物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的普及率持續(xù)飆升。麥肯錫報(bào)告稱，2014年，約有13%的企業(yè)報(bào)告其運(yùn)營(yíng)中使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。今天，這一數(shù)字已增長(zhǎng)到25%。到2023年，全球使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到430億臺(tái)，是2018年使用數(shù)量的三倍。

盡管物聯(lián)網(wǎng)傳感器的前景是能夠從任何地方實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵資產(chǎn)，但長(zhǎng)期以來(lái)，一直有一個(gè)大問(wèn)題困擾著研究人員：這430億臺(tái)設(shè)備究竟如何運(yùn)作?

電源問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要傳感器，該傳感器可以觀測(cè)資產(chǎn)的特定屬性，并測(cè)量關(guān)于它的有用數(shù)據(jù)。例如，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)生產(chǎn)車間的電機(jī)溫度，并將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給分析人員，或者提醒維護(hù)團(tuán)隊(duì)注意潛在的問(wèn)題?；蛘邆鞲衅骺梢员O(jiān)測(cè)附近障礙物的接近程度，以幫助自動(dòng)駕駛汽車保持安全和正常行駛。監(jiān)測(cè)參數(shù)的可能性幾乎是無(wú)限的——傳感器可以測(cè)量光、振動(dòng)、濕度、速度等等。

問(wèn)題在于每個(gè)傳感器都需要一個(gè)電源，而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的絕對(duì)數(shù)量構(gòu)成了巨大的功耗。給每臺(tái)設(shè)備配備電池似乎是最簡(jiǎn)單的解決方案，但這也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。在416億臺(tái)設(shè)備上開(kāi)發(fā)、安裝和更換電池將需要太多的時(shí)間和太多的寶貴資源。同樣具有挑戰(zhàn)性的是，物聯(lián)網(wǎng)傳感器通常放置在偏遠(yuǎn)地區(qū)或危險(xiǎn)區(qū)域的關(guān)鍵資產(chǎn)上。如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠傳統(tǒng)電源，那么投資回報(bào)率將急劇下降。

為了提高投資回報(bào)率，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要兩樣?xùn)|西：功耗更低的傳感器和持續(xù)時(shí)間至少10到20年的電池。

兩種節(jié)能方式

為了解決這些限制，研究人員正傾向于兩種節(jié)能方式：按需喚醒和能量收集。

按需喚醒意味著物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器只有在需要時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，其余時(shí)間，它們都處于休眠狀態(tài)。例如，跟蹤大樓門口行人流量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，只有當(dāng)有人走過(guò)時(shí)才會(huì)醒來(lái)。

從某種意義上說(shuō)，收集能量的物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器是自我維持的，因?yàn)樗鼈儚娜粘Ａ鞒讨蝎@取少量電力。在智能建筑中，安裝在門把手上的傳感器可以從把手的每次轉(zhuǎn)動(dòng)中獲取機(jī)械能，并將這些能量保存到電池中。光伏電池可以通過(guò)從光中收集能量來(lái)為物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電。如果它們的電力消耗足夠低，那么這些自我維持的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備理論上可以運(yùn)行幾十年。

更廣泛的網(wǎng)絡(luò)需求

一個(gè)有效的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不僅需要低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)完成工作，而且還需要一個(gè)健壯、安全和可靠的網(wǎng)絡(luò)來(lái)中繼和處理數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)整合了收集和路由數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，以及中繼和處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的確切處理位置(在云中還是在邊緣)取決于應(yīng)用的具體需求。低功耗廣域網(wǎng)是要求覆蓋較大地理距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的理想選擇。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)還需要中繼大量數(shù)據(jù)的能力。5G網(wǎng)絡(luò)可能特別適合這里，因?yàn)樗鼈兲峁┝丝煽恐欣^傳感器數(shù)據(jù)所需的速度和容量，而許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(包括自動(dòng)駕駛和機(jī)器人輔助手術(shù))都需要這些數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)安全也是一個(gè)主要問(wèn)題，特別是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備可以成為網(wǎng)絡(luò)攻擊者的輕松切入點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)充滿無(wú)限希望，并且其采用障礙也正在逐步消除。隨著傳感器壽命的延長(zhǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)的協(xié)同工作，革命性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的前景越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。