【近距 IoT】 ZigBee、Bluetooth、WiFi 無線網路通訊

開發 IoT 物聯網前,需先分清是近距離或遠距離;

近距離的無線網路，基本上有Bluetooth、WiFi、ZigBee 三種。

遠距離的無線網路，則有Sigfox、LoRa、NB-IoT 三種。

●近距 IoT通訊技術資料率與作用距離的關係

下圖這些無線通訊技術的作用距離與資料率的關係。資料率越高,

作用距離就越短。可用網路技術擴展作用距離而仍然保持資料率。

●WIFI、 Bluetooth、Zigbee三種通信協議的比較

■Zigbee技術

1、介紹

ZigBee主要應用在短距離範圍之內並且資料傳輸速率不高的各種電子設備之間。

ZigBee名字來源於蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag

形狀的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等資訊。

Zigbee可以說是藍牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，採用跳頻技術。與藍牙

相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。它的基本速 率是

250kb/s，當降低到28kb/s時，傳輸範圍可擴大到134m，並獲得更高的可靠

性。可以比藍牙更好地支援遊戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。

ZigBee技術特點主要包括以下幾個部分：

●資料傳輸速率低。只有10kb/s～250kb/s，專注于低傳輸應用。

●功耗低。在低耗電待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月以上。

●成本低。因為ZigBee資料傳輸速率低，協定簡單，所以大大降低了成本

●網路容量大。每個ZigBee網路最多可支援255個設備，也就是說每個ZigBee設備可以與另外254台設備相連接。

●有效範圍小。有效覆蓋範圍10～75m之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

●工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。

2、應用

NXP公司在2010年收購了著名的Jennic公司，這是一家在智慧電錶、環境、物流

和消費類市場的無線應用領域中領先的低功耗射頻解決方案供應商。此次收購將

促成Jennic公司先進的802.15.4和Zigbee低功耗射頻解決方案產品與恩智浦廣泛

的高性能混合信號產品的結合。兩者共同為恩智浦提供了針對新興技術的全面的

無線半導體平臺，這些新興技術包括電子計量、智慧照明、樓宇自動化、資產追

蹤和設備遠端控制。

結合NXP的Jennic無線產品,Cortex M系列32位元MCU及GreenChip 照明驅動

IC, NXP公司推出了智慧的照明解決方案，使到應用這個技術的每一顆燈都有其

獨立的IP位址，可以通過智慧手機，移動互聯終端，智慧家居控制台，電腦等產

品來對燈光進行開關，調光，變色等功能的控制。

大聯大世平針對物聯網市場需求，推出基於NXP JN5168的ZigBee無線感測器資

訊採集方案。

JN5148晶片集成了一個32-bitRISC處理器，4-32Mhz主頻根據應用軟體可以調

整，它包含完全相容2.4GHz IEEE802.15.4標準的收發器、UART、SPI、IIC、

DIO、ADC、DAC等豐富數位與類比量外設介面。高達128KB的RAM，允許客戶

運行Zigbee PRO協定棧以及客戶的應用程式。低至18mA的工作電流，一個紐扣

電池完全能夠滿足應用需求。

第四代的產品JN516X 系列產品及評估板也已經在2013年初的美國國際消費電子

展(CES)上進行展示， JN516x評估套件專為使用恩智浦JN5161、JN5164或

JN5168無線微控制器而設計。這些微控制器採用增強型32位RISC處理器，具有

一流的記憶體選擇——高達256 KB的嵌入式快閃記憶體、4 KB片上EEPROM和

32 KB RAM。JN516x系列器件還包括IEEE802.15.4 2.4-GHz收發器和廣泛的類

比和數位外設。

同時NXP還推出了 JN516X Zigbee 方案。該方案可以通過不同的組合方式實現

多種功能，下面舉例說明怎樣實現 Smart Home、RF4CE 和 Jenet-IP 這三個功

能。如圖4所示。

（1）Smart Home：Zigbee 遙控器 + 3個Zigbee 開發板：實現無線採集感測

器資訊、無線控制燈和無線控制開關的功能。

（2）RF4CE: Zigbee遙控器 + Zigbee USB-Dongle（接到 TV-Box 上）：實

現 RF4CE 無線遙控標準的遙控器控制TV-Box。

（3）Jenet-IP：Zigbee 遙控器 + 3個Zigbee開發板 + Zigbee USB-Dongle

+ Gateway + Smart Phone

如果在戶外，可以通過雲端（Cloud Server）監控家庭終端設備，回到家裡，則

可以通過 WiFi 監控家庭終端設備。

■藍牙技術

1、介紹

Bluetooth技術是近幾年出現的，廣受業界關注的近距無線連接技術。它是一種

無線資料與語音通信的開放性全球規範，它以低成本的短距離無線連接為基礎，

可為固定的或移動的終端設備提供廉價的接入服務。

藍牙技術是一種無線資料與語音通信的開放性全球規範，其實質內容是為固定設

備或移動設備之間的通信環境建立通用的近距無線介面，將通信技術與電腦技術

進 一步結合起來，使各種設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離

範圍內實現相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段，

提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。

2、應用

對於藍牙的應用大家並不陌生，作為現今智慧設備的必備功能，越來越受到了追

捧。像下面的例子是基於藍牙的醫療設備的應用。

醫療電子市場的年複合增長率超過目前也是很火的汽車電子、無線通訊等領域，

而中國醫療電子市場占全球的比例也是逐年增長，2006年只占到4%，但2013年

可達到9% 的比例。中國醫療市場的繁榮亦與中國政府的大力投入相關。

大聯大控股旗下世平集團特針對該市場，推出基於 TI 藍牙 4.0 單模（BLE）無線

傳輸技術的遠距醫療方案。圖5是遠距醫療方案框圖。

系統特性：

● 單導聯心電檢測。

● 支援 2 個電極和 3 個電極連接模式。

● 支援導聯脫落檢測，LED 即時顯示導聯狀態。

● 支援 Shutdown 模式，有效降低系統功耗。

● 支援 BLE 通訊傳輸協定，可以和 BLE 設備進行資料交互。

● 增強型 51 內核 MCU。

● 按鍵調試 BLE 功能。

系統功能：

（1）心電信號測量

使用 ADI AD8232 或 TI ADS129x/ADS119x 作為模擬前端，將微弱的心電信號

經過放大、濾波後輸出至 MCU 進行二次處理和顯示。

（2）心電信號採樣

TI CC2541 包括 BLE + MCU 模組，內置了一個 51 核 MCU，配有 8 Channel

12 bit ADC，放大濾波後的心電信號經過 CC2541 ADC 通道將資料獲取、存儲

並分析顯示，心電信號幅值最大約為 3 V（滿屏）。

（3）心電資料顯示

（4）電極脫落監測

ADI AD8232 和 TI ADS129x/ADS119x 都具備導聯電極脫落功能，電極脫落將

引起狀態變化，TI CC2541 直接讀取狀態變化可有效判斷心電信號測量電極的連

接狀態，如有脫落則進行相應的報警，避免電極脫落時造成的不必要麻煩。

（5）心率資料傳送

TI CC2541 BLE 模組運行系統通過 BLE 協定進行心電資料的傳輸，CC2541

MCU 模組將類比的心電資料量化以後，通過 CC2541 BLE 模組將資料發送至手

機、MID 等具備 BLE 功能的終端設備顯示，大聯大目前已經在 IOS 上成功開發

了即時心率的 App，心率資料和導聯狀態將即時顯示在 App 上面。App顯示介

面如下圖：

如今工作在2.4GHz頻段的802.11b無線區域網路標準目前正引起了業界的普遍關

注，主要是因為802.11b是較成熟的無線技術，它已有統一的標準。與藍牙相比

較，IEEE802.11系統在開發和製造方面佔據優勢，並具備更高的資料傳輸率。紅

外線傳輸再加上電力線區域網路又是一個有著巨大生命力的無線系統。超寬頻

（ultrawideband，UWB）的短距離通信技術標準現在開始對藍牙的傳統領域提

出了挑戰。

■Wi-Fi技術

1、介紹

Wi-Fi(WirelessFidelity,無線高保真)也是一種無線通訊協定，正式名稱是

IEEE802.11b，與藍牙一樣，同屬於短距離無線通 信技術。Wi-Fi速率最高可達

11Mb/s。雖然在資料安全性方面比藍牙技術要差一些，但在電波的覆蓋範圍方

面卻略勝一籌，可達100m左右。

Wi-Fi是乙太網的一種無線擴展，理論上只要用戶位於一個接入點四周的一定區域

內，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。但實際上，如果有多個用 戶同時通

過一個點接入，頻寬被多個用戶分享，Wi-Fi的連線速度一般將只有幾百kb/s的

信號不受牆壁阻隔，但在建築物內的有效傳輸距離小於戶外。

2、應用

一款由Realtek 開發的基於，IEEE 802.11ac 10/100 無線區域網路可攜式路由器

解決方案。

IEEE 802.11ac是目前WiFi新一代的連網技術，瑞昱藉由不斷設計和開發出更具

競爭力，同時具備高性能且符合環保需求的綠色節能產品，持續走向低耗電而不

影響高速穩定的產品性能，讓產品的功能完善、效能優異以及節能省電的環保特

色，成為綠色節能產品方案中，最值得信賴的選擇。

其中RTL8881AM為內建5埠10/100乙太網路交換器並支援802.11ac 1x1,

b/g/n WiFi AP/Router，其低耗電特性，使用USB插槽即可供電而不需外接電

源，內建8MByte SDRAM便於終端客戶開發出小尺寸產品適用于旅行人士攜帶

使用並享有高速無線連網之便利性及樂趣。

網路處理器SoC RTL8881AM：

● CPU時鐘頻率高達520MHZ

● 內部進場了10/100M5****換機

● 支持SPI NOR快閃記憶體

● 提供嵌入式體8MByte SDRAM（16位）

● PCI-E X1，USB OTG主機x1

● 支持的IEEE802.3az

WALN無線單晶片RTL8881AM

● IEEE802.11ac和802.11 B / G/ N可選的WLAN

● 支援20MHz的，40MHz和80MHz的信號頻寬模式

●DR-QFN164E-PAD包

瑞昱的這款晶片RTL8881AM可適用於IEEE 802.11 B / G/ N，11AC AP /路由

器、雙頻同期路由器、網路附加存儲（NAS）等的產品設計中。

NFC技術

1、介紹

NFC(NearFieldCommunication，近距離無線傳輸)是由Philips、NOKIA和

Sony主推的一種類似於RFID(非接觸式 射頻識別)的短距離無線通訊技術標準。

和RFID不同，NFC採用了雙向的識別和連接。在20cm距離內工作於13.56MHz

頻率範圍。

NFC最初僅僅是遙控識別和網路技術的合併，但現在已發展成無線連接技術。它

能快速自動地建立無線網路，為蜂窩設備、藍牙設備、Wi-Fi設備提供一個“ 虛

擬連接”，使電子設備可以在短距離範圍進行通訊。NFC的短距離交互大大簡化

了整個認證識別過程，使電子設備間互相訪問更直接、更安全和更清楚，不用再

聽到各種電子雜音。

2、應用

TI 使用AM3715 ARM® Cortex-A8 微處理器 和 TRF7970A NFC AEF，設計研

發出電子銷售時點 (EPOS) NFC方案 。該方案可將最新零售交易產品的開發時間

縮短至 1 年，並同時保護智慧財產權與金融交易。零售電子交易領域的設計人

員，現在可快速便捷地開發整合了近距離無線通訊 (NFC) 等安全支付卡處理技術

的尖端可攜式銷售時點應用。 EPOS 解決方案採用模組化設計方法，可提供尋求

以下差異化產品的客戶更的高彈性，其中包括：

· 櫃檯支付終端機；

· 提供無線支援的行動支付終端機；

· 支援條碼掃描功能的掌上型資料終端機；

· 具有條碼掃描、支付與無線支援的全面一體機。

完整的 EPOS 解決方案提供整合性、安全性、NFC 以及彈性：

· 效能與整合度：包含 TI AM3715 ARM® Cortex-A8 微處理器 的 1 GHz 高速

效能，可透過整合型互動觸控螢幕實現流暢且無縫圖形與應用。此外，該解決方

案還整合印表機、乙太網、蜂巢支援以及行動連結功能（藍牙 Bluetooth® 與

Wi-Fi 技術）；

· NFC 功能： TI 的 TRF7970A 模擬前端 (AFE)

【視頻】How does Bluetooth Work