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《區塊鏈革命》、《寫給未來社會的新帳本》｜怪奇專欄
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智慧監控應用
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2018年4月23日 星期一
．目前最常見的「無線通訊（資料）傳輸技術」有哪些？
Transmission Media (Wireless)
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來源：城市与农业智慧物联网
近年來，隨著電子技術，電腦運算技術的發展，無線通訊技術蓬勃發展，出現了各種標準的無線資料傳輸標準，它們各有其優缺點和不同的應用場合，本文將目前應用的，無線通訊種類進行了分析對比，方便大家參考了解。
無線通訊（資料）傳輸方式及技術原理：
無線通訊是利用電磁波訊號在自由空間中傳播的特性進行資訊交換的一種通訊方式。無線通訊技術自身有很多優點，成本較低，無線通訊技術不必建立物理線路，更不用大量的人力去鋪設電纜，而且無線通訊技術不受工業環境的限制，對抗環境的變化能力較強，故障診斷也較為容易。
相對於傳統的有線通訊的設定與維修，無線網路的維修可以通過遠端診斷完成，更加便捷；擴充套件性強，當網路需要擴充套件時，無線通訊不需要擴充套件佈線；靈活性強，無線網路不受環境地形等限制，而且在使用環境發生變化時，無線網路只需要做很少的調整，就能適應新環境的要求。
常見的無線通訊（資料）傳輸方式及技術分為兩種：「近距離無線通訊技術」和「遠距離無線傳輸技術」。
1. 近距離無線通訊技術
短（近）距離無線通訊技術是指，通訊雙方透過無線電波傳輸資料，並且傳輸距離在較近的範圍內，其應用範圍非常廣泛。近年來，應用較為廣泛，及具有較好發展前景的短距離無線通訊標準有：Zigbee(有譯為紫峰或齊格蜂)，藍芽（藍牙），無線寬頻（無線網路），超寬頻（UWB）和近場通訊（NFC）。
（1）Zigbee：Zigbee是基於 IEEE 802.15.4 標準而建立的一種短距離，低功耗的無線通訊技術。Zigbee來源於蜜蜂群的通訊方式，由於蜜蜂是靠飛翔和嗡嗡地抖動翅膀，來與同伴確定食物源的方向，位置和距離等資訊，從而構成了蜂群的通訊網路。
其特點是距離近，其通常傳輸距離是10-100M ；低功耗，在低耗電待機模式下，2節5號乾電池可支援一個終端工作6-24個月，甚至更長；其成本，Zigbee免協議費，晶片價格便宜；低速率，Zigbee 通常工作在20-250kbps的較低速率；短時延，Zigbee的回應速度較快等，主要適用於家庭和建築控制、工業現場自動化控制、農業資訊收集與控制、公共場所資訊檢測與控制、智慧型標籤等領域，可以嵌入各種裝置。
（2）藍芽（藍牙）：能夠在10米的半徑範圍內，實現點對點，或一點對多點的無線資料和聲音傳輸，其資料傳輸頻寬，可達1Mbps的通訊媒介為頻率在，2.402GHz到2.480GHz之間的電磁波。
藍芽技術可以廣泛應用於區域網路中，各類資料及語音裝置，如PC、撥接網路、膝上型電腦、印表機、傳真機、數位相機、行動電話和高品質耳機等，實現各類裝置之間隨時隨地進行通訊。
藍芽技術被廣泛應用於無線辦公環境、汽車工業、資訊家電、醫療裝置，以及學校教育，和工廠自動控制等領域。藍芽目前存在的主要問題是，晶片大小和價格較高；抗干擾能力較弱。
（3）無線寬頻（無線網路連接）：它是一種基於802.11協議的無線區域網接入技術，技術突出的優勢在於它有較廣的區域網覆蓋範圍，其覆蓋半徑可達100米左右，相比於藍芽技術覆蓋範圍較廣；傳輸速度非常快，其傳輸速度可以達到11Mbps的（802.11）或者54Mbps的（802.11.a）。
適合高速資料傳輸的業務；無須佈線，可以不受佈線條件的限制，非常適合行動辦公使用者的需要，在一些人員密集的地方，比如火車站、汽車站、商場、機場、圖書館、校園等地方設定熱點，可以透過高速線路，將 Internet 接入上述場所。
使用者只需要將支援無線網路的終端裝置，設置於該區域內，即可高速接入 Internet；健康安全，具有無線網路功能的產品發射功率不超過100毫瓦，實際發射功率約60～70毫瓦，與手機、手持式對講機等通訊裝置相比，無線產品的輻射更小。
（4）超寬頻（UWB）：UWB是一種無載波通訊技術，利用奈秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸資料，其傳輸距離通常在10M以內，使用1GHz的以上頻寬，通訊速度可以達到幾百兆比特/秒以上，UWB的工作頻段範圍，從3.1GHz 到10.6GHz的，最小工作頻寬為500MHz的。
其主要特點是：傳輸速率高、發射功率低、功耗小、保密性強； UWB通訊採用調時序列，能夠抗多徑衰落； UWB所需要的射頻和微波器件很少，可以減小系統的複雜性。
由於UWB系統佔用的頻寬很高，UWB系統可能會干擾現有其他無線通訊系統。UWB主要應用在高解析度「較小範圍」，能夠穿透牆壁地面等障礙物的雷達和影象系統中。
這種裝置可以用來檢查樓房、橋樑、道路等工程的混凝土和瀝青結構中的缺陷，以及定位地下電纜，及其它管線的故障位置，也可用於疾病診斷。另外，在救援、治安防範、消防及醫療，醫學影像處理等領域，都大有用途。
（5）NFC：NFC是一種新的近距離無線通訊技術，其工作頻率為13.56MHz的，由13.56MHz的的射頻辨識技術發展而來，它與目前廣為流行的非接觸智慧卡ISO14443，所採用的頻率相同，這就為所有的消費類電子產品，提供了一種方便的通訊方式。
NFC採用幅移鍵控（ASK）調製方式，其資料傳輸速率一般為106kbit / s和424kbit / s。NFC的主要優勢是：距離近、頻寬高、能耗低，與非接觸智慧卡技術相容，其在門禁、交通悠遊卡、手機支付等領域，有著廣闊的應用價值。
NFC的應用情境基本可以分為以下五類：
- 通關，主要應用在會議入場，交通關卡，門禁控制和賽事門票等方面；
- 確認/支付，主要應用在手機錢包、公眾交通付費等方面；
- 連線，這種應用可以實現，兩個具有NFC功能的裝置，實現資料的點對點傳輸；
- 瀏覽，使用者可以透過NFC手機，了解和使用系統所能提供的功能和服務；
- 接觸，透過具有NFC功能的終端裝置，使用GPRS / CDMA網路接收或下載相關資訊，用於門禁或支付等功能。
2. 遠距離無線傳輸技術
遠距離無線傳輸技術：目前偏遠地區廣泛應用的無線通訊技術<主要有GPRS / CDMA、數傳電台、擴頻微波、無線網橋及衛星通訊、短波通訊技術等。
它主要使用在較為偏遠，或不宜鋪設線路的地區，如：煤礦、海上、有污染或環境較為惡劣地區等。
（1）GPRS / CDMA無線通訊技術：GPRS（通用無線分組業務）是一種基於GSM通訊系統的無線分組交換技術，是介於第二代和第三代之間的技術，通常稱為2.5G。
它是利用「封包交換」概念發展的，一種無線傳輸方式。封包交換就將資料封裝成許多獨立的包，再將這些包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，其優勢在於有資料需要傳送時才會佔用頻寬，而且是以資料量計價，有效的提高網路的利用率。
GPRS網路同時支援電路型資料，和分組交換資料，從而GPRS網路能夠方便的，和 Internet 互相連線，相比原來的GSM網路的電路交換資料傳送方式，GRRS的分組交換技術，具有即時線上「按量計費」高速傳輸等優點。
CDMA（是分碼多重進接的英文縮寫）是一種基於碼分技術，和多址技術的新的無線通訊系統，其原理基於擴頻技術。
（2）數傳電台通訊：數傳電台是數位式無線資料傳輸電台的簡稱，它是採用數位訊號處理，數位調製解調，具有前向糾錯，均衡軟判決等功能的，一種無線資料傳輸電台。
數傳電台的工作頻率，大多使用220--240MHz或400--470MHz頻段，具有數話相容，資料傳輸即時性好，專用資料傳輸通道，一次投資，沒有執行使用費，適用於惡劣環境，穩定性好等優點。
數傳電台的有效覆蓋半徑約有幾十公里，可以覆蓋一個城市或一定的區域。數傳電台通常提供標準的RS-232資料介面，可直接與電腦、資料採集器、 RTU、PLC、資料終端、GPS接收機，數位相機等連線。
已經在各行業取得廣泛的應用，在航空航太、鐵路、電力、石油、氣象、地震等各個行業均有應用，在遙控、遙測、搖信、遙感等SCADA領域，也取得了長足的進步和發展。
（3）擴頻微波通訊：。擴頻通訊，即擴充套件頻譜通訊技術，是指其傳輸資訊所用訊號的頻寬，遠大於資訊本身頻寬的一種通訊技術。
最早始用於軍事通訊，它傳輸的基本原理，是將所傳輸的資訊，用偽隨機碼序列（擴頻碼）進行調製，偽隨機碼的速率遠大於傳送資訊的速率，這時傳送訊號所佔據頻寬，遠大於資訊本身所需的頻寬，實現了頻譜擴充套件，同時發射到空間的無線電功率譜密度，也有大幅度的降低。
在接收端則採用相同的擴頻碼，進行相關解調。並恢復資訊資料其主要特點是：抗噪聲能力極強；抗干擾能力極強；抗衰落能力強；抗多徑干擾能力強；易於多媒體通訊組網；具有良好的安全通訊能力；不干擾同類的其他系統等，同時具有傳輸距離遠，覆蓋面廣等特點，特別適合野外聯網應用。
（4）無線網橋：無線網橋是無線射頻技術，和傳統的有線網橋技術相結合的產物。無線網橋是為使用無線（微波）進行遠距離資料傳輸的，點對點網間互聯，而設計它是一種在鏈路層，實現LAN互聯的儲存轉發裝置，可用於固定數位裝置，與其他固定數位裝置之間的遠距離（可達50公里），高速（可達百兆BPS）無線組網擴頻微波。
和無線網橋技術，都可以用來傳輸對頻寬要求，相當高的視訊監控等大資料量訊號傳輸業務。
（5）衛星通訊：衛星通訊是指利用人造地球衛星，作為中繼站來轉發無線電訊號，從而實現在多個地面站之間，進行通訊的一種技術，它是地面微波通訊的繼承，和發展衛星通訊系統。通常由二部分組成，分別是衛星端，地面端。衛星端在空中，主要用於將地面站傳送的訊號，放大再轉發給其它地面站。地面站主要用於對衛星的控制、跟踪，以及實現地面通訊系統接入衛星通訊系統。
衛星可分為同步衛星和非同步衛星，同步衛星在空中的執行方向，和週期與地球的自轉方向，及週期相同，從地面的任何位置看，該衛星都是靜止不動的；非同步衛星的執行週期，大於或小於地球的執行週期，其軌道高度「傾角」形狀，都可根據需要調整。
衛星通訊的的特點是：覆蓋範圍廣、工作頻頻寬、通訊品質好，不受地理條件限制，成本與通訊距離無關等。
其主要用在國際通訊、本國通訊、軍事通訊、行動通訊和廣播電視等領域。衛星通訊的主要缺點是，通訊具有一定的延遲，比如打衛星電話時，不能立即聽到對方回話，主要原因是衛星通訊的傳輸距離較長，無線電波在空中傳輸是有一定延遲的。
（6）短波通訊：按照國際無線電諮詢委員會的劃分，短波是指波長100米 - 10M，頻率為3MHZ-30MHZ的電磁波短波通訊，是指利用短波進行的無線電通訊，又稱高頻（HF）通訊。
短波通訊可分為地波傳播和天波傳播。地波傳播的衰耗隨工作頻率的升高而遞增，在同樣的地面條件下，頻率越高，衰耗越大。利用地波只適用於近距離通訊，其工作頻率一般選在5MHZ以下。
地波傳播受天氣影響小，比較穩定，通道引數基本不隨時間變化，故通道可視為恆參通道。
天波傳播是無線電波，經電離層反射，來進行遠距離通訊的方式，傾斜投射的電磁波，經電離層反射後，可以傳到幾千千米外的地面。
天波的傳播損耗比地波小得多，經地面與電離層之間多次反射之後，可以達到極遠的地方。因此，利用天波可以進行環球通訊。天波傳播因受電離層變化，和多徑傳播的嚴重影響，極不穩定，其通道引數隨時間而急劇變化，因此稱為變參通道短波通訊。
天波傳播的特點是：建設維護費用低、週期短、裝置簡單、電路排程容易、抗毀能力強、頻段窄、通訊容量小，天波通道訊號傳輸穩定性差等。
各種主流無線通訊技術之間的比較
當前流行的無線通訊技術有：RFID、GPRS、藍牙、Wi-Fi、IrDA、UWB、Zig-Bee和NFC。
1. RFID
RFID是一種簡單的無線系統，只有兩個基本器件，該系統用於控制\檢測和跟踪物體。系統由一個詢問器，和很多應答器組成。
應答器：由天線、耦合元件及晶片組成，一般來說都是用標籤作為應答器，每個標籤具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標物件。
閱讀器：由天線，耦合元件，晶片組成，讀取（有時還可以寫入）標籤資訊的裝置，可設計為手持式RFID。
應用軟體系統：是應用層軟體，主要是把收集的資料，進一步處理，並為人類所用。
2. GPRS
如下圖為典型GPRS系統結構圖，透過監控中心與互聯網相連，可以支援一些比較複雜的應用，另外支援的通訊方式比較多，使使用者可以隨時隨地，以多種通訊方式，來監控實際應用點。該方案還可以讓監控中心同時，和多個GPRS模組通訊，從而監控多個工作現場。
3. 藍牙
藍芽系統由無線單元、鏈路控制器、鏈路管理器，和提供到主機端介面功能的支援單元組成。
藍芽無線單元，是一個微波跳頻擴頻通訊系統，資料和話音資訊分組在指定時隙，指定跳頻頻率傳送和接收。跳頻序列由主裝置裝置地址決定，採用尋呼和查詢方式，建立通道連線鏈路控制（基帶控制）器，包括基頻數位訊號處理的硬體部分，並完成基頻協議，和其它底層鏈路規程。
鏈路管理器（LM）軟體，實現鏈路的建立、驗證、鏈路、配置及其協議。鏈路管理器可以發現其它的鏈路管理器，並透過連線管理協議LMP，建立通訊聯絡。鏈路管理器透過鏈路控制器提供的服務，實現上述功能。
4. 無線網路
無線網路方案的設計，相對其他方案比較簡單，僅需要透過MCU控制WIFI模組，透過CAN匯流排與主機板通訊，然後透過WIFI模組傳輸訊息到互聯網。透過連線伺服器，然後伺服器對資料進行處理。
5. 紅外線
紅外線通訊主要有三部分組成：
（1）發射器部分：目前已有紅外無線數位通訊系統的資訊源，包括語音、資料、影像等。
（2）通道部分：它們的作用是：整形、濾波、視場變換、頻段劃分等。
（3）終端部分：紅外無線數位通訊系統終端部分，包括光接收部分、取樣、濾波、判決、量化、均衡和解碼等部分。
6. UWB
UWB（超寬頻）是一種無載波通訊技術，利用耐秒至微微秒級的非正弦波，窄脈衝傳輸資料。透過在較寬的頻譜，上傳送極低功率的訊號，UWB能在10米左右的範圍內，實現數百兆位/秒，至數Gbit / s的的資料傳輸速率。
7. Zigbee
技術是一種近距離、低複雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用於距離短，功耗低且傳輸速率不高的，各種電子裝置之間，進行資料傳輸，以及典型的有週期性資料、間歇性資料，和低反應時間資料傳輸的應用。
8. NFC
與RFID一樣，NFC資訊也是透過頻譜中，無線頻率部分的電磁感應耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區別。
首先，NFC是一種提供輕鬆、安全、迅速的通訊的無線連線技術，其傳輸範圍比RFID小。
其次，NFC與現有非接觸智慧卡技術相容，已經成為得到越來越多主要廠商支援的正式標準。
再次，NFC還是一種近距離連線協議，提供各種裝置間輕鬆、安全、迅速而自動的通訊。與無線世界中的其他連線方式相比，NFC是一種近距離的私密通訊方式。
無線通訊主流技術對比表
各種無線通訊技術的適用頻段，調製方式，最大作用距離，資料率和應用領域。這些無線通訊技術的作用距離，與資料率的關係，資料率越高，作用距離就越短。可用網路技術擴充套件作用距離，而仍然保持資料率。
