05近距离无线通信技术

第5章近距离无线通信技术2导入案例NFC315防伪仓储系统能为品牌商做什么？把每一件商品赋予一个易于查询的唯一身份码是许多中高端品牌的迫切需求。这样一方面可以方便品牌顾客查询商品真伪，防止买到假冒品牌商品的同时为消费者带来更多增值服务；另一方面又可以实现企业内部商品生产、仓储、出入库的管理统计功能。天津傲飞物联科技新推出的NFC315防伪仓储系统可以同时满足以上两方面需求。3导入案例NFC315防伪仓储系统能为品牌商做什么？在品牌防伪溯源方面，系统采用业界最新的NFC315动态码芯片验证技术，消费者查询时手机无须预先安装APP，靠近商品即可查看商品信息。每次查询动态码变化一次，复制无效。在内部仓储管理方面，由于每件商品都赋予了唯一编码，因此后台系统可以实现实时查看生产进度状态，库存统计查看，出入库管理追溯等功能。解决企业内部生产管理和防窜货问题。（资料来源：傲飞物联，2022-08-16）4教学目标了解近距离无线通信的基本理论；熟悉常用的近距离无线通信技术；掌握近距离无线通信技术在物流中的应用思路与方法。5教学内容5.1近距离无线通信概述5.2常用近距离无线通信技术5.3近距离无线通信技术的应用重难点：近距离无线通信技术标准、常用近距离无线通信技术的特点和应用范围、近距离无线通信技术的应用。近距离无线通信概述5.1.1近距离无线通信的相关概念5.1.2近距离无线通信技术标准及分类65.15.1.1近距离无线通信的相关概念7无线通信VS移动通信无线网络宽带无线接入技术近距离无线通信81.无线通信与移动通信无线通信（WirelessCommunication）是利用电磁波信号可以在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信固定体之间的无线通信移动通信移动通信（MobileCommunication），是指移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信。91.无线通信与移动通信公众陆地蜂窝移动通信系统宽带无线接入系统无线局域网无线个域网无绳电话集群通信卫星移动通信狭义无线通信102.无线网络无线网络是无线设备之间以及无线设备与有线网络之间的一种网络结构。WPANWLANWMANWWANGSM全球移动通信系统、卫星通信系统以及4G和5G以无线方式构成的城域网并提供面向互联网的高速连接利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，实现随时、随地、随意的宽带网络接入。主要用于计算机设备之间的通信，还包括电话和个人电子设备等。113.宽带无线接入技术宽带无线接入网的主要目标是使无线终端在一定服务质量（QualityofService，QoS）保证下具有高速数据和多媒体业务传输的能力（数据率一般超过2Mbit/s），同时具有速度受限的移动通信能力。宽带的有线骨干网技术尤其是ATM技术趋于成熟，有关标准也日臻完善，逐步走向商用，这为无线终端开发宽带高速业务提供了参考和依据。移动通信以及个人通信近年来得到了飞速发展，它在无线网结构、移动性支持、多址方式、无线传输等方面为宽带无线接入网的研究奠定了基础。小型、可靠、高性能的PC和工作站的出现为多媒体通信的实现提供了可能的通信终端。123.宽带无线接入技术WPANWLANWMANWWANWi-FiBluetoothIEEE802.15WiMAXIEEE802.11IEEE802.21IEEE802.16IEEE802.20134.近距离无线通信又称近间隔无线通信技术，其范围很广。在普通意义上，只需要通信收发双方经过无线电波传输信息，并且传输间隔限制在较短的范围内，就可以称为近（短）间隔无线通信。通信距离短，覆盖距离一般在几厘米至几百米。无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100μw。工作频率多为免付费、免申请的ISM频段。使用全向天线和电路板天线，很多是由电池供电的无线发射器和无线接收器。144.近距离无线通信5.1.2近距离无线通信技术标准及分类155.1.2近距离无线通信技术标准及分类165.1.2近距离无线通信技术标准及分类17高速近距离无线通信：最高数据速率高于100Mbit/s，通信距离小于10m，典型技术有高速UWB。其主要应用于连接下一代便携式消费电器和通信设备。低速近距离无线通信：最低数据速率低于1Mbit/s，通信距离小于100m，典型技术有无线局域网（WiFi）、Zigbee、低速UWB和Bluetooth等。其主要应用于自动化控制、安全监视、环境监测、实时跟踪以及互动式玩具等。常用近距离无线通信技术185.2常用近距离无线通信技术19

IrDABluetoothZigBeeWiFiUWBNFC5.2.1Bluetooth技术201发展历程2技术特点3应用范围211.Bluetooth的发展历程V1.0V2.0V3.0V4.0V5.022（1）蓝牙1.0V1.0（1997）V1.1（2001）V1.2（2003）与多家厂商的产品互不兼容，在协议层面不能做到匿名，会造成一定的数据泄露，并未得到广泛应用。IEEE802.15.1标准。定义了物理层和媒体访问控制的范围，传输速率为0.7Mbit/s。仍然处于探索阶段，容易受到频率之间的干扰。增加了设备硬件地址屏蔽功能，能够有效防止数据泄露。同时，还增加了AFH、eSCO和FasterConnection等功能。23（2）蓝牙2.0V2.0（2004）V2.1（2007）支持多种蓝牙设备同时运行，传输速率达到3Mbit/s；支持双工模式，可以同时进行语音通信和传输文档/图片；采用了EDR技术，降低了功耗。新增SSR，可将设备间相互确认的讯号发送时间间隔延长到0.5秒左右，大幅度降低了蓝牙芯片的工作负载。新增SSP功能，改善了蓝牙设备的配对体验，提升了使用和安全强度。支持NFC，配对密码可通过NFC进行传输，无须手动输入。24（3）蓝牙3.0（2009）新增了可选技术HighSpeed，传输率最高达24Mbit/s，是蓝牙2.0的8倍，轻松实现录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输。核心是AMP，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。引入了EPC技术，再辅以802.11，实际空闲功耗明显降低。加入UCD单向广播无连接数据技术。25（4）蓝牙4.0V4.0（2010）V4.1（2013）V4.2（2014）第一个蓝牙综合协议规范，提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式；提升了传输距离和响应速度；数据传输更安全。支持与LTE无缝协作；更新的目的是为了让BluetoothSmart技术最终成为IoT发展的核心动力。面向IoT；改善了数据传输速度和隐私保护程度，较4.0提升了约2.5倍；新增LE安全配对，增加隐私保护程度。26（5）蓝牙5.0V5.02016年问世，在低功耗模式下具有更快更远的传输能力；支持室内定位导航功能；针对IoT进行底层优化。V5.12019年问世，增加了侧向功能和厘米级定位服务，大幅度提高了定位精度，使室内定位更精准。V5.22020年问世，提供增强版ATT协议、LE功耗控制和信号同步，传输速率为42Mbit/s，理论传输距离为300m。V5.32021年发布，进一步提升了BLE的通信效率和蓝牙设备的无线共存性；功耗有所降低，延迟更低，抗干扰性更强，同时还增强了经典蓝牙BR/EDR的安全性。272.Bluetooth的技术特点蓝牙模块体积很小、便于集成低功耗全球范围适用同时可传输语音和数据具有很好的抗干扰能力可以建立临时性的对等连接成本低开放的接口标准283.Bluetooth的应用范围音频传输数据传输位置服务设备层网络5.2.2ZigBee技术29Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。301.ZigBee的起源与发展ZigBee的前身是“Homerflite”技术。2000年12月，ZigBee工作小组成立，起草了EEE802.15.4标准。2001年8月，ZigBee联盟成立。2002年下半年，英国vensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟“ZigBee联盟”，以研发“ZigBee”下一代无线通信标准。这事件成为该项技术发展过程中的里程碑。2004年12月，ZigBee1.0标准（又称为ZigBee2004）敲定，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。311.ZigBee的起源与发展2005年9月，ZigBee1.0标准公布并提供下载。2006年12月，标准进行了修订，推出了ZigBee1.1（又称为ZigBee2006）。该协议虽然命名为ZigBee1.1，但是与ZigBee1.0版是不兼容的。2007年10月，标准再次修订，即ZigBee2007/PRO。该版本能够兼容之前的ZigBee2006版，并且加入了ZigBeePRO部分。此时，ZigBee联盟更加专注于家庭自动化、楼宇自动化和先进抄表基础建设等三个方面。321.ZigBee的起源与发展2009年，ZigBeeRF4CE被推出。其简化了协议，适应一对一和一对多网络，主要面向家电的控制。2013年3月，ZigBee联盟发布ZigBeeIP规范。ZigBeeIP是第一个针对基于IPV6的全无线网状网路解决方案的开放标准，能够为低功耗、低成本设备提供无缝网际网路连结，并可在单一控制网路中连结几十种不同的设备。2017年推出了ZigBeePRO2017。332.ZigBee的设备类型和网络结构协调器是功能最强的设备，协调器构成网络树的根，可以连接到其他网络。每个网络中只有一个ZC，因为它是最初启动网络的设备。ZC存储有关网络的信息，包括充当安全密钥的信任中心和存储库。342.ZigBee的设备类型和网络结构Zigbee路由器负责中继来自其他节点的数据包，从而实现终端设备与终端设备之间的数据通信。352.ZigBee的设备类型和网络结构Zigbee终端设备只包含与父节点（协调器或路由器）通信的功能，不能为其他设备中继数据。362.ZigBee的设备类型和网络结构星形拓扑中没有路由器，协调器负责在网络中路由数据包，启动和维护网络上的设备；终端设备只能通过协调器进行通信。其缺点是容易出现单点故障，协调器失效将导致整个网络崩溃，星形中心会成为网络带宽的瓶颈。372.ZigBee的设备类型和网络结构在树状拓扑中，协调器负责建立网络，并设置某些关键的网络参数。树状拓扑的缺点是如果父节点关闭，则子节点将无法访问。382.ZigBee的设备类型和网络结构网状拓扑，也称为自我修复拓扑，支持完整的点对点通信。与其他两种拓扑结构相比，网状拓扑最不容易发生链路故障。其缺点是复杂且难以设置，尤其是节点上的开销比较大。393.ZigBee的技术特点（1）低功耗在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月。对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。（2）低成本ZigBee通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求。而且，ZigBee免协议专利费。403.ZigBee的技术特点（3）低速率ZigBee工作在20~250Kbit/s的速率，分别提供250Kbit/s（2.4GHz）、40Kbit/s（915MHz）和20Kbit/s（868MHz）的原始数据吞吐率。（4）近距离ZigBee相邻节点间传输距离一般介于10~100m之间。（5）短时延ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。413.ZigBee的技术特点（6）高容量一个主节点最多可管理254个子节点。同时，主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成包含65000个节点的大网。（7）高安全提供三级安全模式，即无线安全设定、访问控制清单(ACL)和对称密码。（8）工作频段灵活使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。424.ZigBee技术的应用领域应用领域一：数字家庭领域434.ZigBee技术的应用领域应用领域二：工业领域444.ZigBee技术的应用领域应用领域二：工业领域454.ZigBee技术的应用领域应用领域二：工业领域464.ZigBee技术的应用领域应用领域三：智能交通474.ZigBee技术的应用领域应用领域三：智能交通484.ZigBee技术的应用领域应用领域四：餐饮行业5.2.3UWB技术49超宽带技术（UWB）是另一个新发展起来的无线通信技术。UWB不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆bit/s以上。501.UWB的发展历程1972年，一种高灵敏的短脉冲接收设备被研制成功，进一步加速了UWB技术的研究和发展。1998年，美国国防部才正式启用超宽带（UWB）这一术语。2002年，UWB技术首次获得了美国联邦通信委员会（FCC）的批准而用于民用通信。2003年，UWB美国和欧洲标准发布，这是UWB发展的第一个里程碑。511.UWB的发展历程2005年3月，WiMediaUWB平台规范被提交，FCC批准MBOA-UWB、DS-UWB的高速产品测试。2005年下半年，英国和日本政府监管部门批准UWB方案，支持UWB发展。2006年，国际电信联盟（ITU），第一次核准UWB全球性监管标准建议。2007年3月，ISO正式通过MB-OFDM标准，成为UWB技术的第一个国际标准。2007年8月，IEEE802.15.4a发布，增强了支持UWB的PHY。521.UWB的发展历程2010年，工业UWB市场蓬勃发展。2015年，大型科技公司开始采用UWB技术。2016年，汽车生产领域认识到UWB的价值。基于UWB高精度定位的特点，逐渐应用于汽车防撞系统。2018年，IEEE802.15.4z开始制定。2019年和2020年，UWB技术终于正式进入了主流消费电子产品；2020年下半年，IEEE更新了UWB的相关标准（802.15.4z），从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。531.UWB的发展历程542.UWB的技术特点（1）系统结构的实现比较简单通过发送纳秒级非正弦波窄脉冲来传输数据信号；不需要功用放大器与混频器；采用非常低廉的宽带发射器；接收端不需要中频处理。（2）高速的数据传输民用商品传输范围为10m以内，传输速率可达500Mbit/s；在军事应用中，利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。552.UWB的技术特点（3）功耗低在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。（4）安全性高对于一般通信系统来说，UWB信号相当于白噪声信号；在大多数情况下，功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度；采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。562.UWB的技术特点（5）多径分辨能力强发射的是持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，多径信号在时间上是可分离的。（6）定位精确定位与通信合一；具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，其定位精度可达厘米级。572.UWB的技术特点（7）工程简单、造价便宜在工程实现上，可全数字化实现；电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。583.UWB技术的应用场景短距离点到点通信设备间无线连接数据传输系统管理高指向性应用其他应用593.UWB技术的应用场景603.UWB技术的应用场景613.UWB技术的应用场景623.UWB技术的应用场景5.2.4NFC技术63NFC是一种近距离非接触式的识别和互联技术，由RFID技术演变而来。NFC能够近距离的进行识别和数据传输，工作于13.56MHz，最大传输速度只有424Kbit/s，有效传数据率距离只有10cm左右。NFC支持双向连接和识别，使设备之间访问更具安全性和保密性。641.NFC的通信模式NFC主动通信模式651.NFC的通信模式NFC被动通信模式662.NFC的技术特点安全性较二维码高方便快捷具有物理属性成本高673.NFC的工作模式近距离无线通信技术的应用5.3.1Bluetooth在物流中的应用5.3.2WSN在物流中的应用5.3.3UWB在物流中的应用5.3.4NFC技术在物流中的应用685.35.3.1Bluetooth在物流中的应用69车载蓝牙系统仓储LBS应用701.车载蓝牙系统汽车免提通信蓝牙后视镜车载蓝牙自诊断技术蓝牙防盗系统汽车驾驶盘控制系统车轮力传输系统车辆运行工况记录系统物品运输状态记录系统711.车载蓝牙系统721.车载蓝牙系统731.车载蓝牙系统741.车载蓝牙系统751.车载蓝牙系统761.车载蓝牙系统772.基于蓝牙技术的仓储LBS应用782.基于蓝牙技术的仓储LBS应用79业界首个“5G+蓝牙AOA”智慧仓储解决方案商用落地5.3.2WSN在物流中的应用80811.仓储环境监控822.运输状态监控83G7冷链管家842.运输状态监控85G7追货管家5.3.3UWB在物流中的应用86UWB在物流中的应用主要使用的是其精确定位功能，其主要应用场景为仓储管理。5.3.3UWB在物流中的应用875.3.4NFC技术在物流中的应用88人员身份认证物品追溯和防伪验证物流业隐私保护891.