无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）主要解决的是最后几十米的通信问题。无线个域网主要采用RFID技术、ZigBee技术、蓝牙技术、Z-wave技术、NFC（近距离通信）、UWB技术和红外通信等技术，通常具有的特点是:低成本、低功耗和短距离。需要注意的是，无线个域网技术虽然属于网络技术，但在物联网的体系结构中，通常划分在感知层，其中ZigBee技术已在项目三中做了介绍，RFID技术将在后续项目实训内容中介绍，本项目中，重点介绍其他几种无线个域网技术。

1.蓝牙技术

■ 蓝牙技术简介

蓝牙（Bluetooth）是一种低成本、低功率、近距离无线技术标准，可实现固定设备、移动设备等在个域网范围内的短距离数据交换。蓝牙技术的目标在于开发一种全球统一的开放无线连接技术标准，使移动电话、笔记本电脑、掌上电脑、打印机、传真机、数码相机等各类数据和话音设备，均按此技术标准互联，形成一种个人区域无线通信网络，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔成立蓝牙特别兴趣小组，联手推出蓝牙计划，推广蓝牙通信标准。这项计划公布后，迅速得到众多厂商的支持和采纳，并于1999年底，第一批应用蓝牙技术的产品（包括手机和笔记本电脑等）纷纷进入市场。

如今蓝牙由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，并维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以“蓝牙设备”的名义进入市场。

■ 蓝牙技术的特点

蓝牙是一种低功耗的无线电技术，可以让不同的设备能够在短距离（10米，如果配置功率放大器可以使通信距离达到100米）情况下，不需要使用有线的传输设备进行设备间的数据传递。蓝牙技术使用的工作频率为2402MHz到2483.5MHz，属于免费的ISM频段，不需要额外向管理部门提出频带应用的申请。蓝牙技术包括79个1MHz带宽的信道。蓝牙技术在标准上先后推出了1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1、4.2等多个版本，在传输速度、抗干扰、安全性、功耗等方面进行了持续的改进。根据版本的不同，蓝牙数据传输速率有较大的差异，具体传输速率参见下表。

表4.2　蓝牙数据传输速率

蓝牙采用跳频扩频技术，通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，而噪音和干扰信号的中心频率通常不会改变。所以，只要收、发装置之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，就可以达到同步，消除噪音和其他干扰信号。蓝牙采用时分双工传输方案，使用一个天线利用不同的时间间隔发送和接收信号，且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向共用一个信道，实现全面传输。蓝牙发射功率可分为3个级别，如表4.3所示。

表4.3　蓝牙发射功率和工作范围

■ 蓝牙4.0

2010年7月，蓝牙技术联盟SIG在北京正式推出蓝牙4.0标准，蓝牙4.0具有更省电、成本低、3毫秒低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等特点，可广泛用于卫生保健、体育健身、家庭娱乐、安全保障等诸多领域。蓝牙4.0将三种规格集一体，包括传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术，三种技术规范可单独使用，也可同时运行。蓝牙4.0向下兼容，包含经典蓝牙技术规范和最高速度24Mbps的蓝牙高速技术规范。与3.0版本相比，蓝牙4.0最大的不同就是低功耗，其功耗较老版本降低了90%。随着蓝牙技术由手机、游戏、耳机、便携电脑和汽车等传统应用领域向物联网、智能家居、智慧医疗等新领域的扩展，对低功耗的要求会越来越高，蓝牙4.0低功耗这一特点为其在物联网感知层的应用奠定了良好的基础。低功耗版本使蓝牙技术得以延伸到采用纽扣电池供电的一些新兴市场（远程控制、智慧医疗、智能终端等），使用一个纽扣电池供电，蓝牙4.0设备的使用时间可以长达一年。

蓝牙4.0技术已应用于每年出售的数以亿及的蓝牙手机、个人电脑及笔记本电脑。以最低耗能提供持久的无线连接，有效扩大相关应用产品的覆盖距离，开辟全新的网络服务。采用低耗能无线技术的设备具备超低成本和轻巧的特性，能使手机及相关智能设备的成本降至最低、体积更小，并能确保多种设备连接的互操作性。

■ 蓝牙网络

蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多点的通信方式，在蓝牙2.0标准中一个蓝牙设备（主设备）可同时与7个其他的蓝牙设备（从设备）相连接。

图4.46　蓝牙微微网组网方式

蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式:微微网（piconet）和散射网（Scatternet）。微微网是由主设备（Master）单元（建立连接的设备）和从设备（Slave）单元构成。在一个微微网中，可以包含一个主设备单元和最多7个从设备单元。主设备单元负责时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接受主设备单元的控制。从设备与主设备建立连接后，被分配一个临时的3bit的成员地址。蓝牙手机与蓝牙耳机是一个最简单的微微网，手机作为主设备，而耳机充当从设备。同时在两个蓝牙手机之间也可以直接应用蓝牙功能，进行无线的数据传输，例如传送一首歌曲或分享一张图片。蓝牙散射网是由一组相互独立、以特定的方式连接在一起的微微网构成。一个微微网中的主设备同时也可以作为另一个微微网中的从设备，这种设备又称为复合设备。蓝牙独特的组网方式赋予了它无线接入的强大生命力，同时可以有7个移动蓝牙设备通过一个网络节点（主设备）与互联网相连。

图4.47　微微网和散射网

蓝牙4.0对蓝牙拓扑结构进行了优化，通过在每个从设备及每个数据包上使用32位的存取地址，让数十亿个设备能被同时连接。此技术不但将传统蓝牙一对一的连接优化，同时也利用星状拓扑来完成一对多点的连接。在连接和断线切换迅速的应用场景下，数据能够在网状拓扑之间移动，但不至于为了维持此网络而显得过于复杂，这也有效减轻了连接复杂性，减少了连接建立时间。

2.UWB技术

■UWB简介

UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB的特点在于，它是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微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。2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。规定中将相对带宽（信号带宽/中心频率）大于20%或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统。FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1-10.6GHz，发射器的发射功率不得高于-41.3dBm/MHz。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离，UWB信号的有效传输距离在10m以内，所以普遍定位于无线局域网或无线个域网范畴。UWB早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。

图4.48　超宽带技术

■UWB的主要特点

（1）结构简单

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB收发器不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器，它只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。因此，可以大大降低系统复杂度，减少收发器的体积和功耗，系统结构的实现比较简单。

（2）高速度

民用UWB系统中，UWB信号的传输范围为10m以内，其传输速率可达500Mbit/s，是实现高速无线个域网的一种有效方式。

（3）低功耗

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，占空比极低，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW到几十m W。

（4）高安全性

由于UWB信号通常把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。

（5）抗多径能力强

UWB发射的是持续时间极短的单周期脉冲，且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，因此具有很强的抗多径能力。

（6）定位精确

超宽带无线信号具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位（相对位置），其定位精度可达厘米级。采用超宽带技术，很容易将定位与通信合一。

■UWB的应用

UWB技术应用按照通信距离分大体可以分为两类，一类是短距离高速应用，数据传输速率可以达到数百Mbit/s，主要是构建短距离高速无线个域网、家庭无线多媒体网络以及替代高速短程有线连接，如无线USB和DVD，典型的通信距离是10m以内。另一类是中长距离（几十米以上）低速率应用，通常传输速率为1Mbit/s量级，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。

UWB技术的重点应用领域包括:

（1）在雷达成像应用中，主要以UWB穿墙成像雷达为主。(www.daowen.com)

目前已有用于军事、抢险、反恐、资源探测方面的UWB穿墙成像雷达产品。UWB穿墙成像技术产品往往都是利用持续时间极为短暂的UWB信号脉冲穿过一定厚度的墙壁，通过设置在成像设备上的信息屏幕，获取墙壁另一侧的物体（运动）信息。此外，大地探测雷达也可以应用UWB技术，其工作原理与穿墙雷达是相仿的。

图4.49　UWB穿墙成像雷达

（2）精确定位应用。

UWB由于其高分辨率，在精确测量定位系统中得到了广泛应用，汽车防碰雷达系统（车载UWB雷达）就是一个典型的例子。

（3）高速无线通信应用。

UWB可以作为一种短距离高速传输的无线接入手段，非常适合无线个域网的应用。UWB将通过支持无线USB的应用，取代传统的无线接入手段，使无线高速USB应用成为可能。UWB可应用于移动通信、计算机及其外设、消费电子、信息安全等诸多方面，如家用高清电视图像传送、数字家庭宽带无线连接、消费电子中高速数据传输。

3.Z-wave技术

■Z-wave简介

Z-wave是由丹麦公司Zensys（Zensys在2008年被Sigma Designs收购）所一手主导的无线组网规格，Z-wave联盟（Z-wave Alliance）虽然没有ZigBee联盟强大，但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商，该联盟已经具有160多家国际知名公司，范围基本覆盖全球各个国家和地区。尤其是国际大厂思科与英特尔的加入，强化了Z-wave在智能家居领域的地位。就市场占有率而言，Z-wave技术在欧美普及率比较高。

图4.50　Z-wave技术应用

Z-wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。Z-wave采用低于1GHz的频率，不同地区Z-wave的频率有所不同，欧洲采用的是868.42MHz，美国采用的是908.42MHz，澳大利亚和巴西采用的是921.42MHz。Z-wave采用FSK（频移键控）调制方式，数据传输速率为9.6kbps/40kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m。相对于现有的各种无线通信技术，Z-wave技术是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个域网的发展。

Z-wave技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如抄表、照明及家电控制、供热通风与空气调节、接入控制、防盗及火灾检测等。Z-wave可将任何独立的设备转换为智能网络设备，从而可以实现控制和无线监测。Z-wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域。采用小数据格式传输，40kbps的传输速率就足以应对，早期甚至使用9.6kbps的速率传输。与同类的其他无线技术相比，拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。

■Z-wave的网络结构与路由技术

Z-wave网络的节点分为三个等级，最高等级的节点是控制节点（Controller），它存储网络中的所有节点的拓扑信息，计算信息传输的路径，规定网络中所有节点的路由地址，在网络中可充当中继器。第二等级的节点是路由节点（Routing Slave），与控制节点不同的是路由节点只储存与它相关的部分网络拓扑信息，定义部分节点的路由地址，在网络中也可以充当中继器。最低等级的节点是从节点（Slave），它不存储拓扑信息，也不计算信息传输的路径，只是响应控制节点和路由节点传来的命令，并将反馈信息沿原路传回。从节点固定在Z-wave网络的某一位置，必须时刻侦听网络命令，在网络中充当中继器。每一个Z-wave网络都拥有自己独立的32位的网络地址（Home ID），网络内每个节点的8位节点地址（Node ID）由控制节点分配。每个网络最多容纳232个节点，包括控制节点在内。

图4.51　Z-wave灯光控制系统

Z-wave网络中的节点具有双向应答机制，当一个节点被分配了网络地址和节点地址并接入Z-wave网络之后，节点能够自动寻找周围的邻居节点，邻居节点也会向这个新节点发送确认信息。控制节点发出寻找节点的信息后，获取新加入节点A的信息，然后分配地址给节点A，节点A反馈信息给控制节点，确认加入Z-wave网络。

图4.52　Z-wave组网

Z-wave网络是一个网状结构，采用了动态路由机制，所有节点都具有路由选择的能力，从而使Z-wave网络能够确保信号越过屏蔽区和反射区，覆盖整个网络区域。如下图所示，卧室1里的人通过Z-wave遥控器想关掉餐厅灯F，关灯的信号可经过灯C直接到灯F。假设此时出现了网络通信障碍，灯C到灯F信号被挡住了，这时Z-wave会自动选择其他的路径，例如关灯信号经灯C通过灯E传送到灯F。

图4.53　Z-wave路由选择

在应用方面，因为Z-wave是一种结构简单、低成本、低功耗、性能可靠的无线通信技术，在欧美的智能家居市场得到了广泛应用。通过Z-wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控，还可以通过Internet网络对Z-wave网络中的设备进行控制。也就是说，用户可以使用电脑、手机等设备通过互联网远程控制Z-wave设备，如远程监控，远程照明控制等，这种技术已经相当成熟，现在主要面临的问题是市场开拓及消费群体的培育还需要一段时间。

4.红外通信技术

■ 红外通信技术简介

红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米至1毫米之间，比红光长的非可见光。由于红外线波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以使用红外线进行通信，比较适用于短距离、点对点的无线数据传输。

红外通信是利用940纳米近红外波段的红外线作为传递信息的媒体。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输。红外通信的特点包括:

· 点对点传输，传输距离近，最高传输速率:16Mbps；

· 传输方向性强（窄角度，30°锥形范围），收发两端必须对准才能通信；

· 适用于小型、封闭的区域；

· 易受到墙壁或其他障碍物的阻碍（因为红外线的能量非常低），容易受到雨雪、雾气等干扰。

■ 红外遥控系统

红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控技术，红外遥控装置的特点是体积小、功耗低、功能强、成本低。在家电行业，电视、空调、音响、机顶盒、电风扇以及玩具行业应用非常广泛。

· 红外发光管:红外发光二极管通常使用砷化镓、砷铝化镓等材料制成，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。通电后会产生光波波长为940纳米的红外线。

图4.54　透明红外发光管（左）和浅蓝色红外发光管（右）

· 红外接收头:其内部含有高频的滤波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号（38KHz），并送出接收到的信号。当红外线合成信号进入红外接收头，其输出端便可以得到红外发射器发出的数字编码。

图4.55　红外接收头

· 红外遥控系统结构:常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。应用编解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器，接收部分包括光电转换放大器、解调和解码电路。

图4.56　红外遥控系统结构图

· 载波频率:调制载波频率一般在30KHz到60KHz之间，大多数使用的是38KHz，占空比为1/3的方波。这是由发射端所使用的455KHz晶振决定的，在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455/12≈38KHz。

图4.57　红外遥控载波占空比