物联网及近距离无线通信技术

物联网和近距离无线通信技术

2010年10月21日 05:19

物联网和近距离无线通信技术

福富软件公司首席架构师/卢捍华

1 概述

物联网是从英语“The Internet of Things”翻译而来的，它是一个很大的概念。当前的电信网、Internet等网络连接的主要是人与人、计算机与人、计算机和计算机，而物联网意味着更加广泛的互联，包括人、计算机和其他物体。正因为这种广泛的互联，将使物联网需要很多新的技术，也有很多个性和特点。这些都使得其在网络的组织、应用和市场模式等方面将与传统网络有很多不同之处。

自去年下半年以来，物联网这个话题为人们所热议。有人估计，物联网产业的经济规模将是现有Internet的30倍。无论从历史的发展，还是从网络的现实来看，笔者觉得这一估计一点都不过分。

从历史上来看，从18世纪的工业革命，到21世纪的美国信息高速公路，技术发展推动经济发展和社会进步的例子俯拾皆是；从现实来看，Internet的出现已经极大地改变了人们的生活方式。如果把网络比作人类的血液循环系统，那么，物联网中的传感网相当于毛细血管的网络末梢，这个末梢目前还基本上是空白。正如人的毛细血管的长度占了整个血管长度的90%以上，物联网末梢的规模同样是惊人的，例如，有人估计，一个家庭大约需要200个左右的传感和控制节点。

广泛的互联伴随智能化的发展，将给社会和人们的生活带来革命性的变化。今天，我们可以足不出户了解整个世界发生的大事，未来我们可以足不出户了解世界任意角落发生的我们想知道的事情。通过迅速部署和广泛安装的传感网，救灾人员可以了解灾区的各种信息，以保证及时救灾；煤矿管理者可以了解矿井安全情况，防止矿难的发生；农民可以及时了解气候和土地墒情，适时灌溉并节约用水；家庭成员可以随时了解冰箱中的储物情况，避免变质而浪费；我们甚至可以像孙悟空那样，画地为牢，建立没有围墙又严密防范的重要区域…。总之物联网将渗透各行各业和人们的生活，带来巨大的经济效益和社会效益。

任何技术的发展除了带来好处以外，必然会产生各种各样的问题。Internet的发展为我们带来通信的便利，但也带来网络攻击，网络犯罪等一系列难以预料的问题。由于物联网涉及更为广泛的连接和更为复杂的功能，它所产生的问题会更为棘手。当然，我们不会为此因噎废食，而是应当积极应对，或防患于未然，或亡羊补牢，因为社会和技术的发展就是在这种

循环中进行的，试想，如果如今仍然过着日出而作，日落而息，自给自足的农耕日子，我们能知道网络防火墙是何物吗？

物联网是社会需求和技术两方面发展的结果，社会需求促使人们去努力发展技术，而技术的成熟使物联网逐步成为现实。物联网将建立更广泛的连接，更到位的感知和更深入的智能。有鉴于此，在物联网关键技术中，无线传感网技术无疑占有非常重要的地位，它可以实现广泛的连接和传感，为智能化奠定坚实的基础。无线传感网的主要内容是传感和无线传输，在无线传感网中，由于需要在很小的范围内布置大量的无线节点，近距离无线通信技术在其中占有非常重要的地位。

2 技术概要

近距离无线电通信没有一定的定义，属于这个范畴的可以有通信距离为5~100米的无线个域网（WPAN）技术，也可以有射频标签（RFID）、近场通信（NFC）等一些非常短距离的通信技术，有时红外通信也被划在这一范畴。这些技术的共同之处是点到点的通信距离非常短，一般不超过100米，有的甚至短到微米级（例如，采用UWB技术进行集成电路内部的连接）。近距离通信的速率差别也很大，每秒数百bit直至每秒数百Mbit甚至每秒Gbit的数量级。下面的图给出了一些典型近距离无线通信的通信距离、通信速率和应用的情况，以及它们与WLAN、蜂窝通信的对比。

典型近距离无线通信技术的概况

由于近距离无线电通信的应用非常多样化，要求各不相同，所以，多种标准和技术并存的现象会长期存在。例如，需要宽带传输的视频、高速数据可以采用UWB技术；对速率要求不高的，但对功耗、成本等有较高要求的无线传感网可以采用ZigBee、Z-Wave及与其相似的技术；对于非常近距离的标签无线识别应用，则可以采用NFC、RFID等无线通信技术。

从使用的频率上来看，多数近距离无线通信使用的是ISM（工业、科学、医疗）频段，在限制功率的前提下，对频率的使用不需要许可。遗憾的是除了2.4G这个频段以外，其他频段各国的规定各不相同，因此，有些标准会给出多个频段。UWB和NFC、RFID使用频段的情况有所不同，前者由于近似白噪声通信，平均功率密度非常低，使用高频率（例如，

3.1GHz~10.6GHz）的频段和非常宽带宽（例如4~7GHz）；后二者由于通信距离非常短，发

射功率极低，所以使用的频段限制相对较为宽泛。例如，RFID就有使用低频（125KHz、134KHz）、高频（13MHz）、超高频（868~956 MHz）、和微波（2.4GHz）等不同频率的产品。

在标准方面，当前无论在哪种应用领域，都是一种群雄蜂起的战国局面，有多个组织和多种

标准存在，例如，IEEE、ISO/IEC以及一些民间组织，如ZigBee联盟、Z-Wave联盟等。有些技术的标准往往是一些组织之间的分工合作的结果，例如，ZigBee技术标准就是由IEEE 和ZigBee联盟合作的产物。

在近距离无线通信方面，IEEE的工作比较令人瞩目，IEEE 802.15工作组分设了七个任务组（TG），在以下几个方面对近距离无线通信技术和标准进行研究：

TG1 从事蓝牙标准的制定、

TG2 协调ISM频段WLAN和WPAN的共存、

TG3 高速多媒体标准的制定（UWB、WiMedia）

TG4 低速WPAN标准的制定（ZigBee）

TG5 无线网状网技术在WPAN中的应用、

TG6 人体内部无线通信标准的制定、

SGrfid RFID技术在WPAN的应用。

下面我们介绍两种典型的近距离无线通信技术－ZigBee和UWB技术。

ZigBee标准的主要制定组织是IEEE和ZigBee联盟，前者工作重点在协议底层（IEEE 802.15.4），后者在于高层。ZigBee标准于2004年开始推出，后来又发布了ZigBee2006、ZigBee2007两个版本。 ZigBee技术具有以下特点：

近距离（ <100米）和低速率（<250kbps）；

极低功耗，电池供电可以维持数年甚至20年；

多种拓扑结构；

支持不同的网络规模（最大可达6万节点）；

高层节点数可达1000以上（2007版）；

自组织网络支持节点的灵活加入和退出。

由于具备这些特点，所以它特别适合无线传感网的应用。

ZigBee的工作频段有三个，分别是868MHz、915MHz和2.4GHz。868MHz频段主要用于欧洲，有一个信道，传输速率为20kbps； 915MHz（902~928MHz）频段用于美国，有10个信道，每信道传输速率为40kbps； 2.4GHz有40个信道，每信道传输速率可达250bps。

ZigBee的网络拓扑结构可以是星形、网状或混合结构，如下图所示。

ZigBee的网络拓扑结构