零功耗的无线黑科技，物联网的救星？

张凯  17021211121

嵌牛导读：随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

嵌牛鼻子：超低功耗射频电路 通讯

嵌牛提问：零功耗的无线黑科技，物联网的救星？

随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

另一方面，为了能传递传感器收集到的信息，传感器通常需要使用无线连接来与中心节点通信。然而，传统射频集成电路的功耗都不低，会过快消耗电池电量。因此，为了进一步普及物联网传感器，需要设计新的超低功耗射频电路。

信号传递真的需要发射射频信号吗？

如何设计超低功耗射频电路？我们不妨分析物联网射频电路中的功耗。首先，作为物联网中的传感器节点，以发送信息为主，接受端主要是一些控制信息，因此发射端的使用频率更频繁；其次，目前的主流无线协议至少要求发射功率达到0dBm，即1 mW，考虑到发射机整体10%左右的效率，即需要至少10mW的整体功耗，这样的功耗在物联网传感器应用中就太大了，必须想办法减小。

那么，如何降低发射端的功耗呢？除了常规的电路优化提升效率之外，有没有办法可以降低功耗呢？我们不妨先看看信息传递的物理基础。根据信息论和物理学，传递一比特信息需要消耗的能量是kTln2，在常温下大约为27510-21焦耳，远小于无线传输中每比特数据传输消耗大约110-12焦耳能量的数字。因此，限制我们的并非物理学基本定律，而是工程学上信号传递方式的设计。

我们不妨再想一想，无线传递信号，真的需要传感器端发射射频信号吗？在日常生活中，确实存在着不需要自己消耗能量就传递信号的方法。例如，用在航海和野外探险中的日光信号镜，就是通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里，信号的载体是太阳光，但是太阳光能量并非传递信号的人发射的，而是作为第三方的太阳提供的。所以，我们完全可以实现由第三方提供能量来实现信号传输。

阳光信息镜，使用第三方（太阳）提供的能量作为信息载体，传递信息的人本身无需提供信息传输能量
无源WiFi-接近零功耗实现无线传输

之前提到了使用太阳光可以无需提供能量就传输信号的例子。事实上，太阳光和我们常规无线通讯使用的都是电磁波，因此我们完全可以把阳光反射镜移植到无线通讯中。

最早这种方法使用在了卫星通讯中。由于卫星通讯中卫星和地面基站距离很远，信号衰减很大，因此需要非常强的信号发射功率，显然在地面发射大功率会比在卫星发射大功率要简单一些。因此，工程师们的解决办法就是在卫星上安装可以调制反射光的发射器（retro-reflector），而由地面来发射大功率信号（照射信号）。该发射器可以通过改变反射器角度来调制反射信号来传递信息。举例来说，当卫星完全反射地面发出的信号时表示1，而当完全没有反射时表示0，这样就可以实现卫星不发射无线信号的无线传输。在这里，地面的发射站就相当于日光反射镜例子里的太阳，而卫星上的反射器则相当于镜子。

随着物联网的普及，使用反射来传递信号的方法也开始进入了传感器领域。美国华盛顿大学计算机科学与工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R Smith提出了Interscatter的概念，并将结果发表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路与之前提到的阳光信息镜以及卫星反射通信相同，也是通过反射来传递信息。一个典型的应用例子如下图，Interscatter芯片是植入体内的传感器或类似RFID的需要超低功耗的芯片，外界的设备（如手表，蓝牙耳机）发射射频信号（照射信号），Interscatter芯片通过改变天线的阻抗来调制反射信号，该反射信号由手机接收并解调得到Interscatter芯片传递的信息。在整个过程中，Interscatter芯片并不发射射频信号，需要做的仅仅是将比特流转换为对于天线阻抗的调制，因此功耗可以极低。

Interscatter芯片使用场景示意图，由外界设备发射射频信号而Interscatter芯片通过改变天线阻抗来调制反射信号完成信息传递。整个过程中Interscatter芯片并不产生射频信号。

在Interscatter之后，华盛顿大学的研究组更是将此概念扩展到了WiFi上，提出了无源WiFi，通过WiFi路由器来发射射频信号，而无源WiFi芯片只需要负责调制天线阻抗就能通过WiFi协议与路由器通信。由于省去了发射射频信号这一环节。芯片的功耗主要来源于频率综合器以及天线调制模块（见下图）。这样，无源WiFi可以实现高达11Mbps的通信速率，而其功耗仅仅只有50uW。 

无源WiFi

在电路系统设计上，passive wifi的基本过程是中心射频源（路由器等）发射射频信号至passive wifi芯片，因此需要精确控制波束方向，否则如果多个passive wifi芯片同时反射的话会造成互相干扰，因此在射频源的部分需要用到波束成形技术。 然而，由于波束不可能每次都对得非常准，于是另一个passive wifi系统的挑战是多路反射和环境反射。为了解决这个问题，UCLA电子工程系Frank Chang教授带领的实验室与NASA／JPL合作完成了一款芯片。这个项目实现了基于反射概念数据率高达54Mbps的芯片组（包括发射端和反射端）外，该芯片组同时还能使用equalization技术解决多路反射的问题。由此可见，无源WiFi不仅能实现低功耗通讯，在数据率方面与传统WiFi也不遑多让。 具体论文“A 58 GHz 54 Mb/s Backscatter Modulator for WLAN with Symbol Pre-Distortion and Transmit Pulse Shaping”发表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

UCLA与JPL合作实现的芯片组，包括发射端和反射端两部分芯片

当然，无源WiFi也存在自己的局限性。目前，无源WiFi最适合的场景是点对点通信，这样即可最大化照射信号的利用效率，也能减小不同无源WiFi反射的互相干扰。因此，在需要多节点同时通讯的场合下，无源WiFi并不是最好的选择 。另外，无源WiFi并不能减小接收机的功耗。综上所述，无源WiFi最适合的应用场景还是发射端站最主要部分，且无需节点之间通信的物联网传感器。在未来，为了能让多个节点同时通信，可以使用类似CDMA的技术。

5G时代将来，我们的生活又将发生什么变化：

生活上：早晨起床你的5G手机会自动控制家里的智能家居设备，缓缓调节室内光线，播放悠扬的音乐，将你唤醒。穿上拖鞋时，你的体重、体脂等数据，同样被采集和发送到云端。；你上洗手间时，5G智慧马桶会自动完成尿液采集，并进行化验，得出相关数据，并上传云端。到了早饭时间，你的数字化智能厨房会根据你的健康数据，给出合适的膳食搭配，也就是最佳食谱。当然，你的冰箱也是5G智能的。它会自动对所储存的食材进行数量和质量分析——哪些食材需要补充，哪些食材已经过期需要处理，它都会通过冰箱门的大屏幕告诉你，或者将提醒信息发到你的5G手机上。除了冰箱之外，实际上家里所有的电器都内置了5G 通信模块，支持5G网络，从而变成了5G智能家电。不安全的通信网络已经被淘汰，5G能带来更安全、更稳定、更低功耗、更大带宽的网络服务，为家电的智能化提供可靠保证。

教育上：5G 在教育领域主要有三个应用场景，一是增强移动带宽，应用一般是超高清视频、VR、AR，会大幅度提高传输效率；二是海量大连接，5G 可以链接 PC、传感器、监控器，实现物联网相关连接数据的传输，打造智慧互联教室；三是低时延的高可靠，对于教育，对于时延要求会提高视觉的体验，甚至是互动的效率。应用实际当中，就会是为每个学生量身定制学习计划，动态测评学生的状态、学习专注度和活跃度。而对于教育资源匮乏的地区，5G 能够有提供更好的互联网服务，超高清、语音交互、优质教育资源，拉近老师和学生的距离。

医疗上：5G最大的大流量、大带宽、大连接、低时延，适合了未来医疗的需求。医生可以充分利用5G的高带宽，来实现生命体征数据、影像诊断结果、生化血液分析结果、电子病历等资料的高速传输，更快地调取图像信息、开展远程会诊和远程手术，随时就诊断和手术情况进行交流……待5G医疗成熟后，将为医疗资源匮乏的地区带来先进了医疗技术，降低患者的医疗成本，也能为患者生命的急救赢得速度。

交通上：5G技术传输延时更短、传输带宽更大、整个网络会更加稳定，能够对未来自动驾驶以及车联网带来革命性的变化。

基于这种实时传输，车端视频可以实时传输到云端，同样，云端信息也可以实时下发到车端。通过这样的能力，可以在云端实现智慧交通中枢，对整个交通流量以及车辆做出远程的实时调节和控制，以及对应急车辆、公交等等做出云端的远程调度。据了解，2019年5G岗位将比去年增加20%-80%，未来10年国内5G人才需求将达到2000万人。而在2020-2022年期间，对5G人才的需求量是最大的，届时将会出现200万的人才缺口，主要集中在物联网安装调试员、VR摄影师/导演/直播策划、自动驾驶工程师、远程医疗解决方案开发者、云游戏程序员、智慧城市从业者、数据分析师等

BOE（京东方）是一家为信息交互和人类 健康 提供智慧端口产品和专业服务的物联网公司，已形成端口器件（D）、智慧物联（S）、智慧医工（H）三大事业板块。

2018年，BOE（京东方）新增专利申请量9585件，其中发明专利超90%，累计可使用专利超7万件，覆盖美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区。美国商业专利数据显示，2018年BOE（京东方）美国专利授权量全球排名第17位，成为美国IFI Claims TOP20中增速最快的企业。

近期，BOE（京东方）在北京举办BOE（京东方）2018年度创新成果展，展出系列柔性AMOLED显示产品、超高清显示系统解决方案、传感器及解决方案、BOE 画屏、物联网解决方案、移动 健康 管理、智慧 健康 服务等DSH三大事业板块的创新技术、应用和产品。

一、前瞻技术展区

BOE（京东方）秉持“技术领先、全球首发、价值共创”的理念，坚持自主创新，搭建企业为主体、市场为导向、产学研结合的技术创新体系。该体系设置分级架构，开展短、中、长远的协同创新，确保技术和产品的前瞻性和领先性。

亮点产品：

1波导透明显示：

波导透明显示是一种透过率很高的显示技术（>80%），与传统液晶显示相比，该技术基于波导全反射实现导光，通过散射的方式实现显示，不需要导光板、偏光片与彩膜，从而实现高透过率。聚合物稳定液晶材料体系响应时间小于2毫秒，支持180Hz高频刷新，结合场序式彩色技术实现全彩显示。与现有透明显示技术相比，波导透明显示在透过率、成本方面有相当优势，该技术潜在应用场景包括智能家居、移动终端、车载显示、橱窗展示等。

2dPCR（数字聚合酶链式反应）分子诊断系统：

dPCR分子诊断系统主要通过对DNA分子进行检测，主要用于癌症早诊、产前诊断、食品安全检测等。BOE（京东方）的dPCR分子诊断系统采用集成化数字微流控芯片，集进样、封闭、控温扩增于一体，控温精度达到025 ℃，且更加小型化、便携化；产品采用玻璃基阵列腔室方案，在小片玻璃基芯片上拥有超过100000个反应单元，实现DNA检测的绝对定量，解决了参照物难以寻找及检测不准确等问题；采用自主知识产权的填装技术及驱动单元，完成检测所需的30个循环仅需35分钟。产品具有集成化，自动化，高效率、高精度等优点。

二、显示与传感器件展区

在半导体显示领域，BOE（京东方）TFT-LCD、OLED、柔性显示、微显示等新型显示器件及传感器件，可为智能手机、平板电脑、笔记本电脑、显示器、电视、车载、医疗、拼接（DID）、VR/AR、穿戴等创新应用领域提供优质高效的产品和服务。BOE（京东方）拥有14条半导体显示生产线（其中3条在建），其中包括全球首条第105代TFT-LCD生产线以及全球领先的第6代柔性AMOLED生产线，是中国唯一能够自主研发、生产和制造最大至150英寸的全系列半导体显示产品的企业。

根据群智咨询（Sigmaintell）数据显示，BOE（京东方）2018年全球液晶电视面板出货量排名第一，出货量同比增长24%，出货面积同比增长45%，在全球前五大面板厂中增幅均领先。2018年，BOE（京东方）投建的全球首条第105代TFT-LCD生产线顺利量产爬坡，电视面板产能同比增长40%以上。预计2018年BOE（京东方）液晶显示屏总出货量仍将位居全球第一。

亮点产品：

1、27英寸超高清Mini-LED HDR

BOE（京东方）拥有业内领先的Mini-LED HDR解决方案，可实现1000000:1对比度。该产品搭配京东方业界领先的高色域膜片解决方案，色域可达到NTSC 100%。

2、64英寸全面屏 Camera Hole

据市场调研机构IHS预计，打孔屏将是2019年智能手机屏幕形态最重要的发展趋势。BOE（京东方）64英寸全面屏 Camera Hole屏占比高达94%，采用盲孔屏解决方案，盲孔屏下集成摄像头模组方案设计，不需要在屏幕上完全钻出物理孔，只需在背光层和偏光片层打孔。这种结构可以跳过面板钻孔工艺，使良率较通孔方案大大提升，可有效降低成本，提升产品信赖性。

3、123英寸FHD 驾驶员监视器

产品采用AI算法，使用单个镜头感测驾驶员的多项参数，包括计算头部位置和方向、瞳孔扩张、开眼幅度、眼睛注视方向等，并通过准确计算，正确掌握驾驶员的状态，减少交通意外发生，提高驾驶安全度。

三、传感器及解决方案展区

BOE（京东方）经过在半导体显示领域的多年耕耘，积累了丰富的半导体产业经验，多个核心技术可应用于传感产业。传感器及解决方案可为医院检测、家用检测、通讯与交通、智慧家居等应用场景，提供X-Ray平板探测器、微流控芯片、智慧视窗、分子天线、家居安防等产品和系统解决方案。

亮点产品：

1、4317全尺寸脊椎平板探测器件

全球首发最大尺寸平板探测器，长43英寸，宽17英寸，采用BOE（京东方）特有的拼接曝光工艺制程，支持全身扫描，只需一次性拍摄，就可获取完整人体脊柱图像，避免病者接触X射线剂量累加，大幅降低人体辐射伤害。

2、有源数字微流控芯片

BOE（京东方）首款有源数字微流控产品，通过扫描信号控制有源TFT阵列电极，实现对万级液滴量的产生、运输、混合、分离等 *** 控；采用业界领先的TFT加工工艺，形成有源微电极阵列；集成PIN Sensor，可实时检测液滴位置及透光度等特性。可应用于生物、化学、医疗等领域中对样品的处理、分析、培养等。

四、IoT解决方案展区

BOE（京东方）以终端智能、系统集成、云计算为支撑技术，为智慧零售、智慧金融、商务办公、智慧教育、数字医院、智慧能源、智慧交通和智慧家居等八大细分领域提供全球领先的系统集成解决方案。

亮点产品：

1云屏信发系统

该系统由BOE（京东方）自主研发，可轻松部署并支持一键接入多个终端、多种媒体格式及小应用扩展，交互内容丰富；同时能快速在线编辑，为客户提供运营数据支持及各行业广告模版，播放内容经过审核，用户可自主管理内容，设备可远程监控安全信息，实现了大数据推送及设备监控一体化以及大数据可视化。

2AI数字标牌

该产品由BOE（京东方）自主研发，具有独特的ID设计，可兼容Windows及Android平台，采用人脸识别边缘算法，对人脸属性进行提取，并配备3D摄像头实现刷脸支付，可以配合云屏信发系统进行广告信息推送，是一台集自助服务、广告推广双重身份的机器。

五、数字艺术展区

BOE（京东方）推出数字艺术物联网产品——BOE画屏，将绘画与影像等艺术品数字化，集艺术展示、欣赏和交易于一体，配以强大的APP应用和云端数据库，让消费者足不出户就可尽赏世界艺术佳作，实现了 科技 与艺术的完美结合。

亮点产品：

目前，BOE画屏已发布其第二代产品S2，S2在对画框、内衬、电源线材等外观进行升级的同时，也采用AI语音功能，让BOE画屏具备艺术、音乐、影讯、故事、天气和百科六大功能，实现使用者与BOE画屏之间更自由的交互。

六、移动 健康 管理展区

BOE（京东方）已推出移动 健康 管理平台，通过智能终端进行 健康 数据检测，基于人工智能和大数据算法，为用户提供生命体征数据监测解读、AI疾病风险预测、专家 健康 课程以及在线问诊、体检挂号等就医服务，让用户足不出户即可享受个性化的家庭 健康 管理服务。

亮点产品：

1、动态心电记录仪

在心血管慢病领域，BOE（京东方）推出一款医疗级产品——动态心电记录仪，可用于采集心电波形。轻巧便携，蓝牙传输，在线即可远程获得医生判读结果，及时发现心电异常。赋能基层，助力早日迎来心脏事件下降拐点。

经过简单培训，可实现1分钟非医疗人士轻松佩戴，2分钟心电图的判读响应，24小时全天候服务，危急状况主动联络。可满足社区、诊所、家庭医生等不同类别诊疗需求，是胸痛中心全国心电一张网指定可穿戴心电设备，国家 科技 部重点研发项目入选设备。

此外，在睡眠、母婴、运动等 健康 管理领域，BOE（京东方）强化生态链整合，严选智能睡眠仪、智能体脂秤等多款产品，为个人和家庭用户提供 健康 生活一站式解决方案。

2、移动 健康 APP30

除检测类硬件之外，BOE（京东方）还推出一款个人和家庭客户使用的软件BOE移动 健康 APP。通过物联网和人工智能技术，连接多款家庭检测终端设备，实时监测和智能解读各项生命体征数据，并提供 健康 服务包、在线问诊和转诊服务，用智慧 科技 守护家庭 健康 ，真正实现 科技 让 健康 触手可及。

七、智慧 健康 服务展区

BOE（京东方）以 健康 人工智能与大数据技术平台和医工融合转化平台为依托，重点打造数字人体、细胞膜片、AI全科医生系统、骨科手术机器人等系列产品，支撑数字人体、数字医院、再生医学、解决方案四大板块，未来主要服务于数字医院、智能诊所两大应用场景。

亮点产品：

1、智能诊所

BOE（京东方）智能诊所包含AI全科医生系统、智能诊所信息化系统等。AI全科医生系统利用自然语言处理技术与知识图谱技术打造智能辅助诊断系统，以对话的方式同患者或医生进行交互，依据患者或医生提供的信息和知识图谱中的知识进行推理，从而实现智能诊断。

智能诊所信息化系统以AI医生为信息系统核心，辅助医生诊疗，将体征检测设备、数据与系统无缝衔接，并使用BOE显示屏进行诊疗及检测数据的展示，全方位医患交互。采用互联网技术将支付、转诊、审方等环节在线上完成，并接入智能药柜以便患者快速取药，相比传统医疗机构，节约患者大量时间。通过移动端平台，使患者远程挂号、咨询，并可随时查看 健康 档案。

BOE（京东方）智能诊所致力于打造“医疗+AI+互联网+金融”四位一体创新模式，提高基层医疗服务水平，解决中国初级诊疗体系能力不足问题。

2、骨科手术机器人

BOE（京东方）骨科手术机器人是全球首款多功能骨科手术机器人，利用光学导航、人工智能、医学影像、智能交互及语音 *** 控等关键技术，可完成骨折复位、脊柱定位、关节置换手术，同时可胜任医生助手的工作。专用C型臂采用独特设计其性能远超传统C，在同等效果的情况下有效地减少了射线剂量，显著降低射线给医生和患者带来的伤害。可实现手术的可视化、数字化、远程及语音控制，医生免辐射、精准度高、稳定性好。

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