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无线通信 编码芯片 无线
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2021-12-20 14:22:27
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
| 无
| 无
| 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
| 否
| 否
| 是
|
PAN ID冲突解决
| 支持
| 否
| 可选
| 支持
|
数据分割
| 支持
| 否
| 可选
| 可选
|
多对一路由
| 否
| 否
| 否
| 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 | 低 | 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 | 低 | 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：
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。
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、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。
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。
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。
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
| 无
| 无
| 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
| 否
| 否
| 是
|
PAN ID冲突解决
| 支持
| 否
| 可选
| 支持
|
数据分割
| 支持
| 否
| 可选
| 可选
|
多对一路由
| 否
| 否
| 否
| 支持
|
高安全
| 支持
| 支持，1密钥
| 支持，1密钥
| 支持，多密钥
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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 | 低 | 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 | 低 | 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：
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。
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、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。
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。
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。
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