UWB技术在物联网与智能家居的应用

UWB技术在物联网与智能家居的应用

随着物联网（IoT）技术的发展，无线通信在智能家居和工业应用中扮演着越来越重要的角色。超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术凭借其高精度定位、低功耗、低延迟和强抗干扰性，成为智能生活与自动化应用的重要支撑技术。从智能门锁、无钥匙进入系统，到准确设备跟踪与室内导航，UWB正在重塑我们与环境交互的方式。本文将为您探讨UWB技术在物联网与智能家居领域的关键应用，并介绍由Murata（村田制作所）所推出的新款UWB模块的功能特性。

UWB技术的功能特性与优势

UWB是一种短距离无线通信技术，使用低功率、高频率的电磁波，并通过极宽的频谱（通常超过500 MHz）来传输数据。UWB最早应用于军事雷达和通信，近年来大量应用于准确定位、无线传感和效率较高的数据传输。

UWB采用超宽带谱，带宽通常超过500 MHz，提供高数据传输率和低干扰能力，其具备低功耗特性，UWB采用短脉冲技术，功耗比传统无线技术更低，适用于物联网设备。UWB并支持高精度定位，可通过飞行时间（ToF, Time of Flight）或到达角（AoA, Angle of Arrival）测量，可实现10 cm级精度的定位。UWB的频谱分布较广，且功率密度低，不易受Wi-Fi、蓝牙等无线技术干扰，且由于脉冲信号难以被拦截与解码，UWB具备较强的安全性，适用于室内导航、资产跟踪、智能家居与自动化控制。

UWB采用超宽带传输，工作频段范围很大（如3.1GHz～10.6GHz），带宽超过500 MHz，可确保高速低延迟数据传输，可应用于短距离高清影音无线传输，如AR/VR设备的无线通信。

UWB使用低功率脉冲信号传输，适合对功耗敏感的应用，如物联网与穿戴式设备，其短脉冲特性使其在短距离内能够以较高的效率传输数据且不易受干扰，由于UWB信号功率非常低（通常低于-41.3 dBm/MHz），不易干扰其他无线技术，如Wi-Fi和蓝牙，在复杂环境（如工业场景或高密度通信区域）中仍能保持稳定运作，且由于UWB使用短脉冲和随机扩频技术，数据难以被拦截或窃听，适合应用于无钥匙进入、移动支付等高安全性需求场景。

UWB应用领域宽广颇具发展潜力

UWB的应用领域相当宽广，像是可用于高精度室内定位，可用于智能工厂、仓储管理、医疗设施等，提供准确的资产追踪与人员定位，并可与RTLS（Real-Time Location System）技术结合，可用于安全监控和自动化管理。此外，UWB也可应用于无钥匙进入与车辆应用，像是Apple、Samsung等公司已将UWB应用于手机与智能门禁系统，可自动解锁汽车或智能家居，BMW、Audi等车厂也开始采用UWB技术取代传统RFID与蓝牙开锁，提升安全性。

UWB技术也可用于智能设备与无线数据传输，可支持效率较高的无线数据传输，适用于无线VR/AR装置、高清影音传输等应用，适用于穿戴式设备（如智能手表、智能眼镜）进行准确的近场通信。UWB也可应用于医疗与健康监测，可用于远程病患监测，通过准确的运动传感来分析健康状况，通过UWB雷达技术，可进行心跳、呼吸率监测，无需穿戴额外传感器。

在自动化生产线与机器人系统中，UWB可提供准确的定位信息，提升协作机器人（Cobot）的灵活性，像是在自动叉车、AGV（Automated Guided Vehicles）与AMR（Autonomous Mobile Robots）应用中，UWB可实现更准确的导航与避障。

UWB相较于Wi-Fi、Bluetooth（BLE）、RFID等其他无线技术，其最高精度可达10 cm级，主要应用为准确定位、无钥匙解锁，未来将可与5G和AIoT（人工智能物联网）结合，提升智能城市与智能家居应用，或于车联网（V2X）应用中提升车辆之间的准确通信与避障能力。此外，UWB还可拓展到更多消费级应用，如智能手机、电动车无线钥匙等领域。UWB技术因其高精度、低功耗与安全性，未来将在多个领域发挥重要作用，成为无线通信与定位技术的关键趋势。

UWB技术所面对的挑战与发展趋势

目前UWB芯片和模块成本较高，相较于Wi-Fi和蓝牙（BLE），UWB仍处于技术发展和市场推广的初期，导致应用成本较高，影响市场普及率。此外，虽然UWB比Wi-Fi功耗低，但相较于BLE仍然偏高，在长时间运行的物联网设备（如智能家居传感器）上可能会影响电池续航能力。

UWB技术虽然已被IEEE 802.15.4z标准化，但各厂商仍可能开发不同的UWB解决方案，导致设备之间的兼容性问题。目前FiRa（Fine Ranging）联盟正在推动统一标准，使不同品牌的UWB设备能够互通，未来仍需更多业界合作来完善生态系统。

UWB的市场普及仍处于初期阶段，目前主要应用于高阶手机（如iPhone、Samsung Galaxy）、汽车无钥匙进入（如BMW）、智能家居等领域，而中低端市场尚未大规模采用。物联网和智能家居领域仍主要依赖Wi-Fi和BLE等成熟技术，UWB的渗透率需要时间提升。

另一方面，UWB的有效传输距离约为10~50 m，虽然在室内环境中优势明显，但在广域网应用（如智能城市、大型工业场景）中，仍需与其他技术（如5G、Wi-Fi 6）搭配使用。此外，UWB技术使用3.1GHz-10.6GHz频段，但各国对频谱管理的政策不同，例如中国、欧洲、美国对UWB的频段开放程度不同，可能影响技术部署与应用推广。

随着UWB芯片技术的进步，未来将推出更低功耗、更小尺寸的UWB模块，使其能够更普遍地应用于物联网装置，如智能门锁、穿戴式设备、家用传感器等，未来模块成本有望降低，使其普及于中低端设备。且随着FiRa联盟正积极推动UWB标准化，未来有望实现不同品牌设备的互通。未来，UWB将与其他无线技术（如Wi-Fi、BLE、5G）整合，形成更完善的物联网与智能家居生态系统，提升设备间的协同作业能力。

未来UWB应用将更加宽广，像是智能家居与无钥匙进入应用将进一步普及于智能门锁、智能电视、智能音箱等家居产品，实现更准确的空间感知互动，结合AIoT，将可根据用户位置自动调整灯光、空调、音响等设备，提高智能家居体验。

UWB可应用于室内定位与资产追踪，未来将大量应用于医院病患追踪、仓储管理、工业资产监控等领域，提升管理效率，并在企业级应用迅速增长，例如机场行李追踪、智能零售店内导航、物流供应链管理等场景，都将逐步导入UWB技术。

未来透过机器学习，将可优化UWB定位数据，提升识别精度，适用于智能监控与无人机导航，并可与5G互补，在低功耗、高精度定位场景（如工业物联网、智能城市）发挥更大作用。

高度集成的低功耗UWB模块

Murata针对物联网应用推出了新版的 UWB 模块 ── Type 2HQ，这是一款微小型UWB模块，包括NXP的SR250 UWB芯片组、时钟、滤波器和外围器件，采用低功耗设计，非常适合集成UWB功能的物联网设备，包括电池供电设备。

Type 2HQ采用NXP Trimension SR250芯片组，采用ARM Cortex-M33内核，符合IEEE 802.15.4z HRP PHY标准，支持UWB 5、9通道，最小UWB频率为6240 MHz，最大UWB频率为8240 MHz，具备SPI接口，可进行双向测距和单向测距，测距精度可达±5 cm，支持到达角（3D AoA或2D AoA）功能，在±60°内的AoA精度可达±5°。

Type 2HQ拥有UWB雷达，支持OCPD（片上存在检测），内嵌参考时钟与睡眠时钟，采用树脂模制结合共形屏蔽结构，尺寸相当小，只有5.9 x 5.7 x 1.05 mm（最大），集成了BPF（带通滤波器），可用于监管认证，FCC/IC/TELEC/ETSI参考认证正在规划中，符合FiRa与RoHS标准。

Type 2HQ是市场上小巧、高度集成的UWB模块，支持功率校准和晶体校准，睡眠时钟采用内部晶体可达32.768kHz，系统时钟采用内部晶体为38.4MHz，以及多天线设计和评估，采外接天线，不包括射频连接器／天线，可在-30至85℃的温度范围工作，采用SMT安装与LGA封装，电源电压（Vdc）在VDDIO 为1.8V或1.2V，VBAT为3.3V。

为加快客户产品开发速度，Murata也推出UWB模块Type 2HQ评估板，该评估板上包含Type 2HQ和Type 2FR（NXP RW612）USB-UART转换IC，可通过USB电缆供电，也可通过PC的COM端口供电，Type 2HQ可以通过Type 2FR进行控制，尺寸为90 x 45 x 11.6 mm。

结语

UWB技术凭借其高精度定位、低功耗与强抗干扰能力，正在推动物联网与智能家居技术的迅速发展。从无钥匙进入、智能家电联动、室内导航到精准资产跟踪与安全监控，UWB为智慧生活带来了更有效、便捷且安全的解决方案。随着5G、AIoT及更多智能设备的普及，UWB将与其他无线技术协同发展，进一步提升人们的智慧生活体验。然而，为了实现更普遍的应用，业界仍需克服设备成本、标准化整合等挑战。未来，随着技术进步与市场需求增长，UWB在智能家居与物联网领域的影响力将持续扩大，为万物互联的时代奠定更稳固的基础。。