如何避免WiFi和Zigbee的频道互相干扰问题

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    个人热点竟然逼停了地铁,在愈加复杂的环境下,无线数据通讯干扰又该如何防范?
  中国铁路于9月21日实施新的列车运行图,“复兴号”动车组将在京沪高铁率先实现350公里时速运营,我国成为世界上高铁商业运营速度最高的国家。这代表了中国有轨交通的高速发展和实力,但你是否知道深圳地铁2号线与5号线曾经在行驶过程中却多次被中断运行?

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图1 2.4Ghz信号干扰地铁运行
  经过数次检排,地铁运营方称,初步断定故障为乘客便携式Wi-Fi无线路由器干扰地铁运行信号系统所致,二者无线数据传输频段均为2.4GHz。
  这一系列急停事件,让公众聚焦国内信号通讯系统的安全风险。在当时,国内多个城市地铁线路使用着与深圳出事地铁线路一样的信号系统。
  如北京、上海等多地的地铁中均运用了这种技术,但为何独在深圳爆发出问题?深圳地铁集团称,由于深圳无线城市建设走在国内前列,此类便携式3G无线路由器使用人数越来越多,干扰地铁运营信号首先出现在了深圳市。
  当时专家分析认定深圳地铁信号系统产品存在缺陷,提出通过申请专用频段解决方案,而后全国地铁都有了专用频段通讯系统,例如沈阳地铁采用的800MHz频段TETRA数字集群调度系统。

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图2 地铁无线通讯系统
  这个案例虽说时间久远,是在Wi-Fi无线通讯技术刚兴起尚未充足发展的情况下,但也足以说明无线干扰问题的严重性。
  目前无线通讯技术迅猛发展,尤其在2.4GHz公众免费频段,Wi-Fi、Bluetooth以及zigbee应用日益广泛。

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图3 纵横交错的2.4GHz无线通讯
  下面两张图分别是Wi-Fi和zigbee的频段分布。

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图4 Wi-Fi工作频段分配

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图5 zigbee工作频段分配
  其中每个小频段便是我们常知的“信道”。
  每个国家自己制定政策如何使用这些频段,不同国家对于公众频段2.4GHz的分频不尽相同,例如中国支持1-13个信道,欧洲支持1-13信道,美国支持1-11信道,日本支持1-14信道。
  那么如此嘈杂的无线环境中如何避免信号间的干扰呢?我们今天以zigbee为例,简单学两招。
 
  既然我们定义了多个信道,每个信道工作在不同的频点,那么我们在复杂环境下进行通道合理分配。在同一工作区域内的相邻网络,使用不同的信道,载波频率不同,进而避免了相互干扰导致通讯效率降低。
  模块工作在不同的物理通道上,就可以直接实现将其它非同一网络中的节点信号拒之门外,两个网络互不干扰,物理实现划分网段的效果。

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图6 zigbee直接屏蔽不同信道信号
  可万一现场信号多,通道不方便设置呢?别怕,再学一招。
  我们都知道zigbee协议使用了一个16位的个域网标志符来标识一个网络,即为PanID。所有节点PanID唯一,一个网络互相通信的节点,PanID必须相同,用来控制 zigbee路由器和终端节点要加入哪个网络。
  由此亦可知,PanID是软件层面实现同一区域内网络间的隔绝,硬件底层是将所有通讯节点信号都进行了接收,可谓是“来者不拒”。
  而后利用软件程序对接收的数据发送节点PanID进行处理,滤除非同一PanID节点发上来的数据,实则“关门打狗”,进而实现有效的数据接收。

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图7 节点只与相同PanID节点通讯
  上面这两点是我们在设计zigbee无线通讯时非常重要的配置参数,也是最有效的避免网络间互相干扰的方式。除了这两点外,用户想保证数据稳定性更高,则需要进一步在应用层实现数据协议定义,这就看各位大神的自由发挥喽。
  ZLG致远电子基于NXP JN516x无线微控制器开发的一系列低功耗、高性能zigbee模块,提供界面化的配置工具,方便用户直接进行参数配置设置。

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 图8 ZLG致远电子zigbee配置工具
  通常情况下,我们Wi-Fi路由器默认的信道是“6”或者是“自动”,这在单一的无线网络环境中可以正常使用,但如果处于多个无线网络的覆盖范围内,无线路由器都使用默认的信道“6”,肯定会产生冲突的,影响无线网络的性能。
  所以,回去把你家里的Wi-Fi换个信道试试,也许上(kan)网(pian)更爽哦。
 

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