什么是环境物联网? 无线跟踪的下一代发展

数十亿物理对象可以从物联网连接中受益, 但由于电池限制，将它们全部连接起来仍然具有挑战性, 维护费用, 和基础设施要求.

环境物联网是一种新兴方法，利用从周围来源收集的能量, 比如无线电频率 (射频) 信号, 光, 热, 和运动, 为连接的设备供电. 通过减少或消除对传统电池的依赖, 它的目标是使无线跟踪更具可扩展性, 负担得起的, 并且更容易维护.

但环境物联网是如何运作的? 这是否总是意味着无电池技术, 它与 RFID 相比如何, 窄带物联网, 和传统的无线传感器? 本指南探讨其工作原理, 沟通方式, 设备类型, 实际应用, 以及关键部署注意事项.

什么是环境物联网?

环境物联网是一类连接设备，主要使用从周围环境收集的能量来为电子功能和无线通信提供动力。该定义与 ITU-T的技术分析 检查其要求, 能源, 和潜在的用例.

不再完全依赖传统电池或有线电源, 这些设备可以从可用来源收集少量能量, 包括:

● 射频 (射频) 活力: 从周围无线电波或专用射频发射器捕获的能量.

● 光能: 室内或室外的光通过光伏电池转化为电能.

● 热能: 使用热电能量收集组件根据温差产生电力.

● 运动和振动: 通过电磁或压电机制将机械能转化为电能.

收集到的能量为设备的电子元件供电, 允许它执行简单的任务，例如识别对象, 测量环境参数, 或发送短无线消息.

环境物联网不一定是无电池物联网的代名词. 有些设备完全依靠收集的能量运行, 而另一些则将能量收集与电容器或小型储能组件结合起来.

主要目标是使连接对于使用传统电池供电的物联网架构来说过于昂贵或难以维护的对象变得实用.

环境物联网与传统物联网有何不同?

传统的物联网系统通常使用电池供电或外部供电的传感器, 无线模块, 和网关来收集和传输信息.

环境物联网引入了不同的设计理念: 设备必须在周围环境可用的能量范围内运行. 标准化工作还体现在3GPP的研究中 支持环境电源的物联网 (TR 22.840) 和它的 环境物联网的 RAN 研究 (TR 38.848), 从服务和无线电接入的角度探索技术.

这改变了设备设计的几个方面:

● 功耗成为主要设计限制.

● 通信通常针对短消息和间歇性传输进行优化.

● 设备功能可能会根据可用能量受到限制.

● 能量收集电路和电源管理系统成为重要组件.

● 读卡器或接入点基础设施可以提供通信覆盖范围和, 在某些架构中, 射频能量.

因此，环境物联网应被理解为更广泛的物联网生态系统的延伸，而不是所有传统物联网设备的直接替代品.

为什么电池供电的物联网很难扩展到每个对象？

四大挑战解释了替代电源架构为何引起关注:

1.更换电池需要持续维护

电池供电的物联网设备需要定期更换电池才能保持运行. 当跨仓库部署数千或数百万台设备时, 工厂, 或供应链, 维护变得越来越困难. 技术人员必须定位设备, 更换电池, 并验证他们的操作, 产生额外的劳动力和管理需求.

2. 电池限制设备尺寸和设计

电池需要物理空间并增加物联网设备的重量. 它们还影响产品设计, 制造成本, 和安装灵活性. 对于包裹等小物体, 标签, 和个别库存项目, 集成电池可能不切实际或不必要地昂贵, 限制可能的物联网应用范围.

3. 电池处理造成环境压力

随着物联网部署的扩大, 需要处理的电池数量也在增加. 在大型设备网络中更换电池会产生电子废物并引发对材料消耗的担忧, 回收, 和环境影响. 因此，减少电池依赖可能成为追求更可持续的物联网部署的组织的一个重要考虑因素.

4. 运营成本随着部署规模的增加而增加

电池供电物联网的成本超出了最初的硬件购买成本. 电池采购, 替代劳动力, 运输, 设备停机时间, 和维护管理都有助于长期运营费用. 随着连接对象数量的增长, 这些经常性成本可能会使大规模部署更难以在经济上证明其合理性.

环境物联网如何工作?

环境物联网结合能量收集, 电源管理, 低功率电子产品, 无线通讯, 和网络基础设施。尽管实现有所不同, 一个典型的系统可以通过六个阶段来理解.

1. 从环境来源收集能量

第一步是从周围环境收集能量。环境物联网设备可以根据其部署条件使用不同的能量收集技术.

并非每种能源都适合每种环境。例如, 室内太阳能收集取决于光强度和暴露时间, 而振动收集需要足够一致的机械能源。射频能量收集还取决于发射器功率, 距离, 天线特性, 和周围的无线电状况. 还讨论了将收集的能量与设备功率需求相匹配的实际设计注意事项 硅实验室’ 环境物联网能量收集指南.

关键考虑因素不仅仅是能源是否可用, 但是否可以收集足够的可用能量来支持设备的预期功能.

2. 电源管理和储能

收集到的能量通常很小且不稳定. 它并不总是被设备的电子元件直接使用. 电源管理电路有助于转换和调节收集到的能量. 典型的电源管理系统可能包括:

● 整改: 在需要时将收集的交流或射频衍生能量转换为可用的电力形式.

● 电压 规定: 调整电压以满足电子元件的要求.

● 储能: 使用电容器或其他存储元件来积累能量.

● 电源管理: 控制可用能量在传感之间的分配方式, 加工, 和通讯功能.

当能量积累时，设备可能保持超低功耗状态. 一旦存储的能量达到预定的工作阈值, 系统可以激活选定的组件. 这种能源感知操作很重要，因为环境物联网设备不能假设电源始终可用.

3. 低功耗传感和处理

当有足够的能量可用后, 该设备可以激活其传感器, 处理器, 或其他电子元件。取决于应用, 它可能:

●读取设备标识符.

●测量温度或湿度.

●检测运动或状态变化.

●处理少量传感器数据.

●准备一条无线短信.

处理量取决于可用的能量预算。简单的识别标签可能需要很少的计算, 而执行多个传感器测量和本地数据处理的设备需要更强大的电源架构.

为此原因, 环境物联网设备通常比连续数据更适合轻量级传感和间歇性数据报告, 高性能处理.

4. 无线数据传输

数据准备好后, 设备与附近的接收器通信. 两种重要的通信方法是主动传输和反向散射通信. 有源传输设备使用收集的能量来生成和传输自己的无线信号.

反向散射装置, 相比之下, 依赖于外部载波信号. 它通过改变载波的反射或调制方式进行通信, 允许阅读器检测编码信息. 选择取决于设备的复杂性, 可用能量, 沟通要求, 和读者基础设施. 下面更详细地解释这两种方法.

5. 读者和网络基础设施的数据收集

附近的智能手机, 接入点, 读者, 基站, 或者专用网关可以接收传输的信息, 取决于通信技术. 接收器负责收集数据并将其转发到物联网系统的下一阶段.

一些系统可能使用现有的通信基础设施, 而其他则需要专用读取器或额外的射频能量发射器. 这是一个重要的部署考虑因素: 降低单个标签的功率需求并不一定消除对网络基础设施的需求.

6. 数据传输至云端

数据收集后, 网关或其他联网接收器可以通过Wi-Fi将信息转发到云平台, 以太网, 蜂窝连接, 或其他支持的网络连接. 然后云平台可以处理信息并将其提供给业务应用程序.

例如, 仓库管理系统可以使用环境物联网标签数据来更新库存记录, 识别资产变动, 或支持库存调节. 完整的数据路径可以概括为:

环境能源→电源管理→传感和处理→无线通信→阅读器或网关→云平台→业务应用

具体架构根据通信标准和部署要求而有所不同. 并非每个 Ambient IoT 系统都使用相同的读卡器或网关配置.

环境物联网的真正价值

环境物联网很有价值，因为它解决了大规模连接的基本限制: 为单个设备供电和维护的成本和复杂性. 它的潜在优势不仅仅是减少电池消耗.

1. 零电池和减少维护

最明显的优点是无需传统电池即可操作设备的可能性. 当设备可以从环境中收集足够的能量时, 无需定期更换电池即可运行.

这对于附加到包的设备特别有用, 产品, 或部署后难以访问的组件。但是, 无法保证在所有环境下都能实现零电池运行. 一些设备仍然需要能量存储或替代电源来维持可靠运行.

2. 大规模降低总成本

环境物联网可以通过最大限度地减少电池更换和简化设备设计来减少经常性维护费用. 对于大型部署, 即使维护需求的小幅减少也可能对总运营成本产生有意义的影响.

例如, 管理数千个标记资产的物流公司可能会受益于减少检查和更换电池所需的劳动力. 经济效益应通过完整的TCO模型来评估，而不仅仅是设备价格. 读者基础设施, 安装, 系统集成, 还必须包括网络设备的维护.

3. 利用现有基础设施

一些环境物联网架构可以利用现有的无线基础设施或通信网络. 例如, 兼容的 蓝牙信标, 智能手机, 或者专门的读者可以作为数据收集点, 取决于设备功能和网络设计.

其他架构可能使用专用射频发射器或专用读取器。利用现有基础设施有助于降低部署复杂性, 但必须验证兼容性. 传统的蓝牙网关, 例如, 不应自动假定支持每个环境物联网设备或通信机制.

4. 持续的端到端可见性

环境物联网可以使将标识符和轻量级传感功能附加到大量物理对象上变得更加实用. 这可以提高整个供应链的可见性, 仓库, 和工业环境.

例如, 包装上的连接标签可以提供物流网络中不同点的识别和定期状态信息。但是, 持续的端到端可见性并不一定意味着持续的实时跟踪. 能源供应, 读者报道, 传输间隔, 和网络连接决定了收集数据的频率.

5. 动态传感能力

环境物联网设备可以根据可用能量调整其行为.

例如, 当收集的能量较低时，设备可能会降低其传输频率, 优先考虑重要的传感器读数, 或保持低功耗状态，直到有足够的能量可用. 这种能源感知方法允许设备平衡性能和功耗.

它还引入了一个重要的设计考虑因素: 使用能源受限设备时，应用程序必须能够容忍可变的报告间隔和间歇性连接.

主动变速箱与. 反向散射通信

主动传输和反向散射通信是无线数据传输的两种不同方法. 在评估环境物联网设备时了解差异至关重要，因为通信架构直接影响设备复杂性, 能源消耗, 覆盖范围, 和接收器设计.

主动传输

有源传输设备利用其可用能量来生成和传输无线信号. 能量可能来自收获的环境资源, 储存能量, 或两者的组合.

该设备通常包括能够生成发送其数据所需的信号的无线电发射器.

它是如何运作的:

1.该装置收集并储存能量.

2.它的处理器准备数据.

3.无线电电路产生无线信号.

4.接收器检测并解码传输的信息.

主动传输可以支持更灵活的通信架构, 但生成无线信号通常比简单地调制现有载波需要更多的能量.

反向散射通信

反向散射通信使用外部射频载波，而不是生成全新的射频信号.

该设备改变其天线阻抗或反射特性来调制输入载波. 阅读器检测这些变化并解码传输的数据.

两种常见的配置是:

● 单站后向散射: 同一个阅读器提供载波信号并接收反向散射响应.

● 双基地反向散射: 单独的节点提供载波信号并接收反向散射数据.

这种区别会影响读者的位置, 系统架构, 链路预算, 和部署要求.

主动变速箱与. 反向散射: 主要差异

一个重要的区别: 无电池并不自动意味着反向散射. 无电池设备可以使用其他通信设计, 而反向散射装置仍然取决于合适的外部射频条件.

环境物联网设备类别和功能级别

环境物联网不描述一种固定的设备规范. 设备可以有不同的能源, 存储能力, 传感功能, 和通信架构.

为了实际理解, 它们可以分为三个能力类别.

1. 无源器件

无源设备完全依赖于收集的环境能量或外部提供的射频能量, 无需传统电池. 它们通常设计用于:

●基本识别.

●短数据信息.

●简单的传感功能.

●低成本、高密度部署.

因为他们的能源预算极其有限, 他们的功能和沟通机会可能会受到限制.

2. 半无源器件

半无源设备将能量收集与有限的能量存储结合起来, 例如电容器或小电池. 这种架构允许他们积累能量并在必要时使用它. 取决于设计, 他们可能支持:

●基本传感和数据缓冲.

●传输时序更灵活.

●有限的双向通信.

●环境能源不可用时间歇运行.

该类别提供了低功耗操作和功能灵活性之间的折衷方案.

3. 有源设备

有源设备具有更大的能量存储能力或可以获得更充足的能源供应. 他们可能支持更高级的功能, 包括:

●多重传感器测量.

●更广泛的本地加工.

●无线传输更灵活.

●更高的通讯性能.

然而, 他们可能还需要更大的组件, 更高的制造成本, 以及更复杂的电源管理系统. 这三个类别是一个解释性的能力框架，而不是声称所有标准机构都使用一个通用的三级分类. 适当的架构取决于应用程序的能源可用性, 报告频率, 传感要求, 和预期的设备寿命.

环境物联网与. 射频识别, 窄带物联网, 和传统传感器

环境物联网经常与 RFID 进行比较, 窄带物联网, 和传统无线传感器，因为这些技术解决了重叠的连接要求. 然而, 它们并不是在每个应用中都可以直接替代.

最重要的区别涉及电源, 数据能力, 读者要求, 通讯范围, 生态系统成熟度, 和部署成本.

技术比较

环境物联网应用

环境物联网特别适合需要识别或监控大量物理对象且无需引入大量电池维护要求的应用.

1. 供应链与物流

供应链涉及大量包裹, 容器, 托盘, 以及通过不同设施移动的产品. 传统的跟踪系统通常依赖于条形码扫描, 射频识别, 或电池供电的跟踪设备.

环境物联网可以将低成本识别和轻量级传感标签附加到更多单独的物品上. 实际的跟踪体验取决于读者覆盖范围和所使用的通信技术.

2. 库存和资产跟踪

仓库和制造设施需要有关库存位置和资产移动的准确信息. 资产追踪器 可能会引入定期维护要求, 特别是当部署数千台设备时.

环境物联网标签可以为需要基本识别或间歇性状态更新的应用程序提供更具可扩展性的方法. 例如, 仓库可以在选定的产品上使用能量收集标签, 容器, 或可重复使用的运输物品. 安装在指定位置的阅读器可以在资产穿过设施时收集标签信息.

适用于需要精确实时定位的应用, 然而, 该系统可能仍然需要额外的定位基础设施或更强大的跟踪设备.

3. 冷链监控

冷链运营需要 湿度 & 温度传感器 在整个储存和运输过程中保持在规定的环境条件下. 环境物联网可能支持选定应用中的轻量级温度监控, 前提是设备有足够的能量来执行测量并按要求的时间间隔传输数据.

例如, 能量收集标签可以从包装中定期收集温度读数，并在兼容的读取器可用时传达这些读数.

然而, 需要连续温度监控的应用, 立即阈值警报, 或者保证报告间隔可能需要功能更强大的动力传感器.

所需的测量精度, 采样频率, 能源预算, 在选择设备架构之前应评估通信覆盖范围.

4. 工业和环境监测

工业环境包含许多需要监控的资产和组件.

环境物联网可以在布线或定期更换电池不方便的地方支持简单的识别和选定的监控功能. 在这些环境中，环境能源的可用性尤其重要.

例如, 振动收集在连续运行的机械附近可能是实用的, 而热采集需要合适且足够稳定的温差.

要求更高的工业应用可能仍然需要具有更大功率预算和更先进处理能力的传统传感器.

结论

环境物联网提供了一种通过使用收集的能量连接日常物体的新方法，以减少对传统电池的依赖. 其潜在好处包括降低维护成本, 更灵活的设备设计, 和可扩展的无线连接. 然而, 实际部署仍然取决于能源可用性, 通讯范围, 基础设施, 和安全性. 随着技术和标准的不断发展, 环境物联网可以在资产跟踪中发挥越来越重要的作用, 库存管理, 和供应链可见性.