【導讀】Gartner去年公布了新興技術周期圖，顯示2016年IoT成為了最被期待的新興技術，與之相關的IOT平臺同樣受到強烈的關注，未來5到10年IoT技術將愈見成熟。到2020年聯網設備的總數將達到甚至超過500億，物聯網將把家庭中的很多設備囊括進來，其中小到智能恒溫器，大到智能電冰箱。
而電池有時候是移動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，可能會成為物聯網（IoT）的最大弱點。為此美國華盛頓大學（University of Washington）研究人員想到了一個好主意：由從現有的廣播、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、可穿戴式設備等低能量設備，不需要電池或電線就能連網的方法。
目前，國外媒體報道，美國華盛頓大學電子工程學院的學生們日前研發(fā)出了一種全新的WiFi技術，其最大特點是能耗不到當前WiFi的萬分之一。最重要的是，通過反向wifi技術還可以給大批量物聯網設備充電。該技術已被《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）提名為“2016十大科技突破”，并且已實際應用在華盛頓大學校園里。
發(fā)射無線電波 從電波中“吸取”供電能源
這項技術名為“Passive Wi-Fi”（被動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。當前的WiFi技術通過消耗電力來提供信號；而這項技術不同，它會選擇性地反射無線電波，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（VamsiTalla）稱：“采用Passive Wi-Fi技術的設備本身并不傳輸任何信號，它只通過反射的方式生成數WiFi據包。因此，這種一種能耗非常低的無線發(fā)射技術。”
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簡易設備，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程中，而傳感器幾乎不耗費電量。
接下來，傳感器會接受模擬波，然后進行數字轉換，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絡數據。
該低功耗wifi設備，來自名為Wi-Fi后向散射（Wi-Fi backscatter）的新型通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使用無線電頻率作為電能來源，未來甚至不再需要電池。
Wi-Fi無線充電 直接從空氣中獲取能源
在這種技術的幫助下，未來的物聯網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，被稱為“Wi-Fi無線充電”（“powerover Wi-Fi”）系統(tǒng)，該技術讓我們可以通過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(tǒng)由兩個部分構成，一個是接收器（路由器），以及一個定制的傳感器。“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ｉT定制了一個解決方案，利用軟體修正的方式，讓路由器成為一個給力的電源，同時，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路由器進行升級，讓數據傳輸和能源傳輸共存一體，互不干擾。或者，更準確地說，這項技術只是有效利用了路由器產生的既有電能。
除了利用射頻做為電源，華盛頓大學的工程師們也發(fā)現了重復利用現有Wi-Fi信號為無電池設備提供連網功能的方法；這種稱為Wi-Fi Backscatter的技術，號稱是第一個能讓無電池設備與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、電視與無線信號采集能量的較早期研究成果之上。
華盛頓大學表示，這種新技術需要克服的挑戰(zhàn)在于，傳統(tǒng)的低功率網絡如Wi-Fi與藍牙，所消耗的能量是得以從電視廣播、蜂窩網絡或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，能讓透過射頻供電的設備透過反射（reflecting）或不反射來自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生的Wi-Fi信號強度變化。而因為Wi-Fi Backscatter只是反射、并非產生無線信號，因此只需要不到10mW的電量就能與連網設備溝通。
美國華盛頓大學開發(fā)的Wi-Fi Backscatter技術示意圖
華盛頓大學計算機工程電子工程副教授Joshua Smith表示：“你可能會想，一個低功率設備怎么可能造成無線信號的微小變化？但如果你仔細觀察，會發(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就提出過無線供電技術，不過一直以來相關解決方案都無法取代隨處可見的AC電線；而現今產業(yè)界也有許多廠商都在開發(fā)短距離的無線充電技術。華盛頓大學計算機科學工程系副教授Shyam Gollakota表示：“要讓物聯網起飛，我們必須為可能達數十億臺、嵌入在各種日常用品中的無電池設備提供鏈接性。”
Gollakota 指出：“我們現在可以讓設備擁有無線鏈接功能，而且所消耗能量等級低于一般Wi-Fi設備。”也參與Wi-Fi Backscatter研發(fā)的華盛頓大學電子工程博士生Bryce Kellogg表示，該技術最大的優(yōu)勢之一，是只要透過軟件更新就能讓現有的家用無線路由器，擁有與其他家用智能傳感器、物聯網設備通訊的功能，這大大降低了消費者布署新技術的門坎。
新技術已走出實驗室 正探尋市場化機會
Bryce Kellogg是華盛頓大學電子工程專業(yè)的一名博士生，同時也是Wi-Fi后向散射論文的聯合作者。他表示，這項技術擁有非常大的潛力。他表示，傳統(tǒng)Wi-Fi設備非常耗電，但Wi-Fi后向散射技術可以“大幅降低對于電池的依賴，甚至徹底消除對于電池的需要”。
在后向散射設備鏈的另一端，Wi-Fi接入點可以通過軟件升級來和該技術進行協作，Kellogg說。“這也就意味著我們可以在房屋當中部署一套無需電池的傳感器或智能物聯網設備，然后通過現有的Wi-Fi路由器和它們進行通訊。”他說，“這種方式打破了影響用戶采納物聯網設備的一個巨大障礙。”
研究團隊對Wi-Fi充電系統(tǒng)進行了試驗，在20英尺（約合6米）、17英尺（約合5.18米）、28英尺（約合8.53米）三個距離上，分別對一個溫度傳感器、數碼相機還有充電電池成功進行了充電。如果你覺得這些玩意兒似乎有點小兒科，不要怪他們，要怪就怪美國聯邦通信委員會（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備服務。
目前，這種新技術早已走出了實驗室。華盛頓大學的研究團隊已經進行了實測，他們在美國西雅圖市的六所住宅內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驗結果，實驗證明，這項技術已經完全可以投入使用。Talla表示：“理論上說，這只不過是一個固件升級。”他們需要和硬件制造商合作，雖然當前還沒有談成交易，不過團隊也正努力探尋市場化的機會。
研究團隊已經創(chuàng)建了一家公司，希望將迄今為止掌握的Wi-Fi充電技術轉化為一款真正的產品投放市場。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，以及通過代碼調整優(yōu)化，讓路由器進一步完善升級。
Talla表示：“我們已經對外發(fā)布的研究成果，可以視為第一個概念驗證（POC，即根據特定客戶的特定業(yè)務需求而設計的軟件、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，力圖讓該技術表現得更為成熟。”
另外，研究團隊也在考慮市場問題，想要更好地適應工業(yè)和商業(yè)領域的需求。當然了，如果美國FCC對于路由器輸出功率的限制能夠放寬，一切將不再是問題，不過即便有所限制，這項技術也還是大有用武之地的。
雖然目前的Wi-Fi充電暫時還只能是“涓涓細流”并不能“勢如山洪”，但這仍然是一個了不起的成就。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，我們已經找到利用它們的方法， Wi-Fi無線充電就在眼前。
