物联网中的几种短距离无线传输技术浅析
阿 力
简述短距无线传输技术作为物联网核心环节之一，其进步十分显著。该文梳理了若干典型短距无线传输技术，从物联网实践视角评估了各项技术的利弊，同时就其在建筑智能化系统中的发展潜力展开了前瞻性探讨。
关键词：物联网 关键技术 短距无线传输
物联网众多技术体系中，短距离无线传输技术属于核心环节，其发展势头迅猛。本文阐述了几种常见短距离无线传输技术的优势，从角度探讨了潜在的未来用途，并就智能建筑系统中的未来应用提出了探索性想法。
物联网核心技术包含短距离无线通信技术，这种技术是物联网的关键组成部分。
一、物联网技术
1、物联网概念
我们尚未透彻掌握物联网的本质内涵，诸多实践范例已悄然在我们生活中浮现出来。诸如对江河湖泽的水质监测与智能调控，以及对监狱内服刑人员的追踪与严密管控，物联网正逐步融入我们的生活。
物联网在狭义理解上，只要设备间借助通信网络互相连接，无论是否连接互联网，都属于物联网范围。在广义层面，物联网不仅包含设备间的信息交互，还会实现人与设备之间流畅的信息交换，构成普适网络。
物联网的英文简称是The Internet of Things。这个名称包含两个层面的含义：首先，物联网的根本和基础依然是互联网，可以看作是在互联网框架上进一步延伸和拓展的一种网络形态；其次，它的用户范围被扩展到所有物品之间以及物品与人类之间，用于实现信息传递和联络功能。
当下普遍接受的一种物联网阐释是：借助射频识别装置、红外探测设备、全球定位系统以及激光扫描设备等传感装置，依据既定规则，将各类物品接入互联网，用以达成信息交互与联络，从而达成对物品的智能辨识、位置确定、状态追踪、实时监控和有效管理的一种网络结构。
2、物联网的层次
物联网的关键要素包括控制功能、计算功能、传输功能、探测功能以及数据存储功能。从技术角度划分，物联网由三个层级构成：信息采集层级、信息传输层级以及信息应用层级。在信息采集层级开元ky888棋牌官网版，部署了多种类型的探测设备用于监测环境中的温度状况、湿度状况、物体移动情况、生产运行数据以及人员活动情况等，同时配备了多种类型的操作装置用于执行控制指令。通信过程中，必须确保数据和信息能够安全稳定地传送，传输方式主要有线缆连接和无线连接两种，其中无线传输是物联网技术的重要组成部分，特别是短距离无线技术。应用阶段则要处理大量不同物品和人员的数据，包括采集、归纳、研究、应用等环节，由此催生出各行各业多样化的应用场景。
3、物联网中的关键技术
物联网的层级体系预示着其广阔前景，未来将产生大量应用场景，传感层面、传输层面以及应用层面都会随之出现大量创新技术和产品，并推动产业化进程不断深入。现阶段物联网的核心技术涵盖了高速大容量RFID、微型传感器、超薄二维条码、近距离无线通信、IPv6、云计算、云存储和云服务等一系列关键技术。无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一。
二、物联网中的通信技术
网络传输层承担着关键的数据交互、信息流转和内容发送职责，现阶段已成为通讯、计算和自控等多个学科关注的前沿课题，该层级需要稳定且即时地获取包含区域内的各类数据，并完成后续的加工工作开元棋官方正版下载，加工完毕的数据能够借助线缆或无线途径传送给指定位置。众所周知，技术标准的统一推动了互联网的进步，涵盖了全球传输的互联网通信协议TCP/IP协议，路由器协议，以及终端的构造与操作系统等方面。正因如此，无论身处世界何处，借助任何一台电脑，都能轻松接入互联网，便捷地实现设备间的互联互通。
而物联网的范围和设备种类，依托互联网实现了显著扩张，连接的物品数目持续增加，设备在软件硬件构造以及智能水平上呈现出更多样化的特点。网络传输的TCP/IP协议族，涵盖IPv6，以及MPLS、移动3G、卫星通信等通信手段，在物联网的数据传输过程中将发挥关键作用，不过，在互联网实现万物互联的最终接入环节，短距离无线传输技术将作为物联网通信领域的重要技术分支而存在。
三、短距离无线传输技术
当前应用最普遍的短距离无线传输方式包括无线局域网802.11，也就是Wi-Fi，还有超宽带UWB，即Ultra Wide Band，以及ZigBee和近场通信NFC。这些技术均有其独特的使用优势，传输速率、作用范围、能源消耗等指标各有差异，有的侧重于性能的拓展，有的满足特定场景的专门用途，有的则通过技术特色来形成竞争优势。然而，目前没有任何一种技术能够完全符合物联网的所有使用标准。
1、Wi-Fi技术
无线高保真是一种无线通信标准IEEE802.11b，它的传输速度最快能达到每秒11兆比特，虽然它的数据保护能力不如蓝牙技术，不过它的无线电波传播距离更远，大约能覆盖到100米左右。
无线网络是局域网的无线延伸，只要用户处在某个信号发射器的覆盖范围内，就可以实现接近11兆比特每秒的网速连接网络。实际上，当许多用户在同一位置连接时，网络资源会被大家共同使用，导致传输速率下降，可能会只有几百kb每秒那么快，同时，无线信号通常不会被砖墙阻挡，不过，在室内能够有效覆盖的范围，会比在室外要小一些。
IEEE802.11最初的标准发布于1997年，具体为802.11b版本，其核心目标是实现无线局域网的接入功能，这个标准至今仍是无线局域网领域的关键规范，运作时采用2.4GHz的频率，这个频段同时被许多无需申请频率使用许可的无线设备所使用，例如无绳电话和蓝牙设备等。随着新的Wi-Fi协议相继问世，比如802.11a和802.11g，Wi-Fi的使用范围会持续扩大。802.11g传输速度更快，它采用了同802.11b一样的正交频分多路复用调制技术，同样在2.4GHz频段运行，最高传输速率能够达到54Mb/s。最新动向显示，许多无线设备生产商可能会把802.11g当作产品规范。微软发布的台式机系统Windows XP以及嵌入式系统Windows CE，都具备对Wi-Fi的功能。
2、UWB技术
超宽带技术UWB（Ultra Wideband）属于无线载波通信技术类型，其工作原理不同于常规方式，不使用正弦载波，而是通过发射纳秒级别的非正弦形窄脉冲来传递信息，这种方式决定了它需要占用非常宽广的频谱资源。
超宽带技术能够借助极宽的频谱范围进行信息传递，依据美国联邦通信委员会的规范，该技术在3.1到10.6吉赫兹的频段内，必须占据至少500兆赫兹的频谱宽度。得益于它仅需低能量、结构简单的收发设备即可达成高速数据交换，这种技术近年来实现了快速进步。它能在极宽的频率区间内，通过小能量脉冲来传输信息，且不会对通常的窄带无线通讯网络产生显著影响，同时能够充分运用频率资源。运用超宽带技术制造的高速数据收发设备，有着多种多样的应用场景。
UWB技术具备诸多长处，系统构造相对简洁，传输信号的能量分布较为微弱，不容易受到信号传输路径的影响，难以被侦测，能够实现精准的定位，这些优势使得它特别适合在室内等存在大量信号反射的环境下进行高速无线通信，也非常适合构建高效能的无线局域网络或无线个人区域网络。
3、ZigBee技术
ZigBee主要适用于短距离传输且数据传输速率要求不高的各类电子设备之间。该联盟于2001年8月正式成立。2002年下半年，由Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips半导体公司这四家行业领军企业共同宣布加入ZigBee联盟，旨在共同研发新一代无线通信技术标准，并将其命名为ZigBee。这些企业共同参与了IEEE 802.15.4工作组，该组织负责制定ZigBee物理层与媒体访问控制层的技术规范。
ZigBee协会承担着制定网络层及以上相关规范的任务。现阶段，相关标准的制定过程已经结束。与蓝牙技术、高速个人局域网以及802.11x无线网络相比，ZigBee协议具有更简洁且更实用的特点。
ZigBee可以看作是蓝牙的近亲，它工作在2.4 GHz频段，运用跳频通信方式。ZigBee设备构造相对简单，数据传输速度不及蓝牙，能耗更低，成本也更为经济。该技术的基础传输速率达到每秒250千比特，若将速率调整为每秒28千比特，传输距离能够延伸至134米，同时提升连接的稳定性。此外，它能够连接多达二百五十四个设备，在支持游戏、个人设备、测量工具以及家庭自动控制等用途方面，表现要优于蓝牙技术。
ZigBee技术特点主要包括以下几个部分：
传输效率不高。速率范围仅限于每秒十到二百五十千字节，主要针对低速传送场景。
能耗少。在闲置状态下，两节常规5号干电池能够持续工作半年以上，这构成了ZigBee的一项显著长处。
成本低,由于ZigBee传输数据速度较慢,协议设计也较为简洁,因此显著减少了开支;Motorola和Philips这两家积极投入ZigBee研发的企业,都已经推出了相关应用芯片。Philips公司估计,在主机端使用的芯片费用,以及其它终端产品的费用,都比蓝牙技术更具成本优势。
网络承载能力强，单个ZigBee网络能够容纳多达255个装置，这意味着单个ZigBee装置可与剩余的254个装置建立通信链路。
有效覆盖距离有限，在十米至七十五米区间波动，具体数值取决于实际发射能量的强弱以及多样化的工作方式，大体上可以满足一般家庭或工作场所的需求。
操作频率多变，涵盖2.4GHz、868MHz（欧洲地区）以及915MHz（北美地区），这些频率均无需申请执照即可使用。
4、NFC技术
NFC是一种短距离无线通信技术规范，由Philips、NOKIA和Sony共同倡导。这种技术类似RFID，但具备双向识别和连接功能。它能在20厘米范围内，以13.56MHz的频率进行操作。
NFC起初只是遥控识别和网络技术的结合，如今已经成为无线连接技术。它能够迅速自动地构建无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备构建出一种“虚拟连接”，让电子设备可以在近距离内进行信息交流。NFC的近距离互动让整个身份验证过程变得非常简单，让电子设备之间的互相访问更加直接、更加安全、更加明确。
NFC将各类身份认证功能与服务整合于一台设备之中，以此消除需要记住众多密码的困扰，并且确保信息安全无忧。借助NFC技术，数码相机、个人数字助理、机顶接收器、台式计算机、移动电话等多种设备间，能够实现无线通信，彼此之间交换信息或提供支持都将成为可能。
NFC还能提升其他无线技术（例如Wi-Fi和蓝牙）的传输效能，达成更迅捷、更远距离的数据交换。每部电子装置都设有专属的应用选项，NFC能够建立便捷且安全的链接，并且无需在繁多的接口菜单中逐一挑选。NFC的运用范围更加局限，远小于蓝牙这类短距离无线传输规范，其连接距离也显著压缩，并且无需配备相应的安全装置即可进行交互。
同样，组建Wi-Fi系列无线网络需要多台配备无线适配器的计算机、打印机以及其它相关装置。不仅如此，还必须由具备相应技能的人员来承担这项任务。而将NFC功能集成到接入设备后，只要将两个设备相互靠近，就能完成数据传输，这个过程比设置Wi-Fi连接要便捷许多。
四、可能的应用前景
1、Wi-Fi的应用
SOHO环境、家庭无线上网以及布线困难的建筑或地点将是WLAN未来最值得期待的发展方向。通过Wi-Fi技术，能够实现无线网络与采用XML或Java构建的互联网服务的无缝对接，从而显著降低企业运营开支。公司倾向于在每个楼层或每个科室设置802.11b的无线接入设备，而不是用网线将整栋建筑连通，这种方式能够显著减少网线安装的成本开支。现阶段采用该技术的客户群体，主要分布在飞机场、旅馆、购物中心等公共无线网络覆盖区域。
2、UWB的应用
超宽带技术主要适用于小范围、高清晰度、能够穿透墙体地面和人体的探测设备和成像系统，还适用于速率需求极高（超过每秒一百兆比特）的局域网或个域网。
UWB最突出的用途体现在视频娱乐领域的无线个人网络。当前无线传输手段，如802.11b和蓝牙，速度过慢开yunapp体育官网入口下载手机版，难以满足视频传输需求；802.11a标准虽然速率达到54兆比特每秒，能够承载视频内容，不过成本很高。UWB技术或许能在十米空间内，达成每秒传送一百一十兆比特的速率，无需对数据进行压缩，能够迅速、简便、低成本地处理视频信息。
UWB具备良好的兼容特性，同时兼具传输速率快、成本较低、能耗小的优势，因此非常契合家庭无线消费市场的需要：该技术在短距离范围内能够高效传输海量多媒体信息，并且具有出色的穿透障碍物能力，这些特点吸引了众多商业企业将其视为一种极具发展潜力的无线通信手段，常用于视频信号从机顶盒无线传输至数字电视等家庭环境应用。UWB未来的发展情况，需要考虑众多方面因素，包括各种无线技术方案的技术进步，成本控制，用户的使用方式，以及市场的发展程度。
3、ZigBee技术的应用
ZigBee联盟当前规划显示,该技术将在多个领域扩大用途,包括监控安全系统,构建传感器网络,执行家庭监视,进行身份验证管理,以及操作建筑智能化装置。
ZigBee的应用范围十分广泛，涵盖了多个领域，例如电脑周边设备，像鼠标、键盘以及游戏手柄等，还包括各种家用电子产品，比如电视、录像机、光盘播放器等设备上的遥控装置，此外还涉及家庭内部的智能管理，比如灯光控制、燃气计量以及报警系统等，还有玩具市场，特别是电子宠物类产品，同时医疗领域也有应用，比如用于监测和传感的医疗设备，工业控制方面则包括监视器、传感器以及自动化控制装置等。
4、NFC技术的应用
NFC有三种应用类型：
设备对接，不仅限于无线局域网，NFC还能简化蓝牙的配对过程。举例来说，笔记本电脑使用者若需在飞机场访问网络，仅需靠近一处无线信号发射点，便可以达成目的。
即时预约功能，例如在海报或展板背后安装专用标签，借助配备NFC技术的移动设备或手持终端，可以获取更多相关资讯，或者直接联网以信用卡完成入场凭证的订购，而且这些标签本身无需外部供电。
移动商务领域，飞利浦的Mifare技术为全球数个主要交通系统提供了基础，同时也助力银行向客户发放Visa卡等金融产品。索尼的FeliCa非接触式智能卡技术在香港、深圳、新加坡和日本市场占据显著优势，主要服务于交通行业和金融机构。
这项创新科技正在重塑无线网络连接的运作方式，但NFC的宗旨并非彻底取代蓝牙、Wi-Fi等其余无线技术，而是要在各种情境、各个范畴中发挥互补效用。
综上所述，物联网技术与应用持续进步，短距离无线通信领域必将迎来史无前例的飞跃，该技术在建筑智能化系统中的运用也将会出现急剧的攀升。要实现技术突破，需要重点研究Wi-Fi、UWB、Zigbee、NFC、高频RFID等关键技术，同时开发配套的接口和接入网关设备，致力于打造短距离无线通信的模块化产品，此外还要积极推动接口规范的统一和设计标准的制定，这些将成为未来创新工作的核心任务。
