Gartner去年公布的新興技術(shù)周期圖顯示，2016年IoT成為最被期待的新興技術(shù)，與之相關(guān)的IOT平臺同樣受到強烈的關(guān)注，未來(lái)5到10年IoT技術(shù)將趨于成熟。到2020年聯(lián)網(wǎng)設備的總數將達到甚至超過(guò)500億，物聯(lián)網(wǎng)將把家庭中的很多設備囊括進(jìn)來(lái)，其中小到智能恒溫器，可穿戴設備名大到智能電冰箱……
而電池有時(shí)候是移動(dòng)設備與傳感器的禍根，這種電源并不可靠，必須充電或是定期更換，可能會(huì )成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的最大弱點(diǎn)。為此美國華盛頓大學(xué)(University of Washington)研究人員想到了一個(gè)好主意：由從現有的廣播、電視以及其他無(wú)線(xiàn)信號中采集能量，他們開(kāi)發(fā)出一種能讓傳感器、可穿戴式設備等低能量設備，不需要電池或電線(xiàn)就能連網(wǎng)的方法。
目前，國外媒體報道，美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的學(xué)生們日前研發(fā)出了一種全新的WiFi技術(shù)，其最大特點(diǎn)是能耗不到當前WiFi的萬(wàn)分之一。最重要的是，通過(guò)反向wifi技術(shù)還可以給大批量物聯(lián)網(wǎng)設備充電。該技術(shù)已被《麻省理工科技評論》(MIT Technology Review)提名為“2016十大科技突破”，并且已實(shí)際應用在華盛頓大學(xué)校園里。
該技術(shù)能連接到30米內的任何WiFi設備上，還可以穿墻，每個(gè)設備的生產(chǎn)成本還不到一美元
反射無(wú)線(xiàn)電波，從電波中“吸取”供電能量
這項技術(shù)名為“Passive Wi-Fi”(被動(dòng)WiFi)，與日常使用的路由器幾乎沒(méi)什么兩樣，只是更節能。例如，當前路由器的發(fā)射功率為100毫瓦，而Passive Wi-Fi路由器的發(fā)射功率僅為10~50微瓦，僅為萬(wàn)分之一。
新WiFi技術(shù)的工作原理類(lèi)似于RFID芯片，利用的是電磁的后向反射（Wi-Fi backscatter）通信技術(shù)。當前的WiFi技術(shù)通過(guò)消耗電力來(lái)提供信號；而這項技術(shù)不同，它會(huì )選擇性地反射無(wú)線(xiàn)電波，還能從電波中“吸取”供電能量。
該項目研究人員瓦米思·塔爾拉(Vamsi Talla)稱(chēng)：“采用Passive Wi-Fi技術(shù)的設備本身并不傳輸任何信號，它只通過(guò)反射的方式生成數WiFi據包。因此，這種一種能耗非常低的無(wú)線(xiàn)發(fā)射技術(shù)。”
據研究人員介紹，Passive Wi-Fi的工作分為三步：首先需要在墻上安裝一個(gè)簡(jiǎn)易設備，用以發(fā)送模擬波到Passive Wi-Fi的傳感器上。電量大部分耗費在該過(guò)程中，而傳感器幾乎不耗費電量。
接下來(lái)，傳感器會(huì )接受模擬波，然后進(jìn)行數字轉換，生成Wifi數據包。最后，設備能以每秒11Mbps的速度(快于藍牙，但慢于部分家庭寬帶)向手機或路由器傳送網(wǎng)絡(luò )數據。
Wi-Fi無(wú)線(xiàn)充電，直接從空氣當中獲取能源
在這種技術(shù)的幫助下，未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)設備可能將不再需要電池，而是直接從空氣當中獲取能源。
他們發(fā)明這項黑科技，被稱(chēng)為“Wi-Fi無(wú)線(xiàn)充電”(“power over Wi-Fi”)系統，該技術(shù)讓我們可以通過(guò)Wi-Fi信號為距離28英尺(約合8.5米)內的設備充電。
這套系統由兩個(gè)部分構成，一個(gè)是接收器(路由器)，以及一個(gè)定制的傳感器。“傳感器的目標是收集RF(射頻)功率，并將其轉換為直流電源”該項目研究人員Vamsi Talla解釋道：“第二塊，就是我們的接收器，我們?yōu)槠鋵?zhuān)門(mén)定制了一個(gè)解決方案，利用軟體修正的方式，讓路由器成為一個(gè)給力的電源，同時(shí)，也能扮演好傳統路由器的角色。”換句話(huà)說(shuō)，你僅僅需要對傳統的Wi-Fi路由器進(jìn)行升級，讓數據傳輸和能源傳輸共存一體，互不干擾?；蛘?，更準確地說(shuō)，這項技術(shù)只是有效利用了路由器產(chǎn)生的既有電能。
除了利用射頻做為電源，華盛頓大學(xué)的工程師們也發(fā)現了重復利用現有Wi-Fi信號為無(wú)電池設備提供連網(wǎng)功能的方法；這種稱(chēng)為Wi-Fi Backscatter的技術(shù)，號稱(chēng)是第一個(gè)能讓無(wú)電池設備與Wi-Fi基礎設施鏈接的方案，奠基于讓低功率設備如溫度傳感器從廣播、電視與無(wú)線(xiàn)信號采集能量的較早期研究成果之上。
華盛頓大學(xué)表示，這種新技術(shù)需要克服的挑戰在于，傳統的低功率網(wǎng)絡(luò )如Wi-Fi與藍牙，所消耗的能量是得以從電視廣播、蜂窩網(wǎng)絡(luò )或Wi-Fi發(fā)射器采集之能量的兩到三倍。Wi-Fi Backscatter這種通訊機制，能讓透過(guò)射頻供電的設備透過(guò)反射(reflecting)或不反射來(lái)自Wi-Fi路由器的信號，將數據編碼；現有的設備與傳感器能偵測到由那些反射所產(chǎn)生的Wi-Fi信號強度變化。而因為Wi-Fi Backscatter只是反射、并非產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)信號，因此只需要不到10mW的電量就能與連網(wǎng)設備溝通。
美國華盛頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的Wi-Fi Backscatter技術(shù)示意圖
華盛頓大學(xué)計算機工程電子工程副教授Joshua Smith表示：“你可能會(huì )想，一個(gè)低功率設備怎么可能造成無(wú)線(xiàn)信號的微小變化？但如果你仔細觀(guān)察，會(huì )發(fā)現環(huán)境中所有Wi-Fi信號的反射都有這種現象。”Wi-Fi Backscatter可達到1kbps的通訊速率，設備之間的距離最長(cháng)可達20米，真是令人印象深刻。
早在19世紀末20世紀初，知名發(fā)明家 Nikola Tesla就提出過(guò)無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)，不過(guò)一直以來(lái)相關(guān)解決方案都無(wú)法取代隨處可見(jiàn)的AC電線(xiàn)；而現今產(chǎn)業(yè)界也有許多廠(chǎng)商都在開(kāi)發(fā)短距離的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。華盛頓大學(xué)計算機科學(xué)工程系副教授Shyam Gollakota表示：“要讓物聯(lián)網(wǎng)起飛，我們必須為可能達數十億臺、嵌入在各種日常用品中的無(wú)電池設備提供鏈接性。”
Gollakota 指出：“我們現在可以讓設備擁有無(wú)線(xiàn)鏈接功能，而且所消耗能量等級低于一般Wi-Fi設備。”也參與Wi-Fi Backscatter研發(fā)的華盛頓大學(xué)電子工程博士生Bryce Kellogg表示，該技術(shù)最大的優(yōu)勢之一，是只要透過(guò)軟件更新就能讓現有的家用無(wú)線(xiàn)路由器，擁有與其他家用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設備通訊的功能，這大大降低了消費者布署新技術(shù)的門(mén)坎。
新技術(shù)早已走出實(shí)驗室，正探尋市場(chǎng)化機會(huì )
Bryce Kellogg是華盛頓大學(xué)電子工程專(zhuān)業(yè)的一名博士生，同時(shí)也是Wi-Fi后向散射論文的聯(lián)合作者。他表示，這項技術(shù)擁有非常大的潛力。他表示，傳統Wi-Fi設備非常耗電，但Wi-Fi后向散射技術(shù)可以“大幅降低對于電池的依賴(lài)，甚至徹底消除對于電池的需要”。
在后向散射設備鏈的另一端，Wi-Fi接入點(diǎn)可以通過(guò)軟件升級來(lái)和該技術(shù)進(jìn)行協(xié)作，Kellogg說(shuō)。“這也就意味著(zhù)我們可以在房屋當中部署一套無(wú)需電池的傳感器或智能物聯(lián)網(wǎng)設備，然后通過(guò)現有的Wi-Fi路由器和它們進(jìn)行通訊。”他說(shuō)，“這種方式打破了影響用戶(hù)采納物聯(lián)網(wǎng)設備的一個(gè)巨大障礙。”
研究團隊對Wi-Fi充電系統進(jìn)行了試驗，在20英尺(約合6米)、17英尺(約合5.18米)、28英尺(約合8.53米)三個(gè)距離上，分別對一個(gè)溫度傳感器、數碼相機還有充電電池成功進(jìn)行了充電。如果你覺(jué)得這些玩意兒似乎有點(diǎn)小兒科，不要怪他們，要怪就怪美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)好了，人家硬要規定，Wi-Fi路由器的輸出功率最高不得超過(guò)一瓦，理由嘛，尚且不得而知。如果這一限制得以放松，Wi-Fi充電系統必將為更多更大件的設備服務(wù)。
目前，這種新技術(shù)早已走出了實(shí)驗室。華盛頓大學(xué)的研究團隊已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)測，他們在美國西雅圖市的六所住宅內部署了無(wú)線(xiàn)充電系統，所使用的是華碩RT-AC68U路由器。值得一提的是，測試用的路由器都是些幾年前的老型號了，但這并沒(méi)有影響到實(shí)驗結果，實(shí)驗證明，這項技術(shù)已經(jīng)完全可以投入使用。Talla表示：“理論上說(shuō)，這只不過(guò)是一個(gè)固件升級。”他們需要和硬件制造商合作，雖然當前還沒(méi)有談成交易，不過(guò)團隊也正努力探尋市場(chǎng)化的機會(huì )。
研究團隊已經(jīng)創(chuàng )建了一家公司，希望將迄今為止掌握的Wi-Fi充電技術(shù)轉化為一款真正的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。他們在市場(chǎng)化過(guò)程中，也看到了許多不足，需要進(jìn)一步提升。比如提高接收器效率，增加充電距離，以及通過(guò)代碼調整優(yōu)化，讓路由器進(jìn)一步完善升級。
Talla表示：“我們已經(jīng)對外發(fā)布的研究成果，可以視為第一個(gè)概念驗證(POC，即根據特定客戶(hù)的特定業(yè)務(wù)需求而設計的軟件、硬件原型的解決方案)。但這并不是最佳解決方案，我們正在積極研究，力圖讓該技術(shù)表現得更為成熟。”
另外，研究團隊也在考慮市場(chǎng)問(wèn)題，想要更好地適應工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域的需求。當然了，如果美國FCC對于路由器輸出功率的限制能夠放寬，一切將不再是問(wèn)題，不過(guò)即便有所限制，這項技術(shù)也還是大有用武之地的。
雖然目前的Wi-Fi充電暫時(shí)還只能是“涓涓細流”并不能“勢如山洪”，但這仍然是一個(gè)了不起的成就。忘了背插充電器，還有電池組什么的吧，我們需要的電能就在身邊，我們已經(jīng)找到利用它們的方法， Wi-Fi無(wú)線(xiàn)充電就在眼前。
移動(dòng)設備訪(fǎng)問(wèn)
