近距离无线监控

近距离无线监控（共4篇）

近距离无线监控 篇1

0 引 言

无线激光通信是指在两个或多个终端之间,利用在空间传输的激光束作为信息载体实现通信。它包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道的卫星之间,地面站与卫星之间以及地面站与地面站之间的激光通信,又称为自由空间激光通信( Free Space Optical Communication , 简称FSO)[1]。与光纤通信相比,FSO具有价格低廉、无需线路敷设、安装迅速、组网灵活以及建设周期短等优点;而与其它无线电通信相比,具有不占用宝贵的无线电频带资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、保密性好、设备体积小、重量轻、系统机动性强、易于扩容等优点。但FSO也存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题。目前,FSO已成为解决宽带网络“最后一公里”瓶颈和最终实现全球个人移动通信的重要技术选择[2]。FSO主要用于:a.作为预防光纤通信和微波通信服务中断时的备份;b.移动通信基站间的互连;c.近距离高速网的建设;d.不宜布线或布线成本高、施工难度大、难以获得市政部门审批的地方;e.在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合;f.用于企业内部网互连和数据传输。

FSO技术以其容量和价格的优势,受到越来越多运营公司的关注。目前,国外已有几家较大的FSO通信设备生产厂家,如LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam等。我国的FSO在发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准、机械稳定性等关键技术方面已取得明显进步,已有几家研究所与公司生产了比较成熟的样机[3]。

1 系统结构和器件的选择

近距离无线激光通信系统的基本组成如图1所示,主要包括信息源、编码器、光发射机、发射光学系统、接收光学系统、光接收机、解码器以及显示终端。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工通信[4]。

系统所用的基本技术是电—光和光—电转换。信息源采用模拟图像信息源;编码器将模拟图像信号转变为数字信号;光发射机由光源和驱动电路组成,编码后的电信号加到光发射机的驱动电路上调制激光器发出的光;光载波以光束的形式通过发射光学系统发射到大气信道中进行传输;接收光学系统汇集光束;光接收机中的光电检测器将接收到的光信号转换为电信号,进行放大整形后通过解码器将信号还原显示,本系统采用彩色电视机显示。

光源的功能是把电信号转换为光信号。作为光源的发光器件应满足以下基本要求:体积小,可直接调制且调制频率输出特性好,可靠性高,温度特性好。目前广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。室外激光通信系统通常选择功率较大的LD激光源。

大气介质对不同光波长信号的透过率有较大的差别,FSO系统一般选用透过率较好的波段窗口,最常用的光学波长是近红外光谱中的850 nm;还有一些FSO系统使用1 500 nm波长,可以支持更大的系统功率[5]。本实验系统选择的光源为850 nm的LD激光器(自带一个61.6 Ω的串联电阻),在实验中测得的该LD的阈值特性如表1所示。在测量过程中,将电源电压逐渐调高,观测LD发光亮度的

变化,记录当LD发出的光由荧光突变为激光那一刻毫安表的电流读数,即为LD的阈值电流。由测量值可见,该LD的阈值电流为18.11 mA。

2 光发射机电路

本系统对发射机的主要技术要求是:a.稳定的光功率输出。当环境温度变化时或器件老化时,输出光功率应保持稳定。b.尽可能小的非线性失真。发射机输出光功率越大,光通信的距离越长。但光功率太大也会使系统工作在非线性状态。因此,要求发射机要有合适的光功率输出。 本文设计的是近距离无线激光通信系统,对LD激光器实施电流限制可使LD激光器工作在相对稳定的功率和温度条件下,因此发射电路采用过电流控制保护电路设计方案,发射机电路如图2所示。

电源部分是由变压器、桥式整流滤波电路和稳压电路组成。交流220 V经过变压器变为9 V左右的交流电,通过整流滤波电路得到+9 V左右的直流电。经过稳压器7805后可得到+5 V左右的直流稳定电压,在稳压器两边分别使用一个C4、 C5的大电容和C6和C7的瓷片小电容,滤掉电源中的低频和高频分量,以获得稳定的直流电压。

LD激光器工作在直流+5 V左右比较安全,信号源即VCD光盘读出的RF信号,其输出电压峰-峰值为1 V左右,频率为1.5 MHz。LD的阈值电流约为19 mA,根据LD的特性曲线,可将LD的静态工作电流设为27 mA,从而可计算出各个电路元件参数。三极管T1、T2、T3均选9013管,放大倍数β为150。电容C1用于抗低频干扰,C2用于抗高频干扰,C3是交流信号耦合电容,起隔直流通交流的作用。Re为限流电阻,R2为激光器电阻, Rb1、Rb2、Rb3为T1的偏置电阻,其中Rb1为可调电阻。R1为分流电阻。

3 光接收机电路

光接收机电路如图3所示,主要作用是把光电检测器接收到的微弱光信号转变成电信号后,再通过多级放大电路处理,恢复为原来的信号。光电二极管(PIN)对接收的光信号进行光电检测,T1的共射极和T2的共集电极(射随器)两级放大电路对光电流进行放大。C1、C2和C3为隔直流电容。可变电阻R1为PIN的负载电阻,实验中将不断调整,以确定最佳阻值(约为470 Ω)。R2为T1的偏置电阻,R5为T2的负载电阻。该电路的静态参数为:T1的集电极电压Vc1=2.5 V,T2的发射极输出Ve2=3.3 V,均处于电源电压+5 V的中间位置,这样能最大限度地保证信号不失真。根据接收要求,在接收机放大电路输入端输入的信号峰-峰值大约为30 mV,放大电路输出端的输出电压要达到峰-峰值1 V以上,通过计算可确定光接收机放大电路中的R3和R4电阻值。

4 系统的实现与调试

本系统采用的信号源是VCD输出的信号,已经经过了数字化和压缩编码。该信号通过光发射机加载在LD发出的光波上,经过大气传输信道,由光接收机的PIN光电二极管接收,并经过放大、整形及解压解码电路,在电视机里显示出原图像信号。

首先调试电源,并分别对光发射机和接收机进行单独调试,表2给出了接收机放大电路的测试数据,信号发生器输出的交流正弦电压峰-峰值为25~35 mV,频率为0.7~1.5 MHz。放大电路不失真输出的电压峰-峰值为1 V左右(信号过小则电压解码板不能正确解码出原信号)。

当发射机和接收机的单独调试均顺利通过之后则开始对整个系统进行收发联调。收发联调的步骤如下:a.把发射机与接收机分别安装在高度与方向可调的两个三脚支架上,调节三脚支架使两者基本处在同一平面。发射机不输入信号,打开电源,调节三脚架的高度与方向,使LD的发射光束对准接收机中PIN光电二极管的接收面。b.将VCD机的数字信号输入到发射机,用示波器同时观测输入信号与LD两端的输出信号,微调发射电路可变电阻Rb1,使眼图输出线条清晰,眼张开得大。c.将光束对准接收机的PIN光电检测器,用示波器同时观测PIN两端的输入信号波形和经过前置放大器和主放大器后的输出波形。如果PIN两端的输入信号失真,需调节接收电路可变电阻R1。d.打开电视机,选择AV频道,电视显示解码板的图像界面。当开启各部分电源,将光束对准PIN时,图像便可传输到电视屏幕上。

5 结束语

本文提出了一种用于传输宽带图像信号的近距离无线激光通信系统模型,对其发射机和接收机进行了电路设计,制作和搭建了实验系统,并对系统整体进行了联合调试。实验中选择VCD机的输出信号作为数字信号源,对LD进行直接强度调制。光信号在大气中传输几十至数百米,到达接收机的光电检测器光敏面,转换成电信号,经放大器处理后恢复为原信号,接收机输出电压峰-峰值达1 V左右。再把光接收机输出的信号送到解码板,进行解压处理,通过D/A变换输出的模拟视频和音频信号经电视机显示图像。实验效果良好,实验系统的光发射功率为5 mW时,在户外天气晴朗时,在200 m的传输距离内能实现12 h不间断的动态数字图像的清晰、稳定、连续传输。如果提高发射机的输出光功率,则传输距离可以长达500 m甚至几千米。

参考文献

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[4]GAGLIARDI R M,KARP S.光通信技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1998.

[5]黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999.

近距离无线通信产业发展研究 篇2

近距离无线通信技术的范围很广, 在一般意义上来讲, 只要通信双方通过无线电波相互传输信息, 并且传输距离限制在较短的范围 (通常是几十米) 内, 就可以称为近距离无线通信。近年来, 近距离无线数据业务呈现巨大的发展潜力, 特别是随着无线个域网 (Wireless Personal Area Networks, WPAN) 的升温, 近距离数据业务迅速膨胀。各种近距离无线通信技术的出现, 在不断刷新人们对近距离无线通信认识的同时, 也带来许多新的技术挑战。为满足高速率大容量、低速率高可靠性以及低功耗、低成本等方面的需求, 近距离无线通信应用对无线通信服务质量提出了更高的要求。

2 发展现状

目前, 实现近距离无线通信的主要技术有蓝牙 (Bluetooth) 、Zig Bee、Wi-Fi (Wireless Fidelity) 、近距离无线通信 (Near Field Communication, NFC) 等, 都具有低成本、低功耗和对等通信的特点, 上述技术主要技术参数见表1。

2.1 蓝牙技术

蓝牙 (Bluetooth) 以低成本的近距离无线连接为基础, 采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术, 支持点对点及点对多点通信, 工作在全球通用的2.4GHz ISM (即工业、科学、医学) 频段。其数据速率为1Mbps[1]。

在蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 的大力推动下, 蓝牙近几年普及速度较快。据统计, 蓝牙设备全球累计出货量至今已超过90亿件, 而每年均有近20亿蓝牙设备进入市场, 以蓝牙为核心技术的应用设备现已逐渐形成全球互连的智能网络。

应用扩大和低功耗的蓝牙技术首先在音频领域得到广泛应用, 并拓展到了保健、医疗、体育锻炼等新市场, 产品有手表、计步器等, 用以检测脉搏、行走距离等指标。2012年发布的最新蓝牙版本-蓝牙4.0具有低功耗 (仅为传统规格的1/10) 、成本低、3ms低延迟、超长连接距离等优势, 因而受到用户的特别青睐。除了上述应用之外, 蓝牙技术下一个应用方向将是物联网。蓝牙是支持点对点、点对多点的, 其最基本的网络组成是微微网。该网络在设备进入临近射频时自动生成, 单个设备可同时与同网内最多7个设备通讯, 每个设备又能同时进入若干个微微网, 完全符合物联网的通信要求。

国际上, 蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 正大力发展数字家庭中和医疗市场的无线应用市场, 与各成员密切合作, 确保其蓝牙产品达到高速蓝牙技术发展蓝图的核心规范要求, 新产品的数据传输速率有望从目前的3Mb/s (2.0+EDR版) 提升到100Mb/s以上。此外, 蓝牙与红外的互补竞争关系将会在市场上长期共存下去, 而彼此间的互通是一个亟待解决的问题。

2.2 Wi-Fi技术

Wi-Fi技术的目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。IEEE 802.11第一个版本发表于1997年, 其中定义了介质访问接入控制层和物理层[2]。1999年加上了两个补充版本:802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层, 802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用, 因此802.11b得到了最为广泛的应用[3]。

Wi-Fi联盟 (Wi-Fi Alliance, 简称WFA) 成立于1999年, 主要负责Wi-Fi认证与商标授权的工作, 在全球范围内推行Wi-Fi产品的兼容认证, 发展IEEE802.11标准的无线局域网技术。目前, 该联盟成员单位超过200家, 其中42%的成员单位来自亚太地区。

随着Mi Fi和Wi Bro (便携式Wi-Fi路由器) 的出现可以很容易地创建Wi-Fi热点, 通过电信网络连接到网络。除私人家庭和办公室使用外, Wi-Fi无线网络还可以提供公众访问的热点免费使用或各种商业服务。室内定位是Wi-Fi又一大重要用途。由于用户进入室内后, 就无法使用GPS定位服务。相比其他技术, Wi-Fi因为部署广泛而且成本较低, 成为目前业界普遍看好的室内定位技术。一定区域内的Wi-Fi热点数越多, Wi-Fi室内定位的精确度就越高。

作为当今全球广为普及的宽带无线接入技术, 凭借Wi Fi良好的用户基础和巨大的产业规模, 低能耗Wi Fi将广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等诸多电子产品领域。大力发展和部署新型低能耗Wi Fi热点, 实现移动蜂窝网络分流, 将成为未来几年全球运营商应对数据洪流最主要的手段。

2.3 Zig Bee技术

Zig Bee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术, 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[4]。

Zig Bee联盟于2011年8月正式成立, 是国际重要的物联网 (无线传感网) 产业标准化组织, 2003年, Zig Bee联盟率先提出了物联网概念, 致力推动全球物联网产业的发展。截至目前, 联盟成员已超过420家。Zig Bee联盟制定的Zig Bee标准是世界公认的物联网无线传感器网络技术中的权威标准, 在此标准上形成了一整套系列的物联网关键性技术, 针对智能电网、智能建筑、消费电子、医疗和无线通信等行业领域也逐渐产生了大量的应用规范和专利技术。其中, 很多标准已被广泛应用。

在数字家庭的应用方面, Zig Bee将从现有的家电遥控、灯光控制、门禁领域进一步拓展到灯光控制、便携设备领域等。在工业领域, Zig Bee技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制, 它也能够跟踪其他系统以实现预防性维护和性能监控;在家庭和楼宇自动化领域, 易于进入、简单明了和廉价的安装成本已成为驱动居家和建筑商开发和应用无线技术的动因, 未来的家庭将会有50~150个支持Zig Bee的模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、暖通系统、厨房器械和其他家电产品中, 通过Zig Bee收集各种信息, 传送到中央控制装置, 或通过遥控达到远程控制之目的, 提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化, 以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。

2.4 NFC技术

NFC (Near Field Communication) 技术是非接触式射频识别 (RFID) 及和互联技术相结合演变而来的, 在单一芯片上结合了感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能, 使用了13.56MHz频带的近距离无线通信标准, 在约为15cm距离内运作, 传输速度为106kbit/s~424kbit/s[5]。

NFC技术为个人机密数据提供一个安全的储存机制, 使得电子设备之间的互联变得简单明了, 让人们有机会与周围的电子产品尽情地交互。根据2012年市场研究公司Research and Markets的调查报告, 北美和欧洲的NFC芯片占总市场的60%以上, 而亚太地区增长最快, 特别是日本、中国和韩国。NFC应用程序正随着市场的成长, 将吸引越来越多人的参与。该报告还表示, NFC应用带来的市场收入预计将从2011年的76.86亿美元增长到2016年的34515亿美元, 年复合增长率为35%, 其中, 主要收入来自电子支付, 其次是包括票务和门禁业务。它的用途主要体现在电子票务、移动娱乐、商务旅游等方面。

NFC近距离移动付款机制通过更安全、简便的转账方式, 让人们通过刷NFC手机完成公交、地铁刷卡和超市餐饮的小额消费等功能。但是, NFC在数据交换过程中的用户信息是否会遭黑客入侵或是被商家滥用, 则是消费者普遍担心的问题。通过NFC可将各种无线娱乐与服务准确地传送到接收点, 让消费者成为广大社群中的一份子。对服务供应商而言, 内置NFC功能的移动娱乐可促进各种内容与服务的快速传播与大量推广, 有助于提高客户的满意度与忠诚度。

2011年, 三家NFC移动营销公司Blue Bite、Proxama和Tapit宣布组成一个“NFC全球联盟” (NFC World Alliance) , 以促进NFC技术在移动营销上的应用。他们分别代表美国地区;欧洲、中东、非洲三地区和亚太地区。三家公司认为, 在推动NFC在消费者中的普及方面, 起主导作用的是广告客户, 而非手机厂商和移动支付公司。

3 发展趋势

3.1 向着高效率、低能耗和高安全性方向发展迅速

随着全球互联网的发展, 特别是移动通信技术的发展和智能手机的普及, 无线通信的需求也在不断增长中, 短距离无线通信的核心技术, 如调制与解调、天线、检测、同步、伪随机序列生成、脉冲合成等也会逐渐得到改进。各类技术发展虽各有侧重, 总体而言都向着高传输效率、低能耗和高安全性的方向发展。

如2012年发布的最新版本-蓝牙4.0, 其最大的特点就是低功耗 (仅为传统规格的1/10) , 此外, 还具有成本低、3ms低延迟、超长连接距离等优势。Zig Bee联盟于近日宣布新版Zig Bee Home Automation 1.2 (家庭自动化) 已获得批准, 将安全传感器的电池寿命延长至7年以上、实现设备配对标准化, 并简化了消费者和定制安装人员的安装和维护作业。在2013年CES消费电子展上, Wi-Fi则通过实现更大范围产品之间的连接, 以支持各种多元化应用, 包括家庭影院、智能能源、汽车和其他应用等, 广受业界好评。而资料的加密性则是广泛用于移动支付的NFC技术最大的挑战。

3.2 适用应用领域不同, 技术融合趋势凸显

近年来, 随着各种无线传输技术的兴起, 许多人将其定义为竞争关系。但实际上, 这些技术各有所长, 也各有所短, 这取决于他们所应用的领域。

比如在医疗领域, Wi-Fi由于功耗和功率都很强, 需要经常充电, 也会对一些医疗器材的一些干扰, 所以一般而言它不太适用于医疗领域。而在蓝牙4.0低功耗的支持下, 即使由一个纽扣电池供电, 使用时间也可以长达一年, 甚至更长。在无线个域网应用中, Wi-Fi一般覆盖范围较大的, 随着天线加强或者增设热点, 覆盖面积将会更广。与NFC、蓝牙技术的两移动设备互联互通在点对点 (peer to peer) 结构上有着巨大的区别。然而由于Wi-Fi设备在通信中没有使用跳频等技术, 虽然使用了加密协议但是还是存在被破解的隐患。Zig Bee是对等 (ad-hoc) 、多跳的无线网格网络标准, 扩展性很好, 可以在网络不中断的情况下增减节点。它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的低功耗低速率的市场, 如可以用于控制家用电器的启动和关闭。一般来说, Wi-Fi、Zig Bee用于较长距离的网络通信业务和电信业务, 蓝牙用于中短距离的通信, 而NFC技术适用传输距离更短的场合。

无线行业的未来在于无线网络融合和终端的功能融合, 市场对于融合的需求正在推动着众多领先无线行业厂商积极地开展技术创新

在短距离无线通信技术领域中的对于存在着明显的互补关系的技术之间, 与其单一的提高单一技术特性, 不如考虑与其他技术的结合。

如, NFC与蓝牙传输技术相比, 由于NFC面向近距离交易, 适用于交换财务信息或敏感的个人信息等重要私密数据;另一方面, 蓝牙技术能够弥补NFC技术通信距离不足的缺点, 可以应用于较长距离的数据通信。因此, NFC技术和蓝牙技术可以相互补充、共同存在。事实上, 快捷轻型的NFC协议可以用于引导两台设备之间的蓝牙配对过程, 促进蓝牙的使用。

3.3 产业联盟推动作用显著, 发展需要产业链共同参与

新兴的NFC技术被业界视为发展前景良好的近距离无线通信技术, 然而, 一种技术的应用推广, 除了技术本身完善且有明确的市场定位外, 国际产业联盟、产业链上下游厂商的推动作用是非常巨大的。

在Wi-Fi联盟的强力推动下, IEEE 802.11无线局域网得到了空前的推广。Wi-Fi行业的活力与增长体现在Wi-Fi联盟领先于业界的Wi-Fi CERTIFIED认证计划。2011年至2012年期间, Wi-Fi经认证产品总量的增长幅度超过25%, 在这段时间内, 消费电子类产品认证数量的上涨达64%。手机类产品的认证数量则较去年同期剧增34%。正是有了Wi-Fi成功的先例, 现在还处于技术标准化时期的近距离无线通信技术, 就纷纷建立各自的产业联盟, 一方面推动高层协议的规范化, 进而开展设备认证和互通测试, 另一方面积极进行市场宣传和普及, 为今后的产品商用做准备。如Zig Bee联盟于2011年8月正式成立, 是国际重要的物联网 (无线传感网) 产业标准化组织, 2003年, Zig Bee联盟率先提出了物联网概念, 致力推动全球物联网产业的发展。

移动支付在智能终端和移动互联网快速发展的背景下已成为新的支付形式, 新兴的NFC技术被寄予希望, 但目前移动支付市场才刚刚起步, 未来还有很长的路要走。NFC移动支付属于跨行业的支付产业, 需要跨行业的参与者共同支持。目前存在的问题主要为:一是支持“NFC手机一卡通”业务的手机机型有限, 拥有广泛市场基础的苹果i Phone手机并不在支持范围之内。二是统一技术标准姗姗来迟使得产业链上下游的生产商家持观望态度。三是相应基础设施的大规模投入和推广成本如何分担还是问题。离开任何一方, 移动支付产业都只能跛足前行。回顾NFC市场历程, 银联、运营商一直试图单枪匹马挑起产业, 最终无一例外鲜有成功案例可循。

3.4 市场面临重新整合, 公司间并购频繁

随着各种各样无线通信标准的推出, 大批初创公司也如雨后春笋般涌现出来, 他们针对这些5年或10年之前闻所未闻的标准提出各自的方案, 一时间无线通信市场成为最热的领域之一。由于现在的无线技术面对的挑战已不仅限于本身, 而是跨越了不同领域的技术, 并不是每个进入者都有足够的技术与资本解决这些问题, 市场逐步会优胜劣汰, 重新整合。

如, 蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模, 当蓝牙模块价格足够低的时候, 才是蓝牙大规模占有市场的时候。据了解, 蓝牙芯片的成本目前已低至0.6-1.5美元之间, 低价格大大降低了蓝牙设备的成本, 目前, 高通、博通、德州仪器等主流芯片厂商均积极参与蓝牙芯片的研制。

但这个市场的特殊性在于其很大一部分买家是运营商, 其更关注的是如何使利润最大化, 或者说综合性成本, 包括系统方案、可靠性等等, 所以他们除了对产品价格在意之外, 更愿意支付高性能高可靠性产品, 所以方案供应商如果只靠一两款低成本芯片将很难在市场上立足。而这一领域的初创公司的核心竞争力通常只在于推出一两项在成本方面比过去方案节约创新性产品。这就导致这些初创公司往往没有较持续的竞争优势。

4 结语

近距离无线通信具有成本低、功耗低、网络组建灵活等特点, 在无线个人接入网中发挥着重要的作用。每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点, 不论是在距离, 还是在成本、速率等方面, 因此, 必然有多种无线通信技术的产品在市场上共存的现象, 存在交叉应用的竞争场面也不足为奇;但从细分的市场上分析, 各种技术的定位有所区分的, 但更多的是互补的关系。

新兴技术的崛起带给近距离无线通信领域更多的竞争和发展, 但往往被业界看好的技术未必能发展普及为市场活跃者, 除了自身技术和应用的局限之外, 与国际产业联盟的推广、产业链上下游的参与和政府的主导有着密切的关系。

随着低速近距离无线通信技术受到越来越多的关注, 多种近距离通信技术广泛的深入到医疗卫生、家庭自动化、工农业自动化及远程控制等多个领域, 并不断改变着我们的生产和生活方式。

摘要：近年来, 近距离无线数据业务呈现巨大的发展潜力, 特别是随着无线个域网的升温, 近距离数据业务迅速膨胀。文章介绍了蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、NFC等近距离无线通信技术和市场的发展现状, 并总结了近距离无线通信产业的发展趋势。

关键词：近距离,无线通信,蓝牙,ZigBee,Wi-Fi,NFC

参考文献

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近距离无线监控 篇3

关键词：无线数传,nRF240,智能家居

0 引言

随着电子信息技术的发展,人们的生活、工作方式发生了巨大变化,智能家居得到了快速发展。智能家居系统利用网络通讯技术将与家居生活相关的各种功能连接,进行综合管理,让家居生活更方便、舒适。传统的智能家居系统中数据传输采用有线方式,但无线通信技术发展迅速,它比有线网络具有建设方便、扩展性能好等优点,使其逐渐取代有线网络,成为智能家居数据通信的首选。

目前智能家居中典型的无线数据通信技术有Bluetooth,Wi-Fi,Zigbee技术等[1],都有各自特点:Bluetooth传输速率高,但传输距离较短、有节点限制;Wi-Fi传输距离远,但其芯片成本较高、对硬件环境要求高;Zigbee具有成本低、通信可靠的优点,但数据传输速率较低。针对以上情况,本文采用nRF2401芯片,设计了一种适用于智能家居的多路数据传输系统,具有成本低、传输距离远、速率高等优点。

1 系统硬件设计

1.1 nRF2401无线通信模块

nRF2401是Nordic公司生产的一款无线通信通信芯片,工作电压1.9～3.6V,由频率发生器、ShockBurst式控制器、解调器、解调器、功率放大器、晶体振荡器等部分组成。nRF2401无线通信模块外围电路如图1所示。

nRF2401采用FSK调制,内部集成了Enhanced ShockBurst协议,可实现点对点或是1 对6 的无线通信。它工作在2.4GHz～2.5GHz ISM频段,有125个可选频道,可满足多点通信和跳频通信需要,通信速度可以达到2Mbps。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA,接收模式时为12.3mA[2]。

智能家居对数据传输有传输稳定、速率高、作用距离远、功耗低等要求。普通智能家居系统仍采用有线连接方式,存在组网困难、不易扩展等缺点。采用nRF2401无线传输技术可以克服上述缺点,满足系统要求,更适合与智能家居系统。

1.2 nRF2401与单片机的连接

nRF2401通过SPI 接口与单片机进行通信。nRF2401的工作电压范围为1.9～3.6V,单片机要选用低工作电压型的,否则需要串接2k电阻,本文采用AT89LV51单片机。

nRF2401与微处理的接口有两种方式:直接SPI连接方式和I/O口模拟SPI连接方式。本文采用I/O口模拟SPI连接方式,这种连接方式的优点是可以非常方便地与各种高低速CPU连接,并且传输的误码率很低。nRF2401有6个I/O需要和单片机连接,如图2所示。单片机采用I/O口模拟SPI总线,使用P1.1,P1.2,P1.3,P1.4模拟SPI的SCN,SCK,MOSI,MISO。CE决定是否允许收发信号,IRQ是中断引脚,分别与单片机的P1.0,P3.2连接。在接口电路设计完成后,要使单片机与nRF2401之间实现通信,还要考虑单片机的传输率,本文选择单片机的波特率为9600bps,晶振为11.0592 MHz。

2 系统软件设计

2.1 nRF2401工作模式

nRF2401共有四种工作模式:收发模式(Active Mode)、配置模式(Configuration Mode)、空闲模式(StandBy Mode)和关机模式(PowerDown Mode)。可通过设置nRF2401的CE、CS和PWR_UP来选择不同的工作模式,以实现系统的低功耗设计[3]。具体设置如表1所示。

nRF2401有三种收发模式可以选择:直接收发模式、ShockBurst收发模式和Enhanced ShockBurst收发模式。直接模式需要通过软件在发送端添加校验码和地址码,在接收端通过软件检查数据是否传输正确;ShockBurst收发模式,nRF2401使用片内的FIFO堆栈区,数据低速传入,但高速(1M～2Mbit/s)发射,这样可以尽量节能,而且使用低速的单片机也能实现很高的发射数据速率。在发送数据时,nRF2401自动生成前导码和CRC 校验码,在接收数据时,自动把前导码和CRC校验码移去。当发送过程完成后,IRQ引脚通知CPU数据发射完毕,减少了CPU的查询时间[4];Enhanced ShockBurst收发模式除了具有ShockBurst收发模式的特点外,还具有自动应答功能。发送方可要求接收方收到数据后发送应答信号,以便于发送方检测有无数据丢失,一旦数据丢失,则重发数据,与射频协议相关的高速信号处理都在片内进行,具有功耗低、数据在空中停留时间短、抗干扰性高、减小整个系统的平均电流等优点,可提高整个系统的效率,本文采用此工作模式。

2.2 多路数据通信

nRF2401配置为接收模式时可以接收6路不同地址相同频率的数据。每个数据通道有自己的地址,可以通过寄存器EN_RXADDR_Px来进行分别配置。数据通道0有40位可配置地址,数据通道1～5的地址为:32位共用地址和8位各自的地址。nRF2401在收到数据后产生应答信号,此应答信号的目标地址为接收通道地址。这种通过配置不同数据通道地址进行通信的方式使用非常方便,大大减少了CPU查询等待时间,提高了数据传输效率。

2.3 数据发送接收流程

在Enhanced ShockBurst工作模式下,使用nRF2401 芯片进行无线数据通信时不需要进编码,编程和应用非常方便[5]。数据发送流程如图3所示。

nRF2401初始化主要完成写本机地址、写接收端地址、信道工作频率选择、设置接收数据长度、设置数据传输速率、设置CRC等工作。其中信道工作频率接收端必须保证一致。然后把接要发送的数据按时序送入nRF2401,单片机把CE置高(至少10微秒),激发nRF2401进行Enhanced ShockBurst发射。N24L01的Enhanced ShockBurst发射包括4个步骤:

(1)给射频前端供电。

(2)射频数据打包(加字头、CRC校验码)。

(3)高速发射数据包。

(4)发射完成,等待接收应答信号。

数据接收流程如图4所示。nRF2401接收模式初始化配置和发射模式基本相同。把CE置高,130μs后,nRF2401进入监视状态,等待数据包的到来,当接收到数据后自动判断数据是否正确(正确的地址和CRC校验码),自动把字头、地址和CRC校验位移去并发送应答信号。nRF2401通过把STATUS寄存器的RX_DR置位通知单片机,单片机把数据从NewMsg_RF2401读出,所有数据读取完毕后,可以清除STATUS寄存器,完成数据接收。

3 实验结果

通过串口调试助手,对几种通信方式在不同传输距离下的误码率进行了测试。系统在室内的测试结果如表2所示。

4 结束语

nRF240 具有成本低、功耗低、传输速率高、硬件电路实现简单等优点。本文根据nRF2401的特点设计了无线数据传输系统,经过多次实,结果表明该系统数据传输质量可靠稳定,传输速率高,可实现多路数据通信,在空旷场地传输距离达到50米以上,性能优于其它数据传输方式,适用于智能家居系统。

参考文献

[1]石斌.基于Z igBee技术无线教学系统的设计与实现[D].大连理工大学,2009.

[2]刘晓红,何永洪.基于nRF2401的无线数据通信系统[J].电视技术,2008(z1):72-73,81.

[3]侯天星,王凤新.基于nRF2401的无线数据传输系统[J].中国农学通报,2009(7):258-263.

[4]刘文吉,李健,孙运强.基于射频收发芯片nRF2401的近距离射频研究[J].自动化与仪表,2006,21(1):75-78.

近距离无线监控 篇4

关键词：NFC,原理,现状,前景

1 NFC原理

NFC (Near Field Communication) , 即近距离无线通讯技术。最早由索尼和飞利浦公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术, 并由诺基亚、索尼等厂商联合推广, 可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具之间进行近距离无线通信。NFC提供了一种简单、触控式的解决方案, 可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。

NFC个人设备有三种工作模式。主动模式下, 主动发出自己的射频场射频去识别和读/写别的NFC设备, 这样NFC发起者按相应规定的传输请求经行通信, NFC目标设备用同样的传输速率应答。被动模式下启用的NFC通信设备, 更像无线局域网中的电子标签, 标签不需要产生任何射频场, 从发送者射频场中识别并利用负载调制技术将信息回传给主设备, 无需像主动模式下, 产生自己的射频场。双向模式, 双向都主动发出射频场来建立点对点的通信。

NFC技术与FRID有所不同, 首先NFC通信无线连接技术采用独特的信号衰减技术, 使其传输范围只有几厘米, 比FRID小的多, FRID的传输范围可以达到几米甚至几十米。NFC是一种近距离连接协议, 提供各种设备间安全、快速的通信, 相对于FRID的无线识别, NFC是一种更为安全近距离的通讯方式。两者的应用领域也大有不同, NFC低廉的成本、易用方便且更富直观性等特点, 在公交、门禁、手机支付等领域中发挥着巨大的作用, 而FRID更多的是在生产、物流、跟踪、物资管理上的应用。

2 NFC应用现状

NFC已经出现10余年, 但在2012年NFC开始脱颖而出, 有NFC功能的设备交付量升到1亿部, 预计2015年会达到10亿部水平。谈到NFC的应用, 人们首先想到的应该是移动支付, 如谷歌钱包已经开始在Sprint网络中Nexus S手机上使用, 三星、诺基亚、黑莓、中兴通讯等手机终端厂商纷纷推出NFC手机, 同时美国的几家运营商, 如AT&T、Verizon Wireless和T-Mobile USA等组建支付业务公司——Isis。与此同时, Vi VOtech则是一家NFC支付系统软件和硬件设备提供商, 包括Google Wallet在内的美国80%的NFC设备都是由该公司提供的。

业界为了推动NFC的发展, 创建了一个非赢利性的标准组织——NFC论坛, 促进NFC技术的发展和标准化, 确保设备和服务之间协同合租。NFC Forum在2004年成立, 当时的短距离通信技术还在萌芽状态中, 而现在该论坛已经超过170个会员公司, 其中包括英特尔、National Instruments、博通、恩智及德州仪器等公司。

与此同时, 在国内, 目前NFC技术普及率并不高。业内人士分析认为该技术在国内主要面临的问题是, 应用环境与基础设施不完善、技术标准不统一、商业模式不成熟。“手机钱包”需要靠运营商、终端制造商、金融机构、应用开发者和商户多方合作, 才能成为移动支付主流。中国移动总裁李跃与招行董事长马蔚华共同宣布, 中国移动与招商银行将在移动支付、市场渠道、集团客户通信三个方面达成战略合作。在移动支付方面, 双方将在手机支付业务开通充值、资金结算、退款、系统对接及开发、积分兑换、渠道合作、营销资源置换等方面展开合作。中国移动开始实质性地大规模推广NFC手机支付业务。

3 NFC发展前景

NFC对全球消费者来说是个重要创新, 除了移动支付, 它还支持多种创新精彩的服务应用, 比如娱乐服务、移动票务、安全获取酒店或汽车服务等。通过NFC手机, 消费者可以在任何地点、任何时间与他们希望得到的娱乐服务与交易联系在一起, 从而完成付款, 获取各种信息。NFC技术能给我们的生活带来如此大的便利, 据市场预测, 2017年具备NFC功能的设备在将达到2亿台, 手机支付及各种相关NFC运用将达到井喷的程度, 绝大多数知名工厂生产拥有该技术的设备。NFC手机还可识别个人身份信息及其他相关规则, 然后使用加密的安全通信发送可信消息给相应的门, 实现出入的控制, 从而显著降低传统读卡器或锁具的成本。

携带嵌入式虚拟凭证卡的NFC手机在将来还有广泛用途。虽然目前航空公司仍使用QR条码技术, 但旅客慢慢的已经对使用手机作为移动登机牌表现出极大兴趣, 这表明, 将手机用于各种事务如今越来越受欢迎。此外NFC手机还可访问个人健康记录, 患者可以在医院出示自己的手机以提供个人信息, 而无需填写相关表格, 在紧急医疗期间, 可通过访问凭证卡为护理人员提供相同的信息。此外消费者可以使用NFC手机读取海报上的标签, 随后手机会搜索到更多信息。

4 小结

展望未来, NFC在手机上的应用移动支付外, 其实在标签读写和点对点数据交换方面有很大的发展空间, 如:传统的商品的防伪信息读取, 未来在物联网上近距离无线互联的应用等, 都将带动NFC的蓬勃发展。

参考文献

[1]张成梅.中国移动全面推广NFC手机近场支付业务[J].通信移动, 2013.

[2]佟县洁.扑朔迷离NFC[N].新金融网, 2012.

[3]丹璐.NFC:脚步近路尚远[N].中国电子报, 2013.