幾種短距離無線通信技術及應用

徐興梅++曹麗英++趙月玲++劉茹

摘 要：物聯網技術的發展帶動了短距離無線通信技術的快速發展。文中詳細介紹了RFID、藍牙、ZigBee、超寬帶等幾種短距離無線通信技術及其應用領域。

關鍵詞：物聯網；射頻識別；藍牙；ZigBee；超寬帶

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-0-02

0 引 言

物聯網技術的出現，將信息互通的方式從H2H（Human to Human）擴展至M2M（Machine to Machine），是一種新的通過物物互聯來實現感知世界的技術手段，開辟了信息化的新途徑[1]。近年來，電子技術的發展產生了越來越多的便攜式個人通訊設備和家用電器，人們希望實現各種電子產品和其他設備之間的信息交互。通過一個小型的、短距離的無線網絡可以實現在任何時間、任何地點與任何人進行通信，從而促使RFID、藍牙、ZigBee、UWB等技術應運而生。短距離無線通信技術作為物聯網架構體系的主要支撐技術得到了迅猛的發展，應用范圍逐步擴大[2]。

1 幾種短距離無線通信技術

短距離無線通信不存在一個嚴格的定義，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，就可以稱為短距離無線通信[3]，它主要關注建立局部范圍內臨時性的物聯網通信。短距離無線通信技術有三個顯著特點：第一個特點是低成本，工作頻率是免付費的ISM頻段；第二個特點是低功耗，無線發射器的發射功率一般在100 mW以內；第三個特點是對等通信，通信距離大多在幾十米或上百米之內。

目前，射頻識別（RFID）技術、藍牙（Bluetooth）技術、ZigBee技術、超寬帶（UWB）技術已被廣泛應用在短距離無線通信技術中。

1.1 射頻識別（RFID）技術

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

RFID技術的主要特點為：自動讀取，實時顯示，簡單方便，應用領域廣，安全性能高。

1.2 藍牙（Bluetooth）技術

藍牙技術是一種低功率短距離的無線連接技術標準，該技術采用較低的成本完成設備間的無線通信，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藍牙系統[5，6]。藍牙技術的實質是要建立一個通用的無線電空中接口和控制軟件的統一標準，使得通信技術和計算機技術完美結合，在沒有電纜連接的情況下，不同廠家生產的便攜式設備可以在短距離范圍內擁有互相通信的功能。藍牙技術的出現推動和拓展了無線通信的應用領域。

藍牙技術的主要特點是：低功率，低成本，工作頻段為全球通用的2.4 GHz，可同時傳輸音頻和數據，具有很好的抗干擾能力。

1.3 ZigBee技術

ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率、低功耗、低成本的無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術提案，該技術依據的研發標準是IEEE802.15.4無線標準[7，8]。ZigBee技術主要應用在短距離范圍內且數據傳輸速率要求不高的電子設備之間，通過多個ZigBee節點的部署，建立一個無線傳感器網絡，達到數據信息傳輸的目的。

ZigBee技術特點：數據傳輸速率低，為20～250 kb/s，功耗低、成本低、網絡容量大，每個ZigBee設備最多可與254個設備相連接，組成一個具有255個節點的ZigBee網絡，覆蓋10～75 m的范圍，基本上可以覆蓋一般的家庭或辦公室環境，工作頻段相對比較靈活，不僅可以使用全球通用的2.4 GHz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

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

UWB技術的顯著特點是傳輸速度快，保密性強，兼容性好，定位精準，體積小，功耗低，系統結構易于實現，適合短距離通信[9]。

2 應用領域

目前，RFID技術得到了業界越來越廣泛的關注，全球各大軟硬件廠商相繼投入大量的研究，主要應用領域包括：物流領域的倉庫管理、日用品銷售；運輸領域的集裝箱管理和包裝運輸，公路收費和車輛監控；農林牧漁領域的跟蹤定位[10]；醫療領域的藥品生產、醫療垃圾跟蹤等。

藍牙具有功耗低及體積小的特性，因此它可以被集成到對數據傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備中。主要應用領域包括：家用無線聯網、移動辦公和會議聯網、個人局域網、Internet接入服務、移動電子商務等。

ZigBee技術應用領域主要包括智能家居、工業與環境控制、醫療看護等行業中的低速率無線通信，具體包括：家庭安全智能控制、工業控制、公共場所的煙霧探測、農業領域的信息采集及傳輸[11]、醫療部門的實時監測與治療等。

UWB技術最初被應用在軍事方面，后來拓展到民用領域，具有很好的商業價值。主要包括兩方面技術，一方面是高速率數據傳輸的短距離無線通信技術；一方面是精確測距、定位、成像等的無線探測技術。具體的應用領域包括：短距離高速無線多媒體智能網絡、智能交通系統、傳感網絡和智能環境、工程探測和救援、軍事領域等，超寬帶具有很寬的帶寬、低功耗，它可以與其他應用程序共存。因此，在無線通信領域，超寬帶技術是一項非常有前途的技術。

3 結 語

短距離無線通信技術的飛速發展，助推了物聯網的普及速度，RFID、藍牙、ZigBee、UWB等技術分別具有不同的優缺點，可適用于不同的物聯網應用場景，它們相互之間是一個完美的補充。短距離無線通信技術將朝著物聯網的發展方向不斷努力，發揮其在各個層面上的作用，為打造智慧城市、建立智慧地球服務。

參考文獻

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