浅谈ZigBee无线标准与XBee ZigBee模块

无线一词已成为我们日常生活的一部分，我们已被无数的无线设备所包围，例如移动(流动)电话、警报系统、闸门控制器、无线上网、无线键盘等。在主要制造商的协助下，已经有数种无线数据传输标准陆续出现——比如Bluetooth和Wi-Fi，是目前准备要征服全世界。但是一切事情似乎颇为复杂，纵使你是一位富有经验的技术人士，到底应如何解决这样问题呢?数之不尽的半导体制造商生产的IC皆可根据一些常用的技术或其他便可用作无线通信，甚至有些微控制器也可达至此目的，虽然大部分都是很昂贵及往往在电子零件店里找不到，Chipcon CFC2440就是一个很好的例子，纵使你勉强克服了一般的设计问题，作为一位设计师要预先知道在某个时间会出现完全不同类别的问题：需要一个RF输出级和适合的天线。这个输出级是困难重重的，不管你如何小心谨慎于寄生电感上，它们仍使你非常头痛，因为你的设计是好是坏都在此处反映出来。电子制造商也留意到这个问题，所以现在提供有现成的“RF方案”，尤其是支持ZigBee协议的。

图. 采用两个XBee模块的数据传输系统

一、ZigBee概述

ZigBee是基于无线通信标准的一个名称，基本上为工业应用而开发的。从历史角度来看，ZigBee改良早前称为“Home RF”的标准，该标准起初前景一片光明，可是因竞争对手Wireless Fidelity(Wi-Fi)标准的成功，它就被废弃了。Home RF寿命如此短促，至少发人深醒，也教人忧虑，是否历史会不断重演?这次的状况却大不相同，因为ZigBee由主要的参与者如Digi、TI、Freescale、Honeywell、Philips、Microchip及Mitsubishi等支持，并且联同大约一百家其他制造商组成“ZigBee Alliance”。

ZigBee原是依据于IEEE 802.15.4标准，并且采用与Wi-Fi同一频带(2.4GHz)，它有16个分开的频道，换言之在单一位置上可提供多达16个网络而不会互相干扰。最大数据传输速率为250Kb/s(在100m范围内)，相比于Wi-Fi的54Mb/s或BlueTooth的1MB/s，此数据速率实在是很低了，可视之为ZigBee的弱点。可是，这协议原意是用作工业用途，在速度上不是主要考虑的。ZigBee是为满足低电流损耗和尤其是低成本需求而开发的。表1比较上述提到三种无线通信技术。

表1 Zigbee/BlueTools/wifi比较

种类	ZigBee	BlueTools	Wifi
单点覆盖距离	50-1600m	10m	50m
网络扩展性	自动扩展	无	依赖现有网络
电池寿命	数年	数天	数小时
复杂性	简单	复杂	复杂
传输速率	250Kbps	1Mbps	1 to 54Mbps
频段	868M、916MHz、2.4GHz	2.4GHz	2.4GHz
网络节点数	65535	8	50
联网时间	30ms	10s	3s
终端设备费用	低	低	高
使用费用	无	无	无
安全性	128 bit AES	64bit，128 bit	SSID
集成度和可靠性	高	高	一般
成本	低	低	一般
使用难度	简单	一般	难

二、ZigBee模块

MaxStream是一家非常有名的无线通信元件制造商，现在已经归于DIGI公司旗下，在其ZigBee产品上加了一个很贴切的名称XBee，XBee小型但却是一个功能完善的ZigBee收发器(即接收器/发射器)，它是双向操作，在意义上来讲它可交替地发射或接收数据(半双工式)。

Digi提供有两种版本，XBee和XBee PRO两版本都是有相同的功能和引脚兼容如图二所示，唯一的差异是发射功率，XBee为最大2mW，而XBeePRO则最大50mW。发射功率当然是一个重要因素，因为最终产品的距离就决定于它的身上，但这绝不是唯一你要考虑的事情。

进一步考虑的是要符合法定的需求，最大辐射功率是由使用者当地的法律制定，在欧洲的应用限制为10mW。为要令它可以符合这个要求，Digi已在XBee内实行一个配置参数，可用来设定发射功率。

XBee带有多种不同类型的天线：

1. 整合于芯片内里，在这情况下辐射能量实际是非定向。

2. 备有天线插座，供连接外部天线。

3. 整合有垂直(鞭型)天线，给予比选择1有更佳的方向特性。

4. U.FL型按扣天线

三、软件

低成本的XBee模块很容易经标准串行接口连接，譬如常见于微控制器的UART或PC上的COM接口(RS232)，在115,200 baud的最高速率上传输。可是，XBee是由3.3V电源操作，而并非像大部分数字电路的5V电源，正如在图3的方框图上所见，两类逻辑之间作直接相连是不可行的。

除此以外，你不需有使用该模块的任何特殊知识，所以无须明白ZigBee协议才去开始，模块为你做好每一样事情，它是一个“智能”系统，即是说模块含有可接受来自使用者命令的控制逻辑。这些命令乃由制造商规定。

在你可以发出一个命令之前，须将XBee置于“等待命令”状态。要使它进入此状态，便要给它一串三个+字符(hex 2B)，即“+++”。之后，XBee期待收到一个以Hayes格式的命令，这命令总是以ASCII码的“AT”(代表“attention”)，紧跟着的才是实际命令及任何命令参数(如有)，命令串由一个Carriage Return(CR)回车字符作终结。XBee模块执行该命令，然后报告命令是否成功处理，如一切已按命令去做，XBee便回应“OK”;否则，会从模块收到一个错误信息。

图3：AT命令语法

另外，还有一个X-CTU软件，令到一切事情甚至更加方便，可用它来配置XBee模块的所有参数，不过先要将XBee模块连接至PC的COM接口(因信号电平不同须经适配器)，另外亦可用X-CTU来测试模块和升级固件。

四、模块内的数据缓存

无线链路上总是半双工通信，用一条天线作发射或接收，但非两者在同一时间。不过，Xbee模块可以通过分时的方式达到UART端的同时发射和接收(全双工模式)。图4揭示了该原理。

图4 XBee模块内部框图

XBee模块内有发射(RF TX)缓存和接收(RF RX)缓存，每一缓存提供100bytes暂时存储的地方，数据可以从两个方面同时抵达。发射数据来自UART，以及接收数据来自RF链路经天线而来。当天线正在接收无线数据时，它不能在同一时间发射无线数据，因此，将要发射的数据可暂时存储在发射缓存里，而收到数据就堆放在接收缓存内。只要RF端数据流停止，XBee模块将天线从接收切换至发射，并且将发射缓存内的数据发送到大气去，与此同时，UART清空接收缓存，把里面的数据传输给应用设备。

这虽是一个单纯系统，但不是完全完美。应用上如有大量数据要发送时就很容易令发射缓存过载，关于这个问题Digi提供一个“满载”警告。只要应用设备填入数据至已届发射缓存最后的17bytes(换言之有83bytes正等待发送)，第12脚即转高位，告知系统须暂时停止注入数据。发射缓冲器内容已减少至66bytes之后，第12脚再转低。

五、在实践中的XBee

图5 XBee模块的管脚定义，整个模块有20只引脚。

为求安全起见，再次提醒，最高电源电压是3.3V，超过这电压结果只会令你珍贵的XBee永久损坏。电源电压须经由100nF电容器退耦合，并尽可能靠近第1和10两脚之间。 第2及3两脚提供通信。第5脚很重要∶逻辑1(3.3V)启动XBee模块，而逻辑0禁止它。从第5脚接10kΩ上拉电阻至第1脚可保证模块在接通电源之时即被启动。第9脚有多种功用选择，由内部参数决定当中哪一个被使用，最重要的功能是休眠状态，只要内部SM寄存器不是在逻辑0，模块便在沉睡之中。

第7脚提供脉宽调制(PWM)信号，此是与最近收到的RF信号成比例的，它有8.32ms时期，相当于120Hz，LED发光二极管及其他光效应器件可将之转换成模拟信号，并利用它作为一个信号强度指示灯(只需一个RC网路和一个LM3914)。这亦可以由软件去做，因为最近收到的信号强度存放于内部DB参数上，正如其名称所指，这是给予dBm RF单位的数量(相对于1mW的分贝数)，可用以下的方程式作dBm RF与mW(P)之间的对换;dBm = 10logP [dB] 或P = 10(dBm/10)[mW]

试举例∶0dBm = 1mW，10dbm = 10mW，20dBm = 100mW，30dBm = 1W。所有例子都是针对RF计算的。

审核编辑：汤梓红