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米智能家庭套装如何实现ZigBee与Wi-Fi共存

小米智能家庭套装在2015年1月26号进行1元公测,智能套装里面包括多功能网关、人体传感器、门窗传感器、无线开关。

众所周知,小米的智能套装包含的4件套,人体传感器、门窗传感器、无线开关与多功能网关采用的是基于NXP的一颗工业级ZigBee射频芯片--JN5168进行组网通讯。而多功能网关是通过Wi-Fi技术接入到小米云和其它智能设备。

在上图中,我们可以看到小米的多功能网关将ZigBee芯片JN5168和Wi-Fi模块集成到一个小小的电路板上。这个ZigBee方案和广州致远电子推出的ZM5168的ZigBee模块是同一个方案,我们通过查询ZM5168的产品介绍知道,这个芯片使用的ZigBee频道是全球免费频道2.4GHz。Zigbee协议802.15.4标准把2.4 GHz 的ISM频段划分为16 个信道,每个信道带宽为2 MHz,ZigBee频谱列表如下所示。

Wi-Fi 在802.11b/g的标准的工作频段为2.4GHz(2.4GHz-2.4888GHz),划分为14个信道,每个信道带宽为22MHz , Wi-Fi频谱列表如下所示:

从ZigBee与Wi-Fi工作时的频谱我们可以看到,他们工作的频率是互相冲突的。在前人的研究中,我们知道,Wi-Fi干扰的存在导致ZigBee网络丢包率高达58%,从发射功率、CSMA机制的回退时间、数据帧间隔这些参数,都可以看出Wi-Fi节点在获取信道方面具有压倒性优势,因而对ZigBee网络的通讯性能产生严重影响。

那么,类似如小米智能家庭套装网关将WiFi和ZigBee在一起工作的智能网关,是如何实现ZigBee与Wi-Fi共存的呢?这是一个亟待解决的问题,并直接影响着ZigBee网络能否在智能家居普及的重要因素。针对这个问题,小编提出几点个人看法,供大家参考。

解决办法一:智能网关里面的ZigBee网络和Wi-Fi采用分时通讯机制,避开冲突。并在通讯时将智能网关尽量远离Wi-Fi路由器,通过电磁波在空气中传输时的衰减,来减少路由器Wi-Fi信号对ZigBee信号的干扰。

解决方法二:方法一只是在物理上解决Wi-Fi信号对ZigBee网络的干扰,但是在实际应用中,智能网关和路由器的距离是不可控的,或者是由使用者的使用习惯和家庭布局决定的,那么我们就只有通过ZigBee的抗干扰算法,实现自动规避Wi-Fi信号对ZigBee网络的干扰。

这里小篇提出一种叫MuZi—Mulit Channel Zigbee(多通道ZigBee)通讯机制算法,实现自动规避Wi-Fi信号对ZigBee网络的干扰。

首先,通过ZigBee的CCA(信道空闲评估)机制,启动干扰检测,对周围范围内的干扰级别进行评估,如果认为周围的Wi-Fi干扰达到一定程度,将对链路性能造成加大影响,则启动信道切换过程。ZM5168的ZigBee模块内置的FastZigbee协议内置了特有的干扰检测算法。

其次,进行信道切换,信号切换时,为了避免过多的信号切换,我们需要尽可能的最小化全网的目标的信号的数量。因此,在每个节点都会维护一张邻居信道表,每个表项记为 ,其中Ngh为临近节地址ID,Ch为Ngh的当前工作信道。每当信道切换时,它将其选择的目标信道通知其临近节点。

最后,需要对整个网络的连通性进行维护,在确保临近节点切换成功后,重建临近节点信道表。