无电池连接的新时代会到来吗？复旦微电子学院教授谈环境能物联网 ...

苏沚沁

【编者按】
# t8 h. U/ C/ l/ z& Y- b. G+ {2023年5月27日，是复旦大学118周年校庆。“校庆种种活动，以促进科学研究为中心。”从1954年校庆前夕时任校长陈望道提出这一主张开始，在校庆期间举办科学报告会，就成为复旦的重要学术传统之一。
. J1 s# f6 G7 g( f1 {6 f8 x3 O赓续学术传统，百年弦歌不绝。5月9日起，来自文社理工医各学科的50多位复旦名师将陆续带来学术演讲。
: m5 |* m) E5 ~2 S“2023相辉校庆系列学术报告”第十二场，由复旦大学微电子学院教授闵昊以“环境能物联网技术与应用”为主题开讲。
闵昊教授。  本文图片 罗鹏飞

在物联网领域，环境能物联网是一个备受关注的新兴技术领域。环境能物联网是一种不带电源或无内置电池的物联网终端，这些终端从环境中提取能量以满足其工作需求。闵昊介绍了环境能物联网技术的研究进程和初步应用，并展示环境能物联网设备从环境中获取能量进行转换、储存再到管理能量，最终为传感和无线收发信号提供能量的过程。这项技术在全球领域都处于早期发展阶段，学者们希望这种技术的使用可以降低物联网设备的部署和维护成本，同时也能够减少对环境的影响。
$ J4 B) S+ I- X( f让每样物品都能上传云端
5 R0 g1 y) J: W& R% X“今天跟大家介绍一个目前还算比较热闹的技术，叫环境能物联网。‘环境能物联网’这个词，目前在国内第一次这么出现。”闵昊介绍，起初这一概念被称为“无源物联网”，由英文Passive IoT翻译而来。后来，学者发现被动或主动通信并不是关键，而真正的关键是能量的来源。只要不用电池，依靠环境取得的能量供电，都能实现无电池的物联网节点。2022年，国际组织在定标准时将这一技术改为Ambient Power Enabled IoT ，业内对其中文的翻译尚未达成共识，闵昊将其翻译为“环境能物联网”。
“现在大家更换手机的速度变慢，更换笔记本电脑的速度也变慢了，那么半导体芯片造出来给谁用？”闵昊说，“物联网可能会成为下一个非常重要的推动半导体往前发展和半导体产业的一个重要部分。”
那么，哪些主要因素在阻碍一个物联网节点成本的下降？“电池、晶振和芯片。”在物联网的终端里，芯片大概占一半，20%是被电池占掉，另外还有一个晶体。随着工艺技术的提高，芯片成本确有下降；然而电池寿命短，更换成本高，若是万亿颗电池连到云端，用废的电池对环境污染亦是灾难性。有没有可能不用电池？晶振又费空间，又有成本，能不能干掉晶振？“去掉电池，解决寿命问题；去掉晶振，解决尺寸跟成本问题，让一个物联网终端基本只需要一颗芯片就能达成连接，这是我们想做的事情。”
在物联网领域，从连接的角度来看，三维空间中实际存在的事物被上传到云端可以分为三种层次。第一类是人与云端的连接，手机作为其重要载体，在云端记录人的生活轨迹；第二类是仪器仪表与云端的连接，这种连接成本低、数据量小、对连接速度的要求低；第三类是大量物品与云端的连接，例如钥匙、衣服等物品，数量高达万亿级，因此需要降低每一件物品的连接成本。能不能用小于十美分的成本，把一个物品的信息连到云端？低成本的环境能物联网是一个较好解决这个连接的方案。
活动现场。

无电池连接新时代
去掉电池和晶振，意味着物联网终端要以最轻简的设备体积从环境中获取能量完成连接。在环境能物联网领域，大量物品的连接形式经历了三个阶段的变化。
7 |2 M; c2 X4 i/ m+ H5 s第一代是点对点通讯，使用RFID读写设备对物品进行读写，这个技术已经在服装零售被广泛使用。第二代是用户局域网时代，使用WiFi等无线局域网技术连接物品，终端使用环境中搜集到的能量与网络建立通讯。第三代是使用移动基站连接物品，建立基于云平台的万物互联新业态。例如，共享单车的锁中有一个NB-IoT终端，通过手机扫码后，蜂窝网就能够读取到识别号并控制锁的开关。这种方式可以在移动基站覆盖的地方实现物联网节点的连接，只要再使用环境能量获取和低功耗技术，就可以在此基础上降低成本，使之更适用于大量节点、少量数据的连接。
现今，环境能物联网技术已经逐渐由研究转向产业落地。“我们希望通过一个低成本的物联网终端，能够跟运营商的基站建立通信。”他和团队正利用太阳能供电实现低功耗的背散射通信，可以实现与基站200-300米的通讯连接。“接下来，我们将开始进行试点实验。同时，我们也在做芯片，芯片做出来后，大约一年半或两年后能看到最终产品。”
5 c' Q3 p2 _- ^2 b3 {7 K" b4 N' T有了环境能物联网技术，能干什么？会给产业带来什么影响？现在业界尚不得而知。环境能物联网领域与“数字中国”建设紧密相关，一个重要的目标是确保每个物品都能够在云端拥有一个数字孪生或数字代表，“我们希望通过云端查验，让物品都在我们的管理之下，从而实现管理水平的提高和管理成本的下降。”在闵昊看来，环境能物联网在未来将会是一个快速发展的领域，他期盼更好的芯片被研发出来，共同实现这一目标。