作者：索菲亞物聯網智庫 過去幾年，降低終端節點功耗一直是物聯網的核心研究方向之一，催生了NB-IoT、LoRa、5G RedCap、藍芽低功耗、WiFi Halow等多項技術標準。 然而，現有的低功耗物聯網技術大多需要電池供電，存在諸多問題：一方面，大量專案受限於成本剛性，難以使用有源物聯網模組進行連線; 另一方面，許多有連線需求的物體受到其分布廣、移動靈活等因素的限制，或者用於高溫、極低溫、高壓等極端場景，導致終端裝置更換電池困難或無法直接依賴電池供電——被動物聯網是解決這些需求的有效手段。
無源物聯網（IoT）是指物聯網（IoT）技術，其中連線到網路的終端節點裝置不連線外部電源或有電池，而是從環境中獲取能量以支援資料感知、無線傳輸和分布式計算。 建立無源物聯網解決方案的核心理念是“從外部世界獲得的能量必須超過裝置執行所需的功耗”。 因此，現有的無源物聯網解決方案廠商主要有兩大方向，一是將晶元和模組的能耗降到最低，二是增加對環境能源的收集
就在最近，被動式物聯網在環境能量收集方面取得重要進展：1月16日發表在《自然通訊》上的一篇文章概述了一種新的製造方法，該方法將2D熱電材料的效能提高了四倍。 據作者稱，這一突破使使用環境熱量為物聯網裝置供電的夢想更近了一步
外部環境中存在大量能量**，環境能量收集技術將其收集並轉化為可用於感測節點工作的能量，主要的能量收集技術包括：環境光能量收集、振動能量收集、熱能收集和射頻能量收集。由於環境本身的特點，各種能量收集技術獲得的能量密度差異很大，以下是典型場景下四類環境能量的密度：
典型場景下四類環境中的能量密度。
在我們的日常生活中，各種機器和電子裝置都會產生大量的餘熱，因此熱能收集技術具有廣闊的市場前景，其原理是基於熱電材料的“熱電效應”
1821年，德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發現，如果將兩種不同金屬的兩端分開連線，當兩種金屬的溫度不同時，指南針的指標就會偏轉，因此他認為溫差會導致金屬產生磁場，這種現象稱為塞貝克效應。 然而，當時塞貝克並沒有在金屬電路中發現電流，後來丹麥物理學家漢斯·奧斯特（Hans Oster）重新研究了這種現象，並將其稱為“熱電效應”。
熱電效應（來源：搜狗百科）。
熱電效應能夠將溫差直接轉化為電壓，雖然所有材料都有熱電效應，但大多數材料的熱電效應並不明顯，無法投入實際使用。 因此，尋找和製備高效能固體熱電材料，不斷提高材料的熱電效率是許多科學家的研究方向。
希克斯-德雷塞爾豪斯理論
為了提高材料的熱電效率，研究人員需要降低材料的導熱性，同時提高其電導率和熱電勢（衡量每單位溫差產生多少電壓的量度）。 但是有很多挑戰，因為這些屬性是相互關聯的，並且在一定範圍內，改進乙個屬性可能會對其他屬性產生負面影響。
1993年，麻省理工學院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L d.Hicks預測，二維量子約束效應引起的態密度增強現象將大大提高材料的熱電功率因數，這為獲得高效能熱電材料提供了非常重要的理論指導。 這種效應可以使用量子阱來實現，量子阱的特徵是將一層薄薄的半導體夾在具有不同帶隙的另一種半導體的兩層之間。 這創造了乙個能量勢壘，將電子困在乙個薄的中間殼層中，電子只能在二維空間中移動，導致一種稱為“量子限制”的現象，其中電子只能存在於特定的、離散的能級上，而不是像通常那樣存在於連續體上。
很長一段時間以來，沒有實驗來證實這一理論**。 直到2018年，南京大學物理學院副研究員梁世軍和苗峰教授進行了實驗，同時與吉林大學張立軍教授的理論課題組合作利用二維材料厚度和載流子濃度的可控特性，首次證實了著名的Hicks-Dresselhaus理論預測
新的量子阱形狀使效能提高了四倍
在最新的研究中，Nakamura的團隊通過調整量子阱的設計，將Hicks-Dresselhaus理論的想法向前推進了一步。在概念層面上，典型的量子阱可以被認為是具有方形邊緣的，因為能量勢壘突然從井底的低勢能轉變為兩側非常高的勢能。 Nakamura的團隊設計了乙個三角形量子阱，其中能量勢壘從井底逐漸向上傾斜
根據Nakamura的說法，這種形狀顯著改變了井內能級的分布。 雖然方形井通常只有乙個或兩個能級，但三角形井可以有多個能級。 他說，電子可用的能級越多，電子遷移率就越好，因此熱電勢就越好。 更重要的是，三角井中的能級集中在更高的能量上，這進一步增加了熱電勢。
當然，形狀並不是唯一重要的因素——量子阱的中間層可以有多薄，並且仍然能達到量子極限，這因材料而異。 材料的選擇也會影響可以擠入疏水閥的能級。 Nakamura的團隊選擇了砷化鎵，砷化鎵具有建造量子阱的良好效能，並且也已用於商業用途，因此可以使用成熟的加工技術精確製造
研究人員在**中顯示他們創造的材料具有次優二維材料的四倍熱電功率。 雖然這是乙個令人印象深刻的飛躍，但在實際應用中，這可能意味著只能產生大約 100 微瓦的功率。 然而，在許多情況下，這足以消除微電子和功率微型物聯網感測器的廢熱，而無需額外成本
值得強調的是，研究人員正在使用的2D系統的複雜性和成本意味著它們距離工業規模生產還有很長的路要走，但這仍然對被動物聯網的未來具有重要意義。
回顧2023年，被動物聯網將在標準、技術、應用等方面繼續悄然發展。
標準級別
在5G R18階段，無線接入網技術組建立了乙個名為“RAN中的環境物聯網（物聯網）研究”的研究專案，隨著R18階段的標準化工作接近完成，該專案最終形成了編號為3GPP TR 38的專案848的技術報告是R18階段無線接入技術組無源物聯網的核心成果。
去年12月，國際標準化組織3GPP RAN 102會議落下帷幕，會上批准了多項研究專案（SI），其中包括無源物聯網研究專案“NR中環境物聯網（Internet of Things）解決方案研究”，成為R19階段無線接入層無源物聯網的核心課題， 為在5G網路中引入無源物聯網奠定了基礎。未來，5G甚至6G網路將支援無源物聯網（IoT）。
如果將 5G 無源物聯網歸入 3GPP 陣營，那麼非3GPP陣營中的藍芽和WiFi無源物聯網也在加速。例如，藍芽聯盟正在推動基於藍芽技術的無源物聯網標準化，而知名的無源物聯網製造商Wiliot是其中的主力軍。 與此同時，WiFi陣營中知名的國際組織IEEE也在持續推動無源物聯網的標準化。
專門的
除了上面提到的能量收集，許多廠商在降低晶元和模組能耗方面也取得了突出的成績
去年2月，飛星科技正式宣布研發出首款環境微能量收集與管理晶元FPM8100，這是國內無源物聯網領域首款環境微能量採集與管理晶元。 該晶元主要收集環境中常見的能量，如射頻能量、溫差能量、低光能量和振動能量。 通過冷啟動電路、電源開關、邏輯控制狀態機、儲存管理等主要模組，對前端無序、低質量的輸入能量進行高效管理、利用、儲存，形成新的“環境電池”形式，實現穩定輸出到後端電路。
去年4月，麻省理工學院（MIT）的研究人員宣布開發一種新晶元，該晶元使用太赫茲頻段作為喚醒接收器，僅消耗幾微瓦。 由於太赫茲頻段較高，太赫茲調製過程較為複雜。 麻省理工學院的研究人員認為，在混合調製的形式下，會消耗大量的功率，不利於接收器的低功耗執行。 研究人員開發了一種零功率探測器，可以在不需要混頻的情況下檢測太赫茲電磁波，其探測器使用一對微小電晶體作為天線，消耗很少的功率。 在多種技術的支援下，該晶元的工作電壓為08V，功耗為288微瓦。
應用程式級別
隨著5G-A的逐步商用，無源物聯網已經能夠注入新的增長動力。
去年9月，華為攜手電信運營商、標籤終端提供商、平台服務商，推動被動物聯網試點在江蘇省工業製造企業落地。 技術人員計畫在企業中物料托盤跟蹤和人員管理兩大場景進行被動物聯網試點。 物料托盤的“標籤”貼上或植入被動式物聯網後，平台可以在“標籤”接入網路後自動盤點貨物，與目前的人工盤點相比，大大節省了成本，提高了效率。 在人員佩戴的工作卡中內建標籤式終端，可以加強人員管理，如通過實時定位對非安全區域進行預警。 總之，通過被動物聯網技術，可以實現人、物、車輛等各種工業生產要素的透明視覺化，提高生產管理效率和安全係數。
浙江移動在杭州亞運會電競中心座艙內採用無源物聯網，標籤可與各種環境感測器（溫濕度等）結合，實時上報環境資訊，實現對環境溫度和濕度的實時監測。 同時，將與圓通物流在亞運村合作，跟蹤物流車輛和倉儲庫存資產。 基於蜂窩網路和無源物聯網標籤，通過電子圍欄和小區級位置識別觸發告警，實現對車輛、電動自行車等貴重資產的管理和防盜。
根據 GSMA（全球移動通訊系統協會）**2025 年全球物聯網裝置連線數可達 246 億，2021 年至 2025 年的復合年增長率為 128%。當數百億臺裝置甚至更遠更遠的裝置連線到網路時，大量的終端不需要過多的功率支援和傳輸效能，並且對成本有很高的要求，這些都是無源物聯網的應用場景。
隨著標準的不斷提高和技術的不斷突破，被動物聯網將成為推動智慧城市、智慧型製造、物流管理等領域發展的重要引擎。
參考資料：多重二維電子氣體系統中熱電功率因數的異常增強，Nature Communications
iot devices could tap ambient heat for power，ieee spectrum
張曉涵， 趙俊清， 張馳. 基於微納環境能量收集技術的自動駕駛無線感知系統[J].微納電子與智慧型製造。
熱電領域著名的希克斯-德雷塞爾豪斯理論的預測首次在二維層狀材料中得到實驗證實“，X-mol
從“入門”到“禿頂”，一文了解“被動物聯網”，物聯網智庫。
從“新”開始，中國移動加速5G-A技術創新應用“，人民郵電報。
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