UWB技術在物聯網與智能家居的應用

隨著物聯網（IoT）技術的發展，無線通信在智能家居和工業應用中扮演著越來越重要的角色。超寬帶（Ultra-Wideband, UWB）技術憑借其高精度定位、低功耗、低延遲和強抗干擾性，成為智能生活與自動化應用的重要支撐技術。從智能門鎖、無鑰匙進入系統，到準確設備跟蹤與室內導航，UWB正在重塑我們與環境交互的方式。本文將為您探討UWB技術在物聯網與智能家居領域的關鍵應用，并介紹由Murata（村田制作所）所推出的新款UWB模塊的功能特性。

UWB技術的功能特性與優勢

UWB是一種短距離無線通信技術，使用低功率、高頻率的電磁波，并通過極寬的頻譜（通常超過500 MHz）來傳輸數據。UWB最早應用于軍事雷達和通信，近年來大量應用于準確定位、無線傳感和效率較高的數據傳輸。

UWB采用超寬帶譜，帶寬通常超過500 MHz，提供高數據傳輸率和低干擾能力，其具備低功耗特性，UWB采用短脈沖技術，功耗比傳統無線技術更低，適用于物聯網設備。UWB并支持高精度定位，可通過飛行時間（ToF, Time of Flight）或到達角（AoA, Angle of Arrival）測量，可實現10 cm級精度的定位。UWB的頻譜分布較廣，且功率密度低，不易受Wi-Fi、藍牙等無線技術干擾，且由于脈沖信號難以被攔截與解碼，UWB具備較強的安全性，適用于室內導航、資產跟蹤、智能家居與自動化控制。

UWB采用超寬帶傳輸，工作頻段范圍很大（如3.1GHz～10.6GHz），帶寬超過500 MHz，可確保高速低延遲數據傳輸，可應用于短距離高清影音無線傳輸，如AR/VR設備的無線通信。

UWB使用低功率脈沖信號傳輸，適合對功耗敏感的應用，如物聯網與穿戴式設備，其短脈沖特性使其在短距離內能夠以較高的效率傳輸數據且不易受干擾，由于UWB信號功率非常低（通常低于-41.3 dBm/MHz），不易干擾其他無線技術，如Wi-Fi和藍牙，在復雜環境（如工業場景或高密度通信區域）中仍能保持穩定運作，且由于UWB使用短脈沖和隨機擴頻技術，數據難以被攔截或竊聽，適合應用于無鑰匙進入、移動支付等高安全性需求場景。

UWB應用領域寬廣頗具發展潛力

UWB的應用領域相當寬廣，像是可用于高精度室內定位，可用于智能工廠、倉儲管理、醫療設施等，提供準確的資產追蹤與人員定位，并可與RTLS（Real-Time Location System）技術結合，可用于安全監控和自動化管理。此外，UWB也可應用于無鑰匙進入與車輛應用，像是Apple、Samsung等公司已將UWB應用于手機與智能門禁系統，可自動解鎖汽車或智能家居，BMW、Audi等車廠也開始采用UWB技術取代傳統RFID與藍牙開鎖，提升安全性。

UWB技術也可用于智能設備與無線數據傳輸，可支持效率較高的無線數據傳輸，適用于無線VR/AR裝置、高清影音傳輸等應用，適用于穿戴式設備（如智能手表、智能眼鏡）進行準確的近場通信。UWB也可應用于醫療與健康監測，可用于遠程病患監測，通過準確的運動傳感來分析健康狀況，通過UWB雷達技術，可進行心跳、呼吸率監測，無需穿戴額外傳感器。

在自動化生產線與機器人系統中，UWB可提供準確的定位信息，提升協作機器人（Cobot）的靈活性，像是在自動叉車、AGV（Automated Guided Vehicles）與AMR（Autonomous Mobile Robots）應用中，UWB可實現更準確的導航與避障。

UWB相較于Wi-Fi、Bluetooth（BLE）、RFID等其他無線技術，其最高精度可達10 cm級，主要應用為準確定位、無鑰匙解鎖，未來將可與5G和AIoT（人工智能物聯網）結合，提升智能城市與智能家居應用，或于車聯網（V2X）應用中提升車輛之間的準確通信與避障能力。此外，UWB還可拓展到更多消費級應用，如智能手機、電動車無線鑰匙等領域。UWB技術因其高精度、低功耗與安全性，未來將在多個領域發揮重要作用，成為無線通信與定位技術的關鍵趨勢。

UWB技術所面對的挑戰與發展趨勢

目前UWB芯片和模塊成本較高，相較于Wi-Fi和藍牙（BLE），UWB仍處于技術發展和市場推廣的初期，導致應用成本較高，影響市場普及率。此外，雖然UWB比Wi-Fi功耗低，但相較于BLE仍然偏高，在長時間運行的物聯網設備（如智能家居傳感器）上可能會影響電池續航能力。

UWB技術雖然已被IEEE 802.15.4z標準化，但各廠商仍可能開發不同的UWB解決方案，導致設備之間的兼容性問題。目前FiRa（Fine Ranging）聯盟正在推動統一標準，使不同品牌的UWB設備能夠互通，未來仍需更多業界合作來完善生態系統。

UWB的市場普及仍處于初期階段，目前主要應用于高階手機（如iPhone、Samsung Galaxy）、汽車無鑰匙進入（如BMW）、智能家居等領域，而中低端市場尚未大規模采用。物聯網和智能家居領域仍主要依賴Wi-Fi和BLE等成熟技術，UWB的滲透率需要時間提升。

另一方面，UWB的有效傳輸距離約為10~50 m，雖然在室內環境中優勢明顯，但在廣域網應用（如智能城市、大型工業場景）中，仍需與其他技術（如5G、Wi-Fi 6）搭配使用。此外，UWB技術使用3.1GHz-10.6GHz頻段，但各國對頻譜管理的政策不同，例如中國、歐洲、美國對UWB的頻段開放程度不同，可能影響技術部署與應用推廣。

隨著UWB芯片技術的進步，未來將推出更低功耗、更小尺寸的UWB模塊，使其能夠更普遍地應用于物聯網裝置，如智能門鎖、穿戴式設備、家用傳感器等，未來模塊成本有望降低，使其普及于中低端設備。且隨著FiRa聯盟正積極推動UWB標準化，未來有望實現不同品牌設備的互通。未來，UWB將與其他無線技術（如Wi-Fi、BLE、5G）整合，形成更完善的物聯網與智能家居生態系統，提升設備間的協同作業能力。

未來UWB應用將更加寬廣，像是智能家居與無鑰匙進入應用將進一步普及于智能門鎖、智能電視、智能音箱等家居產品，實現更準確的空間感知互動，結合AIoT，將可根據用戶位置自動調整燈光、空調、音響等設備，提高智能家居體驗。

UWB可應用于室內定位與資產追蹤，未來將大量應用于醫院病患追蹤、倉儲管理、工業資產監控等領域，提升管理效率，并在企業級應用迅速增長，例如機場行李追蹤、智能零售店內導航、物流供應鏈管理等場景，都將逐步導入UWB技術。

未來透過機器學習，將可優化UWB定位數據，提升識別精度，適用于智能監控與無人機導航，并可與5G互補，在低功耗、高精度定位場景（如工業物聯網、智能城市）發揮更大作用。

高度集成的低功耗UWB模塊

Murata針對物聯網應用推出了新版的 UWB 模塊 ── Type 2HQ，這是一款微小型UWB模塊，包括NXP的SR250 UWB芯片組、時鐘、濾波器和外圍器件，采用低功耗設計，非常適合集成UWB功能的物聯網設備，包括電池供電設備。

Type 2HQ采用NXP Trimension SR250芯片組，采用ARM Cortex-M33內核，符合IEEE 802.15.4z HRP PHY標準，支持UWB 5、9通道，最小UWB頻率為6240 MHz，最大UWB頻率為8240 MHz，具備SPI接口，可進行雙向測距和單向測距，測距精度可達±5 cm，支持到達角（3D AoA或2D AoA）功能，在±60°內的AoA精度可達±5°。

Type 2HQ擁有UWB雷達，支持OCPD（片上存在檢測），內嵌參考時鐘與睡眠時鐘，采用樹脂模制結合共形屏蔽結構，尺寸相當小，只有5.9 x 5.7 x 1.05 mm（最大），集成了BPF（帶通濾波器），可用于監管認證，FCC/IC/TELEC/ETSI參考認證正在規劃中，符合FiRa與RoHS標準。

Type 2HQ是市場上小巧、高度集成的UWB模塊，支持功率校準和晶體校準，睡眠時鐘采用內部晶體可達32.768kHz，系統時鐘采用內部晶體為38.4MHz，以及多天線設計和評估，采外接天線，不包括射頻連接器／天線，可在-30至85℃的溫度范圍工作，采用SMT安裝與LGA封裝，電源電壓（Vdc）在VDDIO 為1.8V或1.2V，VBAT為3.3V。

為加快客戶產品開發速度，Murata也推出UWB模塊Type 2HQ評估板，該評估板上包含Type 2HQ和Type 2FR（NXP RW612）USB-UART轉換IC，可通過USB電纜供電，也可通過PC的COM端口供電，Type 2HQ可以通過Type 2FR進行控制，尺寸為90 x 45 x 11.6 mm。

結語

UWB技術憑借其高精度定位、低功耗與強抗干擾能力，正在推動物聯網與智能家居技術的迅速發展。從無鑰匙進入、智能家電聯動、室內導航到精準資產跟蹤與安全監控，UWB為智慧生活帶來了更有效、便捷且安全的解決方案。隨著5G、AIoT及更多智能設備的普及，UWB將與其他無線技術協同發展，進一步提升人們的智慧生活體驗。然而，為了實現更普遍的應用，業界仍需克服設備成本、標準化整合等挑戰。未來，隨著技術進步與市場需求增長，UWB在智能家居與物聯網領域的影響力將持續擴大，為萬物互聯的時代奠定更穩固的基礎。。