CN110365433A - ZigBee终端节点的抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ZigBee终端节点的抗干扰方法，包括：ZigBee终端节点受到干扰；ZigBee终端节点进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，然后在原信道不断向ZigBee协调器发送干扰报告；ZigBee协调器收到ZigBee终端节点的干扰报告后，进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，并根据ZigBee终端节点干扰报告中的各信道质量排序确定最优的信道，该信道即拟迁移的信道；ZigBee协调器在拟迁移的信道上新建ZigBee网络并广播，邀请原ZigBee网络中所有ZigBee终端节点加入新建的ZigBee网络；避开了ZigBee终端节点周围空间新增WIFI、BlueTooth设备或产品对该终端节点的干扰，增强了ZigBee终端节点通信可靠性。

Description

ZigBee终端节点的抗干扰方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是一种ZigBee终端节点的抗干扰方法。

背景技术

近20年来，随着物联网技术及应用的蓬勃发展，作为物联网感知层的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)重要性日益凸显，在国际上备受关注。麻省理工学院《技术评论》就将传感器网络评为“深远影响人类21世纪生活的十大新兴技术之首”；国内权威专家也提出“物联天下，感知先行”的理念。无线传感器网络能够获取物理量、化学量、生物量等客观信息，广泛应用于国防军事、工业控制、农业生产、城市管理、生物医疗、环境检测等领域，应用市场容量大，前景广阔。

ZigBee技术是WSN领域最重要通信技术之一，它采用IEEE802.15.4标准，具有低功耗、低速率的特点，在物联网中应用越来越广泛。ZigBee主要工作在2.4GHz的免费频段上，它将2.4GHz的免费频段划分为16个信道，每个信道带宽5MHz且相互不交叉。

但2.4GHz的免费频段同时也开放给WIFI、BlueTooth使用。这样，在同一空间中ZigBee、WIFI、BlueTooth三种无线通信技术就存在相互干扰的问题。由于ZigBee无线通信技术发射功率在上述三种无线通信技术中最低，因此更容易受到干扰而导致通信失败，影响整个ZigBee网络系统的正常运行。如图1所示，在拟建ZigBee网络的应用场景中已有WIFI设备A、B，Bluetooth设备C。拟建成的ZigBee网络容易受到应用场景中已有的WIFI、Bluetooth设备或产品干扰，导致ZigBee网络无法正常工作。

针对上述技术问题，现有的解决方案如图2所示，通过最优的ZigBee网络创建方法来避免或最小化同频段的WIFI、Bluetooth设备或产品产生的无线干扰。具体步骤如下：①包含ZigBee协调器的网关设备上电，系统启动。②ZigBee协调器启动，完成硬件、协议栈等的初始化。③初始化完成后，ZigBee协调器开始扫描第一个信道。④ZigBee协调器将扫描信道的无线信号质量记录下来，和信道之间建议对应关系。⑤ZigBee协调器判断是否已扫描完最后一个信道，如果还未扫描完最后一个信道，则将指向下一个信道⑥，继续进行信道质量扫描并记录，直到扫描完所有的信道再进入下一步(第⑦步)。然后将所有信道按其信号质量排序(第⑦步)，并确定最优的ZigBee信道(第⑧步)。然后在这个信道上新建ZigBee网络并广播(第⑨步)，根据客户需要增加ZigBee终端节点设备入网，最后形成一个实际应用中的ZigBee网路(第⑩步)。成功地避开已有的2.4GHz设备(WIFI设备A、B和Bluetooth设备C)的干扰，或者将其对ZigBee网络的干扰影响降低到最低限度。

但在实际应用中，随着时间的推移，新的无线通信设备或产品不可避免会出现在上述的ZigBee网络空间中。这些新的无线通信设备或产品中很可能会有同样采用2.4GHz频段的WIFI、BlueTooth设备或产品，同理这些WIFI、BlueTooth设备或产品选择的信道频率有可能和上述ZigBee网络信道交叉重合。当这种情况发生的时候，处于这个物理区域内的低功耗的ZigBee终端节点必然会被较强的WIFI、BlueTooth信号干扰，无法正常工作。

如图3所示，在已建成的ZigBee网络空间中，出现新增的WIFI设备D工作信道正好覆盖了已有ZigBee网络所在信道。新增的WIFI设备D离ZigBee协调器非常近，它的干扰强度可能超过ZigBee协调器能承受的范围，ZigBee协调器无法再和原来的ZigBee网络中的ZigBee设备保持通信。

对于这一问题，现有的解决方法如图4所示。通过信道迁移创建新的ZigBee网络来避免或最小化同频段的WIFI、Bluetooth设备或产品产生的无线干扰。具体步骤如下：①ZigBee协调器受到干扰，进入干扰强度分析模块②，如果干扰强度没有超过ZigBee网络允许的容限，则按原状态继续正常工作。如果干扰强度分析模块判断干扰强度超过了ZigBee网络允许的容限，则按前述新建ZigBee网络的方式重新启动信道扫描、排序、选择最优信道建并通过广播告知原ZigBee网络中的所有节点：该ZigBee网络即将迁移到新信道上(第⑧步)。然后在这个信道上新建ZigBee网络并广播(第⑨步)，邀请原ZigBee网络中所有节点加入这个新建的ZigBee网络。至此，信道迁移结束，原ZigBee网络中所有的设备在新信道上正常通信。这样就避开新增的2.4GHz设备(WIFI设备D)的干扰，或者将其对ZigBee网络的干扰影响降低到最低限度。

但如果新增的WIFI设备D不是在已有ZigBee网络中的协调器附近，而是在其终端节点附近。如图5所示，在已建成的ZigBee网络空间中，出现新增的WIFI设备D工作信道正好覆盖了已有ZigBee网络所在信道。新增的WIFI设备D离ZigBee协调器较远，干扰在允许的范围内，现有的ZigBee网络大部分还能正常工作。但新增的WIFI设备D离ZigBee终端节点3非常近，它的干扰强度可能超过ZigBee终端节点3能承受的范围，ZigBee终端节点3无法再和原来的ZigBee协调器保持通信。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种ZigBee终端节点的抗干扰方法，避开了ZigBee终端节点周围空间新增WIFI、BlueTooth设备或产品对该终端节点的干扰，增强了ZigBee终端节点通信可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种ZigBee终端节点的抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤一、ZigBee终端节点受到干扰，ZigBee终端节点判断干扰强度是否超过容限，如果干扰强度未超过容限则不进入本方法流程，如果超过ZigBee终端节点通信能承受的容限则进入步骤二；

步骤二、ZigBee终端节点进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，然后在原信道不断向ZigBee协调器发送干扰报告，该干扰报告内容包括该ZigBee终端节点受到了干扰及各信道质量排序；

步骤三、ZigBee协调器收到ZigBee终端节点的干扰报告后，进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，并根据ZigBee终端节点干扰报告中的各信道质量排序确定最优的信道，该信道即拟迁移的信道；

步骤四、ZigBee协调器在拟迁移的信道上新建ZigBee网络并广播，邀请原ZigBee网络中所有ZigBee终端节点加入新建的ZigBee网络。

作为一种优选的实施方式，所述步骤二中，ZigBee终端节点收到ZigBee协调器的响应，发送干扰报告成功后进入等待ZigBee协调器通知迁移信道的状态。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤四中，ZigBee协调器根据不同的权重来确定最优的信道。

本发明的有益效果是：当ZigBee终端节点被干扰时，被干扰的ZigBee终端节点首先进行全部ZigBee信道扫描，探测各个信道中已有无线信号强度及干扰，综合分析评估，对信道通信质量进行排序；然后在原信道不断给ZigBee协调器发出干扰报告，告知协调器该ZigBee终端节点被干扰了且ZigBee终端节点周围空间中ZigBee信号质量，直到协调器回复，ZigBee协调器收到ZigBee终端节点发送干扰报告后，综合评估给出新的通信信道并广播告知ZigBee网络中的所有ZigBee终端节点，ZigBee协调器在新的信道建立新的ZigBee网络，然后邀请原ZigBee网路中的所有ZigBee终端节点将通信信道迁移到新信道上，在新信道建立正常的ZigBee通信；避开了ZigBee终端节点周围空间新增WIFI、BlueTooth设备或产品对该ZigBee终端节点的干扰，增强了ZigBee终端节点通信可靠性。

附图说明

图1为ZigBee网络建立时的无线环境示意图；

图2为ZigBee网络创建时的抗干扰流程框图；

图3为已有ZigBee网络中新增干扰源在协调器附近的无线环境示意图；

图4为ZigBee网络中传统的抗干扰流程框图；

图5为本发明实施例一中已有ZigBee网络中新增干扰源在终端节点附近的无线环境示意图；

图6为本发明实施例一中ZigBee终端节点抗干扰流程框图；

图7为本发明实施例二的ZigBee网络的无线环境示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一

如图5所示，在已建成的ZigBee网络空间中，出现新增的WIFI设备D工作信道正好覆盖了已有ZigBee网络所在信道。新增的WIFI设备D离ZigBee协调器较远，干扰在允许的范围内，现有的ZigBee网络大部分还能正常工作。但新增的WIFI设备D离ZigBee终端节点3非常近，它的干扰强度可能超过ZigBee终端节点3能承受的范围，ZigBee终端节点3无法再和原来的ZigBee协调器保持通信。

如图6所示，本实施例提出一种ZigBee终端节点的抗干扰方法，首先是ZigBee终端节点受到干扰①，然后ZigBee终端节点判断干扰前度是否超过容限②，如果未超过容限则不需启动抗干扰方案继续正常工作；反之，如果超过ZigBee终端节点通信能承受的容限则启动抗干扰方案。ZigBee终端节点启动抗干扰方案后，像ZigBee协调器一样进行ZigBee信道扫描、信号质量记录、各信道质量排序(第③至⑥步)。然后在原信道不断向ZigBee协调器发送干扰报告，该报告内容包括该节点受到了干扰及各个信道质量排序(第⑧步)。ZigBee终端节点发送干扰报告成功(收到ZigBee协调器响应)后，进入等待协调器通知迁移信道的状态(第⑨步)。

ZigBee协调器收到终端节点被干扰的报告后(第12步)，和建立新ZigBee网络一样进行ZigBee信道扫描、信号质量记录、各信道质量排序(第13至16步)。然后结合被干扰的ZigBee终端节点发过来的干扰报告，确定最优的信道(第17步)，这个信道就是拟迁移的信道。然后通过广播告知原ZigBee网络中的所有节点：该ZigBee网络即将迁移到新信道上。接着，ZigBee协调器在这个信道上新建ZigBee网络并广播，邀请原ZigBee网络中所有节点加入这个新建的ZigBee网络。至此，信道迁移结束，原ZigBee网络中所有的设备在新信道上正常通信。这样就避开新增的2.4GHz设备(WIFI设备D)对终端节点3的干扰，或者将其对ZigBee终端节点3的干扰影响降低到能容忍的限度。

本实施例中ZigBee终端节点上报的干扰报告中有信道质量排序，得到这个排序的算法和ZigBee协调器一样，不同的是这个排序是根据ZigBee终端节点所处无线环境得到的，一般情况下排序结果和ZigBee协调器(包括其他在不同空间的节点)的不一致；传统的ZigBee协调器受到干扰后，它将组织实施网络信道迁移。ZigBee终端节点受到干扰，ZigBee协调器不会因此启动网络信道迁移。这种情况下，被干扰的ZigBee终端节点会离线，ZigBee协调器没有尝试迁移信道帮助终端保持通信。本实施例如果ZigBee终端节点受到干扰，上报给ZigBee协调器，ZigBee协调器需要了解网络(包含其他节点)整体的信号质量，按不同的权重(比如ZigBee协调器、路由器权重比单个ZigBee终端节点权重大)确定最优信道然后迁移信道，尽可能帮助网络中最多的节点保持通信。

实施例二

如图7所示，该实施例是一种基于实施例一的智能家居系统，该系统中包含了ZigBee子网(含智能家居网关中的ZigBee协调器、ZigBee燃气传感器、ZigBee水浸传感器、ZigBee窗帘、ZigBee门磁传感器、ZigBee温湿度传感器)、WIFI设备(电视、冰箱)、蓝牙设备(智能音箱)。其中智能家居网关位置在客厅中，ZigBee温湿度传感器在主卧中，主卧与领居家隔一堵墙。

刚开始建立智能家居系统时智能家居网关中的WIFI模组、WIFI电视、WFI冰箱都工作在WIFI的1信道(频带范围为2402MHz～2422MHz)，蓝牙智能音箱工作信道频带范围为2435MHz～2436MHz。ZigBee协调器建立网络时优选的信道是20信道(频带范围为2447.5MHz～2452.5MHz)，整个智能家居系统工作正常。智能家居系统工作后一段时间以后，邻居家购入一WIFI加湿器，WIFI加湿器和原智能家居中的ZigBee温湿度传感器仅仅隔一堵墙。WIFI加湿器工作信道频带范围为2432MHz～2452MHz(WIFI第7信道)对ZigBee温湿度传感器无线通信形成了较强的干扰，导致通信异常。

本实施例的智能家居中ZigBee温湿度传感器抗干扰处理流程及步骤如下：

(1)ZigBee温湿度传感器通信异常后，首先检查原工作信道信号质量，发现在原通信信道(20信道<频带范围为2447.5MHz～2452.5MHz>)中有干扰，干扰信号强度已经超过了温湿度传感器ZigBee通信所能承受的容限。ZigBee温湿度传感器就启动抗干扰处理流程。

(2)ZigBee温湿度传感器启动抗干扰处理流程后首先进行ZigBee全信道扫描、记录各信道信号质量。所有信道扫描完成后，按各信道通信质量进行排序，并封装成干扰报告。然后在原信道不断向ZigBee协调器(在智能家居网关中)发送干扰报告，直至ZigBee协调器响应确认干扰报告发送成功，最后等待ZigBee协调器(在智能家居网关中)通知迁移信道。

(3)ZigBee协调器(在智能家居网关中)收到ZigBee温湿度传感器被干扰的报告后，和建立新ZigBee网络一样进行ZigBee信道扫描、各信道信号质量记录、各信道质量排序。然后结合ZigBee温湿度传感器发过来的干扰报告，进行分析处理，确定最优的信道(本实施例中最后确定的最优信道为25信道<频带范围为2472.5MHz～2477.5MHz>)，25信道就是拟迁移的信道。

(4)ZigBee协调器(在智能家居网关中)通过广播告知原智能家居网络中的所有ZigBee设备(即ZigBee燃气传感器、ZigBee水浸传感器、ZigBee窗帘、ZigBee门磁传感器、ZigBee温湿度传感器)：ZigBee网络即将从20信道迁移到25信道上。ZigBee协调器(在智能家居网关中)在25信道上新建ZigBee网络并广播，邀请原ZigBee网络中所有节点(即ZigBee燃气传感器、ZigBee水浸传感器、ZigBee窗帘、ZigBee门磁传感器、ZigBee温湿度传感器)迁移到新信道入网。

(5)ZigBee温湿度传感器收到第(3)步中ZigBee协调器(在智能家居网关中)发出的信道迁移广播后，迁移到25信道发出入网请求信标。ZigBee协调器(在智能家居网关中)在25信道收到ZigBee温湿度传感器发出的入网请求信标后，确认是原网络中的设备，则直接允许其入网，然后在25信道正常通信。其他的ZigBee终端节点(即ZigBee燃气传感器、ZigBee水浸传感器、ZigBee窗帘、ZigBee门磁传感器)也通过同样的操作方法迁移到25信道加入新的ZigBee网络。这样智能家居ZigBee网络中的所有设备都迁移到25信道正常通信。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种ZigBee终端节点的抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、ZigBee终端节点受到干扰，ZigBee终端节点判断干扰强度是否超过容限，如果干扰强度未超过容限则不进入本方法流程，如果超过ZigBee终端节点通信能承受的容限则进入步骤二；

步骤二、ZigBee终端节点进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，然后在原信道不断向ZigBee协调器发送干扰报告，该干扰报告内容包括该ZigBee终端节点受到了干扰及各信道质量排序；

步骤三、ZigBee协调器收到ZigBee终端节点的干扰报告后，进行ZigBee信道扫描、信号质量记录和各信道质量排序，并根据ZigBee终端节点干扰报告中的各信道质量排序确定最优的信道，该信道即拟迁移的信道；

步骤四、ZigBee协调器在拟迁移的信道上新建ZigBee网络并广播，邀请原ZigBee网络中所有ZigBee终端节点加入新建的ZigBee网络。

2.根据权利要求1所述的ZigBee终端节点的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤二中，ZigBee终端节点收到ZigBee协调器的响应，发送干扰报告成功后进入等待ZigBee协调器通知迁移信道的状态。

3.根据权利要求1所述的ZigBee终端节点的抗干扰方法，其特征在于，所述步骤四中，ZigBee协调器根据不同的权重来确定最优的信道。