Protokolle und Anwendung von Infrarot -drahtlosen Kommunikationstechnologien

Infrarotkommunikation verwendet unsichtbares Licht, um Daten und Befehle zwischen Geräten in kurzer Bereich zu übertragen.Erstmals in TV -Fernbedienungen in den 1950er Jahren populär gemacht und später in den 1990er Jahren von der Infrarot Data Association standardisiert.IR wurde in verschiedenen Anwendungen üblich.In diesem Artikel wird erläutert, wie IR funktioniert, seine Protokolle, Anwendungen, Vor- und Nachteile und seine zukünftige Rolle.

Katalog

Abbildung 1. Infrarot -drahtlose Kommunikation

Was ist die drahtlose Infrarotkommunikation?

Die drahtlose Infrarotkommunikation ist eine Technologie, die die Datenübertragung durch unsichtbare Lichtsignale ermöglicht, anstatt physische Kabel zu verwenden.Diese Signale stammen aus der Infrarotregion des elektromagnetischen Spektrums und befinden sich zwischen elektronischen Geräten für die Kommunikation mit kurzer Reichweite.Die bekanntesten Beispiele sind Fernsehbedienungen im Fernsehen, die seit Mitte des 20. Jahrhunderts in Häusern verwendet werden.Über die Fernbedienungen hinaus finden sich auch Infrarotverbindungen in Kameras, Smartphones, Laptops und anderen tragbaren Geräten, bei denen eine schnelle, lokalisierte Konnektivität erforderlich ist.

Im Gegensatz zu funkbasierten Methoden wie Wi-Fi oder Bluetooth beruht die Infrarotkommunikation auf leichten Signalen, die eng konzentriert und typischerweise auf einen einzelnen Raum beschränkt sind.Dies macht es für Anwendungen gut geeignet, die zu Zuverlässigkeit und Privatsphäre in kurzen Entfernungen erforderlich sind.

Was ist Infrarotspektrum?

Das Infrarotspektrum ist ein unterschiedlicher Bereich des elektromagnetischen Spektrums, das zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen liegt.Es umfasst Frequenzen von etwa 300 Gigahertz (GHz) bis 400 Terahertz (THz), die Wellenlängen zwischen 700 Nanometern (NM) und 1 Millimeter (mm) entsprechen.Obwohl es vom menschlichen Auge nicht gesehen werden kann, findet sich dieses Spektralbereich in Kommunikationssystemen, wissenschaftlicher Forschung, thermischer Erkennung und industrieller Erfassung.

Für ein besseres Verständnis unterteilen Wissenschaftler die Infrarotband in drei Kategorien:

Abbildung 2. IR -Spektrum

• Nahinfrarot (NIR): Dieser Bereich sitzt dem sichtbaren Licht am nächsten und ist für drahtlose Kommunikationssysteme am relevantesten.Geräte wie Fernbedienungen, Sensoren und medizinische Geräte sind aufgrund seiner Effizienz, Sicherheit und stabiler Leistung von NIR abhängig.

• Mittelinfrarot (MIR): Dieser Bereich, der weiter vom sichtbaren Licht entfernt ist, wird dieser Bereich häufig in der Spektroskopie, chemischen Analyse und thermischen Bildgebung verwendet, wenn eine genaue Messung erforderlich ist.

• Ferninfrarot (FIR): Mit Wärmestrahlung verbunden ist FIR für Astronomie, Fernerkundung und Umweltstudien wertvoll.

Wenn es um die Kommunikation von Geräten zu Device geht, ist die nahezu Infrarot-Reichweite am praktischsten, da es ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Sicherheit bietet.

Merkmale der Infrarotkommunikation

• Kurzstreckenbetrieb: Infrarot arbeitet am besten über Entfernungen von einigen Metern und macht es ideal für Innenumgebungen und begrenzte Räume.

• Sichtlinienanforderungen: Sender und Empfänger benötigen in der Regel eine direkte Ausrichtung für eine genaue Übertragung, obwohl einige Systeme diffuse Reflexions- oder Hybridmethoden verwenden, um diese Einschränkung zu entspannen.

• Lizenzfreie Verwendung: Da Infrarotsignale innerhalb des Lichtspektrums arbeiten, sind keine regulatorischen Zulassung oder Frequenzlizenzierung erforderlich, wodurch die Kosten und die Komplexität für Hersteller gesenkt werden.

• Niedriger Stromverbrauch: Infrarot -LEDs und Sensoren verbrauchen sehr wenig Energie und unterstützen eine lange Akkulaufzeit in Fernbedienungen, Handhelds und anderen tragbaren Geräten.

• Kosteneffektive Komponenten: IR-Module sind kostengünstig zu produzieren und zu integrieren, sodass die Hersteller drahtlose Funktionen ohne größere Kosten hinzufügen können.

• Verbesserte Privatsphäre und Sicherheit: Da Infrarotsignale natürlich auf den physischen Raum beschränkt sind, in dem sie verwendet werden, sind sie im Vergleich zu Funkwellen viel weniger anfällig für ein versehentliches Abfangen.

Wie funktioniert die Infrarotkommunikation?

Abbildung 3. Blockdiagramm der Infrarotkommunikation mit Modulation, Übertragung und Demodulation

Die Infrarotkommunikation arbeitet durch Übertragung unsichtbarer Lichtsignale zwischen elektronischen Geräten.Das System basiert normalerweise auf kleinen Infrarot -LEDs, die Licht mit rund 940 bis 950 Nanometern ausgeben, ein Reichweite, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.Da natürliche Lichtquellen wie Sonnenlicht und Innenlampen auch Infrarotstrahlung verleihen, verwenden Systeme Modulationstechniken, um Störungen zu verhindern und die Signalklarheit aufrechtzuerhalten.

Eine grundlegende Übertragungsmethode würde darin bestehen, die LED einzuschalten, um eine „1“ darzustellen, und um ein „0“ darzustellenDieser Ansatz ist jedoch in realen Umgebungen unzuverlässig, da Hintergrundlicht den Empfänger verwirren kann.Um dies zu lösen, verwenden Infrarotsysteme eine Trägerfrequenz.Die LED blinzelt schnell - typisch bei 36 bis 38 Kilohertz (KHz) - und der Empfänger ist eingestellt, um nur dieses Blinkmuster zu erkennen.Diese Filtermethode stellt sicher, dass nur gültige Kommunikationssignale empfangen werden, wodurch Rauschen aus anderen IR -Quellen beseitigt wird.

Die Infrarotkommunikation hängt auch von gut definierten Protokollen ab, die standardisierte Regeln für Codierung, Timing und Fehlerprüfung sind.Beispielsweise kann eine Fernsehbedienung des Fernsehgeräts mit jedem Fernseher arbeiten, der demselben Protokoll folgt.Durch die Kombination der Trägermodulation mit einer Protokollbasis-Decodierung erreichen IR-Systeme eine zuverlässige, sichere und effiziente Kurzstreckenkommunikation.

Infrarot -Kommunikationsprotokolle erklärten

Die Infrarotkommunikation hängt von definierten Protokollen ab, die feststellen, wie Geräte Signale senden, empfangen und interpretieren.Diese Protokolle stellen sicher, dass Produkte aus verschiedenen Herstellern zusammenarbeiten können.Sie sind in zwei Hauptkategorien eingeteilt: IRDA -Standards für Datenübertragung und Verbraucherinfrarotprotokolle für die Fernbedienung.

Protokoll Standard	Kategorie	Daten Rate	Träger Frequenz	Typisch Verwenden	Codierung Verfahren
HERR	Irda	Bis zu 115,2 Kbit / s	N / A	Frühe Laptops, PDAs, Telefone	Direkte Serie
Mir	Irda	0,576–1,152 Mbit / s	N / A	Zwischengeräte	Gerahmte Pakete
TANNE	Irda	Bis zu 4 Mbit / s	N / A	Laptops, Drucker	Gerahmte Pakete
Vfir	Irda	Bis zu 16 Mbit / s	N / A	Hochgeschwindigkeitstransfer	Gerahmte Pakete
Ufir	Irda	Bis zu 96 Mbit / s	N / A	Konzeptionell	Erweiterte Modulation
Giga-ir	Irda	Bis zu 1 Gbit / s	N / A	Konzeptionell	Hochgeschwindigkeitsmodulation
NEC	Cir	N / A	38 KHz	Fernseher, Geräte	Pulsdistanz
RC5 (Philips)	Cir	N / A	36 kHz	Fernseher, Audiosysteme	Manchester -Codierung
RC6 (Philips)	Cir	N / A	36 kHz	Medienzentrum Fernbedienungen	Verbesserte Manchester
Sony Sirc	Cir	N / A	40 kHz	Sony TVS, DVD -Spieler	Pulsbreite
Scharf	Cir	N / A	38 KHz	Scharfe Fernseher	Pulsbreite

Infrarot -Kommunikationstypen

Abbildung 4. Infrarot -Kommunikationsnetzwerk

Point-to-Point (Sichtlinie)

Point-to-Point IR erfordert einen direkten, ungehinderten Pfad zwischen Sender und Empfänger.Dieses Setup ist bei Fernbedienungen und kurzfristigen Geräteverbindungen üblich.Es ist unter klaren Bedingungen kostengünstig und zuverlässig, fällt jedoch fehl, wenn Objekte die Sichtlinie blockieren oder wenn Geräte falsch ausgerichtet sind.

Diffuse (Nicht-Zeile des Sehens)

Die diffuse IR -Kommunikation beruht auf Reflexionen von Oberflächen wie Wänden und Decken, um den Empfänger zu erreichen.Dies beseitigt die Notwendigkeit einer perfekten Ausrichtung und ist für Innennetzwerke und Bürosysteme geeignet.Während benutzerfreundlicher ist, schwächt die Signalstärke aufgrund von Reflexionsverlusten, der Begrenzung von Bereich und Geschwindigkeit schwächt.

Streuen IR

In der Streuung IR reisen Signale durch Umgebungen, die Staub, Rauch oder Nebel enthalten.Durch die Streuung können einige Signalenergie den Empfänger auch ohne einen klaren Pfad erreichen.Diese Methode ist nützlich in industriellen oder im Freien.Die Leistung hängt jedoch stark von der Luftqualität ab, was sie weniger konsistent macht.

Regiestrahl IR (Freiraumoptik)

Der Regiestrahl IR verwendet fokussierte Infrarotstrahlen mit Linsen, um eine Fernkommunikation zu erreichen, oft Hunderte von Metern bis zu mehreren Kilometern.Es unterstützt hohe Datenraten und wird bei Gebäuden zu Bauverbindungen, Verteidigung und Satellitensystemen verwendet.Obwohl es leistungsfähig ist, erfordert es eine genaue Ausrichtung und kann durch Wetterbedingungen wie Regen oder Nebel beeinflusst werden.

Hybrid IR

Hybrid IR kombiniert Sicht- und Diffuse-Methoden.Wenn der direkte Pfad blockiert ist, können Signale immer noch durch Überlegungen empfangen werden.Dies macht Hybridsysteme in dynamischen Innenumgebungen, in denen Hindernisse oder Bewegungen das Signal stören, zuverlässiger.Der Kompromiss wird Komplexität und Kosten hinzugefügt.

Ir Typ	Linie von Sicht	Reichweite	Daten Rate	Profis	Einschränkungen	Gemeinsam Verwendung
Point-to-Point	Erforderlich	Ein paar Meter	kbps zu mbps	Einfach, kostengünstig	Blockiert durch Hindernisse	TV -Fernbedienungen, Geräteverbindungen
Diffus	Nicht erforderlich	Ein paar Meter	kbps zu mbps	Flexibel, keine strenge Ausrichtung	Signalverlust aus Reflexionen	IRN -Networking in Indoor
Streuen	Nicht erforderlich	Variable	Niedrig bis moderat	Arbeitet mit vorhandenen Partikeln	Die Leistung hängt von der Umgebung ab	Industriell, im Freien
Regiestrahl (FSO)	Erforderlich	Hunderte M bis Kilometer	Bis zu Gbps	Langstrecke, hohe Geschwindigkeit	Wetter- und Ausrichtungsempfindlichkeit	Gebäude zu Bau, Verteidigung
Hybrid	Teilweise	Kurz bis mittel	kbps zu mbps	Widerstandsfähigere Innenräume	Komplexer und teurer	Flexible Innensysteme

Abbildung 5. Infrarot -Kommunikationsanwendungen

Infrarot -Kommunikationsanwendungen

• Fernbedienungen-Fernseher, Klimaanlagen, Projektoren und Set-Top-Boxen.

• Unterhaltungselektronik - drahtlose Tastaturen, Kameras, Drucker und Audiosysteme.

• Medizinprodukte - kontaktlose Thermometer, Patientenüberwachungswerkzeuge und diagnostische Geräte.

• Industrielle Automatisierung - Näherungssensoren, Sicherheitssysteme und Maschinensteuerung in lauten HF -Umgebungen.

• Datenübertragung (IRDA)-Kurzstreckendatei-Freigabe zwischen Laptops, PDAs und älteren mobilen Geräten.

• Sicherheitssysteme - Bewegungsdetektoren, Alarmauslöser und Einzugssteuerungen für Türen.

• Militärische Anwendungen-Sicherungskommunikation und Nachtsichtssysteme.

• IoT-Geräte-Sensoren und Geräte mit geringer Leistung, bei denen interferenzfreie Kommunikation erforderlich ist.

• Robotik - Navigation, Hinderniserkennung und Kontrollsignale für autonome Systeme.

• Luftfahrt und Luft- und Raumfahrt-Kabinensteuerungssysteme und -umgebungen, die eine RF-freie Kommunikation erfordern.

Vorteile und Einschränkungen der Infrarotkommunikation

Vorteile der Infrarotkommunikation

• Niedrige Kosten und einfache Integration.Infrarot-LEDs und Empfänger sind kostengünstig und leicht in tägliche Geräte wie Fernseher, Klimaanlagen und Set-Top-Boxen aufzubauen.

• energieeffizient.IR -Sender verbrauchen nur sehr wenig Strom, was die Akkulaufzeit in Handhöfen und tragbaren Geräten verlängert.

• Eingebaute Privatsphäre.Da IR -Signale nur kurze Strecken zurücklegen und auf einen Raum beschränkt bleiben, verringern sie natürlich die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten Abfangens.

• Keine Lizenzierung erforderlich.Infrarot arbeitet in nicht regulierten Lichtbändern, sodass Hersteller und Benutzer Spektrumgebühren oder spezielle Genehmigungen vermeiden.

• Resistent gegen elektromagnetische Interferenzen.Im Gegensatz zu funkbasierten Systemen wird die IR-Kommunikation nicht durch Motoren, drahtlose Geräte oder Industriemaschinen gestört.

• Angemessene Datenübertragungsgeschwindigkeit mit IRDA.Die Standards für Infrarot Data Association (IRDA) unterstützten einst Geschwindigkeiten von 115 Kbit / s auf mehrere Mbit / s, wodurch zuverlässige Geräte-zu-Gerättransfers in Laptops, Druckern und PDAs ermöglicht wurden.

Einschränkungen der Infrarotkommunikation

• kurzer Betriebsbereich.Die meisten IR -Systeme funktionieren am besten innerhalb von 1 bis 5 Metern, wobei die Leistung schnell darüber hinausgeht.

• Anforderungen der Sichtlinie.Sender und Empfänger müssen ausgerichtet bleiben.Hindernisse wie Möbel oder sogar eine Person können das Signal unterbrechen.

• empfindlich gegenüber Umgebungslicht.Helles Sonnenlicht oder Leuchtstofflampen können den IR -Empfang beeinträchtigen und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit verringern.

• Niedrigere Datenraten als moderne drahtlose Optionen.Wi-Fi, Bluetooth und 5G liefern schnellere Geschwindigkeiten und unterstützen mehrere Verbindungen, während IR im Vergleich weiterhin begrenzt bleibt.

• In erster Linie Eins-zu-Eins-Links.Infrarot unterstützt in der Regel die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und nicht mehr viele zu viele Networking.

• Abnahme der Rolle bei der Datenübertragung.Mit dem Wachstum von Bluetooth und Wi-Fi ist IR für Hochgeschwindigkeitsanwendungen seltener.Heute sind die Hauptverwendung in Fernbedienungen und spezialisierten Sensoren.

Infrarotkommunikation im Vergleich zu anderen drahtlosen Technologien

Besonderheit / Technologie	Infrarot (Ir)	Bluetooth	W-lan	Li-Fi
Übertragungsmedium	Infrarot -Lichtwellen	Funkfrequenz (2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz)	Funkfrequenz (2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz)	Sichtbares Lichtspektrum (LED -Licht)
Reichweite	Kurz (ein paar Meter, normalerweise innerhalb eines Zimmer)	Moderat (je nach ~ 100 m Version)	Lang (bis zu 100 m drinnen, weiter mit Hotspots)	Auf leichte Abdeckungsbereich begrenzt (Raumebene)
Datengeschwindigkeit	Niedrig bis mäßig (kbps bis ein paar mbit / s mit Irda)	Moderat (bis zu 2–3 Mbit / s Classic, 24 Mbps mit Bluetooth 5)	Hoch (Hunderte von Mbit / s bis Multi-Gbit / s mit Wi-Fi 6/7)	Sehr hoch (theoretisch> 10 Gbit / s in Laborbedingungen)
Sichtlinie	Ja, direkte Sichtlinie benötigt	Nein, arbeitet durch Wände	Nein, arbeitet durch Wände	Ja, erfordert eine direkte Beleuchtung durch LED Licht
Stromverbrauch	Sehr niedrig	Niedrig bis moderat	Höher als Bluetooth & ir	Niedrig (abhängig vom LED -System)
Interferenzbeständigkeit	Nicht von RF/EMI betroffen, sondern von von Sonnenlicht oder Hindernisse	Anfällig für HF -Störungen, aber adaptiv	Anfällig für Staus in überfüllter Bands	Immun gegen HF -Störungen, aber betroffen durch Umgebungslicht
Sicherheit	Natürlich sicher (Signale bleiben in einem Zimmer)	Moderat (erfordert Paarung, Verschlüsselung)	Hoch (WPA3, Verschlüsselungsprotokolle)	Sehr hoch (Lichtsignale beschränkt auf physischer Raum)
Kosten der Umsetzung	Sehr niedrig (billige LEDs & Sensoren)	Niedrig bis moderat (in den meisten integriert Geräte)	Moderat bis hoch (Router, Infrastruktur)	Hoch (Bedarfs -LED -Infrastruktur)
Beste Anwendungsfälle	Fernbedienungen, Unterhaltungselektronik, Kurzstrecken-Geräteverknüpfungen	Drahtlose Headsets, Peripheriegeräte, IoT Geräte	Internetzugang, datenintensiv Anwendungen, Netzwerk	Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, Krankenhäuser, Flugzeuge, Bereiche, die RF-freie Kommunikation benötigen
Einschränkungen	Erfordert eine Sichtlinie, langsam im Vergleich zu andere	Begrenzte Geschwindigkeit und Reichweite im Vergleich zu W-lan	Höherer Stromverbrauch, Einmischung in überfüllten Gebieten	Benötigt Lichtquelle, funktioniert nicht in Dunkelheit oder mit Hindernissen

Zukunft der Infrarotkommunikation

Die drahtlose Infrarotkommunikation wird in Zukunft relevant bleiben, indem sie spezielle Rollen dienen, anstatt mit schnelleren drahtlosen Technologien zu konkurrieren.Seine günstigen Kosten, geringe Stromverbrauch und natürliche Sicherheit gewährleisten die kontinuierliche Verwendung in Fernbedienungen, Geräten, medizinischen Geräten und industriellen Sensoren, bei denen der Widerstand gegen Funkstörungen von entscheidender Bedeutung ist.In den kommenden Jahren kann IR in IoT- und Hybridsysteme ausdehnen und sichere lokale Verbindungen umgehen, während Wi-Fi- oder Bluetooth-Massendaten verwalten.Obwohl es nicht mit der Geschwindigkeit neuerer Netzwerke übereinstimmt, verbessert fortlaufende Verbesserungen der optischen Komponenten und Protokolle die Effizienz, wodurch Infrarot andere drahtlose Lösungen ergänzt und eine zuverlässige, interferenzfreie Kommunikation in Nischen, aber wesentlichen Anwendungen liefert.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wird die Infrarotkommunikation heute noch verwendet?

Ja.IR ist zwar weniger häufig für die Datenübertragung, ist jedoch häufig in Fernsehemotten, Medizinprodukten, Industriesensoren und Sicherheitssystemen eingesetzt, da es kostengünstig, leistungsstark und für Kurzstreckenaufgaben zuverlässig ist.

2. Können Infrarotsignale durch Wände gehen?

Infrarot erfordert eine Sichtlinie.Im Gegensatz zu Wi-Fi oder Bluetooth kann IR keine Wände oder feste Objekte durchdringen, was seinen Bereich auf denselben Raum beschränkt.

3. Welche Wellenlänge verwendet Infrarotkommunikation?

Die meisten Systeme verwenden Infrarotlicht um 850 bis 950 Nanometer, wobei 940 nm für LEDs in der Unterhaltungselektronik am häufigsten sind.

4. Warum verwenden Fernsehdanzer noch Infrarot anstelle von Bluetooth?

Infrarot-Fernbedienungen sind billiger, verbrauchen weniger Kraft und bieten Privatsphäre auf natürlicher Raumebene.Für eine einfache Einweg-Kontrolle bleibt IR die effizienteste Lösung.

5. Was ist der maximale Bereich der Infrarotkommunikation?

Der Standard-Verbraucher-IR IR arbeitet in der Regel bis zu 5 Meter, während Freiraum-Optiksysteme mit Objektiven unter idealem Ausrichtung Hunderte von Metern bis Kilometern erreichen können.

6. Ist die Infrarotkommunikation für den Menschen sicher?

Ja.Das in der Elektronik verwendete Infrarotlicht mit geringer Leistung ist nichtionalisierend und harmlos für Augen und Haut, wenn sie innerhalb von Sicherheitsgrenzen verwendet werden.

7. Kann das Sonnenlicht die Infrarotkommunikation beeinträchtigen?

Ja.Starkes Sonnenlicht und einige künstliche Lichter geben IR -Strahlung ab, die Sensoren überwältigen und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Signalvermittlung verringern können.

8. Was ist freiraum optische (FSO) Infrarot-Kommunikation?

FSO verwendet leistungsstarke, fokussierte IR-Strahlen mit Linsen, um Daten über große Entfernungen zu übertragen-häufig in Militär-, Luft- und Raumfahrt- und Gebäude-zu-Aufbau-Verbindungen.