2030年无源物联网设备出货量达到11亿台，能量收集技术产业生态正在形成

摘要：无源物联网作为一类新的连接设备，可以通过周围环境中的几乎任何可用的能量来源收集能量，为物联网设备提供支持。这类设备的背后是能量收集（Energy Harvesting）技术，近年来，一个由能量收集器件制造商组成的生态系统已经出现，推动了无源物联网设备的增长。近

无源物联网作为一类新的连接设备，可以通过周围环境中的几乎任何可用的能量来源收集能量，为物联网设备提供支持。这类设备的背后是能量收集（Energy Harvesting）技术，近年来，一个由能量收集器件制造商组成的生态系统已经出现，推动了无源物联网设备的增长。近期，市场研究公司ABI Research发布报告预测，到2030 年，在能量收集技术推动下，无源物联网设备的出货量将达到11亿台。

能量收集技术产业生态形成

能量收集技术生态主要关注两个方面，一是专注于能量转化，通过技术优化创新，实现环境能量更高效转化为物联网设备可用的能源；另一个是专注于电源管理芯片（PMIC）的设计，致力于开发能够以最有效的方式将收集的能量通过一颗芯片进行管理。

能量收集技术并非一个新事物，多年前已开始了研发和商用，利用该技术，可以从周围环境中捕获能量并转化为电能，能量的来源可能包括多种途径，如环境光、振动、热量或射频等，捕捉的能量转化成的电能虽然并不多，但对于一些超低功耗的节点完全足够。物联网的发展，使无线传感网络大规模应用，能量收集技术作为一种可持续的、绿色环保的供电方式，为传感网络数据收集和传输提供解决方案。

目前，主要的能量收集方式包括：

（1）环境光能收集

光能收集是最为常见的能量收集方式，当前太阳能光伏发电已初具规模，为未来能源结构变化做出贡献。当然，光能采集的局限性也非常明显，其收集能量的强度往往受到时间、天气等诸多外界条件的影响，在夜晚或者阴天等太阳光照不足的情况下，收集到的光能特别少，这将导致光能收集的不可控性和不可持续性。不过，随着光相关储能技术的发展，相应问题正在得到解决。一些相对固定的无线传感器场景可以配备光能收集技术，如环境监测场景。

（2）振动能量收集

一般情况下通过振动收集到的能量，可以通过以下3种方式进行能量转换：压电转换、静电转换和磁电转换。其中，静电转换方式可以通过静电感应，将机械能转化成电能；压电转换方式在进行能量转换时，需要形成初始电压差，才能进行设备供电的能量转换；磁电转换方式，通过振动使导体切割磁感线产生能量。振动能量收集应用范围比较广，如物流、可穿戴设备等场景。

（3）热能收集

热能转化，是基于热电材料的赛贝克效应，通过热电发生器，将热能转化为电能。部分可穿戴设备探索使用热能收集的技术，因为不断散发热量的人体可以作为热的一端，环境则成为冷的一端，产生能量的多少取决于高低温度之间的值。不过，在很多情况下，人体体表温度较外部环境温度来说，温差并没有那么大，而输出电压较小，将不足以支撑智能穿戴设备的正常使用，一般只能为部分低功耗可穿戴设备供能。

（4）射频能量收集

射频能收集的能量，不仅来源手机，还来源于移动通信基站、电视、电台信号基站、wifi、微波炉等。我们每天都被各种射频信号包围，可以随时作为能量收集的来源，但射频方式可收集到的能量很少，更多应用于超低功耗传感器。随着射频能量发射器用户的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通过使用最大功率点追踪的方法，并通过提高能量的转换效率，可以应用的场景不断增长。

各类能量收集技术各有优劣，随着时间推移会形成相对稳定的市场格局。ABI Research预测，到2030年环境光能量收集将成为无源物联网设备供电的最常用方法，占设备出货量的57%，其次是射频能量收集，占比为36%，而以压电为代表的振动能量收集和热能收集预计占比分别为4%和3%。因此，未来无源物联网的能量收集技术将以环境光和射频能量收集为主。

能量收集的产业生态也逐渐形成，ABI Research跟踪了Wiliot、Exeger、Energous、Epishine、Powercast、EnOcean 和 Ossia等厂商，主要研究能量转化的设计，另外以e-peas和安世半导体为代表的电源管理芯片（PMIC）厂商，这些厂商为整个物联网领域的新应用开辟新的应用，以使用可靠的无电池系统，以及用于电池充电和能量收集组合的混合模型。

其中，电源管理芯片得到了成为业界关注的一个重点，该产品目标是实现“与能源无关”的电源管理，可以管理从任何能量收集的输入中捕获的能量，无论是环境光、射频、压电还是热电收集，设备厂商采用芯片，可以根据设备附近环境能量输入的性质来选择所需的输入。

e-peas和安世半导体都拥有电源管理芯片的能力，其中安世半导体是中国厂商闻泰科技控股的厂商。2022年11月，安世半导体宣布收购了荷兰半导体公司Nowi，该公司成立于2016年，主要产品为能量采集提供电源管理芯片，其芯片可以对从环境收集到的微弱能量进行有效管理，为物联网传感器、电子标签、智能手环等场景提供能量支持。

无源物联网蓬勃发展

当前，无源物联网得到业界高度重视。今年 2 月，包括英飞凌、英特尔、百事可乐和高通在内的领先行业公司联合成立了无源物联网联盟（AIoTA）。该联盟特别关注WiFi、蓝牙和5G设备中的无源物联网。其他创始单位还包括Atmosic、 VusionGroup以及知名无源物联网创业企业Wiliot。

Wiliot在去年10月宣布与英国皇家邮政合作，部署250万个无源物联网标签，来提升皇家邮政包裹的处理效率。这些标签并不是粘贴在每一个包裹上，而是粘贴在皇家邮政的周转笼上。周转笼用于批量地将包裹从一个分检地转运至另一个分检地。目前，英国皇家邮政有85万个周转笼，这意味着本次合作中，每个周转笼将粘贴3个无源物联网标签，做到冗余备份，保证Wiliot系统能对每个转运笼的持续访问。

3GPP也正在推进相关工作将无源物联网纳入5G R19和R20标准中。在R19规范中，3GPP SA1中启动了一项无源物联网的研究，以确定用例、流量场景、服务要求和 KPI，这项研究的结果记录在TR 22.840 中；其他SA工作组也在研究无源物联网设备的服务架构、安全方面和充电方面。另外，RAN全体会议上也进行了一项平行研究，以检查无源物联网相关用例的设计目标的可行性，这项研究的结果记录在 TR 38.848 中。