常見物聯(lián)網(wǎng)近距離無線通信技術(shù)解析

　　當(dāng)下，帶有物聯(lián)網(wǎng)元素的智能手表、智能手環(huán)以及智能家居等產(chǎn)品已經(jīng)越來越多的滲透到我們的生活當(dāng)中，這些設(shè)備都是物聯(lián)網(wǎng)中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。那么物聯(lián)網(wǎng)中常見的近距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有哪些？都有哪些特點(diǎn)？

　　物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心為C3SD（控制系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和數(shù)據(jù)海）。從技術(shù)上來說，物聯(lián)網(wǎng)可以分為三層：傳感層、通信層和應(yīng)用層。在通信層中，需要將這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行安全可靠地通信和傳輸，除了有線傳輸，就是無線傳輸，在無線傳輸系統(tǒng)中，短距離無線傳輸技術(shù)成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個重要分支。

　　無線通信是指利用電磁波信號在空間傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，包括固定體之間的無線通信和移動通信兩大部分。一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，單跳傳輸距離限制在較短（通常最遠(yuǎn)為數(shù)百米）的范圍內(nèi)，就可以稱為近距離無線通信。

　　近距離無線通信的技術(shù)特征包括：1、無線發(fā)射功率在µW到100mW量級；2、通信距離在幾厘米到幾百米；3、使用全向天線和線路板天線；4、應(yīng)用場景多，特別是頻率資源稀缺情況；5、不需要申請頻率資源使用許可證；6、無中心，自組網(wǎng)；7、電池供電。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)中使用較廣泛的近距離無線通信技術(shù)有無線局域網(wǎng)802.11（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）和紅外數(shù)據(jù)傳輸（IrDA），比較有發(fā)展?jié)摿Φ臒o線通信技術(shù)有：ZigBee、NFC、超寬頻（Ultra WideBand）、DECT等。

　　每一種近距離無線通信技術(shù)的立足點(diǎn)或是基于速度、距離、耗電量的特殊要求，也可能是著眼于功能的擴(kuò)充性，或是經(jīng)濟(jì)行比較好，接下來電子發(fā)燒友小編就對這些近距離無線通信技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

　　1、 Wi-Fi

　　Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，WIFI全稱Wireless Fidelity，又稱802.11標(biāo)準(zhǔn)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。無線保真是一個無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。

　　Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　?。?）無線電波的覆蓋范圍廣

　　無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右 約合15米 ，而Wi-Fi的半徑則可達(dá)300英尺左右 約合100米

　　（2）速度快，可靠性高

　　802．1 lb無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是IEEE 802．1 l網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的變種，最高帶寬為l1 Mbps，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為5．5Mbps、2Mbps和1Mbps，帶寬的自動調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　WiFi技術(shù)的缺點(diǎn)

　　移動WiFi技術(shù)只能作為特定條移動WiFi技術(shù)的應(yīng)用，相對于有線網(wǎng)絡(luò)來說，無線網(wǎng)絡(luò)在其覆蓋的范圍內(nèi)，它的信號會隨著離節(jié)點(diǎn)距離的增加而減弱，WiFi技術(shù)本身ll Mb／s的傳輸速度有可能因?yàn)榫嚯x的增加到達(dá)終端用戶的手中只剩1 M 的有效速率，而且無線信號容易受到建筑物墻體的阻礙，無線電波在傳播過程中遇到障礙物會發(fā)生不同程度的折射、反射、衍射，使信號傳播受到干擾，無線電信號也容易受到同頻率電波的干擾和雷電天氣等的影響。

　　WiFi網(wǎng)絡(luò)由于不需要顯式地申請就可以使用無線網(wǎng)絡(luò)的頻率，因而網(wǎng)絡(luò)容易飽和而且易受到攻擊。WiFi網(wǎng)絡(luò)的安全性差強(qiáng)人意。802．1 1提供了一種名為WEP的加密算法，它對網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和主機(jī)設(shè)備之間無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止非法用戶對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行竊聽、攻擊和入侵。但由于WiFi天生缺少有線網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)的保護(hù)，而且也不像要訪問有線網(wǎng)絡(luò)之前必須先連接網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)未受保護(hù)，只要處于信號覆蓋范圍內(nèi)，只需通過無線網(wǎng)卡別人就可以訪問到你的網(wǎng)絡(luò)，占用你的帶寬，造成你信息泄露。

　　Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用

　　WLAN未來最具潛力的應(yīng)用將主要在SOHO、家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機(jī)場、酒店、商場等公共熱點(diǎn)場所。Wi-Fi技術(shù)可將Wi-Fi與基于XML或Java的Web服務(wù)融合起來，可以大幅度減少企業(yè)的成本。例如企業(yè)選擇在每一層樓或每一個部門配備802.11b的接入點(diǎn)，而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來，可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費(fèi)的資金。

　　2、 藍(lán)牙

　　藍(lán)牙（ Bluetooth® ）是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。藍(lán)牙技術(shù)最初由電信巨頭愛立信公司于1994年創(chuàng)制，當(dāng)時是作為RS232數(shù)據(jù)線的替代方案。

　　藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　?。?）同時可傳輸語音和數(shù)據(jù)：藍(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語音同時傳輸?shù)男诺?。每個語音信道數(shù)據(jù)速率為64kbit/s，語音信號編碼采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）方法。當(dāng)采用非對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，速率最高為721kbit/s，反向?yàn)?7.6kbit/s；當(dāng)采用對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，速率最高為342.6kbit/s。

　?。?）可以建立臨時性的對等連接（Ad-hoc ConnecTIon）：根據(jù)藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，可分為主設(shè)備（Master）與從設(shè)備（Slave）。

　?。?）藍(lán)牙模塊體積很小、便于集成：由于個人移動設(shè)備的體積較小，嵌入其內(nèi)部的藍(lán)牙模塊體積就應(yīng)該更小。

　?。?）低功耗：藍(lán)牙設(shè)備在通信連接（ConnecTIon）狀態(tài)下，有四種工作模式——激活（AcTIve）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。

　　缺點(diǎn)：

　　傳輸距離短：藍(lán)牙傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHz ISM頻段，提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。

　　抗干擾能力不強(qiáng)：由于藍(lán)牙傳輸協(xié)議和其他2.4G設(shè)備一樣，都是共用這一頻段的信號，這也難免導(dǎo)致信號互相干擾的情況出現(xiàn)。

　　藍(lán)牙技術(shù)同時還存在芯片價格高的缺點(diǎn)。

　　藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用

　　從目前的藍(lán)牙產(chǎn)品來看，藍(lán)牙主要應(yīng)用在這幾個方面：手機(jī)、筆記本電腦、智能家居中嵌入微波爐、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)等傳統(tǒng)家用電器、籃牙技術(shù)構(gòu)成的電子錢包和電子鎖還有其它數(shù)字設(shè)備，如數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z象機(jī)等。

　　3、 IrDA

　　IrDA是紅外數(shù)據(jù)組織（Infrared Data AssociaTIon）的簡稱，目前廣泛采用的IrDA紅外連接技術(shù)就是由該組織提出的。初始的IrDA1.0標(biāo)準(zhǔn)制訂了一個串行，半雙工的同步系統(tǒng)，傳輸速率為2400bps到115200bps，傳輸范圍1 m，傳輸半角度為15度到30度。最近IrDA擴(kuò)展了其物理層規(guī)格使數(shù)據(jù)傳輸率提升到4Mbps。PXA27x就是使用了這種擴(kuò)展了的物理層規(guī)格。

　　IrDA優(yōu)缺點(diǎn)

　　IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。并且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點(diǎn)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。

　　IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺（非多臺）設(shè)備之間的連接。而藍(lán)牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。

　　IrDA應(yīng)用：

　　目前IrDA的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備，如PDA、手機(jī)上廣泛使用。事實(shí)上，當(dāng)今每一個出廠的PDA及許多手機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)等產(chǎn)品都支持IrDA。

　　4、ZigBee

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　ZigBee可以說是藍(lán)牙的同族兄弟，它使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。它的基本速率是250kb/s，當(dāng)降低到28kb/s時，傳輸范圍可擴(kuò)大到134m，并獲得更高的可靠性。另外，它可與254個節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，可以比藍(lán)牙更好地支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動化應(yīng)用。

　　ZigBee優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）功耗低。在待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上，這也是ZigBee的一個獨(dú)特優(yōu)勢。

　?。?）成本低。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本; 積極投入ZigBee開發(fā)的Motorola以及Philips，均已推出應(yīng)用芯片。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)容量大。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255個設(shè)備，也就是說每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接。

　?。?）工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。

　　缺點(diǎn)：

　?。?） 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s～250kb/s，專注于低速率傳輸應(yīng)用。

　?。?） 有效范圍小。有效覆蓋范圍10～75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

　　ZigBee應(yīng)用

　　根據(jù)ZigBee聯(lián)盟目前的設(shè)想， ZigBee將會在安防監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、身份識別系統(tǒng)和樓宇智能控制系統(tǒng)等領(lǐng)域拓展應(yīng)用。

　　另外，ZigBee的目標(biāo)市場主要還有PC外設(shè)（鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操控桿）、消費(fèi)類電子設(shè)備（TV、VCR、CD、VCD、DVD等設(shè)備上的遙控裝置）、家庭內(nèi)智能控制（照明、煤氣計(jì)量控制及報警等）、玩具（電子寵物）、醫(yī)護(hù)（監(jiān)視器和傳感器）、工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等非常廣闊的領(lǐng)域。

　　5、NFC

　　近場通信（Near Field Communication，NFC）是一種短距高頻的無線電技術(shù)，在13.56MHz頻率運(yùn)行于20厘米距離內(nèi)。其傳輸速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三種。目前近場通信已通過成為ISO/IEC IS 18092國際標(biāo)準(zhǔn)、ECMA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)。NFC采用主動和被動兩種讀取模式。這個技術(shù)由非接觸式射頻識別（RFID）演變而來，由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)恩智浦半導(dǎo)體公司）、諾基亞和索尼共同研制開發(fā)，其基礎(chǔ)是RFID及互連技術(shù)。

　　NFC近場通信技術(shù)是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)交換。

　　NFC技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　安全性：相比藍(lán)牙或Wi-Fi這些遠(yuǎn)距離通信連接協(xié)議，NFC 是一種短距離通信技術(shù)，設(shè)備必須靠得很近，從而提供了固有的安全性。

　　連接快，功耗低：比藍(lán)牙連接速度更快，功耗更低，支持無電讀取。NFC 設(shè)備之間采取自動連接，無需執(zhí)行手動配置。只需晃動一下，就能迅速與可信設(shè)備建立連接。

　　私密性：在可信的身份驗(yàn)證框架內(nèi)，NFC 技術(shù)為設(shè)備之間的信息交換、數(shù)據(jù)共享提供安全。

　　缺點(diǎn)：

　　傳輸距離近：RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米、甚至幾十米，但由于NFC采取了獨(dú)特的信號衰減技術(shù)，NFC有效距離只有10cm。NFC的傳輸速度也比較低。

　　NFC的三種應(yīng)用類型

　?。?） 設(shè)備連接。除了無線局域網(wǎng)，NFC也可以簡化藍(lán)牙連接。比如，手提電腦用戶如果想在機(jī)場上網(wǎng)，他只需要走近一個Wi-Fi熱點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)。

　?。?） 實(shí)時預(yù)定。比如，海報或展覽信息背后貼有特定芯片，利用含NFC協(xié)議的手機(jī)或PDA，便能取得詳細(xì)信息，或是立即聯(lián)機(jī)使用信用卡進(jìn)行門票購買。而且，這些芯片無需獨(dú)立的能源。

　?。?） 移動商務(wù)。飛利浦Mifare技術(shù)支持了世界上幾個大型交通系統(tǒng)及在銀行業(yè)為客戶提供Visa卡等各種服務(wù)。

　　6、超寬頻（Ultra WideBand）

　　UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。UWB（Ultra-Wideband）超寬帶，一開始是使用脈沖無線電技術(shù)，此技術(shù)可追溯至19世紀(jì)。后來由Intel等大公司提出了應(yīng)用了UWB的MB-OFDM技術(shù)方案，由于兩種方案的截然不同，而且各自都有強(qiáng)大的陣營支持，制定UWB標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標(biāo)準(zhǔn)方案，于是將其交由市場解決。為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應(yīng)用超短基帶豐富的GHz級頻譜。

　　UWB優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　?。?）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡單：當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。

　?。?）高速的數(shù)據(jù)傳輸：民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mbit/ s，是實(shí)現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。

　?。?）功耗低：UWB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。

　?。?）安全性高：作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB 信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下，UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后，脈沖的檢測將更加困難。

　?。?）多徑分辨能力強(qiáng)：由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。

　?。?）定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點(diǎn)。

　?。?）工程簡單造價便宜：在工程實(shí)現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本將很低。

　　UWB的應(yīng)用

　　UWB主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術(shù)適用于對速率要求非常高（大于100 Mb/s）的LANs或PANs，也就是說，光纖投入昂貴。通常在10m以內(nèi)UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百M(fèi)bps的傳輸性能，對于遠(yuǎn)距離應(yīng)用IEEE802．11b或Home RF無線PAN的性能將強(qiáng)于UWB。

　　把UWB看作藍(lán)牙技術(shù)的替代者可能更為適合，因后者傳輸速率遠(yuǎn)不及前者，另外藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議也較為復(fù)雜。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)使得UWB較適合家庭無線消費(fèi)市場的需求。UWB尤其適合近距離內(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點(diǎn)，讓很多商業(yè)公司將其看作是一種很有前途的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于諸如將視頻信號從機(jī)頂盒無線傳送到數(shù)字電視等家庭場合。

　　7、DECT

　　數(shù)字增強(qiáng)無繩通信（Digital Enhanced Cordless Telecommunications ，DECT） 系統(tǒng)，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute）制定的增強(qiáng)型數(shù)字無繩電話標(biāo)準(zhǔn)，是一個開放型的，不斷演進(jìn)的數(shù)位通訊標(biāo)準(zhǔn)，主要用于無繩電話系統(tǒng)?？蔀楦哂脩裘芏?，小范圍通信提供話音和數(shù)據(jù)高質(zhì)量服務(wù)無繩通信的框架。