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物联网黑科技：不耗电能充电的wifi技术

2017-03-02 12:22:32

Gartner去年公布的新兴技术周期图显示，2016年IoT成为最被期待的新兴技术，与之相干的IOT平台一样遭到强烈的关注，未来5到10年IoT技术将趋于成熟。到2020年联网装备的总数将到达乃至超过500亿，物联网将把家庭中的很多装备包括进来，其中小到智能恒温器，可穿着装备名大到智能电冰箱……

而电池有时候是移动装备与传感器的祸根，这类电源其实不可靠，必须充电或是定期更换，可能会成为物联网（IoT）的最大弱点。为此美国华盛顿大学（University of Washington）研究人员想到了1个好主张：由从现有的广播、电视和其他无线信号中收集能量，他们开发出1种能让传感器、可穿着式装备等低能量装备，不需要电池或电线就可以连网的方法。

目前，国外媒体报导，美国华盛顿大学电子工程学院的学生们日前研发出了1种全新的WiFi技术，其最大特点是能耗不到当前WiFi的万分之1。最重要的是，通过反向wifi技术还可以给大批量物联网装备充电。该技术已被《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）提名为“201610大科技突破”，并且已实际利用在华盛顿大学校园里。

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发射无线电波从电波中“吸取”供电能源

这项技术名为“Passive Wi-Fi”（被动WiFi），与平常使用的路由器几近没甚么两样，只是更节能。例如，当前路由器的发射功率为100毫瓦，而Passive Wi-Fi路由器的发射功率仅为10~50微瓦，仅为万分之1。

新WiFi技术的工作原理类似于RFID芯片，利用的是电磁的后向反射（Wi-Fi backscatter）通讯技术。当前的WiFi技术通过消耗电力来提供信号；而这项技术不同，它会选择性地反射无线电波，还能从电波中“吸取”供电能量。

该项目研究人员瓦米思·塔尔拉（VamsiTalla）称：“采取Passive Wi-Fi技术的装备本身其实不传输任何信号，它只通过反射的方式生成数WiFi据包。因此，这类1种能耗非常低的无线发射技术。”

据研究人员介绍，Passive Wi-Fi的工作分为3步：首先需要在墙上安装1个简易装备，用以发送摹拟波到Passive Wi-Fi的传感器上。电量大部份耗费在该进程中，而传感器几近不耗费电量。

接下来，传感器会接受摹拟波，然落后行数字转换，生成Wifi数据包。最后，装备能以每秒11Mbps的速度（快于蓝牙，但慢于部份家庭宽带）向手机或路由器传送网络数据。

该低功耗wifi装备，来自名为Wi-Fi后向散射（Wi-Fi backscatter）的新型通讯系统，该系统可以使用无线电频率作为电能来源，未来乃至不再需要电池。

Wi-Fi无线充电直接从空气中获得能源

在这类技术的帮助下，未来的物联网装备可能将不再需要电池，而是直接从空气当中获得能源。

他们发明这项黑科技，被称为“Wi-Fi无线充电”（“powerover Wi-Fi”）系统，该技术让我们可以通过Wi-Fi信号为距离28英尺（约合8.5米）内的装备充电。

这套系统由两个部份构成，1个是接收器（路由器），和1个定制的传感器。“传感器的目标是搜集RF（射频）功率，并将其转换为直流电源”该项目研究人员Vamsi Talla解释道：“第2块，就是我们的接收器，我们为其专门定制了1个解决方案，利用软体修正的方式，让路由器成为1个给力的电源，同时，也能扮演好传统路由器的角色。”换句话说，你仅仅需要对传统的Wi-Fi路由器进行升级，让数据传输和能源传输共存1体，互不干扰。或，更准确地说，这项技术只是有效利用了路由器产生的既有电能。

除利用射频做为电源，华盛顿大学的工程师们也发现了重复利用现有Wi-Fi信号为无电池装备提供连网功能的方法；这类称为Wi-Fi Backscatter的技术，号称是第1个能让无电池装备与Wi-Fi基础设施链接的方案，奠基于让低功率装备如温度传感器从广播、电视与无线信号收集能量的较初期研究成果之上。

华盛顿大学表示，这类新技术需要克服的挑战在于，传统的低功率网络如Wi-Fi与蓝牙，所消耗的能量是得以从电视广播、蜂窝网络或Wi-Fi发射器收集之能量的两到3倍。Wi-Fi Backscatter这类通讯机制，能让透过射频供电的装备透过反射（reflecting）或不反射来自Wi-Fi路由器的信号，将数据编码；现有的装备与传感器能侦测到由那些反射所产生的Wi-Fi信号强度变化。而由于Wi-Fi Backscatter只是反射、并不是产生无线信号，因此只需要不到10mW的电量就可以与连网装备沟通。

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美国华盛顿大学开发的Wi-Fi Backscatter技术示意图

华盛顿大学计算机工程电子工程副教授Joshua Smith表示：“你可能会想，1个低功率装备怎样可能造成无线信号的微小变化？但如果你仔细视察，会发现环境中所有Wi-Fi信号的反射都有这类现象。”Wi-Fi Backscatter可到达1kbps的通讯速率，装备之间的距离最长可达20米，真是使人印象深入。

早在19世纪末20世纪初，知名发明家 Nikola Tesla就提出过无线供电技术，不过1直以来相干解决方案都没法取代随处可见的AC电线；而当今产业界也有许多厂商都在开发短距离的无线充电技术。华盛顿大学计算机科学工程系副教授Shyam Gollakota表示：“要让物联网起飞，我们必须为可能达数10亿台、嵌入在各种平常用品中的无电池装备提供链接性。”

Gollakota 指出：“我们现在可让装备具有无线链接功能，而且所消耗能量等级低于1般Wi-Fi装备。”也参与Wi-Fi Backscatter研发的华盛顿大学电子工程博士生Bryce Kellogg表示，该技术最大的优势之1，是只要透过软件更新就可以让现有的家用无线路由器，具有与其他家用智能传感器、物联网装备通讯的功能，这大大下降了消费者布署新技术的门槛。

新技术已走出实验室正探访市场化机会

Bryce Kellogg是华盛顿大学电子工程专业的1名博士生，同时也是Wi-Fi后向散射论文的联合作者。他表示，这项技术具有非常大的潜力。他表示，传统Wi-Fi装备非常耗电，但Wi-Fi后向散射技术可以“大幅下降对电池的依赖，乃至完全消除对电池的需要”。

在后向散射装备链的另外一端，Wi-Fi接入点可以通过软件升级来和该技术进行协作，Kellogg说。“这也就意味着我们可以在房屋当中部署1套无需电池的传感器或智能物联网装备，然后通过现有的Wi-Fi路由器和它们进行通讯。”他说，“这类方式打破了影响用户采用物联网装备的1个巨大障碍。”

研究团队对Wi-Fi充电系统进行了实验，在20英尺（约合6米）、17英尺（约合5.18米）、28英尺（约合8.53米）3个距离上，分别对1个温度传感器、数码相机还有充电电池成功进行了充电。如果你觉得这些玩艺儿仿佛有点小儿科，不要怪他们，要怪就怪美国联邦通讯委员会（FCC）好了，人家硬要规定，Wi-Fi路由器的输出功率最高不得超过1瓦，理由嘛，尚且不得而知。如果这1限制得以放松，Wi-Fi充电系统势必为更多更大件的装备服务。

目前，这类新技术早已走出了实验室。华盛顿大学的研究团队已进行了实测，他们在美国西雅图市的6所住宅内部署了无线充电系统，所使用的是华硕RT-AC68U路由器。值得1提的是，测试用的路由器都是些几年前的老型号了，但这并没有影响到实验结果，实验证明，这项技术已完全可以投入使用。Talla表示：“理论上说，这只不过是1个固件升级。”他们需要和硬件制造商合作，虽然当前还没有谈成交易，不过团队也正努力探访市场化的机会。

研究团队已创建了1家公司，希望将迄今为止掌握的Wi-Fi充电技术转化为1款真实的产品投放市场。他们在市场化进程中，也看到了许多不足，需要进1步提升。比如提高接收器效力，增加充电距离，和通过代码调剂优化，让路由器进1步完善升级。

Talla表示：“我们已对外发布的研究成果，可以视为第1个概念验证（POC，即根据特定客户的特定业务需求而设计的软件、硬件原型的解决方案）。但这其实不是最好解决方案，我们正在积极研究，力图让该技术表现得更加成熟。”

另外，研究团队也在斟酌市场问题，想要更好地适应工业和商业领域的需求。固然了，如果美国FCC对路由器输出功率的限制能够放宽，1切将不再是问题，不过即使有所限制，这项技术也还是大有用武之地的。

虽然目前的Wi-Fi充电暂时还只能是“涓涓细流”其实不能“势如山洪”，但这依然是1个了不起的成绩。忘了背插充电器，还有电池组甚么的吧，我们需要的电能就在身旁，我们已找到利用它们的方法， Wi-Fi无线充电就在眼前。

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