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被5G/蓝牙/UWB带火的无源IoT,最终受益的可能是RFID

来源: 发布时间:2022-05-21 2429 次浏览

近日,由AIoT星图研究院与物联传媒编写的《中国RFID无源物联网市场调研报告(2022版)》正式对外发布,报告的精华内容,我们将会通过微信公众号陆续对外展示。

无源物联网,顾名思义,就是物联网设备没有采用电源(电池或者电线),而是通过采集环境中的微能量使物联网节点正常工作。

人们常说,“水乃生命之源”,而能量,则是驱动IoT设备工作的源头。

在人类的发展史上,能源占据着举足轻重的地位,目前,人们对于能量的采集、存储与使用已经炉火纯青,以至于很多人都忽视了它的存在。但在IoT产业中,人们对能量的重视程度日益凸显。

比如说,最近几年新涌现出来的NB-IoT、LoRa等新兴传输技术一个最主要的卖点就是低功耗。而蓝牙、WiFi、Zigbee等成熟的无线传输技术,每一代版本的演进突破方向之一,就是如何把功耗做到更低。

为何IoT市场如此重视低功耗

在IoT市场,连接数字是被视为市场前景重要指标,200亿、500亿、1000亿,这样的连接数字频频出现在人们的视野。

而这些庞大的IoT设备,有非常大的比例是需要用电池供电,如果综合考虑显性成本与隐性成本,电池在IoT设备的成本比例不可小觑。

?显性成本就是电池的购买成本,仅看价格,电池已经很便宜,但是再便宜的单价×500亿的量都是一个很大的数字,并且,如果功耗大,1台设备更换电池就会很频繁,电池的成本更高。

?隐性成本就是更换电池所耗费的人工成本,电池对环节造成的损害等。隐性成本虽无法量化,但整体的量也是一个很大的数字。

所以,很多场景需要做到单个电池的使用寿命与IoT设备的迭代周期同步,即当电池电量耗完时,这个设备也需要更换。

这一需求也促使了各类IoT相关的技术都在往低功耗的方向演进,不仅仅是无线通信技术,还有低功耗传感器产品,低功耗的IC架构、更低功耗的基础材料以及更低功耗的软件系统等都逐渐被人重视。

但,有源设备中,功耗再低,还是需要电池。

那么, IoT设备能不能彻底摆脱电池的限制,不用电池就能正常使用呢?答案是肯定的。这就是最近火起来的无源物联网技术。

从技术种类来分,无源物联网主要分为这么几类:

种就是通过采集周围环境中的无线电能量来实现。比如说4G信号,5G信号,Wi-Fi信号,蓝牙信号等等,每一种无线电信号,都是一种能量传输。

这也是最受关注的方式,因为一个物联网设备要正常运作,除了获取工作能量之外,还需要将数据信息进行传输,而信号的传输也是依靠无线电信号,因此,采用无线电方式既可以获取能量,也可以传输信号,让系统非常的简洁,同时成本、尺寸等都可以做到很低。

第二种常见的就是采集太阳能供电,太阳能供电可以获取较大的电能,但是系统复杂,成本高,在某些场景适用,但是对于大规模,低成本的物联网应用场景而言,很明显是不适用的。

第三种,就是按压式发电,通过机械力改变材料的形变而产生电流,这种方式也有一些比较适用的场景,比如说开关,遥控器等。但这种需要直接动手的方式,很明显,在大多数的场景中也不适合。

除此之外,市场上也有温度差,震动等方式进行自动采集环节能源的方案出现。


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因为无线电信号的无源物联网方式应用最广泛,所以,这也是本报告重点研究的方向

无源物联网并不算新技术

为何最近这么受重视呢?

个原因:节能环保是全球共同的时代主题。

目前在全球范围,关于如何对自然环境进行保护以促进人类的可持续发展成为了重要的课题,而我国也提出了“碳达峰”、“碳中和”的概念。

而电池的对环境有较大的损害,所以,在时代背景之下,通过吸收环境中的无线电波的无源物联网技术就受到了格外重视。

第二个原因:应用需求端要求降低IoT设备的成本与尺寸。

IoT设备脱离了电池的束缚,可以做到更小的尺寸与更灵活的形态,甚至是柔性贴片式的形态,以方便应用。

另外没有电池也可以降低很大比例的成本,尤其是对于很多低价格的产品而言,几毛钱的成本差异就会限制一大片应用场景的使用。


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物联网的愿景就是“万物皆可连接”,但对于很多低价格的产品,比如矿泉水、零食、快递包裹等来说,产品的利润很低,采用电池连接,显然是不合适的。所以,采用低成本的无源连接方案成为释放千亿乃至万亿级连接量的必然之选。

为什么是RFID将会成为时代的答案?

无线传输技术有很多,为什么RFID会是时代的答案?

要评判一个无源无线电技术的优劣,主要有两个指标,个指标是工作的距离,工作距离越远,适用的场景就越广;第二个指标就是成本,无源物联网适用的场景就是低成本,谁的成本更低,谁就更有优势。


1、相较于其他的无线技术,无源RFID可以传输的更远

无线电波无源物联网方案想要获得较远的传输距离,对相应产品有两个层面的要求。

,是从无线电波中吸取能量的效率要高。

从无线电波中吸取能量有近场与远场之分。近场能量传输主要是通过线圈的电感耦合,传输距离很近,比如说NFC就是采用这种方式,一般工作距离只有几厘米。

而远场传输为微波辐射系统,电磁能量的传送是在远场区域(辐射场)中完成。常见的通信技术比如UHF RFID、蓝牙、Wi-Fi等都是在远场中完成能量传输。

影响远场能量传输的条件主要有3个,即:信号源发射功率、天线的大小、以及无线电波的频率。

发射功率每个都有严格的规定,尤其是民用产品都有发射功率上限,以避免对其他信号造成干扰或者对人体造成辐射危害,除了运营商的蜂窝通信技术比非授权频谱有更高的发射功率之外,其他的技术差别不大。

天线每种技术都通用,产生不了差异。

所以,影响无线电波能量传输更大的因素就是电磁波的频率,下面一组测试数据:固定发射天线输出功率及接收天线尺寸,记录不同频率下读距,得到如下图所示为不同频率下的工作距离图。


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不同频率下的工作距离图,来源:《物联网UHF RFID技术、产品及应用》

由此可以看出,远场传输获取能量效率更高的频段是800MHz-1GHz区间范围内。在该频段范围内,同等的条件下,节点工作的距离最远。

几种主要的无线技术工作频段:


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第二,就是芯片的工作电流要足够低。

芯片的工作电流越低,相应的工作距离也会越远,我们统计了几类频率较为相近的通信技术的工作电流,见下图:


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在实际的应用中,会通过加电容的方式储存电量,在应用的时候通过电容放电以达到芯片的工作要求,也可以扩大芯片的工作距离,但这针对的是低频次数据传输的场景。

通过上述两个维度的筛选,可以很直观的得出一个结论,那就是RFID是更的无源物联网技术。


2、RFID的成本优势明显

目前RFID的标签使用量每年已有数百亿,庞大的规模刺激标签的成本价格在逐渐降低,以UHF RFID标签为例,目前在鞋服零售这类大批量通用市场上,它的市场售价稳定在2-3毛人民币,并且有继续下降的趋势,而市场上备受关注的快递物流包裹场景中,对于电子标签的成本价要求是1毛以内,这并不是一个不可达到的目标。

而相比之下,wifi、蓝牙、UWB等其他的无源物联网技术,一颗芯片的成本都要几块到几十块,即便是为了适应无源场景而进行功能的简化与成本低的优化,也很难达到RFID的水平。

所以,从成本上来说,RFID是未来千亿级低成本IoT连接方案的正确答案。

当然,RFID技术也不是,它也有自己的局限性。是它的能力非常简单,只能存储传输小量的数据,如果应用场景中需要比较复杂的技术就不太合适;第二就是UHF RFID没法与手机产生互动,而要与手机产生互动就需要加上NFC这样的双模方案,但这会增加成本,并且NFC传输的距离很短。

所以,不同的场景需要用不同的方案,其他的无源物联网技术也会找到自己的应用空间。

当然,要实现千亿级的目标,挑战同样很大。

挑战一:缺芯带来的阵痛

缺芯是最近一两年最热的话题,几乎各行各业都面临着缺芯的情况,RFID同样如此。

缺芯的原因有很多,比如因疫情导致很多晶圆厂生产停工;中间商囤货也是一个原因;当然还有就是以新能源汽车为代表的增量市场,吸走了大量的芯片生产产能。

诸多的因素刺激之下,RFID芯片的产能就显得紧张。

根据市场信息,RFID芯片都出现了不同程度的涨幅,芯片厂商对于大客户会优先供给,并且涨幅不大;但是在散客市场上,因为得不到芯片厂商的直接供给,只能去找市场上的存货,而价格体系也非常混乱,涨幅3-5倍甚至更高的交易都会出现。

缺芯潮对RFID行业也必将会带来深远的影响。

最直接影响的就是改变了市场形态。在以往的商业环境中,谁手里有项目谁就有话语权,拿到项目的企业可以自己去扩充产能去做,也可以外包给其他企业去做,这是一个买方市场。

而缺芯之后,逐渐变成了卖方市场,谁手里有芯片,谁手里有产能,谁就能拿到更多的项目。

另一个深远影响就是国产替代芯片的崛起。

虽然从性能上来说,国产RFID芯片与国外芯片还有些差距,但是国产芯片的价格优势明显,再加上缺芯的因素,国产芯片在很多时候成为了市场的必然选择。

有更多的项目使用,国产芯片企业就会有更多的财力以及项目验证去升级完善产品,这将会形成一个正反馈,相信即便是缺芯结束之后,国产芯片在市场上也会站稳脚跟。

挑战二:价格优化的天花板

目前RFID标签更大的应用领域是鞋服零售行业,而想要让RFID标签有更普及的应用领域,比如在快递包裹、日常生活消耗品等,标签的价格依然是最主要的限制因素。

目前大项目中的UHF RFID鞋服标签价格水平约2-3毛钱,用国产的芯片甚至可以做到2毛以内,但这依然不够,很多场景需要标签的成本要低于1毛钱,这对成本的考验很大。

目前的UHF RFID标签成本主要来源于5个部分,即芯片、天线、生产设备投入、人工成本以及其他的耗材成本,每个标签成本占比见下表。


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从上表中可以分析,标签的成本可以优化的路径有:芯片工艺的提升,以降低芯片的成本;天线工艺的改进以降低天线成本;绑定机与复合机等设备的国产替代化以降低设备投入成本等。

综合评估,虽然成本还有一定的优化空间,但成本的优化会有天花板,如果达到成本优化的极限但是依然没有达到低成本应用场景的需要,则RFID标签的发展就会受阻。

挑战三:在手机植入的不确定性

市场上已有RFID这一非常成熟非常的无源物联网技术,那为什么最近一两年会冒出基于蓝牙、UWB甚至5G的无源物联网技术呢?

一个非常重要的因素就是UHF RFID没有植入手机,虽然NFC植入了手机,但是NFC的技术特点与蓝牙、UWB等没有可比性,应用需求完全不一样,而新兴的无源技术都是可以与手机产生直接互动。

RFID植入手机的好处显而易见,首先是量大,智能手机每年的出货量都有10亿量级左右,这本身就是一个很大的市场。其次就是基于手机可以与消费者产生直接的互动,让RFID的应用从B端为主,转为B+C端同步开展。最后,就是手机可以扮演读头的角色,让大量的应用不需要额外添置专用的读写器设备。

手机厂商植入UHF RFID芯片在目前看来还没有相关的信息,这一点,也会成为其他的无源物联网技术相比RFID无源物联网技术一个最主要的竞争点。