無線傳輸在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體分析

 無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，而在需要低耗電、較少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)募译娍刂啤?duì)象辨識(shí)，大多會(huì)采用短距離無線技術(shù)，例如紅外線、藍(lán)牙、ZigBee、ANT等等。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，各技術(shù)都各有所長，也正互相較勁中，以下就來看看這些技術(shù)。

無線網(wǎng)絡(luò)的分類

無線通信的應(yīng)用普及，擺脫傳統(tǒng)有線通訊的枷鎖，讓各種移動(dòng)裝置都能夠隨時(shí)隨地連接上網(wǎng)。不過在需要長時(shí)間運(yùn)作、超低耗電、傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合，例如家電控制、對(duì)象辨識(shí)、醫(yī)療照護(hù)、建筑自動(dòng)化等等，就不適合高耗電的Wi-Fi傳輸協(xié)議。

以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks;WSN)為例，其所構(gòu)成的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，很多還是采用一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸協(xié)議，例如ZigBee、6LowPAN、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等等，穿戴式感測用品主要使用ANT與低耗電藍(lán)牙(BLE)協(xié)議，而倉儲(chǔ)、門禁系統(tǒng)、電子貨幣包與則使用RFID等，而傳統(tǒng)遙控器則使用紅外線來傳輸、手機(jī)傳輸逐漸采用NFC。這些短距離的無線通信技術(shù)，在當(dāng)今云端(Cloud)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)流行之際，逐漸躍升為主角。

老朋友、新應(yīng)用的紅外線“光通訊”傳輸技術(shù)

紅外線這個(gè)老牌的技術(shù)，早已普遍應(yīng)用在攝影、感應(yīng)、傳輸、偵測、控制、條形碼掃描、鼠標(biāo)等各種場合，其衍生出來的各式產(chǎn)品種類繁多，而一些超大屏幕的觸控技術(shù)，也是采用紅外線的感應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

紅外線通訊屬于無線光通訊中應(yīng)用最廣、歷史最悠久的短距通訊技術(shù)。當(dāng)今的許多家電遙控器，仍采紅外線遙控設(shè)計(jì)。而在數(shù)據(jù)傳輸部份，其專屬協(xié)會(huì)IrDA于1993年成立，制定紅外線傳輸工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SIR (Serial Infrared)模式速度在9.6K~115.2K bps，而FIR (Fast Infrared)模式則達(dá)4M bps，傳輸距離在1米內(nèi)，對(duì)傳角度在30度以內(nèi)。早期的筆記本電腦、PDA、移動(dòng)裝置，均內(nèi)建IrDA紅外線技術(shù)，來進(jìn)行數(shù)據(jù)同步與傳輸。

由于紅外線傳輸速度較慢，雖說新的VFIR、UFIR、甚至Giga-IR(可達(dá)1Gbps)等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)表，但光通訊技術(shù)易受障礙物遮蔽而導(dǎo)致傳輸中斷，再加上更多先進(jìn)的短距射頻通訊技術(shù)被開發(fā)之后，紅外線通訊在主流ICT產(chǎn)品的應(yīng)用上，已經(jīng)逐漸式微。如今許多新款的智能型手機(jī)，已改用(NFC，Near Field Communication，近場通訊協(xié)議)，來做為數(shù)據(jù)傳輸、電子支付等應(yīng)用。

爭奪短距通信標(biāo)準(zhǔn) ANT、藍(lán)牙、ZigBee較勁

無線電(Radio)射頻(RFID)技術(shù)，不像光那樣會(huì)受到障礙物影響，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的無線傳輸技術(shù)。發(fā)射方透過天線射出電磁波，接收方透過接收器與解調(diào)動(dòng)作，即可收訊，早期大量應(yīng)用在廣播、電視、通信等用途。

后來在數(shù)字通訊應(yīng)用上，除了以IEEE 802.11為基礎(chǔ)的Wi-Fi、WLAN傳輸標(biāo)準(zhǔn)外，在短距離通訊部份，則有IEEE 802.15.1的藍(lán)牙、ANT、ZigBee技術(shù)，皆采2.4GHz的ISM band (工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)學(xué)專屬頻段)作為標(biāo)準(zhǔn)。

藍(lán)牙技術(shù)最早由易立信(Ericsson)于1994年發(fā)起，主要針對(duì)手機(jī)和配件(如耳機(jī))間進(jìn)行低功耗、低成本的無線通信聯(lián)機(jī)。后來藍(lán)牙協(xié)會(huì)成立，在各大ICT廠商的推廣之下，如今藍(lán)牙已成為短距傳輸?shù)闹髁鳂?biāo)準(zhǔn)之一，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板、游戲機(jī)、耳機(jī)、立體聲音頻串流、汽車、計(jì)算機(jī)，與穿戴式裝置等產(chǎn)品。

藍(lán)牙主攻個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)，“傳統(tǒng)藍(lán)牙”標(biāo)準(zhǔn)主要作為訊息傳遞、裝置聯(lián)機(jī)為目標(biāo)，傳輸速度為1～3Mbps，距離10米或100米;另“高速藍(lán)牙”(Bluetooth HS)主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸，速度為傳統(tǒng)藍(lán)牙8倍;至于“低耗電藍(lán)牙”(BLE，Bluetooth Low Energy，亦稱作Bluetooth Smart)則是針對(duì)穿戴式裝置(如手表、體育健身/醫(yī)療保健產(chǎn)品)或工業(yè)自動(dòng)化之低耗電需求，于2010年所公布的分支標(biāo)準(zhǔn)，距離在30米以內(nèi)，傳輸速度為1Mbps。

ANT Wireless無線傳輸技術(shù)，是由Dynastream Innovations公司所主導(dǎo)。ANT主打PAN應(yīng)用，且基于無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)之短距傳輸需求而制定的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度為20Kbps，采自適應(yīng)同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保各裝置在傳輸時(shí)不受其他訊號(hào)干擾。

跟BLE一樣，ANT具超低耗電特性，使用鈕扣電池可維持1年以上，普遍應(yīng)用在體育健身、醫(yī)療保健、穿戴式裝置等產(chǎn)品上。而ANT+為ANT的延伸協(xié)議，可定義不同廠商產(chǎn)品的裝置參數(shù)(包含心律器、單車速度、力量/重量范圍等等)，以便互享傳感器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。由于市面上許多ICT裝置并不支持ANT協(xié)議，加上BLE也以低耗電、兼容于ICT產(chǎn)品來搶市，使得許多廠商逐漸采用ANT+BLE雙模芯片來設(shè)計(jì)上述產(chǎn)品，以提升產(chǎn)品互連兼容性。

于2005年開始嶄露頭角的ZigBee協(xié)議，同樣也基于PAN應(yīng)用，以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為架構(gòu)，具備低成本、低功耗特性，傳輸速度在250Kbps，距離10~20公尺，廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控/遙控(如家用燈控)，自動(dòng)化(家庭、建筑、工廠等)以及無線感測網(wǎng)絡(luò)(WSN)產(chǎn)品中。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍С諷tar(星狀)、Cluster Tree(簇樹狀)、Mesh(網(wǎng)狀)型態(tài)，被業(yè)界視為智慧建筑(Smart Building)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)最廣泛的協(xié)定之一。

ZigBee v1.2 (又稱ZigBee PRO、ZigBee 2007)，涵蓋了: 家庭自動(dòng)化、智慧能源、通信服務(wù)、醫(yī)療保健、Light Link(燈光控制)、建筑自動(dòng)化、網(wǎng)關(guān)、以及Green Power(綠能)等協(xié)議，運(yùn)用廣泛。而ZigBee RF4CE (消費(fèi)性電子之無線電)以取代遙控器、輸入設(shè)備為主，與BLE搶市。

WSN專用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無線感測網(wǎng)絡(luò)(WSN)之節(jié)點(diǎn)(Node)間傳輸，除采用ZigBee協(xié)議，另也有采用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式產(chǎn)品專用的通訊協(xié)議。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN開放標(biāo)準(zhǔn)，支持IPv6，讓路由器可休眠，免網(wǎng)關(guān)設(shè)置，適合WSN低規(guī)、低耗的客制化環(huán)境，故也廣被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所采納。

新一代的無線傳輸技術(shù)

其他無線傳輸技術(shù)中，像Sony在2008年發(fā)表的TransferJet，就是以近場通訊(NFC)結(jié)合超寬帶(UWB)的基礎(chǔ)，采用電感磁場技術(shù)，兩個(gè)裝置只要在相距幾公分內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)375Mbps;若采用4.48GHz頻帶，傳輸速率更高達(dá)560Mbps，能應(yīng)用在手機(jī)、游戲機(jī)、數(shù)字相機(jī)、攝錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、電視、與打印機(jī)等產(chǎn)品。

TransferJet于2013年開始嶄露頭角，并有一系列外圍產(chǎn)品上市。TransferJet協(xié)會(huì)最近也與SDA協(xié)會(huì)合作，共同推廣TransferJet的應(yīng)用。東芝更推出microSDIO的TransferJet無線網(wǎng)卡、與USB/microUSB網(wǎng)絡(luò)卡，以做為手機(jī)超高速傳輸之用。

另外值得一提、尚在研發(fā)階段的無線傳輸技術(shù)，就是Li-Fi (燈光上網(wǎng)技術(shù)，Light Fidelity)，跟紅外線類似的光通訊技術(shù)，但Li-Fi是利用可見光(如LED燈)來做溝通，速度號(hào)稱比傳統(tǒng)Wi-Fi快10倍以上。由于燈光也是一種電磁波，加上燈光的頻率較一般Wi-Fi訊號(hào)高出10萬倍，肉眼難以察覺，因此只要讓LED燈泡快速地閃爍，搭配專屬的Li-Fi接收器，即可做為數(shù)據(jù)傳遞的目的。

該技術(shù)最早是由德國物理學(xué)家Harald Haas博士，于2011年10月提出可見光通訊(VLC;Visible Light Communication)的概念，同時(shí)成立Li-Fi Consortium聯(lián)盟推廣其應(yīng)用。只是后來該技術(shù)被上海復(fù)旦大學(xué)研究成功，于2013年10月發(fā)表成功案例，能在單一LED燈源下提供4臺(tái)裝置同時(shí)上網(wǎng)、互傳數(shù)據(jù)，平均速度達(dá)150Mbps。

除了歐洲的Li-Fi，亞洲也組成VLC(可見光通訊)聯(lián)盟，有Casio、NEC、Panasonic、三星、夏普、東芝、NTT Docomo等成員，致力推動(dòng)光通訊的無線PAN計(jì)劃草案，與RF和IrDA的標(biāo)準(zhǔn)互別苗頭。在臺(tái)灣，臺(tái)北科技大學(xué)光電工程系呂海涵教授于2014年4月透過紅光雷射光進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果高達(dá)10Gbps速度、與最長17.5米的距離，為全球首位成功案例。但光通訊有無法折射、怕阻擋物、接收角度受限等缺點(diǎn)，再度加上成本高、耗電大，因此尚無法完全取代Wi-Fi。