盘追踪、人员管理两大场景中，开展无源物联试点。物料托盘贴上或植入无源物联的“标签”，“标签”与网络连接后，平台便可自动盘货，比目前的人工盘货大大节约成本、提高效率。在人员佩戴的工卡内置一个标签式终端，可以加强人员管理，如通过实时定位进行非安全区域预警。总之，通过无源物联技术可实现人、物、车等各类工业生产要素的透明可视，提高生产管理效率和安全系数。

浙江移动则在杭州亚运电竞中心的驾驶舱使用无源物联，标签可结合各种环境传感（温湿度等），将环境信息实时上报，实现对环境温度和湿度的实时监控；同时将与亚运村圆通物流合作进行物流车辆和仓储进行跟踪和资产盘点。基于蜂窝网和无源物联标签，通过电子围栏、小区级位置识别触发报警，实现车辆、电动自行车等贵重资产的管理和防盗。

写在最后

根据GSMA（全球移动通信系统协会）预测，2025年全球物联网设备连接数可以达到246亿台，2021-2025年年复合增长率可达12.8%。当百亿级甚至更遥远未来的千亿级设备接入网络，大量终端并不需要过高的电力支持以及传输性能，且对成本有较高要求，这些都是无源物联的应用场景。

随着标准的日益完善和技术的不断突破，无源物联网将成为推动智慧城市、智能制造、物流管理等领域发展的重要引擎，其低成本、低功耗等特性，将为未来的物联网世界带来更广阔的应用空间和更深远的影响。

参考资料：

Anomalous enhancement of thermoelectric power factor in multiple two-dimensional electron gas system，nature communications
IoT Devices Could Tap Ambient Heat for Power，IEEE Spectrum
张小涵, 赵俊青, 张弛. 基于微纳环境能量收集技术的自驱动无线传感系统[J]. 微纳电子与智能制造
《热电领域著名的Hicks-Dresselhaus理论预言首次在二维层状材料中得到实验证实》，X-MOL
《从“入门”到“头秃”，一文搞懂“无源物联网”》，物联网智库
《“移”起开新局丨从“新”出发 中国移动加快推进5G-A技术创新应用》，人民邮电报