物联网短距离无线传输技术研究

    范春辉

    摘 要：物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是指在人和环境融为一体的模式下，能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。在物联网的多种技术体系中，短距离无线传输技术作为物联网架构体系的主要技术支撑，发展非常迅速，应用范围也在逐步扩大。文章介绍了其中常见的几种短距无线传输技术，以期为其发展提供一定参考。

    关键词：物联网；无线传输；短距离

    随着电子技术、计算机技术、通信技术和Internet技术的飞速发展，人们对信息随时随地获取和交换的迫切需要，无线网络逐渐走入人们的视野，在有线网络技术已经发展成熟的今天，无线网络具有巨大的潜力。为了满足物联网的应用需求，在技术、成本、可靠性、功耗及可实用性等各方面的综合考虑下，短距离无线通信技术已成了物联网中的主要技术[1]。

    1 短距离无线传输技术

    无线网络应用广泛，而在需要低功耗、较少量资料传输的家电控制、物件识别，大多才用短距离无线技术。从而促使射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、蓝牙、超宽频（Ultra Wideband，UWB）ZigBee等技术应运而生。随着物联网的兴起，各技术各有所长，以下对几种技术进行分析[2]。

    1.1 蓝牙技术

    蓝牙是一种无线短距离传输技术标准，可实现语音和数据无线传输的全球开放性标准，能够让固定设备、移动设备的实现短距离数据的交换，其工作在2.4 GHz的频段，是一种支持设备短距离通信（一般10 m内）的无线电技术。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。

    蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。蓝牙应用跳频技术，跳频速率为1 600 次/s，将传输的数据分割成数据包，通过蓝牙频道分别传输数据包。主要优势是：全球范围使用，可同时传输语音和数据，支持多种设备，通过时分复用技术，一个蓝牙设备可以同时与几个不同的皮网保持同步，具有很强的抗干扰能力，可穿过墙壁和公文包传输数据，低功耗，体积小，便于集成，开放的接口标准，成本低[3]。

    1.2 WiFi技术

    WiFi是一种短距离无线传输技术，能允许电子设备在数百英尺范围连接到一个无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）的技术，其工作在2.4 GHz频段。WiFi的速度最高达54 Mbps。

    WiFi技术传输的无线通信质量较低，数据安全性也有待提高，但在电波的覆盖范围方面和传输速度上比蓝牙要略高一筹。其基本配备为无线网卡及无线访问接入点（Access Point，AP），其架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络，这一技术的主要用于机场、酒店、商场等公共热点场所。主要优势：无线电波的覆盖范围广，半径可达100 m；传输速度非常快，符合个人和社会信息化的要求；进入该领域的门槛比较低，只要设置了“热点”，由“热点”发射出的电波可以达到100 m的范围，用户只要进入该区域内就可以接入，不必进行网络布线接入，从而大大降低了成本[4]。

    1.3 ZigBee技术

    ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、架构简单、低传输速率、低成本的无线通信技术，主要应用于远程控制和自动控制方面，Zigbee技术可以嵌入到各种设备中。ZigBee采用跳频技术，其工作在2.4 GHz频段，具有16个信道，带宽为250 k。它的基本速率是250 kb/s，适合传感器数据的采集和控制数据的传输。另外，它可与很多个节点联网。主要用于无线数据收集、家庭楼宇自动化、医用设备控制、汽车自动化和远程网络控制等。

    其主要优点：低速率，其工作在20～250 kb/s的速率，满足低速率传输数据的应用需求；低成本，其使用免费频段无需支付使用费用；低复杂度、低功耗、近距离且可扩展，相邻节点间的传输范围在10～100 m，高容量，其拓扑结构有片状、星状和网状网络，网络中每个节点之间都可以互相进行数据传输，若干个节点可由一个主节点来进行管理，一个主节点最多可以管理254个子节点。工作频段相对比较灵活，其工作频段包含全球通用的2.4 GHz频段，还有欧洲的868 MHz频段和美国的915 MHz频段[5]。

    1.4 UWB技术

    UWB是一种无线通信技术，采用持续时间极短的基带脉冲来传送信息，其原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲。UWB的带宽极宽，包含了高达10.6 GHz的频谱资源，这使得其适合于高速率无线传输应用。UWB技术的特点是高速率、大容量、低成本、低功耗，脉冲超宽频不采用正弦波而直接进行调制，很大程度上降低了系统的复杂度，其功耗约为蓝牙功率的1/20。安全性高，其发射功率小，而带宽极宽，信号不易被截获，穿透能力强，超宽带基带脉冲含有低频分量，具有很强的穿透能力。UWB具有较大的处理增益；带宽极宽在1 GHz至几GHz；消耗电能小，其不使用载波，只发出瞬间脉冲电波；保密性好；发送功率小等[6]。

    1.5 NFC技术

    近场通信（Near Field Communication，NFC），又称近距离无线通信，是一种设备之间进行非接触式的点对点数据通信。NFC技术基于RFID射频识别技术，采用主动和被动两种读取模式，在主动模式下，每台设备要向另一台发送数据时，都必须产生自己的射频场，这也是点对点通信的模式；在被动模式下，NFC发起设备在整个通信过程中提供射频场，将数据发送到另一台设备，另一台设备不必产生射频场，此模式可以大幅度降低功耗。NFC工作频率为13.56 MHz，距离在10 cm内。其传输速度一般有106 kbit/s、212 kbit/s和424 kbit/s 3种。其实际用于如大廈门禁、公交、手机支付、信用卡等领域内。

    1.6 RFID技术

    RFID是一种非接触的自动识别技术，又称无线射频识别，是一种无线通信技术，可自动识别特定目标并获取相关数据，而无需特定目标与识别系统与之间建立接触。其通过射频信号自动辨识和追踪目标，可快速地进行数据交换。识别无需人工，可以工作在各种环境中，识别距离可达几十米。射频一般是微波1～100 GHz，适用于短距离识别通信。

    RFID主要由标签、阅读器、天线3部分组成，该系统的工作原理是当电子标签进入磁场后，接收阅读器发出射频信号，凭借感应电流所取得的能量发送出产品信息（存储在芯片中），或者由电子标签主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并进行解码后，送到中央信息系统进行数据处理。

    RFID技术的主要特点为：数据读写机能，形状小型化和多样化，耐环境性，可重复使用，穿透性强，数据的记忆容量大，应用领域广，安全性能高[7]。

    2 几种短距离无线传输技术的应用

    目前，RFID技术在业界受到越来越广泛的关注，各大软硬件厂商相继投入大量的研究，主要应用领域包括：物流领域的仓库管理、日用品销售；运输领域的集装箱管理和包装运输，公路收费和车辆监控；农林牧渔领域的跟踪定位；医疗领域的药品生产、医疗垃圾跟踪等。

    蓝牙具有功耗低及体积小的特性，因此它可以被集成到对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备中。目前蓝牙在手持移动设备短距离传输上还占很大的市场份额。

    ZigBee技术由于其网络可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网、智能家居、工业控制等领域具有非常强的可应用性。

    UWB由于抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，发送功率非常小，其应用主要在军用和民用，在军用方面主要用于雷达、无线内通系统、探测地雷等。在民用方面主要为地质勘探、汽车防冲撞传感器、家电设备和便携设备之间的无线通信等[8]。

    3 结语

    物联网是一个非常庞大的网络，覆盖各行各业，其目的就是物物相连，实现许多超级智能化的应用。短距离无线通信网的出现和应用较好地适应了物联网发展的需求，特别是在最近一两年内以惊人的速度发展，各种相关技术层出不穷。以上几种短距离无线传输技术具有不同的技术特点和适合应用范围，至今还没有哪一种技术能全面满足用戶需求，所以还得继续进一步优化和研究。

    [参考文献]

    [1]方旭明.短距离无线与移动通信网络[D].北京：人民邮电出版社，2004.

    [2]刘化君.物联网体系结构研究[J].中国新通信，2010（9）：17-21.

    [3]章书勤.郭迪.肖明波.无线传感器网络数据传输及融合技术[J].现代电子技术，2009（18）：188-191.

    [4]杨会彩，樊延虎，梁巧艳，等.RFID技术及其在ETC系统中的应用[J].现代电子技术，2008（15）：42-45.

    [5]徐兴梅，曹丽英，赵月玲，等.几种短距离无线通信技术及应用[J].物联网技术，2015（11）：101-102.

    [6]王英洲，方旭明.短距离无线通信主要技术与应用[J].数据通信，2004（4）：53-56.

    [7]张琪.几种射频通信技术的比较和应用[C].苏州：2008射频识别促进全球物流供应链透明化论坛集，2008.

    [8]百度文库.RFID系统简介[EB/OL].（2012-06-10）[2017-10-10].https：//wenku.baidu.com/view/dc8d48d0195f312b3169a59d.html.