常見物聯網近距離無線通訊技術解析

當下，帶有物聯網元素的智慧手錶、智慧手環以及智慧家居等產品已經越來越多的滲透到我們的生活當中，這些裝置都是物聯網中的聯網裝置。那麼物聯網中常見的近距離聯網技術有哪些？都有哪些特點？

物聯網的技術核心為C3SD（控制系統、計算系統、通訊系統、感知系統和資料海）。從技術上來說，物聯網可以分為三層：感測層、通訊層和應用層。在通訊層中，需要將這些資料和資訊進行安全可靠地通訊和傳輸，除了有線傳輸，就是無線傳輸，在無線傳輸系統中，短距離無線傳輸技術成為了物聯網技術中的一個重要分支。

無線通訊是指利用電磁波訊號在空間傳播的特性進行資訊交換的一種通訊方式，包括固定體之間的無線通訊和行動通訊兩大部分。一般意義上，只要通訊收發雙方通過無線電波傳輸資訊，單跳傳輸距離限制在較短（通常最遠為數百米）的範圍內，就可以稱為近距離無線通訊。

近距離無線通訊的技術特徵包括：1、無線發射功率在μW到100mW量級；2、通訊距離在幾釐米到幾百米；3、使用全向天線和線路板天線；4、應用場景多，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；7、電池供電。

圖片來源於網路

目前，物聯網中使用較廣泛的近距離無線通訊技術有無線區域網802.11（Wi-Fi）、藍芽（Bluetooth）和紅外資料傳輸（IrDA），比較有發展潛力的無線通訊技術有：ZigBee、NFC、超寬頻（Ultra WideBand）、DECT等。

每一種近距離無線通訊技術的立足點或是基於速度、距離、耗電量的特殊要求，也可能是著眼於功能的擴充性，或是經濟行比較好，接下來電子發燒友小編就對這些近距離無線通訊技術的特點及應用做詳細介紹。

1、 Wi-Fi

Wi-Fi是一種允許電子裝置連線到一個無線區域網（WLAN）的技術，WIFI全稱Wireless Fidelity，又稱802.11標準，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連線到無線區域網通常是有密碼保護的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN範圍內的裝置可以連線上。無線保真是一個無線網路通訊技術的品牌，由Wi-Fi聯盟所持有。目的是改善基於IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。

Wi-Fi技術的優缺點

優點

（1）無線電波的覆蓋範圍廣

無線電波的覆蓋範圍廣，基於藍芽技術的電波覆蓋範圍非常小，半徑大約只有50英尺左右 約合15米 ，而Wi-Fi的半徑則可達300英尺左右 約合100米

（2）速度快，可靠性高

802．1 lb無線網路規範是IEEE 802．1 l網路規範的變種，最高頻寬為l1 Mbps，在訊號較弱或有干擾的情況下，頻寬可調整為5．5Mbps、2Mbps和1Mbps，頻寬的自動調整，有效地保障了網路的穩定性和可靠性。

WiFi技術的缺點

移動WiFi技術只能作為特定條移動WiFi技術的應用，相對於有線網路來說，無線網路在其覆蓋的範圍內，它的訊號會隨著離節點距離的增加而減弱，WiFi技術本身ll Mb／s的傳輸速度有可能因為距離的增加到達終端使用者的手中只剩1 M 的有效速率，而且無線訊號容易受到建築物牆體的阻礙，無線電波在傳播過程中遇到障礙物會發生不同程度的折射、反射、衍射，使訊號傳播受到干擾，無線電訊號也容易受到同頻率電波的干擾和雷電天氣等的影響。

WiFi網路由於不需要顯式地申請就可以使用無線網路的頻率，因而網路容易飽和而且易受到攻擊。WiFi網路的安全性差強人意。802．1 1提供了一種名為WEP的加密演算法，它對網路接入點和主機裝置之間無線傳輸的資料進行加密，防止非法使用者對網路進行竊聽、攻擊和入侵。但由於WiFi天生缺少有線網路的物理結構的保護，而且也不像要訪問有線網路之前必須先連線網路，如果網路未受保護，只要處於訊號覆蓋範圍內，只需通過無線網路卡別人就可以訪問到你的網路，佔用你的頻寬，造成你資訊洩露。

Wi-Fi技術的應用

WLAN未來最具潛力的應用將主要在SOHO、家庭無線網路以及不便安裝電纜的建築物或場所。目前這一技術的使用者主要來自機場、酒店、商場等公共熱點場所。Wi-Fi技術可將Wi-Fi與基於XML或Java的Web服務融合起來，可以大幅度減少企業的成本。例如企業選擇在每一層樓或每一個部門配備802.11b的接入點，而不是採用電纜線把整幢建築物連線起來。這樣一來，可以節省大量鋪設電纜所需花費的資金。

2、 藍芽

藍芽（ Bluetooth ）是一種無線技術標準，可實現固定裝置、移動裝置和樓宇個人域網之間的短距離資料交換（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。藍芽技術最初由電信巨頭愛立信公司於1994年創制，當時是作為RS232資料線的替代方案。

藍芽技術優缺點

優點

（1）同時可傳輸語音和資料：藍芽採用電路交換和分組交換技術，支援非同步資料通道、三路語音通道以及非同步資料與同步語音同時傳輸的通道。每個語音通道資料速率為64kbit/s，語音訊號編碼採用脈衝編碼調製（PCM）或連續可變斜率增量調製（CVSD）方法。當採用非對稱通道傳輸資料時，速率最高為721kbit/s，反向為57.6kbit/s；當採用對稱通道傳輸資料時，速率最高為342.6kbit/s。

（2）可以建立臨時性的對等連線（Ad-hoc Connection）：根據藍芽裝置在網路中的角色，可分為主裝置（Master）與從裝置（Slave）。

（3）藍芽模組體積很小、便於整合：由於個人移動裝置的體積較小，嵌入其內部的藍芽模組體積就應該更小。

（4）低功耗：藍芽裝置在通訊連線（Connection）狀態下，有四種工作模式——啟用（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。

缺點：

傳輸距離短：藍芽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：由於藍芽傳輸協議和其他2.4G裝置一樣，都是共用這一頻段的訊號，這也難免導致訊號互相干擾的情況出現。

藍芽技術同時還存在晶片價格高的缺點。

藍芽技術的應用

從目前的藍芽產品來看，藍芽主要應用在這幾個方面：手機、膝上型電腦、智慧家居中嵌入微波爐、洗衣機、電冰箱、空調機等傳統家用電器、籃牙技術構成的電子錢包和電子鎖還有其它數字裝置，如數字照相機、數字攝象機等。

3、 IrDA

IrDA是紅外資料組織（Infrared Data Association）的簡稱，目前廣泛採用的IrDA紅外連線技術就是由該組織提出的。初始的IrDA1.0標準制訂了一個序列，半雙工的同步系統，傳輸速率為2400bps到115200bps，傳輸範圍1 m，傳輸半形度為15度到30度。最近IrDA擴充套件了其物理層規格使資料傳輸率提升到4Mbps。PXA27x就是使用了這種擴充套件了的物理層規格。

IrDA優缺點

IrDA的主要優點是無需申請頻率的使用權，因而紅外通訊成本低廉。並且還具有行動通訊所需的體積小、功耗低、連線方便、簡單易用的特點。此外，紅外線發射角度較小，傳輸上安全性高。

IrDA的不足在於它是一種視距傳輸，兩個相互通訊的裝置之間必須對準，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術只能用於2臺（非多臺）裝置之間的連線。而藍芽就沒有此限制，且不受牆壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高資料傳輸率。

IrDA應用：

目前IrDA的軟硬體技術都很成熟，在小型移動裝置，如PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的PDA及許多手機、膝上型電腦、印表機等產品都支援IrDA。

4、ZigBee

ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗區域網協議。ZigBee這一名稱（又稱紫蜂協議）來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂（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資訊，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通訊網路。

ZigBee可以說是藍芽的同族兄弟，它使用2.4 GHz波段，採用跳頻技術。與藍芽相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。它的基本速率是250kb/s，當降低到28kb/s時，傳輸範圍可擴大到134m，並獲得更高的可靠性。另外，它可與254個節點聯網，可以比藍芽更好地支援遊戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。

ZigBee優缺點

優點：

（1）功耗低。在待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月以上，這也是ZigBee的一個獨特優勢。

（2）成本低。因為ZigBee資料傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本; 積極投入ZigBee開發的Motorola以及Philips，均已推出應用晶片。

（3）網路容量大。每個ZigBee網路最多可以支援255個裝置，也就是說每個ZigBee裝置可以與另外254臺裝置相連線。

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

缺點：

（1） 資料傳輸速率低。只有10kb/s～250kb/s，專注於低速率傳輸應用。

（2） 有效範圍小。有效覆蓋範圍10～75m之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

ZigBee應用

根據ZigBee聯盟目前的設想， ZigBee將會在安防監控系統、感測器網路、家庭監控、身份識別系統和樓宇智慧控制系統等領域擴充應用。

另外，ZigBee的目標市場主要還有PC外設（滑鼠、鍵盤、遊戲操控杆）、消費類電子裝置（TV、VCR、CD、VCD、DVD等裝置上的遙控裝置）、家庭內智慧控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具（電子寵物）、醫護（監視器和感測器）、工控（監視器、感測器和自動控制裝置）等非常廣闊的領域。

5、NFC

近場通訊（Near Field Communication，NFC）是一種短距高頻的無線電技術，在13.56MHz頻率執行於20釐米距離內。其傳輸速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三種。目前近場通訊已通過成為ISO/IEC IS 18092國際標準、ECMA-340標準與ETSI TS 102 190標準。NFC採用主動和被動兩種讀取模式。這個技術由非接觸式射頻識別（RFID）演變而來，由飛利浦半導體（現恩智浦半導體公司）、諾基亞和索尼共同研製開發，其基礎是RFID及互連技術。

NFC近場通訊技術是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯互通技術整合演變而來，在單一晶片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，能在短距離內與相容裝置進行識別和資料交換。

NFC技術優缺點

優點

安全性：相比藍芽或Wi-Fi這些遠距離通訊連線協議，NFC 是一種短距離通訊技術，裝置必須靠得很近，從而提供了固有的安全性。

連線快，功耗低：比藍芽連線速度更快，功耗更低，支援無電讀取。NFC 裝置之間採取自動連線，無需執行手動配置。只需晃動一下，就能迅速與可信裝置建立連線。

私密性：在可信的身份驗證框架內，NFC 技術為裝置之間的資訊交換、資料共享提供安全。

缺點：

傳輸距離近：RFID的傳輸範圍可以達到幾米、甚至幾十米，但由於NFC採取了獨特的訊號衰減技術，NFC有效距離只有10cm。NFC的傳輸速度也比較低。

NFC的三種應用型別

（1） 裝置連線。除了無線區域網，NFC也可以簡化藍芽連線。比如，手提電腦使用者如果想在機場上網，他只需要走近一個Wi-Fi熱點即可實現。

（2） 實時預定。比如，海報或展覽資訊背後貼有特定晶片，利用含NFC協議的手機或PDA，便能取得詳細資訊，或是立即聯機使用信用卡進行門票購買。而且，這些晶片無需獨立的能源。

（3） 移動商務。飛利浦Mifare技術支援了世界上幾個大型交通系統及在銀行業為客戶提供Visa卡等各種服務。

6、超寬頻（Ultra WideBand）

UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通訊技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸資料。UWB（Ultra-Wideband）超寬頻，一開始是使用脈衝無線電技術，此技術可追溯至19世紀。後來由Intel等大公司提出了應用了UWB的MB-OFDM技術方案，由於兩種方案的截然不同，而且各自都有強大的陣營支援，制定UWB標準的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標準方案，於是將其交由市場解決。為進一步提高資料速率，UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜。

UWB優缺點

優點

（1）系統結構的實現比較簡單：當前的無線通訊技術所使用的通訊載波是連續的電波，載波的頻率和功率在一定範圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸資訊。而UWB則不使用載波，它通過傳送納秒級脈衝來傳輸資料訊號。

（2）高速的資料傳輸：民用商品中，一般要求UWB訊號的傳輸範圍為10m以內，再根據經過修改的通道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/ s，是實現個人通訊和無線區域網的一種理想調製技術。UWB 以非常寬的頻率頻寬來換取高速的資料傳輸，並且不單獨佔用已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。

（3）功耗低：UWB 系統使用間歇的脈衝來傳送資料，脈衝持續時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的佔空因數，系統耗電可以做到很低，在高速通訊時系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。

（4）安全性高：作為通訊系統的物理層技術具有天然的安全效能。由於UWB訊號一般把訊號能量彌散在極寬的頻帶範圍內，對一般通訊系統，UWB 訊號相當於白噪聲訊號，並且大多數情況下，UWB 訊號的功率譜密度低於自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈衝訊號檢測出來是一件非常困難的事。採用編碼對脈衝引數進行偽隨機化後，脈衝的檢測將更加困難。

（5）多徑分辨能力強：由於常規無線通訊的射頻訊號大多為連續訊號或其持續時間遠大於多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通訊質量和資料傳輸速率。由於超寬頻無線電發射的是持續時間極短的單週期脈衝且佔空比極低，多徑訊號在時間上是可分離的。

（6）定位精確：衝激脈衝具有很高的定位精度，採用超寬頻無線電通訊，很容易將定位與通訊合一，而常規無線電難以做到這一點。

（7）工程簡單造價便宜：在工程實現上，UWB比其它無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈衝，並對脈衝產生調製，而這些電路都可以被整合到一個晶片上，裝置的成本將很低。

UWB的應用

UWB主要應用在小範圍、高解析度、能夠穿透牆壁、地面和身體的雷達和影像系統中。除此之外，這種新技術適用於對速率要求非常高（大於100 Mb/s）的LANs或PANs，也就是說，光纖投入昂貴。通常在10m以內UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸效能，對於遠距離應用IEEE802．11b或Home RF無線PAN的效能將強於UWB。

把UWB看作藍芽技術的替代者可能更為適合，因後者傳輸速率遠不及前者，另外藍芽技術的協議也較為複雜。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優點使得UWB較適合家庭無線消費市場的需求。UWB尤其適合近距離內高速傳送大量多媒體資料以及可以穿透障礙物的突出優點，讓很多商業公司將其看作是一種很有前途的無線通訊技術，應用於諸如將視訊訊號從機頂盒無線傳送到數字電視等家庭場合。

7、DECT

數字增強無繩通訊（Digital Enhanced Cordless Telecommunications ，DECT） 系統，是由歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute）制定的增強型數字無繩電話標準，是一個開放型的，不斷演進的數位通訊標準，主要用於無繩電話系統。可為高使用者密度，小範圍通訊提供話音和資料高質量服務無繩通訊的框架。

本文轉自d1net（轉載）