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(tái)同樣受到強(qiáng)烈的關(guān)注，未來5到10年IoT技術(shù)將趨于成熟。到2020年聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到甚至超過500億，物聯(lián)網(wǎng)將把家庭中的很多設(shè)備囊括進(jìn)來，其中小到智能恒溫器，可穿戴設(shè)備名大到智能電冰箱……
而電池有時(shí)候是移動(dòng)設(shè)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(xiàn)有的廣播、電視以及其他無線信號中采集能量，他們開發(fā)出一種能讓傳感器、可穿戴式設(shè)備等低能量設(shè)備，不需要電池或電線就能連網(wǎng)的方法。
目前，國外媒體報(bào)道，美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的學(xué)生們?nèi)涨把邪l(fā)出了一種全新的WiFi技術(shù)，其最大特點(diǎn)是能耗不到當(dāng)前WiFi的萬分之一。最重要的是，通過反向wifi技術(shù)還可以給大批量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)用在華盛頓大學(xué)校園里。
該技術(shù)能連接到30米內(nèi)的任何WiFi設(shè)備上，還可以穿墻，每個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)成本還不到一美元
反射無線電波，從電波中“吸取”供電能量
這項(xiàng)技術(shù)名為“Passive Wi-Fi”(被動(dòng)WiFi)，與日常使用的路由器幾乎沒什么兩樣，只是更節(jié)能。例如，當(dāng)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，僅為萬分之一。
新WiFi技術(shù)的工作原理類似于RFID芯片，利用的是電磁的后向反射（Wi-Fi backscatter）通信技術(shù)。當(dāng)前的WiFi技術(shù)通過消耗電力來提供信號；而這項(xiàng)技術(shù)不同，它會(huì)選擇性地反射無線電波，還能從電波中“吸取”供電能量。
該項(xiàng)目研究人員瓦米思·塔爾拉(Vamsi Talla)稱：“采用Passive Wi-Fi技術(shù)的設(shè)備本身并不傳輸任何信號，它只通過反射的方式生成數(shù)WiFi據(jù)包。因此，這種一種能耗非常低的無線發(fā)射技術(shù)。”
據(jù)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)簡易設(shè)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(fèi)在該過程中，而傳感器幾乎不耗費(fèi)電量。
接下來，傳感器會(huì)接受模擬波，然后進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，生成Wifi數(shù)據(jù)包。最后，設(shè)備能以每秒11Mbps的速度(快于藍(lán)牙，但慢于部分家庭寬帶)向手機(jī)或路由器傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
Wi-Fi無線充電，直接從空氣當(dāng)中獲取能源
在這種技術(shù)的幫助下，未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能將不再需要電池，而是直接從空氣當(dāng)中獲取能源。
他們發(fā)明這項(xiàng)黑科技，被稱為“Wi-Fi無線充電”(“power over Wi-Fi”)系統(tǒng)，該技術(shù)讓我們可以通過Wi-Fi信號為距離28英尺(約合8.5米)內(nèi)的設(shè)備充電。
這套系統(tǒng)由兩個(gè)部分構(gòu)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(biāo)是收集RF(射頻)功率，并將其轉(zhuǎn)換為直流電源”該項(xiàng)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ｉT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(tǒng)路由器的角色。”換句話說，你僅僅需要對傳統(tǒng)的Wi-Fi路由器進(jìn)行升級，讓數(shù)據(jù)傳輸和能源傳輸共存一體，互不干擾?；蛘撸鼫?zhǔn)確地說，這項(xiàng)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(xiàn)了重復(fù)利用現(xiàn)有Wi-Fi信號為無電池設(shè)備提供連網(wǎng)功能的方法；這種稱為Wi-Fi Backscatter的技術(shù)，號稱是第一個(gè)能讓無電池設(shè)備與Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施鏈接的方案，奠基于讓低功率設(shè)備如溫度傳感器從廣播、電視與無線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(zhàn)在于，傳統(tǒng)的低功率網(wǎng)絡(luò)如Wi-Fi與藍(lán)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(jī)制，能讓透過射頻供電的設(shè)備透過反射(reflecting)或不反射來自Wi-Fi路由器的信號，將數(shù)據(jù)編碼；現(xiàn)有的設(shè)備與傳感器能偵測到由那些反射所產(chǎn)生的Wi-Fi信號強(qiáng)度變化。而因?yàn)閃i-Fi Backscatter只是反射、并非產(chǎn)生無線信號，因此只需要不到10mW的電量就能與連網(wǎng)設(shè)備溝通。
美國華盛頓大學(xué)開發(fā)的Wi-Fi Backscatter技術(shù)示意圖
華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)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(shè)備怎么可能造成無線信號的微小變化？但如果你仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中所有Wi-Fi信號的反射都有這種現(xiàn)象。”Wi-Fi Backscatter可達(dá)到1kbps的通訊速率，設(shè)備之間的距離最長可達(dá)20米，真是令人印象深刻。
早在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，知名發(fā)明家 Nikola Tesla就提出過無線供電技術(shù)，不過一直以來相關(guān)解決方案都無法取代隨處可見的AC電線；而現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)界也有許多廠商都在開發(fā)短距離的無線充電技術(shù)。華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)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(dá)數(shù)十億臺(tái)、嵌入在各種日常用品中的無電池設(shè)備提供鏈接性。”
Gollakota 指出：“我們現(xiàn)在可以讓設(shè)備擁有無線鏈接功能，而且所消耗能量等級低于一般Wi-Fi設(shè)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，是只要透過軟件更新就能讓現(xiàn)有的家用無線路由器，擁有與其他家用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通訊的功能，這大大降低了消費(fèi)者布署新技術(shù)的門坎。
新技術(shù)早已走出實(shí)驗(yàn)室，正探尋市場化機(jī)會(huì)
Bryce Kellogg是華盛頓大學(xué)電子工程專業(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(xiàng)技術(shù)擁有非常大的潛力。他表示，傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)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，甚至徹底消除對于電池的需要”。
在后向散射設(shè)備鏈的另一端，Wi-Fi接入點(diǎn)可以通過軟件升級來和該技術(shù)進(jìn)行協(xié)作，Kellogg說。“這也就意味著我們可以在房屋當(dāng)中部署一套無需電池的傳感器或智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，然后通過現(xiàn)有的Wi-Fi路由器和它們進(jìn)行通訊。”他說，“這種方式打破了影響用戶采納物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一個(gè)巨大障礙。”
研究團(tuán)隊(duì)對Wi-Fi充電系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，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(shù)碼相機(jī)還有充電電池成功進(jìn)行了充電。如果你覺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(guī)定，Wi-Fi路由器的輸出功率最高不得超過一瓦，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(tǒng)必將為更多更大件的設(shè)備服務(wù)。
目前，這種新技術(shù)早已走出了實(shí)驗(yàn)室。華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(nèi)部署了無線充電系統(tǒng)，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，但這并沒有影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)證明，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)完全可以投入使用。Talla表示：“理論上說，這只不過是一個(gè)固件升級。”他們需要和硬件制造商合作，雖然當(dāng)前還沒有談成交易，不過團(tuán)隊(duì)也正努力探尋市場化的機(jī)會(huì)。
研究團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)化為一款真正的產(chǎn)品投放市場。他們在市場化過程中，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，以及通過代碼調(diào)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(yàn)證(POC，即根據(jù)特定客戶的特定業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)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(xiàn)得更為成熟。”
另外，研究團(tuán)隊(duì)也在考慮市場問題，想要更好地適應(yīng)工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域的需求。當(dāng)然了，如果美國FCC對于路由器輸出功率的限制能夠放寬，一切將不再是問題，不過即便有所限制，這項(xiàng)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(xì)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無線充電就在眼前。
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