專業解讀物聯網APP開發-近距離無線通信技術

2017-12-27文章來源: 銳云科技 http://www.cenyrx.tw    點擊詳詢     免費評估報價:400-969-0103

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        物聯網APP開發公司銳云科技表示,現如今,物聯網化時代,越來越多智能產品滲透到我們的生活當中,這些設備都是物聯網中的聯網設備。那么物聯網中常見的近距離聯網技術有哪些?都有哪些特點?

        物聯網的技術核心為C3SD(控制系統、計算系統、通訊系統、感知系統和數據海)。從技術上來說,物聯網可以分為三層:傳感層、通信層和應用層。在通信層中,需要將這些數據和信息進行安全可靠地通信和傳輸,除了有線傳輸,就是無線傳輸,在無線傳輸系統中,短距離無線傳輸技術成為了物聯網技術中的一個重要分支。

        無線通信是指利用電磁波信號在空間傳播的特性進行信息交換的一種通信方式,包括固定體之間的無線通信和移動通信兩大部分。一般意義上,只要通信收發雙方通過無線電波傳輸信息,單跳傳輸距離限制在較短(通常最遠為數百米)的范圍內,就可以稱為近距離無線通信。

        近距離無線通信的技術特征包括:1、無線發射功率在µW到100mW量級;2、通信距離在幾厘米到幾百米;3、使用全向天線和線路板天線;4、應用場景多,特別是頻率資源稀缺情況;5、不需要申請頻率資源使用許可證;6、無中心,自組網;7、電池供電。



專業解讀物聯網開發-近距離無線通信技術



        目前,物聯網中使用較廣泛的近距離無線通信技術有無線局域網802.11(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)和紅外數據傳輸(IrDA),比較有發展潛力的無線通信技術有:ZigBee、NFC、超寬頻(Ultra WideBand)、DECT等。

        每一種近距離無線通信技術的立足點或是基于速度、距離、耗電量的特殊要求,也可能是著眼于功能的擴充性,或是經濟行比較好,接下來電子發燒友小編就對這些近距離無線通信技術的特點及應用做詳細介紹。
       
1、 Wi-Fi

        Wi-Fi是一種允許電子設備連接到一個無線局域網(WLAN)的技術,WIFI全稱Wireless Fidelity,又稱802.11標準,通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無線局域網通常是有密碼保護的;但也可是開放的,這樣就允許任何在WLAN范圍內的設備可以連接上。無線保真是一個無線網絡通信技術的品牌,由Wi-Fi聯盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。

Wi-Fi技術的優缺點

優點

(1)無線電波的覆蓋范圍廣

無線電波的覆蓋范圍廣,基于藍牙技術的電波覆蓋范圍非常小,半徑大約只有50英尺左右 約合15米 ,而Wi-Fi的半徑則可達300英尺左右 約合100米

(2)速度快,可靠性高

802.1 lb無線網絡規范是IEEE 802.1 l網絡規范的變種,最高帶寬為l1 Mbps,在信號較弱或有干擾的情況下,帶寬可調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps,帶寬的自動調整,有效地保障了網絡的穩定性和可靠性。

WiFi技術的缺點

移動WiFi技術只能作為特定條移動WiFi技術的應用,相對于有線網絡來說,無線網絡在其覆蓋的范圍內,它的信號會隨著離節點距離的增加而減弱,WiFi技術本身ll Mb/s的傳輸速度有可能因為距離的增加到達終端用戶的手中只剩1 M 的有效速率,而且無線信號容易受到建筑物墻體的阻礙,無線電波在傳播過程中遇到障礙物會發生不同程度的折射、反射、衍射,使信號傳播受到干擾,無線電信號也容易受到同頻率電波的干擾和雷電天氣等的影響。

WiFi網絡由于不需要顯式地申請就可以使用無線網絡的頻率,因而網絡容易飽和而且易受到攻擊。WiFi網絡的安全性差強人意。802.1 1提供了一種名為WEP的加密算法,它對網絡接入點和主機設備之間無線傳輸的數據進行加密,防止非法用戶對網絡進行竊聽、攻擊和入侵。但由于WiFi天生缺少有線網絡的物理結構的保護,而且也不像要訪問有線網絡之前必須先連接網絡,如果網絡未受保護,只要處于信號覆蓋范圍內,只需通過無線網卡別人就可以訪問到你的網絡,占用你的帶寬,造成你信息泄露。

Wi-Fi技術的應用

WLAN未來最具潛力的應用將主要在SOHO、家庭無線網絡以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術的用戶主要來自機場、酒店、商場等公共熱點場所。Wi-Fi技術可將Wi-Fi與基于XML或Java的Web服務融合起來,可以大幅度減少企業的成本。例如企業選擇在每一層樓或每一個部門配備802.11b的接入點,而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來,可以節省大量鋪設電纜所需花費的資金。

2、 藍牙

藍牙( Bluetooth® )是一種無線技術標準,可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波)。藍牙技術最初由電信巨頭愛立信公司于1994年創制,當時是作為RS232數據線的替代方案。

藍牙技術優缺點

優點

(1)同時可傳輸語音和數據:藍牙采用電路交換和分組交換技術,支持異步數據信道、三路語音信道以及異步數據與同步語音同時傳輸的信道。每個語音信道數據速率為64kbit/s,語音信號編碼采用脈沖編碼調制(PCM)或連續可變斜率增量調制(CVSD)方法。當采用非對稱信道傳輸數據時,速率最高為721kbit/s,反向為57.6kbit/s;當采用對稱信道傳輸數據時,速率最高為342.6kbit/s。

(2)可以建立臨時性的對等連接(Ad-hoc ConnecTIon):根據藍牙設備在網絡中的角色,可分為主設備(Master)與從設備(Slave)。

(3)藍牙模塊體積很小、便于集成:由于個人移動設備的體積較小,嵌入其內部的藍牙模塊體積就應該更小。

(4)低功耗:藍牙設備在通信連接(ConnecTIon)狀態下,有四種工作模式——激活(AcTIve)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。

缺點:

傳輸距離短:藍牙傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHz ISM頻段,提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。

抗干擾能力不強:由于藍牙傳輸協議和其他2.4G設備一樣,都是共用這一頻段的信號,這也難免導致信號互相干擾的情況出現。

藍牙技術同時還存在芯片價格高的缺點。

藍牙技術的應用

從目前的藍牙產品來看,藍牙主要應用在這幾個方面:手機、筆記本電腦、智能家居中嵌入微波爐、洗衣機、電冰箱、空調機等傳統家用電器、籃牙技術構成的電子錢包和電子鎖還有其它數字設備,如數字照相機、數字攝象機等。

3、 IrDA

IrDA是紅外數據組織(Infrared Data AssociaTIon)的簡稱,目前廣泛采用的IrDA紅外連接技術就是由該組織提出的。初始的IrDA1.0標準制訂了一個串行,半雙工的同步系統,傳輸速率為2400bps到115200bps,傳輸范圍1 m,傳輸半角度為15度到30度。最近IrDA擴展了其物理層規格使數據傳輸率提升到4Mbps。PXA27x就是使用了這種擴展了的物理層規格。

IrDA優缺點

IrDA的主要優點是無需申請頻率的使用權,因而紅外通信成本低廉。并且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。此外,紅外線發射角度較小,傳輸上安全性高。

IrDA的不足在于它是一種視距傳輸,兩個相互通信的設備之間必須對準,中間不能被其它物體阻隔,因而該技術只能用于2臺(非多臺)設備之間的連接。而藍牙就沒有此限制,且不受墻壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數據傳輸率。

IrDA應用:

目前IrDA的軟硬件技術都很成熟,在小型移動設備,如PDA、手機上廣泛使用。事實上,當今每一個出廠的PDA及許多手機、筆記本電腦、打印機等產品都支持IrDA。

4、ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。ZigBee這一名稱(又稱紫蜂協議)來源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息,也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。

ZigBee可以說是藍牙的同族兄弟,它使用2.4 GHz波段,采用跳頻技術。與藍牙相比,ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。它的基本速率是250kb/s,當降低到28kb/s時,傳輸范圍可擴大到134m,并獲得更高的可靠性。另外,它可與254個節點聯網,可以比藍牙更好地支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。

ZigBee優缺點

優點:

(1)功耗低。在待機模式下,兩節普通5號干電池可使用6個月以上,這也是ZigBee的一個獨特優勢。

(2)成本低。因為ZigBee數據傳輸速率低,協議簡單,所以大大降低了成本; 積極投入ZigBee開發的Motorola以及Philips,均已推出應用芯片。

(3)網絡容量大。每個ZigBee網絡最多可以支持255個設備,也就是說每個ZigBee設備可以與另外254臺設備相連接。

(4)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國),均為免執照頻段。

缺點:

(1) 數據傳輸速率低。只有10kb/s~250kb/s,專注于低速率傳輸應用。

(2) 有效范圍小。有效覆蓋范圍10~75m之間,具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

ZigBee應用

根據ZigBee聯盟目前的設想, ZigBee將會在安防監控系統、傳感器網絡、家庭監控、身份識別系統和樓宇智能控制系統等領域拓展應用。

另外,ZigBee的目標市場主要還有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫護(監視器和傳感器)、工控(監視器、傳感器和自動控制設備)等非常廣闊的領域。

5、NFC


近場通信(Near Field Communication,NFC)是一種短距高頻的無線電技術,在13.56MHz頻率運行于20厘米距離內。其傳輸速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三種。目前近場通信已通過成為ISO/IEC IS 18092國際標準、ECMA-340標準與ETSI TS 102 190標準。NFC采用主動和被動兩種讀取模式。這個技術由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來,由飛利浦半導體(現恩智浦半導體公司)、諾基亞和索尼共同研制開發,其基礎是RFID及互連技術。

NFC近場通信技術是由非接觸式射頻識別(RFID)及互聯互通技術整合演變而來,在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能,能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換。

NFC技術優缺點

優點

安全性:相比藍牙或Wi-Fi這些遠距離通信連接協議,NFC 是一種短距離通信技術,設備必須靠得很近,從而提供了固有的安全性。

連接快,功耗低:比藍牙連接速度更快,功耗更低,支持無電讀取。NFC 設備之間采取自動連接,無需執行手動配置。只需晃動一下,就能迅速與可信設備建立連接。

私密性:在可信的身份驗證框架內,NFC 技術為設備之間的信息交換、數據共享提供安全。

缺點:

傳輸距離近:RFID的傳輸范圍可以達到幾米、甚至幾十米,但由于NFC采取了獨特的信號衰減技術,NFC有效距離只有10cm。NFC的傳輸速度也比較低。

NFC的三種應用類型

(1) 設備連接。除了無線局域網,NFC也可以簡化藍牙連接。比如,手提電腦用戶如果想在機場上網,他只需要走近一個Wi-Fi熱點即可實現。

(2) 實時預定。比如,海報或展覽信息背后貼有特定芯片,利用含NFC協議的手機或PDA,便能取得詳細信息,或是立即聯機使用信用卡進行門票購買。而且,這些芯片無需獨立的能源。

(3) 移動商務。飛利浦Mifare技術支持了世界上幾個大型交通系統及在銀行業為客戶提供Visa卡等各種服務。

6、超寬頻(Ultra WideBand)

UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術,利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。UWB(Ultra-Wideband)超寬帶,一開始是使用脈沖無線電技術,此技術可追溯至19世紀。后來由Intel等大公司提出了應用了UWB的MB-OFDM技術方案,由于兩種方案的截然不同,而且各自都有強大的陣營支持,制定UWB標準的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標準方案,于是將其交由市場解決。為進一步提高數據速率,UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜。

UWB優缺點

優點

(1)系統結構的實現比較簡單:當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波,載波的頻率和功率在一定范圍內變化,從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波,它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。

(2)高速的數據傳輸:民用商品中,一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內,再根據經過修改的信道容量公式,其傳輸速率可達500Mbit/ s,是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸,并且不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源,而是共享其他無線技術使用的頻帶。

(3)功耗低:UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據,脈沖持續時間很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之間,有很低的占空因數,系統耗電可以做到很低,在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW~幾十mW。

(4)安全性高:作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內,對一般通信系統,UWB 信號相當于白噪聲信號,并且大多數情況下,UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲,從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后,脈沖的檢測將更加困難。

(5)多徑分辨能力強:由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間,多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低,多徑信號在時間上是可分離的。

(6)定位精確:沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,很容易將定位與通信合一,而常規無線電難以做到這一點。

(7)工程簡單造價便宜:在工程實現上,UWB比其它無線技術要簡單得多,可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖,并對脈沖產生調制,而這些電路都可以被集成到一個芯片上,設備的成本將很低。

UWB的應用

UWB主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統中。除此之外,這種新技術適用于對速率要求非常高(大于100 Mb/s)的LANs或PANs,也就是說,光纖投入昂貴。通常在10m以內UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸性能,對于遠距離應用IEEE802.11b或Home RF無線PAN的性能將強于UWB。

把UWB看作藍牙技術的替代者可能更為適合,因后者傳輸速率遠不及前者,另外藍牙技術的協議也較為復雜。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優點使得UWB較適合家庭無線消費市場的需求。UWB尤其適合近距離內高速傳送大量多媒體數據以及可以穿透障礙物的突出優點,讓很多商業公司將其看作是一種很有前途的無線通信技術,應用于諸如將視頻信號從機頂盒無線傳送到數字電視等家庭場合。

7、DECT

數字增強無繩通信(Digital Enhanced Cordless Telecommunications ,DECT) 系統,是由歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute)制定的增強型數字無繩電話標準,是一個開放型的,不斷演進的數位通訊標準,主要用于無繩電話系統。可為高用戶密度,小范圍通信提供話音和數據高質量服務無繩通信的框架。


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