Smart Home | 短距离无线通信的方案与选择

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● 原文作者: 戴晓天 @ 云飞机器人实验室
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随着通信与物联网技术的不断发展,我们的设计中越来越多的开始出现无线通信的元素。通过无线通信,设备不再只是独立工作,而是可以通过网络协同工作,增强设备的灵活性与功能。短距离无线通信是无线通讯中最常见的一种情况,一般指通讯范围不超过100m的无线通信。本文整理了短距离无线通信的常用方案,并将不同的方案进行了比较,最后叙述了如何根据不同的项目需求进行选择。

一、常见的短距离无线通信方案

1.1  无线编解码芯片

无线编码芯片将数据编码后进行无线传输,而无线解码器则接收无线数据、并进行一些容错处理。无线编解码芯片相当于只实现了无线网络的物理层,利用无线构件了一个数据的通路,一般提供若干个”通道”供使用者使用。一般常用于汽车无线遥控开关、门禁遥控开关、玩具遥控器中,常见型号有PT2262/2272。

1.2  无线数传芯片

无线数传芯片允许使用者通过芯片提供的接口进行数据的传输,常见的接口有SPI及串口。无线数传一般工作在315 MHz/433 MHz/868 MHz/915 MHz/2.4 GHz这些频段,这些频段是公开频段,不需要进行使用申请。无线数传有两种不同的传输方式:透明传输和非透明传输。透明传输是指数据所发即所得,不需要进行协议转换;而非透明传输是指用户需要操作一些寄存器,或是需要进行协议的转化与解析。典型的数传芯片有Si4432、nRF24L01、CC1100,这三款芯片的比较如下 (数据由毛鹏程整理):

型号

电压

传输距离

传输速率

Si4432

1.9~3.6V

1500米以上

256Kbps

nRF24L01

1.9~3.6V

20-50米

2Mbps

CC1100

1.9~3.6V

200米以上

500Kbps

1.3  ZigBee(802.15.4)

随着物联网、车联网与智能家居概念的宣传,ZigBee开始进入我们设计人员的视线。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准,由ZigBee联盟制定,具有自组网、低速率、低功耗的特点,尤其适合小型设备组网的需要。ZigBee的第一个版本制定于2004年,经历了ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007及ZigBee Pro等版本。各版本的比较如下:

版本

ZigBee2004

ZigBee2006

ZigBee2007

指令集

ZigBee

ZigBee PRO

无线射频标准

802.15.4

802.15.4

802.15.4

802.15.4

地址分配

CSKIP

CSKIP

随机

拓扑

星状

树状、网状

树状、网状

网状

大网络

不支持

不支持

不支持

支持

自动跳频

是,3个信道

PAN ID冲突解决

支持

可选

支持

数据分割

支持

可选

可选

多对一路由

支持

高安全

支持

支持,1密钥

支持,1密钥

支持,多密钥

应用领域

消费电子(少量节点)

住宅(300个节点)

住宅(300个节点)

商业(1000个节点以上)

1.4  WiFi(802.11)

WiFi相信大家都非常熟悉了,WiFi被广泛应用于笔记本电脑、手机、平板电脑中,用于支持设备通过无线的方式连接互联网。WiFi的通信吞吐率很高,且与现存的网络设备具有良好的兼容性。

1.5  蓝牙(802.15.1)

蓝牙技术的创始人是爱立信公司,用于手机与外围设备的连接,如蓝牙耳机、蓝牙GPS等。蓝牙使用时分双工的模式来实现全双工通讯,遵循IEEE802.15.1协议。蓝牙具有通讯速率快、连接简单、全球通用、功耗低等特点,广泛用于手机、计算机、娱乐外围设备之中。

1.6  IrDA

IrDA使用红外线进行通讯,是一种低成本的通讯方案。该标准制定了一个半双工的通讯系统,通讯范围1m左右,传输角度30到60度。因为使用红外线作为通讯媒介,IrDA的数据传输率最大可以达到4Mbps。IrDA较大的劣势就是其对传输路径的要求比较高,传输距离、收发角度都有限制,减小了它的应用领域。

二、短距离无线通信方案的比较

方案

通信速率

通信距离

网络拓扑

功耗

体积

硬件成本

编解码芯片 较低 10m – 100m 点对点 较小 较低
数传芯片 较高 100m-1000m 点对点,星型 一般 较小 一般
Zigbee 较低 (*)10m以上 星型,网型 较低 较大 较高
WiFi 最高 100m 星型 最高 最大 最高
蓝牙 一般 10m 点对点 较低 较大 较高
IrDA 较高 2m 点对点 最小 最低

(*)Zigbee支持跳传机制,理论上通讯距离上不封顶。

三、短距离无线通信方案的选择

根据项目需求中对功能、成本、体积、功耗的种种要求,确立了以下一些选择的思路:

3.1 需要极低的成本

如果对成本十分敏感(比如用于消费类电子产品),可以使用编解码芯片(对角度无要求)或IrDA(对角度有要求)。IrDA通讯的成本极低,只需要一对红外收发管,但通讯角度必须在60度以内。

3.2 需要较大的数据传输率

如果需要传送的数据是图片或者视频这样的“大家伙”,那么一般只能选择WiFi传输;

如果传送的是语音数据,蓝牙也可以较好的支持。

3.3 需要连接互联网

如果设备需要连接互联网,一种方式是使用节点 + 网关的形式,另一种方式就是使用WiFi。

3.4 设备需要组成星型网络

使用支持多通信通道的数传模块,或在点对点通讯时附加设备ID信息。

3.5 设备需要组成网状网络

可以使用数传模块,需要自己实现路由、转发机制;

也可以使用支持ZigBee协议的芯片,如CC2530、STM32W,但成本较高。

【修订历史】

v1.1 2016/05/12: 修改了文章部分排版和标题格式。

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