被5G/藍(lán)牙/UWB帶火的無源IoT，最終受益的可能是RFID

近日，由AIoT星圖研究院與物聯(lián)傳媒編寫的《中國RFID無源物聯(lián)網(wǎng)市場調(diào)研報(bào)告（2022版）》正式對外發(fā)布，報(bào)告的精華內(nèi)容，我們將會通過微信公眾號陸續(xù)對外展示。

無源物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備沒有采用電源（電池或者電線），而是通過采集環(huán)境中的微能量使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)正常工作。

人們常說，“水乃生命之源”，而能量，則是驅(qū)動(dòng)IoT設(shè)備工作的源頭。

在人類的發(fā)展史上，能源占據(jù)著舉足輕重的地位，目前，人們對于能量的采集、存儲與使用已經(jīng)爐火純青，以至于很多人都忽視了它的存在。但在IoT產(chǎn)業(yè)中，人們對能量的重視程度日益凸顯。

比如說，最近幾年新涌現(xiàn)出來的NB-IoT、LoRa等新興傳輸技術(shù)一個(gè)最主要的賣點(diǎn)就是低功耗。而藍(lán)牙、WiFi、Zigbee等成熟的無線傳輸技術(shù)，每一代版本的演進(jìn)突破方向之一，就是如何把功耗做到更低。

為何IoT市場如此重視低功耗

在IoT市場，連接數(shù)字是被視為市場前景重要指標(biāo)，200億、500億、1000億，這樣的連接數(shù)字頻頻出現(xiàn)在人們的視野。

而這些龐大的IoT設(shè)備，有非常大的比例是需要用電池供電，如果綜合考慮顯性成本與隱性成本，電池在IoT設(shè)備的成本比例不可小覷。

?顯性成本就是電池的購買成本，僅看價(jià)格，電池已經(jīng)很便宜，但是再便宜的單價(jià)×500億的量都是一個(gè)很大的數(shù)字，并且，如果功耗大，1臺設(shè)備更換電池就會很頻繁，電池的成本更高。

?隱性成本就是更換電池所耗費(fèi)的人工成本，電池對環(huán)節(jié)造成的損害等。隱性成本雖無法量化，但整體的量也是一個(gè)很大的數(shù)字。

所以，很多場景需要做到單個(gè)電池的使用壽命與IoT設(shè)備的迭代周期同步，即當(dāng)電池電量耗完時(shí)，這個(gè)設(shè)備也需要更換。

這一需求也促使了各類IoT相關(guān)的技術(shù)都在往低功耗的方向演進(jìn)，不僅僅是無線通信技術(shù)，還有低功耗傳感器產(chǎn)品，低功耗的IC架構(gòu)、更低功耗的基礎(chǔ)材料以及更低功耗的軟件系統(tǒng)等都逐漸被人重視。

但，有源設(shè)備中，功耗再低，還是需要電池。

那么， IoT設(shè)備能不能徹底擺脫電池的限制，不用電池就能正常使用呢？答案是肯定的。這就是最近火起來的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

從技術(shù)種類來分，無源物聯(lián)網(wǎng)主要分為這么幾類：

第一種就是通過采集周圍環(huán)境中的無線電能量來實(shí)現(xiàn)。比如說4G信號，5G信號，Wi-Fi信號，藍(lán)牙信號等等，每一種無線電信號，都是一種能量傳輸。

這也是最受關(guān)注的方式，因?yàn)橐粋€(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要正常運(yùn)作，除了獲取工作能量之外，還需要將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，而信號的傳輸也是依靠無線電信號，因此，采用無線電方式既可以獲取能量，也可以傳輸信號，讓系統(tǒng)非常的簡潔，同時(shí)成本、尺寸等都可以做到很低。

第二種常見的就是采集太陽能供電，太陽能供電可以獲取較大的電能，但是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，在某些場景適用，但是對于大規(guī)模，低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景而言，很明顯是不適用的。

第三種，就是按壓式發(fā)電，通過機(jī)械力改變材料的形變而產(chǎn)生電流，這種方式也有一些比較適用的場景，比如說開關(guān)，遙控器等。但這種需要直接動(dòng)手的方式，很明顯，在大多數(shù)的場景中也不適合。

除此之外，市場上也有溫度差，震動(dòng)等方式進(jìn)行自動(dòng)采集環(huán)節(jié)能源的方案出現(xiàn)。

因?yàn)闊o線電信號的無源物聯(lián)網(wǎng)方式應(yīng)用最廣泛，所以，這也是本報(bào)告重點(diǎn)研究的方向。

無源物聯(lián)網(wǎng)并不算新技術(shù)

為何最近這么受重視呢？

第一個(gè)原因：節(jié)能環(huán)保是全球共同的時(shí)代主題。

目前在全球范圍，關(guān)于如何對自然環(huán)境進(jìn)行保護(hù)以促進(jìn)人類的可持續(xù)發(fā)展成為了重要的課題，而我國也提出了“碳達(dá)峰”、“碳中和”的概念。

而電池的對環(huán)境有較大的損害，所以，在時(shí)代背景之下，通過吸收環(huán)境中的無線電波的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就受到了格外重視。

第二個(gè)原因：應(yīng)用需求端要求降低IoT設(shè)備的成本與尺寸。

IoT設(shè)備脫離了電池的束縛，可以做到更小的尺寸與更靈活的形態(tài)，甚至是柔性貼片式的形態(tài)，以方便應(yīng)用。

另外沒有電池也可以降低很大比例的成本，尤其是對于很多低價(jià)格的產(chǎn)品而言，幾毛錢的成本差異就會限制一大片應(yīng)用場景的使用。

物聯(lián)網(wǎng)的愿景就是“萬物皆可連接”，但對于很多低價(jià)格的產(chǎn)品，比如礦泉水、零食、快遞包裹等來說，產(chǎn)品的利潤很低，采用電池連接，顯然是不合適的。所以，采用低成本的無源連接方案成為釋放千億乃至萬億級連接量的必然之選。

為什么是RFID將會成為時(shí)代的答案？

無線傳輸技術(shù)有很多，為什么RFID會是時(shí)代的答案？

要評判一個(gè)無源無線電技術(shù)的優(yōu)劣，主要有兩個(gè)指標(biāo)，第一個(gè)指標(biāo)是工作的距離，工作距離越遠(yuǎn)，適用的場景就越廣；第二個(gè)指標(biāo)就是成本，無源物聯(lián)網(wǎng)適用的場景就是低成本，誰的成本更低，誰就更有優(yōu)勢。

1、相較于其他的無線技術(shù)，無源RFID可以傳輸?shù)母h(yuǎn)

無線電波無源物聯(lián)網(wǎng)方案想要獲得較遠(yuǎn)的傳輸距離，對相應(yīng)產(chǎn)品有兩個(gè)層面的要求。

第一，是從無線電波中吸取能量的效率要高。

從無線電波中吸取能量有近場與遠(yuǎn)場之分。近場能量傳輸主要是通過線圈的電感耦合，傳輸距離很近，比如說NFC就是采用這種方式，一般工作距離只有幾厘米。

而遠(yuǎn)場傳輸為微波輻射系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在遠(yuǎn)場區(qū)域(輻射場)中完成。常見的通信技術(shù)比如UHF RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi等都是在遠(yuǎn)場中完成能量傳輸。

影響遠(yuǎn)場能量傳輸?shù)臈l件主要有3個(gè)，即：信號源發(fā)射功率、天線的大小、以及無線電波的頻率。

發(fā)射功率每個(gè)國家都有嚴(yán)格的規(guī)定，尤其是民用產(chǎn)品都有發(fā)射功率上限，以避免對其他信號造成干擾或者對人體造成輻射危害，除了運(yùn)營商的蜂窩通信技術(shù)比非授權(quán)頻譜有更高的發(fā)射功率之外，其他的技術(shù)差別不大。

天線每種技術(shù)都通用，產(chǎn)生不了差異。

所以，影響無線電波能量傳輸最大的因素就是電磁波的頻率，下面一組測試數(shù)據(jù)：固定發(fā)射天線輸出功率及接收天線尺寸，記錄不同頻率下讀距，得到如下圖所示為不同頻率下的工作距離圖。

不同頻率下的工作距離圖，來源：《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》

由此可以看出，遠(yuǎn)場傳輸獲取能量效率最高的頻段是800MHz-1GHz區(qū)間范圍內(nèi)。在該頻段范圍內(nèi)，同等的條件下，節(jié)點(diǎn)工作的距離最遠(yuǎn)。

幾種主要的無線技術(shù)工作頻段：

第二，就是芯片的工作電流要足夠低。

芯片的工作電流越低，相應(yīng)的工作距離也會越遠(yuǎn)，我們統(tǒng)計(jì)了幾類頻率較為相近的通信技術(shù)的工作電流，見下圖：

在實(shí)際的應(yīng)用中，會通過加電容的方式儲存電量，在應(yīng)用的時(shí)候通過電容放電以達(dá)到芯片的工作要求，也可以擴(kuò)大芯片的工作距離，但這針對的是低頻次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

通過上述兩個(gè)維度的篩選，可以很直觀的得出一個(gè)結(jié)論，那就是RFID是最優(yōu)秀的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2、RFID的成本優(yōu)勢明顯

目前RFID的標(biāo)簽使用量每年已有數(shù)百億，龐大的規(guī)模刺激標(biāo)簽的成本價(jià)格在逐漸降低，以UHF RFID標(biāo)簽為例，目前在鞋服零售這類大批量通用市場上，它的市場售價(jià)穩(wěn)定在2-3毛人民幣，并且有繼續(xù)下降的趨勢，而市場上備受關(guān)注的快遞物流包裹場景中，對于電子標(biāo)簽的成本價(jià)要求是1毛以內(nèi)，這并不是一個(gè)不可達(dá)到的目標(biāo)。

而相比之下，wifi、藍(lán)牙、UWB等其他的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一顆芯片的成本都要幾塊到幾十塊，即便是為了適應(yīng)無源場景而進(jìn)行功能的簡化與成本低的優(yōu)化，也很難達(dá)到RFID的水平。

所以，從成本上來說，RFID是未來千億級低成本IoT連接方案的正確答案。

當(dāng)然，RFID技術(shù)也不是萬能，它也有自己的局限性。第一是它的能力非常簡單，只能存儲傳輸小量的數(shù)據(jù)，如果應(yīng)用場景中需要比較復(fù)雜的技術(shù)就不太合適；第二就是UHF RFID沒法與手機(jī)產(chǎn)生互動(dòng)，而要與手機(jī)產(chǎn)生互動(dòng)就需要加上NFC這樣的雙模方案，但這會增加成本，并且NFC傳輸?shù)木嚯x很短。

所以，不同的場景需要用不同的方案，其他的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會找到自己的應(yīng)用空間。

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)千億級的目標(biāo)，挑戰(zhàn)同樣很大。

挑戰(zhàn)一：缺芯帶來的陣痛

缺芯是最近一兩年最熱的話題，幾乎各行各業(yè)都面臨著缺芯的情況，RFID同樣如此。

缺芯的原因有很多，比如因疫情導(dǎo)致很多晶圓廠生產(chǎn)停工；中間商囤貨也是一個(gè)原因；當(dāng)然還有就是以新能源汽車為代表的增量市場，吸走了大量的芯片生產(chǎn)產(chǎn)能。

諸多的因素刺激之下，RFID芯片的產(chǎn)能就顯得緊張。

根據(jù)市場信息，RFID芯片都出現(xiàn)了不同程度的漲幅，芯片廠商對于大客戶會優(yōu)先供給，并且漲幅不大；但是在散客市場上，因?yàn)榈貌坏叫酒瑥S商的直接供給，只能去找市場上的存貨，而價(jià)格體系也非?；靵y，漲幅3-5倍甚至更高的交易都會出現(xiàn)。

缺芯潮對RFID行業(yè)也必將會帶來深遠(yuǎn)的影響。

最直接影響的就是改變了市場形態(tài)。在以往的商業(yè)環(huán)境中，誰手里有項(xiàng)目誰就有話語權(quán)，拿到項(xiàng)目的企業(yè)可以自己去擴(kuò)充產(chǎn)能去做，也可以外包給其他企業(yè)去做，這是一個(gè)買方市場。

而缺芯之后，逐漸變成了賣方市場，誰手里有芯片，誰手里有產(chǎn)能，誰就能拿到更多的項(xiàng)目。

另一個(gè)深遠(yuǎn)影響就是國產(chǎn)替代芯片的崛起。

雖然從性能上來說，國產(chǎn)RFID芯片與國外芯片還有些差距，但是國產(chǎn)芯片的價(jià)格優(yōu)勢明顯，再加上缺芯的因素，國產(chǎn)芯片在很多時(shí)候成為了市場的必然選擇。

有更多的項(xiàng)目使用，國產(chǎn)芯片企業(yè)就會有更多的財(cái)力以及項(xiàng)目驗(yàn)證去升級完善產(chǎn)品，這將會形成一個(gè)正反饋，相信即便是缺芯結(jié)束之后，國產(chǎn)芯片在市場上也會站穩(wěn)腳跟。

挑戰(zhàn)二：價(jià)格優(yōu)化的天花板

目前RFID標(biāo)簽最大的應(yīng)用領(lǐng)域是鞋服零售行業(yè)，而想要讓RFID標(biāo)簽有更普及的應(yīng)用領(lǐng)域，比如在快遞包裹、日常生活消耗品等，標(biāo)簽的價(jià)格依然是最主要的限制因素。

目前大項(xiàng)目中的UHF RFID鞋服標(biāo)簽價(jià)格水平約2-3毛錢，用國產(chǎn)的芯片甚至可以做到2毛以內(nèi)，但這依然不夠，很多場景需要標(biāo)簽的成本要低于1毛錢，這對成本的考驗(yàn)很大。

目前的UHF RFID標(biāo)簽成本主要來源于5個(gè)部分，即芯片、天線、生產(chǎn)設(shè)備投入、人工成本以及其他的耗材成本，每個(gè)標(biāo)簽成本占比見下表。

從上表中可以分析，標(biāo)簽的成本可以優(yōu)化的路徑有：芯片工藝的提升，以降低芯片的成本；天線工藝的改進(jìn)以降低天線成本；綁定機(jī)與復(fù)合機(jī)等設(shè)備的國產(chǎn)替代化以降低設(shè)備投入成本等。

綜合評估，雖然成本還有一定的優(yōu)化空間，但成本的優(yōu)化會有天花板，如果達(dá)到成本優(yōu)化的極限但是依然沒有達(dá)到低成本應(yīng)用場景的需要，則RFID標(biāo)簽的發(fā)展就會受阻。

挑戰(zhàn)三：在手機(jī)植入的不確定性

市場上已有RFID這一非常成熟非常優(yōu)秀的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，那為什么最近一兩年會冒出基于藍(lán)牙、UWB甚至5G的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呢？

一個(gè)非常重要的因素就是UHF RFID沒有植入手機(jī)，雖然NFC植入了手機(jī)，但是NFC的技術(shù)特點(diǎn)與藍(lán)牙、UWB等沒有可比性，應(yīng)用需求完全不一樣，而新興的無源技術(shù)都是可以與手機(jī)產(chǎn)生直接互動(dòng)。

RFID植入手機(jī)的好處顯而易見，首先是量大，智能手機(jī)每年的出貨量都有10億量級左右，這本身就是一個(gè)很大的市場。其次就是基于手機(jī)可以與消費(fèi)者產(chǎn)生直接的互動(dòng)，讓RFID的應(yīng)用從B端為主，轉(zhuǎn)為B+C端同步開展。最后，就是手機(jī)可以扮演讀頭的角色，讓大量的應(yīng)用不需要額外添置專用的讀寫器設(shè)備。

手機(jī)廠商植入U(xiǎn)HF RFID芯片在目前看來還沒有相關(guān)的信息，這一點(diǎn)，也會成為其他的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比RFID無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一個(gè)最主要的競爭點(diǎn)。

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