短距离无线通讯水表技术的比较.docx

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短距离无线通讯水表技术的比较

短距离无线通讯水表技术状态

一．短距离无线通信技术

目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA）。

同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是：

ZigBee、超宽频（UltraWideBand）、短距通信（NFC）、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。

它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。

但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

蓝牙技术

　　蓝牙（bluetooth）技术是近几年出现的，广受业界关注的近距无线连接技术。

它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。

　　蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。

其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。

　　蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。

该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持。

1998年，蓝牙技术协议由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司达成一致。

　　蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发。

802.15.1的最初标准基于蓝牙1.1实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。

新版802.15.1a基本等同于蓝牙1.2标准，具备一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。

　　但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。

突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。

这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。

因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。

Wi-Fi技术

　　Wi-Fi（WirelessFidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。

Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。

虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。

　　Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。

但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。

　　WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。

目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。

Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。

例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。

这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。

　　最初的IEEE802.11规范是在1997年提出的，称为802.11b，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它的工作频率也是2.4GHz，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。

随着Wi-Fi协议新版本如802.11a和802.11g的先后推出，Wi-Fi的应用将越来越广泛。

速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用调制技术。

它工作在2.4GHz频段，速率达54Mb/s。

根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。

　　微软推出的桌面操作系统WindowsXP和嵌入式操作系统WindowsCE，都包含了对Wi-Fi的支持。

其中，WindowsCE同时还包含对Wi-Fi的竞争对手蓝牙等其

它无线通信技术的支持。

由于投资802.11b的费用降低，许多厂商介入这一领域。

Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。

IrDA技术

　　红外线数据协会IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。

起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据，很快发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。

　　IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。

目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。

事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

　　IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。

并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。

此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

　　IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。

而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。

IrDA目前的研究方向是如何解决距传输问题及提高数据传输率。

NFC技术

　　NFC（NearFieldCommunication，近距离无线传输）是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术标准。

和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。

在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。

　　NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。

它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。

NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再听到各种电子杂音。

　　NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。

有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。

　　此外，NFC还可以将其它类型无线通讯（如Wi-Fi和蓝牙）“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。

每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而NFC可以创建快速安全的连接，而无需在众多接口的菜单中进行选择。

与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。

　　同样，构建Wi-Fi家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。

除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。

而NFC被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置Wi-Fi连结容易得多。

NFC有三种应用类型：

　　◆设备连接。

除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。

比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

　　◆实时预定。

比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。

而且，这些芯片无需独立的能源。

　　◆移动商务。

飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。

索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。

　　总而言之，这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则，但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。

所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速！

ZigBee技术

　　ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。

ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

　　ZigBee联盟成立于2001年8月。

2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟，以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。

到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业。

所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。

　　ZigBee联盟负责制定网络层以上协议。

目前，标准制订工作已完成。

ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x无线局域网更简单实用。

　　ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，采用跳频技术。

与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。

它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。

另外，它可与254个节点联网。

可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。

UWB技术

超宽带技术UWB（UltraWideband）是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，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。

美国FCC对UWB的规定为：

在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。

它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。

基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。

　　UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN）。

　　UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。

除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100Mb/s）的LANs或PANs。

　　UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（PANs）。

现有的无线通信方式，802.11b和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；54Mb/s速率的802.11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵。

而UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。

　　具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求：

UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。

当然，UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。

二．国家的产业政策及法规

我国短距离无线通信应用在信产部的管理下进行，由《短距离无线设备管理办法》、《短距离无线设备技术要求》两个文件加以规范，其中《短距离无线设备管理办法》的核心是加强对微功率（短距离）无线电设备（以下简称微功率无线电设备）的管理，防止微功率无线电设备对传统主流无线应用部门（广播电视、导航、移动通信及射电天文等）无线电业务产生干扰。

对其他行业的应用作出一定的限制和规定。

《短距离无线设备技术要求》是为了实现在不同应用行业间进行频段分配和发射功率限定。

管理办法和技术要求的要点如下:

1.微功率无线电设备的使用不得对其它合法的各种无线电台站产生有害干扰。

如产生有害干扰现象时，应立即停止使用，并设法消除有害干扰后方可继续使用。

2．使用微功率无线电设备必须避让或忍受其它合法的无线电台站的干扰或工业、科学及医疗应用设备的辐射干扰，遇有干扰时不受法律上的保护

3．使用微功率无线电设备不需办理无线电电台执照手续，但必须接受无线电管理办事机构对其产品性能指标进行必要的检查或测试。

4．任何厂商和用户不得擅自更改使用频率、加大发射功率（包括额外加装射频功率放大器），不得擅自外接天线或改用其它发射天线，或改变原设计特性及功能。

5．若对当地声音、电视广播接收产生干扰时，应立即停止使用，待消除干扰或调整到无干扰频率后方可重新使用

6．无线数据传送设备限在建筑物内使用，两次发射的如下不少于５秒。

7．在满足传输数据时，其发射机工作时间不超过5秒的条件下，470－510MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段。

发射限值：

50mW（e.r.p），占用带宽：

不大于200kHz，频率容限：

100×10-6。

三.国内短距离无线水表存在的问题

短距离无线水表的研发、制造、售后服务需要多学科综合平台支撑，现国内的情况是：

●传统水表企业出于自身发展的需要，启动了开发短距离无线水表的进程，这部分企业对水务行业的认识比较深入、水计量技术有一定功底，但对现代的计算机技术、通信技术、网络技术的内涵缺乏认识，也没有相应人力资源及队伍和技术积累，开发进程缓慢；

●IT企业进入水计量制造业象一阵春风，给业界带来了生机和活力，也加快了水计量走信息化发展道路的进程。

这一类企业在网络通信、计算机应用、电子技术等方面有较强实力，但在水计量技术、传感器技术、水务行业的需求理解等方面相对较弱。

由于对产品技术、用户需求掌控的不完整性，国内短距离无线水表先行生产厂家

产品存在以下问题：

1．能耗问题：

短距离无线通讯方式的水表采用电池供电，很难保证电池的工作寿命达到水表的寿命期；国内水表生产厂商受限于技术水平和工艺能力，要实现短距离无线水表一致性的低功耗比较困难。

据目前国内几大卡表生产厂商的大量卡式水表的应用经验,无线水表采用电池供电，进行大规模应用，在未来1～2年内将出现大量更换电池的状况。

从应用的角度看,目前卡式水表的各大厂商没有从根本上解决能耗的问题，无线远传水表技术难度、能耗指标高于卡式水表的，若无技术的重大突破，应用风险较大。

假设一个城市安装10万只无线远传水表，如果每只水表在2年内更换一只电池，这是一个非常巨大的工作量，非一般企业所能够承受，如果企业不能够承受，企业只有放弃服务，任由表具的无线模块失效，这将给水司的表具应用带来灾难性后果。

2.抗干扰的问题：

《短距离无线设备管理办法》明确指出：

使用微功率无线电设备必须避让或忍受其它合法的无线电台站的干扰或工业、科学及医疗应用设备的辐射干扰，遇有干扰时不受法律上的保护。

面对这样政策背景和复杂性的电磁环境的，无线远传水表受到电磁干扰的可能性太大，而由于成本的和发射功率的限制，要提高表具的抗干扰能力难度较大，一般的表具设计厂商没有这样的技术实力在抗干扰方面做突破性的工作。

短距离无线水表在小规模应用时此项问题可能不会凸显出来，但在大规模应用的条件下，将会有明显的体现。

3.可靠性问题：

由于无线通讯的核心技术、协议体系、收发电路模块均由国外公司设计开发，国内厂商只是应用现有技术，其中蕴含着巨大的技术风险。

举个例子，国内的手机生产商技术实力相对雄厚，但国内手机的质量始终无法达到国外手机的水平，经过多年的规模应用和发展，情况有所改善，国产手机的可靠性有所提高。

对于短距离无线技术，国内目前的应用水平没有达到手机模块的应用水平，短距离无线水表先行厂商的产品可靠性没有得到时间的检验。

特别值得一提的是，在大规模应用条件下出现任何技术、工艺的缺陷，都将导致灾难性的后果。

4.成本问题：

无线通讯终端产品和传输设备的制造工艺复杂，测试和试验设备投入较大，相对有线产品，每个应用点还需增加收发电路，综合成本大约每点增加100元左右，户均成本较高，不利于新建小区大规模推广。

如果降低价格销售，则企业就无力持续地改进产品的性能和质量，满足市场不断提升的应用需求。

5.售后服务问题：

无线通讯模块的维护要求较高。

维护无线通讯模块需要高素质的售后服务队伍（类似于手机维修人员）；对设备的依赖程度高，需要昂贵的频谱仪、网络分析仪等测试设备。

一般的公司无法建立起如此高素质的人力资源队伍与昂贵的设备平台。

如果大量使用短距离无线网络水表，一旦出现技术、工艺缺陷，表具生产厂商将面对大面积的服务。

6.近期应用和中长期系统兼容性问题：

短距离无线通信终端的数据传输是在短距离无线通信网络支持下进行的。

近几年来，短距离无线通信技术的发展日新月异，新的通信技术，新的协议体系，不断涌现，往往一个优秀技术构架还没进入应用，就已过时。

面对业界现状，一些大的跨国公司也只好走技术联盟共同发展的道路。

从知识产权的角度讲，国内通信行业在短距离无线通信技术领域没有进入世界主流队伍。

短距离无线通信终端、网络设备所需的核心技术和关键零部件掌握在外国公司手中。

制造短距离无线通信水表和相应的网络传输设备，进而搭建城域化的抄表体系，不管采用哪一家的通信技术和协议体系，近期应用可以得到保证，但必须指出，抄表体系的寿命周期和通信技术的发展周期存在较大差异，抄表体系的中长期应用有可能得不到有效的技术支持和核心零部件供应。

为了应对需求和通信技术的发展和变化，必须搭建好在城域化抄表体系下包容多种通信模式的技术构架，对系统兼容性作中长期规划，这种工作对表具终端和传输设备生产商是一个很大的挑战。

四．我司的应对措施

国家推行户表工程是坚定不移的，旧城的户表改造工作是户表工程的重要板块，由于地理，建筑布局的复杂性和居民室内装修的多样性，采用有线传输抄收水量数据的旧城户表改造方案，施工操作性较差，无线方案具有明显的优势。

面对这样的应用背景，我司必须作好技术和产品的准备，迎接市场机遇。

建议近期开展以下工作：

1．在调研基础上寻找一家初期合作伙伴使我司对短距离无线通信应用的认识水平达到一定程度。

2．对现有的短距离通信方案进行预研，确定可采用的技术路线，其中主流方案中的ZigBee可作为重点研究对象，其特点如下：

◆数据传输速率低。

只有10kb/s～250kb/s，专注于低传输应用。

◆功耗低。

这是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

◆成本低。

因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本;积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。

◆网络容量大。

每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

◆工作频段灵活。

使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

　　根据ZigBee联盟目前的设想，ZigBee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、水、电、气、计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

3．短距离无线通信技术的研究和产品开发对测试仪器，和试验设备要求较高，所需费用较大，为保证后期工作能按计划完成，应对必要的测试仪器、试验设备进行调研，提出经济实用的购置计划。

4．若明年正式启动项目,现在就应着手技术队伍的建设。

魏庆华写于2006-3-2

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