几种短距离无线通信技术及应用

作者：徐兴梅 曹丽英 赵月玲 刘茹

来源：《物联网技术》2015年第11期

        摘 要：物联网技术的发展带动了短距离无线通信技术的快速发展。文中详细介绍了RFID、蓝牙、ZigBee、超宽带等几种短距离无线通信技术及其应用领域。

        关键词：物联网；射频识别；蓝牙；ZigBee；超宽带

        中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-0-02

        0 引 言

        物联网技术的出现，将信息互通的方式从H2H（Human to Human）扩展至M2M（Machine to Machine），是一种新的通过物物互联来实现感知世界的技术手段，开辟了信息化的新途径[1]。近年来，电子技术的发展产生了越来越多的便携式个人通讯设备和家用电器，人们希望实现各种电子产品和其他设备之间的信息交互。通过一个小型的、短距离的无线网络可以实现在任何时间、任何地点与任何人进行通信，从而促使RFID、蓝牙、ZigBee、UWB等技术应运而生。短距离无线通信技术作为物联网架构体系的主要支撑技术得到了迅猛的发展，应用范围逐步扩大[2]。

        1 几种短距离无线通信技术

        短距离无线通信不存在一个严格的定义，它的范围很广泛，通过无线电波传输信息的通信双方传输距离限制在较小范围内，就可以称为短距离无线通信[3]，它主要关注建立局部范围内临时性的物联网通信。短距离无线通信技术有三个显著特点：第一个特点是低成本，工作频率是免付费的ISM频段；第二个特点是低功耗，无线发射器的发射功率一般在100 mW以内；第三个特点是对等通信，通信距离大多在几十米或上百米之内。

        目前，射频识别（RFID）技术、蓝牙（Bluetooth）技术、ZigBee技术、超宽带（UWB）技术已被广泛应用在短距离无线通信技术中。

        1.1 射频识别（RFID）技术

        射频识别（RFID）技术是一种无需直接接触的自动识别技术，它是采用无线射频技术对物体对象进行非接触式操作，并能够自动识别的无线通信系统[4]。标签、读写器、天线三部分构成一个最基本的RFID系统，该系统的工作原理是标签与读写器之间发送具有空间耦合、传输特性的射频信号，通过天线完成对物品的自动识别。

        RFID技术的主要特点为：自动读取，实时显示，简单方便，应用领域广，安全性能高。

        1.2 蓝牙（Bluetooth）技术

        蓝牙技术是一种低功率短距离的无线连接技术标准，该技术采用较低的成本完成设备间的无线通信，天线单元、链路控制单元、链路管理单元和软件单元四部分组成一个蓝牙系统[5，6]。蓝牙技术的实质是要建立一个通用的无线电空中接口和控制软件的统一标准，使得通信技术和计算机技术完美结合，在没有电缆连接的情况下，不同厂家生产的便携式设备可以在短距离范围内拥有互相通信的功能。蓝牙技术的出现推动和拓展了无线通信的应用领域。

        蓝牙技术的主要特点是：低功率，低成本，工作频段为全球通用的2.4 GHz，可同时传输音频和数据，具有很好的抗干扰能力。

        1.3 ZigBee技术

        ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，该技术依据的研发标准是IEEE802.15.4无线标准[7，8]。ZigBee技术主要应用在短距离范围内且数据传输速率要求不高的电子设备之间，通过多个ZigBee节点的部署，建立一个无线传感器网络，达到数据信息传输的目的。

        ZigBee技术特点：数据传输速率低，为20～250 kb/s，功耗低、成本低、网络容量大，每个ZigBee设备最多可与254个设备相连接，组成一个具有255个节点的ZigBee网络，覆盖10～75 m的范围，基本上可以覆盖一般的家庭或办公室环境，工作频段相对比较灵活，不仅可以使用全球通用的2.4 GHz频段，还可以使用欧洲的868 MHz频段和美国的915 MHz频段。

        1.4 超宽带（UWB）技术

        超宽带（UWB）技术是一种使用极窄脉冲方式完成无线发射和接收的特殊技术，它的独特之处在于彻底摒弃了普通无线收发中必须采用载波调制的传统技术手段，成为一种在时域中直接操作的无线技术，打破了传统无线通信技术高速度、低成本和低功耗不可兼得的两难问题。鉴于该技术的众多优点，使得它很好的应用在成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统。依据美国联邦通信委员会（FCC）的规定，UWB通信系统可使用3.1～10.6 GHz的频段，在10 m范围内，信号传输速率达到500 Mb/s。

        UWB技术的显著特点是传输速度快，保密性强，兼容性好，定位精准，体积小，功耗低，系统结构易于实现，适合短距离通信[9]。

        2 应用领域

        目前，RFID技术得到了业界越来越广泛的关注，全球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[10]；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。主要应用领域包括：家用无线联网、移动办公和会议联网、个人局域网、Internet接入服务、移动电子商务等。

        ZigBee技术应用领域主要包括智能家居、工业与环境控制、医疗看护等行业中的低速率无线通信，具体包括：家庭安全智能控制、工业控制、公共场所的烟雾探测、农业领域的信息采集及传输[11]、医疗部门的实时监测与治疗等。

        UWB技术最初被应用在军事方面，后来拓展到民用领域，具有很好的商业价值。主要包括两方面技术，一方面是高速率数据传输的短距离无线通信技术；一方面是精确测距、定位、成像等的无线探测技术。具体的应用领域包括：短距离高速无线多媒体智能网络、智能交通系统、传感网络和智能环境、工程探测和救援、军事领域等，超宽带具有很宽的带宽、低功耗，它可以与其他应用程序共存。因此，在无线通信领域，超宽带技术是一项非常有前途的技术。

        3 结 语

        短距离无线通信技术的飞速发展，助推了物联网的普及速度，RFID、蓝牙、ZigBee、UWB等技术分别具有不同的优缺点，可适用于不同的物联网应用场景，它们相互之间是一个完美的补充。短距离无线通信技术将朝着物联网的发展方向不断努力，发挥其在各个层面上的作用，为打造智慧城市、建立智慧地球服务。

        参考文献

        [1]李德仁，龚健雅，邵振锋.从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报（信息科学版），2010，35（2）：127-132.

        [2]王亚丽，刘元安，吴帆.近距离无线通信技术与物联网[J].通信技术与标准，2011（7）：35-42.

        [3]董健.物联网与短距离无线通信技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

        [4]矫文成，张冬丽.射频识别技术研究与应用[J].石家庄铁道学院学报，2006（19）：233-236.

        [5]王昭顺，徐柏权.一种基于蓝牙的交互式系统设计与实现[J].计算机工程与科学，2014，36（8）：1500-1504.

        [6]蔡肯，王克强，岳洪伟，等.农田信息监测与蓝牙无线传输系统设计[J].农机化研究，2012（1）：80-83.

        [7]虞志飞，邬家炜.ZigBee技术及其安全性研究[J].计算机技术与发展，2008，18（8）：144-147.

        [8]盛平，郭洋洋，李萍萍.基于ZigBee和3G技术的设施农业智能测控系统[J].农业机械学报，2012，43（12）：229-233.

        [9]刘琪，闫丽，周正.UWB的技术特点及其发展方向[J].现代电信科技，2009（10）：6-10.

        [10]葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014，45（7）：222-230，227.

        [11]韩华峰，杜克明，孙忠富，等.基于 ZigBee 网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报，2009，25（7）：158-163.