背景

如今，我们身边的各种电子产品，例如智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备等，几乎都离不开电池供电。然而，电池却存在着使用寿命有限、续航能力有限、需要反复充电、安全隐患等问题。因此，电池也成为了影响现代电子产品性能与用户体验的关键因素之一。

为此，科学家们一直在积极研发让电子产品摆脱电池的新型供电方案。之前，笔者也为大家介绍过许多这方面的案例。接下来，让我们先来看几个经典案例：

（一）美国华盛顿大学发明的全球首款无需电池的手机，能从周围环境中的无线电信号或者光线中获取几微瓦的能量，保证正常手机通话。

（二）美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的科研人员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场，无线地提供能量和进行控制，展开可重复的复杂运动。

（三）中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾 科技 大学等机构的科研人员组成的团队，在中华传统剪纸艺术启发下，开发出一种轻量的、剪纸式样的摩擦电纳米发电机（TENG），能采集人体运动的能量，为电子产品供电。

（四）美国密歇根州立大学的科研人员开发出由铁电驻极体纳米发电机（FENG）组成的柔性设备，让电子设备直接从人体运动中采集能量。

创新

今天，笔者要为大家介绍一项让电子产品摆脱电池的新科研进展。

近日，美国麻省理工学院联合其他科研机构（马德里理工大学、美国陆军研究实验室、马德里卡洛斯三世大学、波士顿大学、南加利福尼亚大学）开发首个能将WiFi信号的能量转化为电力的完全柔性设备，它可以为电子产品供电。

能将交流变化的电磁波转化为直流电的设备被成为“整流天线”。在《自然（Nature）》期刊上发表的论文中，研究人员们演示了一种新型整流天线。

技术

该整流天线采用了一个柔性射频（RF）天线，以交流变化的波形捕捉电磁波（包括携带WiFi信号的那些）。然后，这个天线被连接至一个由仅为几个原子厚度的“二维半导体”制成的新型器件。这种交流信号传送到半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压可用于为电子电路供电或者为电池充电。

通过这种方式，无需电池的设备被动地捕捉无处不在的WiFi信号，并将其转化为有用的直流电源。更进一步说，该设备是柔性的，并能通过“卷对卷（roll-to-roll ）“工艺制备，从而可以覆盖非常大的面积。

所有的整流天线都依赖一个称为“整流器”的元件，这个元件将交流输入信号转化为直流电源。传统的整流天线将硅或者砷化镓用于整流器。这些材料可以覆盖WiFi频段，可惜它们是刚性的。尽管采用这些材料制造小型器件相对便宜，但用它们覆盖大面积，例如建筑物与墙壁的表面，成本过高。长期以来，研究人员们一直在尝试解决这些问题。但是目前所报告的柔性天线很少工作在低频率下，并且无法捕捉与转化千兆赫频率的信号，然而大多数相关的手机和WiFi信号都处于这个频率。

为了构造他们的整流器，研究人员们采用了一种称为“二硫化钼（MoS2）”的新型二维材料。它只有三个原子的厚度，是全球最薄的半导体之一。MoS2 可用于构造柔性的半导体元器件，例如处理器。

这么做时，团队利用了二硫化钼的一种“奇特”行为：当接触特定的化学物质时，材料的原子会重新排列，表现得如同开关一样，产生一种从半导体到金属材料的相变。这种结构也称为“肖特基二极管”，它是利用金属与半导体接触形成的“半导体-金属结”原理制作的。

论文第一作者、电子工程与计算机博士后 Xu Zhang（不久将成为卡耐基梅隆大学的助理教授）表示：“通过将 MoS2 设计成二维的半导体-金属结，我们构建出了原子薄度、超高速的肖特基二极管，它可以同步减少串联电阻与寄生电容。”

在电子器件中，寄生电容是一种不可避免的情况。这种情况下，特定的材料存储少量的电荷，将使电路速度变慢。因此，寄生电容越低，整流器速度就越快，运行频率也越高。研究人员们设计的肖特基二极管中的寄生电容，比目前最先进的柔性整流器中的寄生电容，要小一个数量级。因此，这种二极管的信号转化速度更快，可采集并转化10GHz的无线信号。

Zhang 表示：“这种设计将带来一种完全柔性的设备，它快到可覆盖我们日常使用的电子器件的大多数射频频段，例如WiFi、蓝牙、蜂窝LTE等。”

研究人员所报告的工作，为将WiFi转化为电力的其他柔性设备提供了蓝图，这些柔性设备具备足够大的输出和效率。根据WiFi输入信号的输入功率，目前设备的最大输出效率约为40%。在典型的WiFi功率等级下，MoS2 整流器的能量效率约为30%。相比而言，目前最佳的硅和砷化镓整流天线（由更加昂贵的刚性材料硅和砷化镓制成）实现了差不多50%到60%的效率。

价值

论文合著者之一、麻省理工学院微系统技术实验室的 MIT/MTL 石墨烯器件与二维系统研究中心主任 Tomás Palacios 表示：“假如我们开发出的电子系统，能够环绕大桥，或者覆盖整个公路，或者覆盖办公室墙壁，并将电子智能带给我们周围的每个物体，那将会如何？你如何为这些电子产品供电？我们提出了一种新办法来为这些未来的电子系统供电，通过一种可简单大面积集成的方式采集WiFi的能量，为我们身边的每个物体带来智能。”

科学家们提出的这种整流天线的早期应用包括为柔性与可穿戴设备、医疗设备、“物联网”传感器供电。例如，对于主要的技术公司来说，柔性智能手机将是一个热门的新市场。在实验中，当研究人员们将器件放置到典型的WiFi信号功率级别（150微瓦左右）的环境中，它可以产生出40微瓦的功率。这个功率足以点亮一个简单的移动显示屏，或者为硅芯片提供电力。

论文合著者之一、马德里理工大学的研究员 Jesús Grajal 表示，另外一个可能的方案就是为植入式医疗设备的数据通信供电。例如，研究人员们正在开始开发能被患者吞服的药丸，并将 健康 数据发回给计算机诊断。

Grajal 表示：“理想情况下，你不会想用电池来为这些系统供电，因为如果电池泄露锂，那么患者可能会死亡。从环境中采集能量，为体内的这些小型实验室以及与外部计算机的数据通信提供电力，具有明显的优势。”

目前，团队正在计划打造更加复杂的系统并提升效率。

参考资料

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一、WIFI智能插座的工作原理

1、WIFI插座由串口WIFI模块、继电器控制电路、继电器和输出触点构成，如下图所示。

2、串口WiFi模块根据接收到的控制指令控制继电器的通断，控制电路如下图所示。

模块收到合上指令，PC8端口输出高电平，Q1导通，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点L_IN和触点L_OUT吸合，插座供电给负载;

模块收到断开指令，PC8端口输出低电平，Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的触点L_IN和触点L_OUT断开，插座断电。

二、WIFI智能插座的作用

1、智能插座与传统插座功能一样，可以充当家用电器、移动数码设备的充电器，它具有标准家电的5V/1A接口和USB接口，两种接口可以通过开关分开控制。智能插座设定有充电保护功能，当设备充满之后将自动断电。

2、智能插座可以为家电设定定时开关，不仅省电省钱，还可以为用户节省时间。

3、智能插座可以通过微信等手机应用程序（APP）来远程遥控电视机、窗帘、音响、车库等。移动设备APP远程遥控应该是智能插座最大的特色，也是以后智能家居系统发展进步的一部分，目前，智能插座仅能实现部分的人机交互功能。有了移动端APP工具，用户不管离得多远，都可以轻松动动手指，完成开启空调、电水壶、电饭煲等操作。

4、智能插座内置传感器，可以监控环境内的光线、温度、湿度、家庭用电量等数据。

5、智能插座还可以通过插座内的无线模块作为中继，来增强WIFI信号。另外，在黑漆漆的夜晚，智能插座还可以充当小夜灯，保证卧室等空间的照明。

当然，作为新兴的科技，智能插座产品推出不久，产品仍存在许多缺陷。比如智能插座体积过大，现在销售的智能插座有圆形、方形多种，但尺寸厚度都偏大，在多功能插座上要占据两个接口的位置，并且临近的接口也无情的被挡住。

总之，智能插座目前功能较单一，产品差距不大。用户只是为了远程遥控家电的话，可以任意选择一款；如果希望具有其他扩展功能，可以选择具有感应、环境监测等多功能的产品；如果追求时尚外观，可以选择小巧、色彩多种鲜艳的产品。

wifi控制从控制的距离来分可以分为局域网控制和广域网控制。

1 局域网控制

方法一：Wi-Fi 模块工作在AP模式，智能终端（手机、平板）直接接入Wi-Fi 模块提供的网络，在同一个热点网络实现无线控制。但是由于Wi-Fi 模块工作AP模式也就是热点模式下，它接入的智能设备端有限，大多可提供数个其他智能控制端（如手机平板）。

方法二：Wi-Fi 模块工作sta模式，智能终端和Wi-Fi 模块工作由无线路由器提供的无线网络环境中，数据信号经过无线路由器转发，从而实现局域网无线控制。

方法三：利用Wi-Fi 的STA模式作为中控器，Wi-Fi 中控器和其他设备终端的无线通讯可以采用433技术、315技术、24G技术，形成一个以Wi-Fi 中控器的局域网。

提示：433无线技术是无线单向技术，优点，传输距离比较远；Wi-Fi 中控器与433开关之间采用433技术通讯。此时的Wi-Fi 模块处于STA模式。24G技术是双线无线技术，但是传输距离相对较短；Wi-Fi 中控器与24G开关之间采用24G技术通讯，此时的Wi-Fi 模块处于STA模式。

2广域网控制

方法一：单纯Wi-Fi 技术，利用无线路由器作为中控中心。此时的Wi-Fi 模块工作在STA模式下。Wi-Fi 模块的MAC地址绑定在服务中， Wi-Fi 模块的数据经过路由器发出。与手机的2G、3G、4G或者其他wifi网络形成一个网络，从而达到控制。

方法二：Wi-Fi 技术与其他技术结合，如Wi-Fi 与24G或者wifi与433技术等等。此时的Wi-Fi模块工作在STA模式下，手机的2G、3G、4G或者其他Wi-Fi 网络形成一个网络，从而达到控制。

物联网芯片模块。

WiFi里ESP是物联网芯片模块，带有WiFi功能。常用于智能插座，智能灯等设备的WiFi联网。

WiFi这个词相比以前，小编相信不会再感觉陌生了，出门无论是哪里，用手机一搜就能找到很多WiFi热点，只是这些都要密码无法连接罢了。

基于物联网WiFi模块的开关控制方案

时下主流的开关控制方案基本都可以实现在家控制和远程控制两种方式。在家的情况下，用户手机APP通过路由器连接WiFi控制内置WiFi模块的产品(比如智能开关，智能灯泡……)的开关来控制产品的通电和断电;在室外，用户可以通过云端来控制家里的开关。

智能开关解决方案主要以SKYLAB WiFi模块WU106/WG219为基础，实现无线数传、控制等功能。SKYLAB提供：1） 硬件参考设计；2）云平台服务；3）iOS，Android APP设计服务；4）嵌入式软件服务；5）WiFi模块WU106/WG219。

实现方法,首先 这个灯具可以接入网络就是灯具上有微型无线网卡可连接室内wifi或网络接口可插入网线。

并且灯具有内置软件可接收来自网络的命令这叫做远程唤醒 这种家用设备在国外比较多 国内还没普及。

室内wifi或有线网络被设定动态域名,可以远程访问就是你访问这个域名可以转到你设定绑定的地址 这个地址就是你的家用网络

这样你无论在世界任何地方只要有手机或电脑可以访问网络 就可以实现。

还有 这个设备还有可能通过蓝牙访问家用的一个蓝牙命令集成器接入网络 通过这个集成器控制带有蓝牙功能的家用设备。

在互联网时代，Wi-Fi如同我们生活中的氧气一般无处不在。它是当今使用最广泛的无线网络传输协议，承载了全球一半以上的流量。Wi-Fi是一个包罗万象的术语，用于描述不断发展的80211协议家族。

而Wi-Fi联盟是推动Wi-Fi发展的组织，他们通过数字命名法简化了Wi-Fi名称，例如Wi-Fi 6对应80211ax、Wi-Fi 5则是80211ac、Wi-Fi 4为80211n。

5G的到来，开启了万物互联的时代，像自动驾驶、智慧城市、远程医疗、智能可穿戴等，都是物联网的应用场景。 为了能够更好地满足这类市场的需求，Wi-Fi联盟推出了覆盖距离更广、功耗更低的Wi-Fi HaLow认证方案。

Wi-Fi HaLow是基于IEEE 80211ah技术的认证标准，同时也是针对IoT市场量身打造的低功耗Wi-Fi技术。

众所周知，适用于物联网的低功耗传输标准，还包括ZigBee、Z-Wave、蓝牙以及Thread。ZigBee和Z-Wave的缺点在于频宽较低，并且两者在设定时的弹性较弱。以ZigBee为例，它无法进行跳频，在网络布建时容易受到干扰。因此，ZigBee不太适合射频环境不稳定的物联网或M2M应用（基于特定行业的终端）。 而Wi-Fi HaLow单个节点最多连接设备超过8000个，同时还具备一定的抗干扰能力和墙壁穿透性。

至于蓝牙，它的缺点在于通讯距离，一般不会超过10米。 而Wi-Fi HaLow的最大传输距离达到了1000米。

作为远距离无线传输技术的一种，Wi-Fi HaLow低功耗、长距离的特性，除了适用于工业物联网、无人机、安防监控等领域外，还可以用于智能可穿戴设备。

目前，主流的智能可穿戴设备大致可分为三大类：TWS、智能手表和智能眼镜。 首先是TWS， 消费者在选购TWS耳机前，通常会比较在意耳机的音质、降噪以及续航能力。

为了更好的便携性，TWS耳机的体积基本上做得都比较小，大概只有一根大拇指那么大。在有限的体积下，TWS耳机内部需要塞入很多元器件，包括音频单元、降噪芯片、电池等。

现在，市面上绝大多数TWS耳机，单次使用时间基本都能达到5~8个小时。想要进一步提升TWS耳机的续航能力，厂商的做法有两种：一种是增大电池容量；另一种则是引入快充技术。

虽然增大电池容量并不难，但是这种简单粗暴的方法存在很多问题，比如随着电池容量的增加，电池的体积也会增大，这样一来，耳机腔体部分也会变大、变重，不仅牺牲了部分便携属性，还会影响耳机的佩戴舒适度。而且，在TWS上加入更多的功能，也会加快电池消耗的速度。

至于引入快充技术，并不能从根本上解决TWS耳机的续航问题，因为用户需要将耳机放入充电盒，等待5分钟后，才可以继续使用1小时。 而Wi-Fi HaLow低功耗的特性有助于改善TWS耳机的续航能力，尽管不难带来质的提升，但是最起码要比以前更好一些。

其次是智能手表。 以Apple Watch为例，它可以通过e-SIM功能脱离手机独立运作，而且拥有专门的应用商店，用户可以根据自身需求下载对应的App，这些操作均离不开移动蜂窝数据和Wi-Fi。

传统Wi-Fi最大的瓶颈在于功耗问题。Wi-Fi HaLow在功耗表现方面，由于采用了700~900更低的频率，以及更窄的频道占用宽度，使得功耗与蓝牙、ZigBee等短距离无线传输技术处于同一水平线上。

也就是说，无论是下载安装应用还是长时间使用需要联网的App，支持Wi-Fi HaLow标准的智能手表功耗表现会更低，与之对应的就是续航能力的提升。

最后是智能眼镜。 现在，市面上比较常见的智能眼镜有家用或户外使用两种类型，前者主要用来影音 娱乐 ，比如看**、玩 游戏 等；后者则更倾向于接打电话和听歌。

而Wi-Fi HaLow除了低功耗的特性外，还支持远距离传输、多设备连接、更好的穿墙能力以及更强的抗干扰性。 对于家用型智能眼镜，如果路由器位于客厅，在房间内使用时，WiFi连接性会变差。再加上如果家里不止你一人，路由器又不支持Wi-Fi 6的情况下，使用智能眼镜可能会因为网络拥堵问题影响用户体验。如果家用型智能眼镜支持Wi-Fi HaLow标准，上述问题或许都能得到解决。

对于像华为Eyewear这类户外使用的智能眼镜而言，其最大的问题在于网络连接的稳定性。 举个例子，在地铁、公交等信号复杂的应用场景下，使用户外型智能眼镜听歌时，可能会受到外界信号的干扰，导致设备经常断连。相比传统Wi-Fi和蓝牙，Wi-Fi HaLow拥有更强的信号抗干扰能力，可以大幅降低外接信号对智能眼镜的干扰性。

其实，相比智能可穿戴设备，Wi-Fi HaLow更多的作用在于布局AIoT市场。比如智能安防，由于Wi-Fi HaLow最大传输距离为1000米，并支持最多1万台设备同时接入同一连接点，大型商场只需要在一个位置搭建Wi-Fi HaLow的接入点，即可覆盖一公里以内所有支持该标准的监控摄像头。对于商家来说，布局安防监控成本会更低。

而且Wi-Fi HaLow有助于提升智能家居的使用体验，现阶段的智能家居，体验上都不是太好，不是经常断连，就是受到家里其他设备的信号干扰，导致实际使用起来延迟偏高。如果智能家居全部支持Wi-Fi HaLow标准，那么这些问题可能都会得到解决。

事实上，Wi-Fi HaLow并不是什么新技术，早在2016年，Wi-Fi联盟就已经公布了这项标准，只是没有厂商愿意去跟进， 直到2020年，国内珠海泰芯半导体才推出了全球首款基于Wi-Fi Halow标准的量产芯片，但应用场景与普通消费者没有太多联系。

说实话，Wi-Fi HaLow在定位上，与Wi-Fi 6多少有些重叠，毕竟室内应用场景，两者区别并不大。相较之下，Wi-Fi HaLow更适合户外场景。很显然，Wi-Fi联盟在这个时间节点再次宣布该标准，是一个很正确的决定。

不过，考虑到之前该标准从公布到芯片量产再到商用的进度，厂商们可能没有那么跟进并推出相关产品。虽然加入Wi-Fi联盟的厂商不在少数，包括上游芯片厂商英特尔、高通等，下游终端品牌厂商包括微软、苹果、华为等，但是Wi-Fi HaLow标准是否会应用于智能可穿戴领域，最终还要看厂商们愿不愿意，毕竟已经有了“前车之鉴”。

手机 可以 通过家里的 无线路由器 控制 家里的各种家用电器电器，前提是这些家用电器 也需要有 无线控制功能。

随着物联网技术的发展，现在市场上已经有很多家用电器 可以通过 手机 远程控制，如空调可以在你回家之前用手机打开（调节好温度），如电灯出门时忘了关 在手机上 点一下就可以关了。

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