幾種短距離無線通信技術(shù)及應(yīng)用

引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，將信息互通的方式從H2H（Human to Human）擴(kuò)展至M2M（Machine to Machine），是一種新的通過物物互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)感知世界的技術(shù)手段，開辟了信息化的新途徑[1]。近年來，電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了越來越多的便攜式個(gè)人通訊設(shè)備和家用電器，人們希望實(shí)現(xiàn)各種電子產(chǎn)品和其他設(shè)備之間的信息交互。通過一個(gè)小型的、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行通信，從而促使RFID、藍(lán)牙、ZigBee、UWB 等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。短距離無線通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系的主要支撐技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大[2]。

1 幾種短距離無線通信技術(shù)

短距離無線通信不存在一個(gè)嚴(yán)格的定義，它的范圍很廣泛，通過無線電波傳輸信息的通信雙方傳輸距離限制在較小范圍內(nèi)，就可以稱為短距離無線通信 [3]，它主要關(guān)注建立局部范圍內(nèi)臨時(shí)性的物聯(lián)網(wǎng)通信。短距離無線通信技術(shù)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一個(gè)特點(diǎn)是低成本，工作頻率是免付費(fèi)的 ISM 頻段； 第二個(gè)特點(diǎn)是低功耗，無線發(fā)射器的發(fā)射功率一般在 100 mW 以內(nèi) ；第三個(gè)特點(diǎn)是對等通信，通信距離大多在幾十米或上百米之內(nèi)。

目前，射頻識別（RFID）技術(shù)、藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)、ZigBee 技術(shù)、超寬帶（UWB）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在短距離無線通信技術(shù)中。

1.1 射頻識別（RFID）技術(shù)

射頻識別（RFID）技術(shù)是一種無需直接接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，它是采用無線射頻技術(shù)對物體對象進(jìn)行非接觸式操作， 并能夠自動(dòng)識別的無線通信系統(tǒng) [4]。標(biāo)簽、讀寫器、天線三部分構(gòu)成一個(gè)最基本的RFID 系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理是標(biāo)簽與讀寫器之間發(fā)送具有空間耦合、傳輸特性的射頻信號， 通過天線完成對物品的自動(dòng)識別。

RFID 技術(shù)的主要特點(diǎn)為 ：自動(dòng)讀取，實(shí)時(shí)顯示，簡單方便，應(yīng)用領(lǐng)域廣，安全性能高。

1.2 藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是一種低功率短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)采用較低的成本完成設(shè)備間的無線通信，天線單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元和軟件單元四部分組成一個(gè)藍(lán)牙系統(tǒng) [5,6]。藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)質(zhì)是要建立一個(gè)通用的無線電空中接口和控制軟件的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完美結(jié)合，在沒有電纜連接的情況下，不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備可以在短距離范圍內(nèi)擁有互相通信的功能。藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)和拓展了無線通信的應(yīng)用領(lǐng)域。

藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)是 ：低功率，低成本，工作頻段為全球通用的 2.4 GHz，可同時(shí)傳輸音頻和數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾能力。

1.3 ZigBee技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離、低速率、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案，該技術(shù)依據(jù)的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。ZigBee 技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)且數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的電子設(shè)備之間，通過多個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)的部署， 建立一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)哪康摹?

ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率低，為 20～250kb/s，功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee設(shè)備最多可與 254 個(gè)設(shè)備相連接，組成一個(gè)具有 255個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，覆蓋 10～75m的范圍，基本上可以覆蓋一般的家庭或辦公室環(huán)境，工作頻段相對比較靈活，不僅可以使用全球通用的 2.4GHz 頻段， 還可以使用歐洲的 868 MHz 頻段和美國的 915 MHz 頻段。

1.4 超寬帶（UWB）技術(shù)

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種使用極窄脈沖方式完成無線發(fā)射和接收的特殊技術(shù)，它的獨(dú)特之處在于徹底摒棄了普通無線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)技術(shù)手段，成為一種在時(shí)域中直接操作的無線技術(shù)，打破了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)高速度、低成本和低功耗不可兼得的兩難問題。鑒于該技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得它很好的應(yīng)用在成像系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)。依據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的規(guī)定， UWB通信系統(tǒng)可使用3.1～10.6GHz的頻段，在 10 m范圍內(nèi)， 信號傳輸速率達(dá)到 500 Mb/s。

UWB技術(shù)的顯著特點(diǎn)是傳輸速度快，保密性強(qiáng)，兼容性好，定位精準(zhǔn)，體積小，功耗低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，適合短距離通信[9]。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

目前，RFID 技術(shù)得到了業(yè)界越來越廣泛的關(guān)注，全球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)域的倉庫管理、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 [10]； 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。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 ：家用無線聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)辦公和會(huì)議聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人局域網(wǎng)、Internet 接入服務(wù)、移動(dòng)電子商務(wù)等。

ZigBee 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要包括智能家居、工業(yè)與環(huán)境控制、醫(yī)療看護(hù)等行業(yè)中的低速率無線通信，具體包括 ：家庭安全智能控制、工業(yè)控制、公共場所的煙霧探測、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的信息采集及傳輸[11]、醫(yī)療部門的實(shí)時(shí)監(jiān)測與治療等。

UWB 技術(shù)最初被應(yīng)用在軍事方面，后來拓展到民用領(lǐng)域， 具有很好的商業(yè)價(jià)值。主要包括兩方面技術(shù)，一方面是高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩叹嚯x無線通信技術(shù) ；一方面是精確測距、定位、成像等的無線探測技術(shù)。具體的應(yīng)用領(lǐng)域包括 ：短距離高速無線多媒體智能網(wǎng)絡(luò)、智能交通系統(tǒng)、傳感網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境、工程探測和救援、軍事領(lǐng)域等，超寬帶具有很寬的帶寬、低功耗，它可以與其他應(yīng)用程序共存。因此，在無線通信領(lǐng)域， 超寬帶技術(shù)是一項(xiàng)非常有前途的技術(shù)。

結(jié) 語

短距離無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，助推了物聯(lián)網(wǎng)的普及速度，RFID、藍(lán)牙、ZigBee、UWB 等技術(shù)分別具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，可適用于不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，它們相互之間是一個(gè)完美的補(bǔ)充。短距離無線通信技術(shù)將朝著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向不斷努力，發(fā)揮其在各個(gè)層面上的作用，為打造智慧城市、建立智慧地球服務(wù)。