物联网短距离无线传输技术分析

无线网络应用广泛,而在需要低耗电、较少量数据传输的家电控制、对象辨识,大多会采用短距离无线技术,例如红外线、蓝牙、ZigBee、ANT等等。随着物联网的兴起,各技术都各有所长,也正互相较劲中,以下就来看看这些技术。

物联网短距离无线传输技术分析


 

无线网络应用广泛,而在需要低耗电、较少量数据传输的家电控制、对象辨识,大多会采用短距离无线技术,例如红外线、蓝牙、ZigBee、ANT等等。随着物联网的兴起,各技术都各有所长,也正互相较劲中,以下就来看看这些技术。
 
无线网络的分类
 
无线通信的应用普及,摆脱传统有线通讯的枷锁,让各种移动装置都能够随时随地连接上网。不过在需要长时间运作、超低耗电、传输少量数据的应用场合,例如家电控制、对象辨识、医疗照护、建筑自动化等等,就不适合高耗电的Wi-Fi传输协议。
 
以无线传感器网络(Wireless Sensor Networks;WSN)为例,其所构成的内部网络,很多还是采用一些工业标准的无线传输协议,例如ZigBee、6LowPAN、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等等,穿戴式感测用品主要使用ANT与低耗电蓝牙(BLE)协议,而仓储、RFID/xinpin/menjinkaoqin/' target='_blank'>门禁系统、电子货币包与则使用RFID等,而传统遥控器则使用红外线来传输、手机传输逐渐采用NFC。这些短距离的无线通信技术,在当今云端(Cloud)、物联网(IoT)流行之际,逐渐跃升为主角。
 
老朋友、新应用的红外线“光通讯”传输技术
 
红外线这个老牌的技术,早已普遍应用在摄影、感应、传输、侦测、控制、条形码扫描、鼠标等各种场合,其衍生出来的各式产品种类繁多,而一些超大屏幕的触控技术,也是采用红外线的感应技术来实现。
 
红外线通讯属于无线光通讯中应用最广、历史最悠久的短距通讯技术。当今的许多家电遥控器,仍采红外线遥控设计。而在数据传输部份,其专属协会IrDA于1993年成立,制定红外线传输工业标准,SIR (Serial Infrared)模式速度在9.6K~115.2K bps,而FIR (Fast Infrared)模式则达4M bps,传输距离在1米内,对传角度在30度以内。早期的笔记本电脑、PDA、移动装置,均内建IrDA红外线技术,来进行数据同步与传输。
 
由于红外线传输速度较慢,虽说新的VFIR、UFIR、甚至Giga-IR(可达1Gbps)等标准已经发表,但光通讯技术易受障碍物遮蔽而导致传输中断,再加上更多先进的短距射频通讯技术被开发之后,红外线通讯在主流ICT产品的应用上,已经逐渐式微。如今许多新款的智能型手机,已改用(NFC,Near Field Communication,近场通讯协议),来做为数据传输、电子支付等应用。
 
争夺短距通信标准 ANT、蓝牙、ZigBee较劲
 
无线电(Radio)射频(RFID)技术,不像光那样会受到障碍物影响,是当今应用最广泛的无线传输技术。发射方透过天线射出电磁波,接收方透过接收器与解调动作,即可收讯,早期大量应用在广播、电视、通信等用途。
 
后来在数字通讯应用上,除了以IEEE 802.11为基础的Wi-Fi、WLAN传输标准外,在短距离通讯部份,则有IEEE 802.15.1的蓝牙、ANT、ZigBee技术,皆采2.4GHz的ISM band (工业/科学/医学专属频段)作为标准。
 
蓝牙技术最早由易立信(Ericsson)于1994年发起,主要针对手机和配件(如耳机)间进行低功耗、低成本的无线通信联机。后来蓝牙协会成立,在各大ICT厂商的推广之下,如今蓝牙已成为短距传输的主流标准之一,广泛应用于手机、平板、游戏机、耳机、立体声音频串流、汽车、计算机,与穿戴式装置等产品。
 
蓝牙主攻个人局域网络(PAN),“传统蓝牙”标准主要作为讯息传递、装置联机为目标,传输速度为1~3Mbps,距离10米或100米;另“高速蓝牙”(Bluetooth HS)主攻数据交换与传输,速度为传统蓝牙8倍;至于“低耗电蓝牙”(BLE,Bluetooth Low Energy,亦称作Bluetooth Smart)则是针对穿戴式装置(如手表、体育健身/医疗保健产品)或工业自动化之低耗电需求,于2010年所公布的分支标准,距离在30米以内,传输速度为1Mbps。
 
ANT Wireless无线传输技术,是由Dynastream Innovations公司所主导。ANT主打PAN应用,且基于无线感应网络之短距传输需求而制定的标准,传输速度为20Kbps,采自适应同步网络架构,确保各装置在传输时不受其他讯号干扰。
 
跟BLE一样,ANT具超低耗电特性,使用钮扣电池可维持1年以上,普遍应用在体育健身、医疗保健、穿戴式装置等产品上。而ANT+为ANT的延伸协议,可定义不同厂商产品的装置参数(包含心律器、单车速度、力量/重量范围等等),以便互享传感器数据数据。由于市面上许多ICT装置并不支持ANT协议,加上BLE也以低耗电、兼容于ICT产品来抢市,使得许多厂商逐渐采用ANT+BLE双模芯片来设计上述产品,以提升产品互连兼容性。
 
于2005年开始崭露头角的ZigBee协议,同样也基于PAN应用,以IEEE 802.15.4标准规范之无线网状网络节点为架构,具备低成本、低功耗特性,传输速度在250Kbps,距离10~20公尺,广泛应用在远程监控/遥控(如家用灯控),自动化(家庭、建筑、工厂等)以及无线感测网络(WSN)产品中。其网络拓扑可支持Star(星状)、Cluster Tree(簇树状)、Mesh(网状)型态,被业界视为智慧建筑(Smart Building)、物联网(IoT)最广泛的协定之一。
 
ZigBee v1.2 (又称ZigBee PRO、ZigBee 2007),涵盖了: 家庭自动化、智慧能源、通信服务、医疗保健、Light Link(灯光控制)、建筑自动化、网关、以及Green Power(绿能)等协议,运用广泛。而ZigBee RF4CE (消费性电子之无线电)以取代遥控器、输入设备为主,与BLE抢市。
 
WSN专用的物联网网络协议
 
无线感测网络(WSN)之节点(Node)间传输,除采用ZigBee协议,另也有采用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式产品专用的通讯协议。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN开放标准,支持IPv6,让路由器可休眠,免网关设置,适合WSN低规、低耗的客制化环境,故也广被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等无线网络技术所采纳。
 
新一代的无线传输技术

 
其他无线传输技术中,像Sony在2008年发表的TransferJet,就是以近场通讯(NFC)结合超宽带(UWB)的基础,采用电感磁场技术,两个装置只要在相距几公分内,数据传输率可高达375Mbps;若采用4.48GHz频带,传输速率更高达560Mbps,能应用在手机、游戏机、数字相机、摄录像机、计算机、电视、与打印机等产品。
 
TransferJet于2013年开始崭露头角,并有一系列外围产品上市。TransferJet协会最近也与SDA协会合作,共同推广TransferJet的应用。东芝更推出microSDIO的TransferJet无线网卡、与USB/microUSB网络卡,以做为手机超高速传输之用。
 
另外值得一提、尚在研发阶段的无线传输技术,就是Li-Fi (灯光上网技术,Light Fidelity),跟红外线类似的光通讯技术,但Li-Fi是利用可见光(如LED灯)来做沟通,速度号称比传统Wi-Fi快10倍以上。由于灯光也是一种电磁波,加上灯光的频率较一般Wi-Fi讯号高出10万倍,肉眼难以察觉,因此只要让LED灯泡快速地闪烁,搭配专属的Li-Fi接收器,即可做为数据传递的目的。
 
该技术最早是由德国物理学家Harald Haas博士,于2011年10月提出可见光通讯(VLC;Visible Light Communication)的概念,同时成立Li-Fi Consortium联盟推广其应用。只是后来该技术被上海复旦大学研究成功,于2013年10月发表成功案例,能在单一LED灯源下提供4台装置同时上网、互传数据,平均速度达150Mbps。
 
除了欧洲的Li-Fi,亚洲也组成VLC(可见光通讯)联盟,有Casio、NEC、Panasonic、三星、夏普、东芝、NTT Docomo等成员,致力推动光通讯的无线PAN计划草案,与RF和IrDA的标准互别苗头。在台湾,台北科技大学光电工程系吕海涵教授于2014年4月透过红光雷射光进行传输实验,结果高达10Gbps速度、与最长17.5米的距离,为全球首位成功案例。但光通讯有无法折射、怕阻挡物、接收角度受限等缺点,再度加上成本高、耗电大,因此尚无法完全取代Wi-Fi。








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