物聯(lián)網(wǎng)短距離無(wú)線傳輸技術(shù)研究

范春輝

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是指在人和環(huán)境融為一體的模式下，能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。在物聯(lián)網(wǎng)的多種技術(shù)體系中，短距離無(wú)線傳輸技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系的主要技術(shù)支撐，發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大。文章介紹了其中常見(jiàn)的幾種短距無(wú)線傳輸技術(shù)，以期為其發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳輸；短距離

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)信息隨時(shí)隨地獲取和交換的迫切需要，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)逐漸走入人們的視野，在有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟的今天，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有巨大的潛力。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，在技術(shù)、成本、可靠性、功耗及可實(shí)用性等各方面的綜合考慮下，短距離無(wú)線通信技術(shù)已成了物聯(lián)網(wǎng)中的主要技術(shù)[1]。

1 短距離無(wú)線傳輸技術(shù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，而在需要低功耗、較少量資料傳輸?shù)募译娍刂?、物件識(shí)別，大多才用短距離無(wú)線技術(shù)。從而促使射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、藍(lán)牙、超寬頻（Ultra Wideband，UWB）ZigBee等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，各技術(shù)各有所長(zhǎng)，以下對(duì)幾種技術(shù)進(jìn)行分析[2]。

1.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是一種無(wú)線短距離傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)娜蜷_(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，能夠讓固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)的交換，其工作在2.4 GHz的頻段，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10 m內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)。藍(lán)牙可連接多個(gè)設(shè)備，克服了數(shù)據(jù)同步的難題。

藍(lán)牙是基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的協(xié)議。藍(lán)牙應(yīng)用跳頻技術(shù)，跳頻速率為1 600 次/s，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過(guò)藍(lán)牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。主要優(yōu)勢(shì)是：全球范圍使用，可同時(shí)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，支持多種設(shè)備，通過(guò)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以同時(shí)與幾個(gè)不同的皮網(wǎng)保持同步，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可穿過(guò)墻壁和公文包傳輸數(shù)據(jù)，低功耗，體積小，便于集成，開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)，成本低[3]。

1.2 WiFi技術(shù)

WiFi是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，能允許電子設(shè)備在數(shù)百英尺范圍連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）的技術(shù)，其工作在2.4 GHz頻段。WiFi的速度最高達(dá)54 Mbps。

WiFi技術(shù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信質(zhì)量較低，數(shù)據(jù)安全性也有待提高，但在電波的覆蓋范圍方面和傳輸速度上比藍(lán)牙要略高一籌。其基本配備為無(wú)線網(wǎng)卡及無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)（Access Point，AP），其架設(shè)費(fèi)用和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，這一技術(shù)的主要用于機(jī)場(chǎng)、酒店、商場(chǎng)等公共熱點(diǎn)場(chǎng)所。主要優(yōu)勢(shì)：無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，半徑可達(dá)100 m；傳輸速度非常快，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的要求；進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低，只要設(shè)置了“熱點(diǎn)”，由“熱點(diǎn)”發(fā)射出的電波可以達(dá)到100 m的范圍，用戶只要進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)就可以接入，不必進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，從而大大降低了成本[4]。

1.3 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低傳輸速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制方面，Zigbee技術(shù)可以嵌入到各種設(shè)備中。ZigBee采用跳頻技術(shù)，其工作在2.4 GHz頻段，具有16個(gè)信道，帶寬為250 k。它的基本速率是250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，它可與很多個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。主要用于無(wú)線數(shù)據(jù)收集、家庭樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、汽車自動(dòng)化和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等。

其主要優(yōu)點(diǎn)：低速率，其工作在20～250 kb/s的速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；低成本，其使用免費(fèi)頻段無(wú)需支付使用費(fèi)用；低復(fù)雜度、低功耗、近距離且可擴(kuò)展，相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳輸范圍在10～100 m，高容量，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有片狀、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可以互相進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，若干個(gè)節(jié)點(diǎn)可由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行管理，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。工作頻段相對(duì)比較靈活，其工作頻段包含全球通用的2.4 GHz頻段，還有歐洲的868 MHz頻段和美國(guó)的915 MHz頻段[5]。

1.4 UWB技術(shù)

UWB是一種無(wú)線通信技術(shù)，采用持續(xù)時(shí)間極短的基帶脈沖來(lái)傳送信息，其原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時(shí)脈沖。UWB的帶寬極寬，包含了高達(dá)10.6 GHz的頻譜資源，這使得其適合于高速率無(wú)線傳輸應(yīng)用。UWB技術(shù)的特點(diǎn)是高速率、大容量、低成本、低功耗，脈沖超寬頻不采用正弦波而直接進(jìn)行調(diào)制，很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，其功耗約為藍(lán)牙功率的1/20。安全性高，其發(fā)射功率小，而帶寬極寬，信號(hào)不易被截獲，穿透能力強(qiáng)，超寬帶基帶脈沖含有低頻分量，具有很強(qiáng)的穿透能力。UWB具有較大的處理增益；帶寬極寬在1 GHz至幾GHz；消耗電能小，其不使用載波，只發(fā)出瞬間脈沖電波；保密性好；發(fā)送功率小等[6]。

1.5 NFC技術(shù)

近場(chǎng)通信（Near Field Communication，NFC），又稱近距離無(wú)線通信，是一種設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。NFC技術(shù)基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)，采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式，在主動(dòng)模式下，每臺(tái)設(shè)備要向另一臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都必須產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)，這也是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的模式；在被動(dòng)模式下，NFC發(fā)起設(shè)備在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺(tái)設(shè)備，另一臺(tái)設(shè)備不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，此模式可以大幅度降低功耗。NFC工作頻率為13.56 MHz，距離在10 cm內(nèi)。其傳輸速度一般有106 kbit/s、212 kbit/s和424 kbit/s 3種。其實(shí)際用于如大廈門禁、公交、手機(jī)支付、信用卡等領(lǐng)域內(nèi)。endprint

1.6 RFID技術(shù)

RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種無(wú)線通信技術(shù)，可自動(dòng)識(shí)別特定目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需特定目標(biāo)與識(shí)別系統(tǒng)與之間建立接觸。其通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)辨識(shí)和追蹤目標(biāo)，可快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。識(shí)別無(wú)需人工，可以工作在各種環(huán)境中，識(shí)別距離可達(dá)幾十米。射頻一般是微波1～100 GHz，適用于短距離識(shí)別通信。

RFID主要由標(biāo)簽、閱讀器、天線3部分組成，該系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所取得的能量發(fā)送出產(chǎn)品信息（存儲(chǔ)在芯片中），或者由電子標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；閱讀器讀取信息并進(jìn)行解碼后，送到中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

RFID技術(shù)的主要特點(diǎn)為：數(shù)據(jù)讀寫(xiě)機(jī)能，形狀小型化和多樣化，耐環(huán)境性，可重復(fù)使用，穿透性強(qiáng)，數(shù)據(jù)的記憶容量大，應(yīng)用領(lǐng)域廣，安全性能高[7]。

2 幾種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用

目前，RFID技術(shù)在業(yè)界受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，各大軟硬件廠商相繼投入大量的研究，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：物流領(lǐng)域的倉(cāng)庫(kù)管理、日用品銷售；運(yùn)輸領(lǐng)域的集裝箱管理和包裝運(yùn)輸，公路收費(fèi)和車輛監(jiān)控；農(nóng)林牧漁領(lǐng)域的跟蹤定位；醫(yī)療領(lǐng)域的藥品生產(chǎn)、醫(yī)療垃圾跟蹤等。

藍(lán)牙具有功耗低及體積小的特性，因此它可以被集成到對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備中。目前藍(lán)牙在手持移動(dòng)設(shè)備短距離傳輸上還占很大的市場(chǎng)份額。

ZigBee技術(shù)由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷地為用戶提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性。

UWB由于抗干擾性能強(qiáng)，傳輸速率高，系統(tǒng)容量大，發(fā)送功率非常小，其應(yīng)用主要在軍用和民用，在軍用方面主要用于雷達(dá)、無(wú)線內(nèi)通系統(tǒng)、探測(cè)地雷等。在民用方面主要為地質(zhì)勘探、汽車防沖撞傳感器、家電設(shè)備和便攜設(shè)備之間的無(wú)線通信等[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)非常龐大的網(wǎng)絡(luò)，覆蓋各行各業(yè)，其目的就是物物相連，實(shí)現(xiàn)許多超級(jí)智能化的應(yīng)用。短距離無(wú)線通信網(wǎng)的出現(xiàn)和應(yīng)用較好地適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，特別是在最近一兩年內(nèi)以驚人的速度發(fā)展，各種相關(guān)技術(shù)層出不窮。以上幾種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)和適合應(yīng)用范圍，至今還沒(méi)有哪一種技術(shù)能全面滿足用戶需求，所以還得繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化和研究。

[參考文獻(xiàn)]

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[8]百度文庫(kù).RFID系統(tǒng)簡(jiǎn)介[EB/OL].（2012-06-10）[2017-10-10].https：//wenku.baidu.com/view/dc8d48d0195f312b3169a59d.html.endprint