1.2　短距离无线通信技术

1.2.1　常用的短距离无线通信技术及应用场景

一般地，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖范围一般在几十米或上百米之内，发射器的发射功率较低，一般小于100 mW，短距离无线通信技术的范围很广。低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。下面介绍三种主流的短距离无线通信技术。

1．ZigBee网络

如果蜜蜂发现食物，会采用类似Zig-Zag形状的舞蹈将具体位置告诉其他蜜蜂，这是一种简单的消息传输方式。蜜蜂则通过这种方式与同伴进行“无线”通信，构成通信网络，ZigBee由此而来。可以这样理解，ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，是根据这个协议实现的一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee网络是近些年才兴起的近距离无线通信技术，是无线传感器网络的核心技术之一。使用该技术的节点设备能耗特别低，无须人工干预，成本低廉，设备复杂度低且网络容量大。

（1）低功耗。这是ZigBee网络最具代表性的特点，低速率和低发射功率，以及休眠功能使其设备的功耗进一步降低。

（2）低成本。ZigBee协议对相关设备要求不是很高，除此之外，该协议是免费公开的，使用的是免申请执照频段，也减少了其使用成本。

（3）短时延。ZigBee网络的响应速度非常快，当有事件触发时，只需要15 ms的反应时间，而设备加入网络所需要的时间也仅有30 ms，同时功耗也得到降低，因此在对时延有较高要求的场景中，具有明显的优势。

（4）高容量。ZigBee网络具有三种拓扑结构，由一个中心节点对整个网络进行管理与维护。一个主节点最多可管理254个子节点，再加上灵活的组网方式，一个ZigBee网络最多可包含6.5万个节点。

（5）高可靠性。ZigBee网络采用载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）的机制来保证通信的高可靠性，同时通过预留专用时隙的方式避免数据传输过程中的竞争与冲突。

ZigBee网络是针对低数据量、低成本、低功耗、高可靠性的无线数据包通信的需求而产生的，在很多领域，如国防安全、工业应用、交通物流、节能、生产现代化和智能家居等领域有着广泛的应用。

2．低功耗蓝牙（BLE）

BLE网络是一种短距离无线通信技术，最初是由爱立信公司于1994年提出的，用于实现串口接口设备之间的无线传输，以及降低移动设备的功耗和成本。

蓝牙工作在免申请执照的ISM（Industrial Scientific Medical）2.4 GHz频段，频率范围为2400～2483.5 MHz，采用高斯频移键控调制方式。为了避免与其他无线通信协议的干扰（如ZigBee），射频收发机采用跳频技术，在很大程度上降低了噪声的干扰和射频信号的衰减。蓝牙将2.4 GHz频段划分为79个通信信道，信道带宽为1 MHz，数据以数据包的形式在其中的一条信道上进行传输，第一条信道起始于2402 MHz，最后一条信道起始于2480 MHz。通过自适应跳频技术进行信道的切换，信道切换频率为1600次/秒。

与传统蓝牙协议相比，BLE技术协议在继承传统蓝牙射频技术的基础之上，对传统蓝牙协议栈进行了进一步简化，将蓝牙数据传输速率和功耗作为主要技术指标。在芯片设计方面，采用两种实现方式，即单模形式和双模形式。双模形式的蓝牙芯片将BLE协议标准集成到传统蓝牙控制器中，实现了两种协议共用。而单模蓝牙芯片采用独立的蓝牙协议栈，它是对传统蓝牙协议栈的简化，从而降低了功耗，提高了数据传输速率。BLE应用示意图如图1.11所示。

BLE从一开始就被设计为超低功耗无线技术，利用许多智能手段最大限度地降低功耗。BLE技术采用可变连接时间间隔，这个时间间隔可以根据具体应用设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于非连接状态（节省能源），此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。

BLE技术的工作模式非常适合微型无线传感器（每半秒交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其他外设传输数据，这些设备发送的数据量非常少（通常几字节），而且发送次数也很少（例如每秒几次到每分钟一次，甚至更少）。

BLE技术的拓扑结构如下：BLE网络可以采用点对点或者点对多点的方式，一个BLE主机可以连接多个BLE从机，组成星状网络；另外还有一种由广播设备和多个扫描设备组成的广播组结构，不同的网络拓扑对应不同的应用领域。

3．Wi-Fi网络

Wi-Fi是无线以太网IEEE 802.11b标准的别名，它是一种本地局域无线网络技术，可使电子设备连接到网络，其工作频率为2.4～2.48 GHz。许多终端设备，如笔记本电脑、视频游戏机、智能手机、数码相机、平板电脑等都配有Wi-Fi模块，通过Wi-Fi模块这些终端设备可连接到特定网络资源，如Internet。Wi-Fi技术可使用户获得方便快捷的无线上网体验，同时也使用户摆脱了传统的有线上网的束缚。与许多无线传输技术如ZigBee、BLE一样，Wi-Fi也被视为一种短距离无线通信技术，它支持移动设备在近100 m范围内接入互联网。随着无线通信技术不断发展，IEEE 802.11b标准日臻成熟与完善，它们被统称为Wi-Fi。Wi-Fi应用示意图如图1.12所示。

Wi-Fi主要依据IEEE 802.11b标准并在2.4 GHz开放的免申请执照ISM（Industrial Scientific and Medical）频段工作。Wi-Fi网络采用补码键控（CCK）调制方式，其频率范围为2.4～2.4835 GHz，共83.5 MHz，被划分为14个子信道，每个子信道宽度为22 MHz，相邻信道的中心频点间隔5 MHz。

4．短距离无线通信技术应用场景

无线传感器网络应用系统中大量采用具有智能感测和无线传输的微型传感器，通过这些微型传感器监测周遭环境，如温度、湿度、光照、气体浓度、PM2.5、PM10、甲醛、电磁辐射、振动幅度等物理信息，并由无线传感器网络将收集到的信息传送给监测者。监测者解读信息后，便可掌握现场状况，进而维护、调整相关系统。由于监测物理世界的重要性从来没有像今天这么突出，所以无线传感器网络已成为军事侦察、环境保护、建筑监测、安全作业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化等应用中的重要技术手段，如图1.13所示。