解码物联网:近距离无线通信技术解析

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当下,带有物联网元素的智能手表、智能手环以及智能家居等产品已经越来越多的渗透到我们的生活当中,这些设备都是物联网中的联网设备。那么物联网中常见的近距离联网技术有哪些?都有哪些特点?

物联网的技术核心为C3SD(控制系统、计算系统、通讯系统、感知系统和数据海)。从技术上来说,物联网可以分为三层:传感层、通信层和应用层。在通信层中,需要将这些数据和信息进行安全可靠地通信和传输,除了有线传输,就是无线传输,在无线传输系统中,短距离无线传输技术成为了物联网技术中的一个重要分支。

无线通信是指利用电磁波信号在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式,包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。一般意义上,只要通信收发双方通过无线电波传输信息,单跳传输距离限制在较短(通常最远为数百米)的范围内,就可以称为近距离无线通信。

近距离无线通信的技术特征包括:1、无线发射功率在µW到100mW量级;2、通信距离在几厘米到几百米;3、使用全向天线和线路板天线;4、应用场景多,特别是频率资源稀缺情况;5、不需要申请频率资源使用许可证;6、无中心,自组网;7、电池供电。

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目前,物联网中使用较广泛的近距离无线通信技术有无线局域网802.11(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)和红外数据传输(IrDA),比较有发展潜力的无线通信技术有:ZigBee、NFC、超宽频(Ultra WideBand)、DECT等。

每一种近距离无线通信技术的立足点或是基于速度、距离、耗电量的特殊要求,也可能是着眼于功能的扩充性,或是经济行比较好,接下来电子发烧友小编就对这些近距离无线通信技术的特点及应用做详细介绍。

1、 Wi-Fi

Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术,WIFI全称Wireless Fidelity,又称802.11标准,通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的;但也可是开放的,这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。无线保真是一个无线网络通信技术的品牌,由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

Wi-Fi技术的优缺点

 优点

  (1)无线电波的覆盖范围广

  无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小,半径大约只有50英尺左右 约合15米 ,而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右 约合100米

  (2)速度快,可靠性高

  802.1 lb无线网络规范是IEEE 802.1 l网络规范的变种,最高带宽为l1 Mbps,在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps,带宽的自动调整,有效地保障了网络的稳定性和可靠性。

  WiFi技术的缺点

  移动WiFi技术只能作为特定条移动WiFi技术的应用,相对于有线网络来说,无线网络在其覆盖的范围内,它的信号会随着离节点距离的增加而减弱,WiFi技术本身ll Mb/s的传输速度有可能因为距离的增加到达终端用户的手中只剩1 M 的有效速率,而且无线信号容易受到建筑物墙体的阻碍,无线电波在传播过程中遇到障碍物会发生不同程度的折射、反射、衍射,使信号传播受到干扰,无线电信号也容易受到同频率电波的干扰和雷电天气等的影响。

  WiFi网络由于不需要显式地申请就可以使用无线网络的频率,因而网络容易饱和而且易受到攻击。WiFi网络的安全性差强人意。802.1 1提供了一种名为WEP的加密算法,它对网络接入点和主机设备之间无线传输的数据进行加密,防止非法用户对网络进行窃听、攻击和入侵。但由于WiFi天生缺少有线网络的物理结构的保护,而且也不像要访问有线网络之前必须先连接网络,如果网络未受保护,只要处于信号覆盖范围内,只需通过无线网卡别人就可以访问到你的网络,占用你的带宽,造成你信息泄露。

  Wi-Fi技术的应用

  WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来,可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点,而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来,可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。

2、 蓝牙

  蓝牙( Bluetooth® )是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案。

  蓝牙技术优缺点

  优点

  (1)同时可传输语音和数据:蓝牙采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s,语音信号编码采用脉冲编码调制(PCM)或连续可变斜率增量调制(CVSD)方法。当采用非对称信道传输数据时,速率最高为721kbit/s,反向为57.6kbit/s;当采用对称信道传输数据时,速率最高为342.6kbit/s。

  (2)可以建立临时性的对等连接(Ad-hoc ConnecTIon):根据蓝牙设备在网络中的角色,可分为主设备(Master)与从设备(Slave)。

  (3)蓝牙模块体积很小、便于集成:由于个人移动设备的体积较小,嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小。

  (4)低功耗:蓝牙设备在通信连接(ConnecTIon)状态下,有四种工作模式——激活(AcTIve)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。

  缺点:

  传输距离短:蓝牙传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段,提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。

  抗干扰能力不强:由于蓝牙传输协议和其他2.4G设备一样,都是共用这一频段的信号,这也难免导致信号互相干扰的情况出现。

  蓝牙技术同时还存在芯片价格高的缺点。

  蓝牙技术的应用

  从目前的蓝牙产品来看,蓝牙主要应用在这几个方面:手机、笔记本电脑、智能家居中嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器、篮牙技术构成的电子钱包和电子锁还有其它数字设备,如数字照相机、数字摄象机等。

3、 IrDA

  IrDA是红外数据组织(Infrared Data AssociaTIon)的简称,目前广泛采用的IrDA红外连接技术就是由该组织提出的。初始的IrDA1.0标准制订了一个串行,半双工的同步系统,传输速率为2400bps到115200bps,传输范围1 m,传输半角度为15度到30度。最近IrDA扩展了其物理层规格使数据传输率提升到4Mbps。PXA27x就是使用了这种扩展了的物理层规格。

  IrDA优缺点

  IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外,红外线发射角度较小,传输上安全性高。

  IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

  IrDA应用:

  目前IrDA的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

4、ZigBee

  ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

  ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟,它使用2.4 GHz波段,采用跳频技术。与蓝牙相比,ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s,当降低到28kb/s时,传输范围可扩大到134m,并获得更高的可靠性。另外,它可与254个节点联网,可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

  ZigBee优缺点

  优点:

  (1)功耗低。在待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月以上,这也是ZigBee的一个独特优势。

  (2)成本低。因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本; 积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips,均已推出应用芯片。

  (3)网络容量大。每个ZigBee网络最多可以支持255个设备,也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

  (4)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。

  缺点:

  (1) 数据传输速率低。只有10kb/s~250kb/s,专注于低速率传输应用。

  (2) 有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

  ZigBee应用

  根据ZigBee联盟目前的设想, ZigBee将会在安防监控系统、传感器网络、家庭监控、身份识别系统和楼宇智能控制系统等领域拓展应用。

  另外,ZigBee的目标市场主要还有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。

5、NFC

  近场通信(Near Field Communication,NFC)是一种短距高频的无线电技术,在13.56MHz频率运行于20厘米距离内。其传输速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三种。目前近场通信已通过成为ISO/IEC IS 18092国际标准、ECMA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC采用主动和被动两种读取模式。这个技术由非接触式射频识别(RFID)演变而来,由飞利浦半导体(现恩智浦半导体公司)、诺基亚和索尼共同研制开发,其基础是RFID及互连技术。

  NFC近场通信技术是由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来,在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能,能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。

  NFC技术优缺点

  优点

  安全性:相比蓝牙或Wi-Fi这些远距离通信连接协议,NFC 是一种短距离通信技术,设备必须靠得很近,从而提供了固有的安全性。

  连接快,功耗低:比蓝牙连接速度更快,功耗更低,支持无电读取。NFC 设备之间采取自动连接,无需执行手动配置。只需晃动一下,就能迅速与可信设备建立连接。

  私密性:在可信的身份验证框架内,NFC 技术为设备之间的信息交换、数据共享提供安全。

  缺点:

  传输距离近:RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米,但由于NFC采取了独特的信号衰减技术,NFC有效距离只有10cm。NFC的传输速度也比较低。

  NFC的三种应用类型

  (1) 设备连接。除了无线局域网,NFC也可以简化蓝牙连接。比如,手提电脑用户如果想在机场上网,他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

  (2) 实时预定。比如,海报或展览信息背后贴有特定芯片,利用含NFC协议的手机或PDA,便能取得详细信息,或是立即联机使用信用卡进行门票购买。而且,这些芯片无需独立的能源。

  (3) 移动商务。飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。

6、超宽频(Ultra WideBand)

  UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB(Ultra-Wideband)超宽带,一开始是使用脉冲无线电技术,此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案,由于两种方案的截然不同,而且各自都有强大的阵营支持,制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案,于是将其交由市场解决。为进一步提高数据速率,UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱。

  UWB优缺点

  优点

  (1)系统结构的实现比较简单:当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,载波的频率和功率在一定范围内变化,从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波,它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。

  (2)高速的数据传输:民用商品中,一般要求UWB信号的传输范围为10m以内,再根据经过修改的信道容量公式,其传输速率可达500Mbit/ s,是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源,而是共享其他无线技术使用的频带。

  (3)功耗低:UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之间,有很低的占空因数,系统耗电可以做到很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。

  (4)安全性高:作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内,对一般通信系统,UWB 信号相当于白噪声信号,并且大多数情况下,UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声,从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后,脉冲的检测将更加困难。

  (5)多径分辨能力强:由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的。

  (6)定位精确:冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,很容易将定位与通信合一,而常规无线电难以做到这一点。

  (7)工程简单造价便宜:在工程实现上,UWB比其它无线技术要简单得多,可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲,并对脉冲产生调制,而这些电路都可以被集成到一个芯片上,设备的成本将很低。

  UWB的应用

  UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100 Mb/s)的LANs或PANs,也就是说,光纤投入昂贵。通常在10m以内UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能,对于远距离应用IEEE802.11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。

  把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合,因后者传输速率远不及前者,另外蓝牙技术的协议也较为复杂。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求。UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点,让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术,应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。

7、DECT

  数字增强无绳通信(Digital Enhanced Cordless Telecommunications ,DECT) 系统,是由欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute)制定的增强型数字无绳电话标准,是一个开放型的,不断演进的数位通讯标准,主要用于无绳电话系统。可为高用户密度,小范围通信提供话音和数据高质量服务无绳通信的框架。


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