随着物联网技术的飞速发展和广泛应用，我们在日常生活中的方方面面都可以感受到物联网技术的力量。
无需发短信或打电话特意通知的智能快递柜；道路两边随处可见的共享单车；诸如智能手表、智能手环等可以采集心率、步数、睡眠质量等数据的可穿戴设备；诸如智能电视、智能音响等通过手机或声音控制的智能家电……这些都是物联网技术的实际应用。
除了日常生活，物联网技术在智能城市、智能交通、智能农业、智能医疗等各个领域中都发挥着不可替代的作用。
近期的亚运会就用到了一项“黑科技”无源物联网。无源物联网和一般的物联网有什么区别？它又有哪些优势呢？
智能家居（图片来源：veer图库）
走进物联网的世界
无源物联网和一般的物联网最大的区别在于电源。
物联网技术逐渐实现从人与人通信、人与物通信再到物与物通信的发展和转变，应用前景广泛。然而，大多数传统的物联网设备需要内置电池或连接到电源插座以提供所需能源。这使得一些物联网设备在部署位置和使用时间上受到限制。
例如，设备的电池电量耗尽就需要及时充电或更换新电池。同时，电池使用寿命短，更换频繁给使用者带来了不便，而且电池的使用增加了设备成本和体积，电池的不当处理也会对环境产生负面影响。
此外，有线的电源设备可能由于布线的复杂性和需求而在部署上造成许多问题，如为了在户外部署物联网监测设备可能就需要花费大量精力和成本来布设电源线路。由此，无源物联网技术应运而生，它的目标就是解决传统物联网在能源供应方面的问题。
无源物联网中的“源”指的是电源，这一技术的设备不依赖于内部电池或外部电源，而是通过从周围环境中捕集能量来运作，如光、热量、无线电波等，实现自我供电。
这种技术既可以满足人们对物联网设备长时间无电源供应的需求，也降低了对环境的潜在负面影响。
无源物联网主要通过能量采集、反向散射通信、低功耗计算的技术来实现。能量采集方式主要有光能、振动能量、热能、射频等能量采集，其中射频能量由于可以同时解决能量获取和信号传输调制两个功能而成为无源物联网研究的重点。
物联网概念图（图片来源：veer图库）
另外，反向散射技术是无源物联网通信模式的核心，它允许设备通过反射或者转发从无线传输塔收到的信号来进行通信。设备接收到的信号能量既用来驱动设备的运行，也用来作为信息的载波反向发送出去。
想象一下，一面在海面上反射阳光的镜子，该镜子既利用阳光提供照明，又通过反射阳光形成信号。类似地，无源物联网设备既利用无线电波进行自我供电，也利用这些波来传输信息，这就是无源物联网的工作原理。
目前最具代表性的传统无源物联网技术是RFID即射频识别技术，第二代身份证、食堂饭卡、公交卡等物品都是日常生活中常见的无源RFID产品。
它们的主要工作原理是：阅读器发射一定频率的射频信号，当标签即无源节点靠近阅读器进入有效工作范围后，接收到阅读器发出的射频信号就会产生感应电流从而获得能量，利用这点能量，标签可以将信息发送出去，阅读器接收到后传送到后台主机进行处理，主机控制阅读器完成读写操作，从而实现标签和阅读器之间的通信。
射频识别标签（图片来源：veer图库）
从日常生活的使用中我们也不难看出，无源RFID技术的局限性在于标签和阅读器必须在足够近的距离范围内，即通信距离太短。另外，阅读器读写的数据比较简单，读写能力弱。
由此，无源物联网技术致力于在RFID技术的基础上扩展基于WiFi、蓝牙、3G、4G甚至5G通信技术的新型无源互联，可以利用周边环境中广泛存在的射频信号，如蜂窝基站、WiFi路由器、电视塔等作为射频能量来源，向无源节点发送射频信号使无源节点可以从中获取足够的能量完成与阅读器的通信过程，从而显著扩大通信距离。
无源物联网的应用前景有哪些？
目前无源RFID标签在库存管理和防盗系统中已经得到广泛的应用。它们可以帮助跟踪和管理商品的库存、销售情况等，增加经营效率。使用无源RFID系统的物品追踪可以实时更新库存信息，提升库存准确度，减少工作人员的负担。
在运输业，无源RFID系统可以用于自动收费、车辆识别和货物追踪。无人收费系统可以借助射频识别技术，实现车辆的自动识别和收费，提高通行效率。
RFID从“识别”到“感知”的蜕变（图片来源：参考文献[1]）
同时，无源物联网也可以用于航空行李的管理，通过扫描行李上的RFID标签，即可实现行李的实时追踪，减少行李丢失的可能。
新型无源物联网技术对于通信距离、设备体积、设备成本的优化，可以进一步扩大物联网应用的范围。
在医疗领域，无源物联网逐步在病人管理和疾病监视中发挥作用。例如，使用无源传感器可以无创地监测患者的生理状况，如心率、血压等，并将数据无线传送到医护人员的设备上。这不仅可以减少传统人工检测的人力负担，提高数据准确性，还可为远程医疗提供可能。
在制造业，工厂可以通过使用无源物联网设备，如温度和压力传感器，实时监测工厂设备的运行状态，防止过早的设备故障。这些设备可以无线发送故障警报，减少了定期维护和检查的成本。
在农业应用上，无源物联网设备，如环境和土壤传感器，可以帮助农民全方位监测种植环境，可以自动监测土壤湿度、光照强度、温度等指标，并根据这些数据做出相应的农事决策。
随着无源物联网技术的不断发展和优化，它在不同行业中的应用潜力将越来越大，将带来更多效率的提升和新应用的出现。
在2023年的杭州亚运会上，无源物联网也发挥了巨大的作用。在亚运村充电站中，借助一片无源物联标签，充电站资产盘点系统能够自动识别体验车，从而实时掌握体验车的出入库时间、次数等信息。
杭州亚运会中的无源物联技术（图片来源：新华社）
在杭州亚运会电竞项目竞赛场馆内，通过无源物联标签和传感器等技术，场馆环境的温度、湿度等信息能被实时获取，从而实现对环境温度和湿度的实时监控。
无源物联标签（图片来源：新华社）
无源物联网的广泛应用离不开它显著的优点。
首先，它降低了物联网设备的能耗和维护成本，无需为保持设备电力充足而定期更换电池，也不需频繁维护。其次，由于省去了电源，设备可以设计得更小，更方便安装和部署。此外，无源物联网更为环保，因为它避免了电池等有害物质的产生和处置。
然而，挑战同样存在。能量采集技术难以提供大规模、稳定的电源，且在能量稀缺的环境中无源物联网设备可能无法正常工作。另外，无源物联网设备的计算和存储能力有限，可能无法满足某些复杂任务的需求。
结语
物联网、5G等各种现代技术的发展速度极快，无源物联网的出现让我们看到了其蕴含的巨大前景价值。它已经被视为实现“千亿级互联”愿景的关键，随着能量采集、数据处理技术的不断进步，我们终将迎来万物互联时代。
参考文献：
[1] 王楚豫,谢磊,赵彦超等.基于RFID的无源感知机制研究综述[J].软件学报,2022,33(01):297-323.DOI:10.13328/j.cnki.jos.006344.
出品：科普中国
作者：沐桔（科普创作者）
监制：中国科普博览
