基于RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee的物聯網電磁兼容和干擾協調研究

引言

當今科技發(fā)展日新月異，從數字化城市到智慧化地球，人類正向著一個更加發(fā)達、先進、文明的社會目標邁進。物聯網概念的提出，被人們譽為是一次新的技術革命。只要在物體中嵌入一個微型感應芯片，再借助無線或有線網絡技術，人們就可以和物體“對話”，物體和物體之間也能“交流”，這就是物聯網。

依據物聯網的定義，從信息傳輸的角度出發(fā)，物聯網可以理解為“利用一切通信手段構成智能信息傳輸的網絡”。而從應用技術考量，那么，多種通信手段的融合，勢必會帶來電磁兼容性和抗干擾協調問題,特別是在無線環(huán)境下，這些因素尤為重要。

1  物聯網中的電磁兼容和抗干擾

廣義上的電磁兼容性(EMC)是指電子系統或通信設備工作在指定的環(huán)境中，不至于由于無意的電磁輻射而引起性能下降或發(fā)生故障的一種能力；反之,這一系統或設備在運轉和工作時，也不能影響其他系統或設備的正常運行。電磁兼容的反面即電磁干擾(EMI)，兩者互相對立和依存。

對于任何一個電子系統或者信息網絡，要想得到最佳的EMC,應從其設計開始就高度重視EMI問題;如果在原始的設計中沒有對EMC引起足夠的重視或規(guī)劃,則必須在投入使用以后釆取更多抗干擾措施，以使多個系統和設備共存，這將大大損害系統和設備的正常使用和運行。因此，從通信層面去理解，物聯網實質上是要利用多種通信手段來構成“網”。并且,物聯的概念提出的時間不長，通信協議還沒有完全做到規(guī)范統一，從這個意義上講,無論是有線或是無線，甚至是光網絡應用到物聯網領域都存在兼容性問題。

當前，用于無線個人區(qū)域網（WPAN,WirelessPersonalAreaNetwork）范圍的短距離無線通信技術標準得到了迅速的發(fā)展，典型的技術標準有藍牙（Bluetooth）、ZigBee,無線USB（WirelessUSB）、無線局域網Wi-Fi（IEEE802.llb/g）等。而物聯網較多運用這些短距離無線技術構成接入網，所以它們的電磁兼容問題日益凸現「刃。由于這些無線技術均選擇了2.4GHz（2.4?2.483GHz）ISM的開放工業(yè)頻段，再加上無繩電話和微波爐等大功率干擾源的共存,使得該頻段日益擁擠和復雜，根據這幾種短距離無線技術射頻頻譜設置情況，所得到的ISM開放頻段各種信號帶寬和頻譜分布圖如圖1所示。

如果從電磁干擾（EMI）的角度去理解，無論是電信號還是光信號,在傳輸或傳播過程中都要經受各種衰落和損耗。同時，通信信號還要受到其他信號的干擾,這種干擾通常還包括噪聲。干擾和噪聲是影響通信性能指標的重要因素。接收機能否正常工作，不僅取決于輸入信號的大小，更取決于噪聲和干擾的大小。一般情況下，干擾和噪聲主要分兩類，即周期性干擾（如電臺干擾）和非周期性干擾（如脈沖干擾和平滑干擾）；按噪聲和干擾來源又可分為接收機內部噪聲、天電噪聲、宇宙噪聲、人為噪聲、無線電干擾等。通常將天電噪聲、宇宙噪聲、人為噪聲稱為外部噪聲,而將無線電干擾稱為干擾。

物聯網中的RFID,Wi-Fi.藍牙、ZigBee等所遇到的電磁干擾均符合上述關于干擾的定義。具體而言，物聯網中RFID,Wi-Fi,藍牙、ZigBee等除了自身同頻相互干擾以外，還會受來源于廣播、電視、雷達、導航、工業(yè)等及無線通信系統（如微波中繼通信、移動通信、各種無線網絡等）的干擾。具體干擾成因有同信道干擾、鄰道干擾、發(fā)信機的帶外雜散干擾、接收機的寄生響應和阻塞干擾、互調干擾等。

物聯網概念的提出時間并不長，標準和規(guī)范也沒有完全統一,信息傳輸中需要利用多種通信手段，具有相當的復雜性和不可預見性。因此,立足物聯網中目前應用較多的短距離無線技術來研究其相互依存和相互影響，并借助象IEEE802.15.4標準中的抗干擾協調機制，對完善物聯網的開發(fā)與應用具有非常重要的現實意義。就國內而言,物聯網的研究與應用已成為業(yè)界的熱門話題,但這些應用研究還僅僅是局部的，或者是單一的,如橋梁健康監(jiān)測與遠程監(jiān)控、人類健康動態(tài)監(jiān)測、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測、智能交通系統等。目前無線方式用到的僅僅有RFID、Wi-Fi、藍牙、Zig-Bee無線傳感網等，但未來多種技術融合的大規(guī)模物聯網應用，必然帶來電磁兼容和抗干擾協調問題。因此,本文提出的問題迫切需要加以研究和總體協調。

2  基于RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee的物聯網電磁兼容和干擾協調

對電磁兼容和抗干擾協調的研究是一個比較復雜的系統工程。其研究的基本技術路線是通過對物聯網典型無線技術（如RFID,Wi-Fi,藍牙等）同頻干擾及遇到的電磁干擾源（如廣播、電視、雷達、導航、工業(yè)等）的頻率、功率及電磁特性及電波技術參數與傳播特性的技術分析，深入研究其特征并歸納干擾成因（如同信道干擾、鄰道干擾等），從而提出抗干擾協調方法和應用框架的建議。

研究的基本方法是通過對物聯網無線通信技術參數收集、干擾成因分析和電磁兼容的機理研究，運用系統工程理論,建立一套完整的電磁兼容仿真建模方法。電磁兼容建模方法是用于建立輸入參數（如輻射源、各種激勵等）和輸出參數（各種響應）之間關系的一種技術，如縫隙轉移阻抗等效建模方法等「云。通過實測和仿真，得出物聯網抗干擾協調的方法和準則，從而得出應用框架建議和協調措施。

實驗手段主要有射頻信號測試與頻譜分析;實際無線網絡功率測量與信道壓制分析;帶內、帶外輻射測量;物聯網無線技術帶外雜散干擾、接收機的寄生響應、阻塞干擾、互調干擾測量與分析等。

關鍵技術有電磁屏蔽環(huán)境下運用矢量網絡分析儀進行射頻測量與分析;不同應用場景下的抗干擾技術方案的研究與優(yōu)化;物聯網背景下的無線融合應用解決方案;頻率自適應規(guī)劃協調機制等。

針對不同的通信系統，特別是短距離無線技術，世界上許多機構和科研人員在電磁兼容方面都有過相應研究,也提出了規(guī)范及標準，并提供了很多機制來保證2.4GHz頻段與其他無線技術標準的共存能力。其協調措施和技術方案主要有以下三種：