Zigbee 3.0标准设计与应用常见问答

SiliconLabs 2020-08-13 00:00 1596浏览 0评论 0点赞

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智能家居设备开发人员正密切关注着新一代Zigbee 3.0无线标准的基础技术到网关，再到硬件开发的各个层次，如何将该技术完美地应用在智能照明、门锁、恒温器等家居自动化设备更是引发了热烈的讨论。本文整理了目前开发Zigbee 3.0应用的十个常见问答，从而帮助设计人员更快掌握相关的设计与验证技巧。欢迎点击 “阅读原文”参考运用。

扩频相比定频，在环境复杂的情况下会更稳定吗？ Zigbee 未来有跳频率计划？

扩频相比非扩频，在环境复杂的情况下会更稳定，这是正确的。扩频技术更稳定的原理是信号经过两次相关运算(correlation)，在接收端被恢复。而同频干扰噪声仅经过一次相关运算，被“扩频”成了功率极低的伪噪声。具体多低取决于扩频参数。扩频技术比跳频技术有更强的抗噪声能力，其代价也很明显——更低的通信效率。“扩频+跳频”没有实际意义，Zigbee也没有这个计划。

通常跳频是为了保证通讯质量而快速地在不同频道之间切换并在此过程中避开受干扰的频道。Zigbee应用中实现频道的迁移理论上是可行的，技术上可以实现。但是通常Zigbee网络都是工作在异步通信状态，工作频道的迁移耗时较长，且对电池设备的使用寿命有很大影响，因此在环境复杂且变化较快的情况下并不推荐使用。

Zigbee 于 2.4G 频段的信号穿透性与室内墙体厚度的关系？临界值是多少？

2.4G波长约是12.5cm,那是否可以说明墙体厚度大于12.5cm（有些楼盘有40cm厚）就无法穿透或衰减，如果是，怎么衰减，怎么穿透墙体？有没有从波峰穿或从波谷穿的差异性？希望能说明一下不同墙体厚度下的网关位置部署问题。

无线信号传输距离的理论说明请参考https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN5142.pdf

网关的位置部署要看具体的环境以及周围物体的材质，理想的位置应该处于网络覆盖空间的中心位置，且周围净空。另外，除了穿透材质对信号带来的衰减外，信号的反射，周围物体是否移动都会对信号的传输带来很大影响。

不同国家和地区对无线信号的最大传输功率都有相应的强制法规加以限制，因此在产品设计时不能随意提高发射功率。比如按国内最新规定(中华人民共和国工业和信息化部公告2019年第52号及其附件微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求)，工作在2400-2483.5MHz的设备，最大发射功率限值为10mW(e.i.r.p)，即10dBm。

为提高Zigbee网络的传输可靠性，除了在法规允许的范围下提高发射功率，增加接收灵敏度外，更应该通过合理的布置路由设备来充分利用Zigbee mesh网络的特点以达至信号的合理覆盖。

常见建筑材料对2.4GHz信号的衰减大致如下图（取自互联网，仅供参考）

同一款天线用在不同产品上天线效率、增益和通信距离一样吗？不同产品外壳，对天线有影响吗？

尽管天线的尺寸设计完全相同，但如果不同产品所用的PCB材质参数不同，板子的尺寸不同，天线附近的元器件摆放位置不同，参考地平面的设计或者面积不同，那么天线的效率和增益肯定会有差别，也可能会直接影响到通信距离。另外，产品外壳的材质，安装螺丝的位置等等因素也会对天线的性能有所影响。上面假设问题里的天线指的是PCB天线，但道理同样适用于其它成品天线。

不同的天线对功耗有影响吗？

这需要考虑两方面的因素。首先，如果天线的谐振点偏离2.4G，天线阻抗与标准的50ohm相差太远，那么可能会直接导致芯片的射频收发模块功耗偏高。其次，即便两个天线的谐振点和阻抗匹配指标都不错，但是可能由于效率和增益上的差异依然会造成通信效果的不同。如果恰好使用性能较差天线的产品处于临界距离上，则这个产品可能会由于重传，重新查找路由等多余操作造成功耗消耗增大。

组网后单跳临界距离上的设备不稳定，总是重新查找路由更换路径导致丢包的问题有没有好的解决方案？

这确实是一个具普遍性的问题，毕竟每一个设备都是有自己的发射/接收性能极限的，必然有自己的单跳临界距离。问题里描述的现象除了会造成网络通信问题，也可能会造成ZED功耗偏大。这里提供解决这个问题的一个思路，将设备join/rejoin过程中的LQI标准提高，使得join/rejoin成功的距离小于单跳临界通信距离，这样在网络的搭建和调试过程中就会最大程度的避免使设备工作于单跳临界距离。

多协议芯片的 SubG 和蓝牙或者 Zigbee 是不是可以同时发送同时接收？

物理层是分时间片的，但从应用层看是同时发送同时接收的。

目前国内大概有多少个 Zigbee 3.0 的认证产品，覆盖多少家品牌？

目前中国成员认证的Zigbee 3.0产品已经达到近200款，覆盖品牌达30多种，包括立达信、涂鸦、小米、云丁、九洲光电、Aqara、生迪、海曼和天都照明等等，具体可以查询Zigbee联盟官网的认证产品清单https://zigbeealliance.org/classic-product-search/

如何避免 WiFi 和 Zigbee 之间的无线干扰？特别是在动态扫描的情况下。

处理的方式包含硬件和软件两个部分，详细可以参见文档(https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an1017-coexistence-with-wifi.pdf)