无源物联网产业发展白皮书（2022）

无源物联网产业发展白皮书（2022） 无源物联网产业发展白皮书（2022） ——前瞻无源物联新纪元 智次方·挚物产业研究院 2022年10月 1 Copyright©2022 版权与免责声明 本白皮书基于公开资料以及对相关企业的调研进行编写，仅供读者参考，不构成任何投资或法律建议。 本白皮书版权归智次方（智次方（深圳）科技有限公司）所有，并受到法律保护。任何形式的转载、摘编或以其它方式利用本白皮书的任何内容，应注明“来源：智次方·挚物产业研究院”。违反上述声明者，智次方将追究相关法律责任。 研究团队：张鹏、梁张华、黄云皓、吴艺、彭昭 鸣谢单位 本白皮书的编写，得到以下单位支持（排名不分先后），特此感谢！ 北京交通大学信息通信网络研究所上海交通大学RFID与物联网研究所中国移动通信研究院 北京欧珀通信有限公司（OPPO）成都飞英思特科技有限公司 深圳市铖月微电子有限公司深圳市每开创新科技有限公司 广东中世发智能科技股份有限公司不负期待（海南）科技有限公司 目录 Part1缘起•无源物联网兴起的背景6 一、千亿级万物智联愿景驱动6 二、“双碳”高质量发展目标引导7 Part2识辨•无源物联网概述9 一、无源物联网发展的愿景9 二、无源物联网的定义9 三、无源物联网的特点和优势10 （一）微能自供10 （二）极致能效10 （三）绿色环保10 （四）广泛适用11 Part3洞理•无源物联网的技术路线与应用场景12 一、无源物联网三大底层技术12 （一）环境能量采集技术12 （二）低功耗计算技术19 （三）低功耗通信技术20 二、无源物联网典型技术路线及对应场景21 （一）飞英思特无源物联网技术路线及应用场景21 （二）中国移动无源物联网技术路线及应用场景25 （三）OPPO无源物联网技术路线及应用场景27 （四）每开创新无源物联网技术路线及应用场景30 Part4明势•无源物联网产业现状及前景展望32 一、无源物联网产业链分析32 二、无源物联网市场前景展望33 （一）无源物联网典型应用发展曲线33 （二）无源物联网产业成熟度模型36 （三）无源物联网市场规模预测40 图表目录 图表1：无源物联网不同采能方式的发展现状、优劣势及主要应用场景13 图表2：光能采集方式技术原理示意图16 图表3：振动能量采集方式技术原理示意图17 图表4：温差能量采集方式技术原理示意图17 图表5：无线电射频能量采集方式技术原理示意图18 图表6：各类射频能量采集技术发展概况19 图表7：AmBC系统示意图22 图表8：飞英思特无源物联网环境微能量采集和管理解决方案23 图表9：飞英思特星云REVOMINDS®系列模组24 图表10：飞英思特基于自供能工牌的管理系统24 图表11：中国移动推进无源物联网发展的3阶段规划26 图表12：无源3.0系统空口架构图26 图表13：无源3.0系统网络架构图27 图表14：基于蜂窝的零功耗通信系统主要包括的通信方式28 图表15：无源物联网产业链结构图32 图表16：无源物联网技术与相关场景的应用匹配性33 图表17：无源物联网技术及应用场景发展成熟度曲线图36 图表18：无源物联网产业成熟度评估指标表39 图表19：无源物联网产业成熟度评估张力图40 图表20：无源物联网市场规模预测41 Part1缘起•无源物联网兴起的背景 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。无源物联网的兴起是物联网产业寻求发展突破和政府政策引导共同作用的结果。 一、千亿级万物智联愿景驱动 据智次方·挚物产业研究院测算，2022年中国物联网连接数有望接近77亿，距离百亿级连接目标仍有一定距离。从全球看，据IoTAnalytics统计，2021年物联网连接数达到122亿，预计2022年有望同比增长约20%，达到146亿左右。无论从国内或国际上看，基于目前“有源”技术路线的物联网连接，其规模上限或在百亿级别，距离业界期待的千亿级万物智联尚有较大差距。 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。以有源的NB-IoT模组为例，其价格目前介于10-20元间，相比已较成熟的无源物联网应用UHFRFID的标签高出几十倍，大规模采用有源模组并不符合众多行业的成本控制要求。例如在物流行业，据国家邮政局数据，2021年我国快递业务量为1083亿件，基于NB-IoT、Lora等有源技术实现每个快件的连接显然并不可行，须采用更廉价的物联网技术实现。无源物联网的最大优势，就是完全不需要电池，不仅将免去电池组件成本，还将节省更换电池的成本，更为符合海量物品实现低成本连接的需求。 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、高湿、极低温、高压、高辐射等极端场景，导致终端设备的电池更换困难或无法直接靠电池供电。当去掉电池后，终端的体积可进一步缩小，将有利于终端整体设计，同时由于免去电池更换等维护，将提升终端设备使用过程中的安全及效率水平。 因此，从物联网连接发展的趋势看，特别当面对海量物品“上线”需求时，无源物联网将是重要的支撑性技术路线。无源物联网技术有望在更广范围内，助力更大规模终端节点设备实现传感感知和传输连接，进而支持相关终端节点设备的海量数据汇聚，并结合边缘计算、云计算和人工智能等技术实现智能分析决策，最终促进形成万物智联的新业态。 二、“双碳”高质量发展目标引导 2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布， 中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，并努力争取2060年前实现碳中和目标。“双碳”目标的提出将驱动我国经济社会全面转向绿色高质量发展新时代。 在物联网领域，目前有源终端中较多采用电池供电。随着物联网产业快速发展，其耗费的电池数量将极为庞大。据IDC、Gatner等机构预测，在物联网发展成熟之际，全球或需416亿块电池来提供所有在线物联网设备收集、分析和发送数据所需的能量，将极有可能引发能源和环保挑战。因此，“双碳”背景下的物联网产业的变革迫在眉 睫，在达成千亿级万物智联目标的过程中，企业亟待加快技术创新，促进感知、计算和传输的能效大幅提升。随着无线传感网络的大规模应用，环境能量收集技术作为一种可持续、绿色环保的供电方式，有望为覆盖千亿级物联网节点提供可行解决方案。 Part2识辨•无源物联网概述 一、无源物联网发展的愿景 物联网作为构建万物智联未来社会的底层技术之一，通过对物理世界的感知、连接和智能管理，促进运转效率提升、生产成本降低和资源能耗节约。未来千亿级万物智联必将建立在低碳供能和设备低功耗运转等基础上。 无源物联网主要以收集环境中的微能量，并结合设备功耗降低，来维持设备的正常运转，是物联网中以节能减碳和低功耗为主要发展方向的技术。无源物联网将致力于成为千亿级万物智联的主要技术方案，其技术及应用发展的进程，或将决定万物智联目标的实现程度和速度。 二、无源物联网的定义 “源”，即电源、能量源。“无源”，即不接外部电源、不带电池。因此，“无源物联网”是指接入网络的终端节点设备，在不带电源线和无内置电池的情况下，实现数据的采集、传输和分布式计算等功能。不带电源线、无内置电池，并非终端节点设备无需能量，而是换了一种获取能量的方式，变为主要从环境中获取微能量支持自身正常运转。同时，“无源化”的对象并非网络，而是终端节点设备，亦即，网络侧的功能方式未发生根本性变化。 无源物联网是终端设备连接向自供能、低功耗方向发展的一项重 要技术方案，随着无源物联网技术的突破和应用规模的扩大，无源物联网甚至有望推动新一轮能源革命。 三、无源物联网的特点和优势 无源物联网通过技术创新，减少对人工能源的依赖，转为从自然中获取能量，开创出一种在自供能、低功耗工作基础上的能源自给自足的物联网新运转模式。 （一）微能自供 微能量在环境中普遍存在，但未被有效采集和利用。无源物联网终端节点设备通过采集环境中普遍存在的微能量支持自身运转，相对有源物联网具有更高的经济效益优势，以及低碳绿色的社会效益优势。 （二）极致能效 实现“无源”目标，需要克服许多技术难点，其核心为“通过任何来源所获得的能量必须超过设备运行本身所需的功耗”。因此，如何尽量降低设备能耗，利用节点当前的能量来完成尽可能多的数据感知、传输、计算任务，是无源物联网解决方案的主要努力方向之一。 （三）绿色环保 无源物联网能从制造和消费两个层面有效控制高能耗和高污染。一方面，无需电源供电，可以节约大量电池和电能，降低电池成本投入和能耗；另一方面，将有效避免因大量电池废弃造成的环境污染。 （四）广泛适用 无源物联网的终端节点设备无需携带电池或连接电源，从环境采集能量的特性可以满足大量小体积和极端作业场景的要求，从而有着更广泛的适用空间。例如，RFID技术作为目前应用最广的无源物联网技术，其产品出货量已达到每年数百亿的级别，在零售、医疗、物流、制造等行业广泛使用。 Part3洞理•无源物联网的技术路线与应用场景 一、无源物联网三大底层技术 无源物联网的工作主要依赖于环境能量采集、低功耗计算和低功耗通信三大底层技术。 （一）环境能量采集技术 无源物联网设备不依赖电池或布设电源线供电，而是通过捕捉环境中的能量，并转化为电能支持设备工作。近年来，能量转化技术的不断升级和成熟使得环境能量捕捉和使用成为现实。目前，从环境中采集能量的方式主要包括四种，即光能采集、振动能量采集、温差转换能量采集以及无线电射频能量采集。其中无线电射频能量采集方式下根据不同的通信制式又可以再作进一步的技术路线划分。目前，无源物联网应用中较具规模、成熟度较高的环境能量采集方式主要为光能和无线电射频能量采集。 不同环境能量采集方式的特点、优劣势、主要应用场景如下： 图表1：无源物联网不同采能方式的发展现状、优劣势及主要应用场景 能量采集方式 发展现状 优劣势 应用场景 光能采集 光能/太阳能采集是目前较为普遍、成熟的环境能量采集方式，其已成为清洁能源中规模最大的能量源之一。 优点： 能量密度大获取难度低产业链较成熟 缺点： 成本高 交通路灯环境监测海上勘探通信基站太阳能停车场光伏发电等 尺寸大安装维护成本高受时间、天气等诸多外界条件影响 农业监测智能家居 优点： 振动采集能量的3种转换方式都易于 MEMS技术集成 压电转换无需驱动电源，机电转换性能高、 智能可穿戴设备开关遥控器工业生产 振动能量采集在工业物联网和智能 输出电压高、环境适应能力好、结构紧凑 振动能量采集 家居等领域已有一定范围的应用，工 磁电转换无需额外的驱动电源与功能材料， 厂或家居场景多项设备的振动可以 且输出电流大 产生能量供采集。 静电转换无需功能材料且输出电压较高 缺点： 磁电转换输出电压低磁体与线圈尺寸较大静电转换需要外部电压源，且产生电流低、电容气隙小 部分可穿戴及工业监测设备正探索 优点： 能量环境适用广能量获取难度低 缺点： 能量密度低输出电压小限于低功耗设备 使用温差热能收集技术，因为不断散发热量的物体可作为热的一端，环境 温差转换采集 则成为冷的一端，二者间的温差将产生能量。不过，物体体表温度较其外部环境温度的温差并不会有较大差 低功耗设备微型体积设备烟感防火 异，因而输出电压将较小，难以支撑大功率设备正常工作，一般只能为低功耗设备供能。 无线电射频采集能量的来源广泛，手 优点： 电子设备使用广泛射频源丰富可复用、小尺寸、易部署、低成本 缺点： 能量密度小 物流包裹服装零售图书管理防伪追溯 机、移动通信基站、电视、电台信号基站、Wi-Fi、微波炉等设备都可以发射射频能量。目前通过射频方式可采 无线电射频采集 集到的能量较少，更多应用于超低功耗传感器。射频能量采集技术如果得以进一步突破，可作为极佳的能量采集方式。 来源：