ZigBee與XBee模塊概述

ZigBee是給予無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)名稱，基本上為工業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。從歷史角度來(lái)看，ZigBee改良早前稱為“Home RF”的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)起初前景一片光明，可是因著競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Wireless Fidelity（Wi-Fi）標(biāo)準(zhǔn)的成功，它就被廢棄了。Home RF壽命如此短促，至少發(fā)人深醒，也教人憂慮，是否歷史不斷在重復(fù)之中。然而，可保證這個(gè)想法是莫須有的，因?yàn)閆igBee由主要的參與者如Freescale（此乃Motorola的子公司）、Honeywell、Philips、Microchip及Mitsubishi等所支援，并且聯(lián)同大約一百家其他制造商組成名為“ZigBee Alliance”的財(cái)團(tuán)。這財(cái)團(tuán)也獲得Microsoft創(chuàng)辦人之一的Paul Allen的支持 ─ 最近在該財(cái)團(tuán)投資數(shù)百萬(wàn)美元。

 
圖5. XBee模塊的內(nèi)部方框圖

圖6. XBee一切功能就安放於這大小不足7立方厘米的封裝內(nèi)

ZigBee原是依據(jù)於IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并且采用與Wi-Fi同一頻帶（2.4GHz），它有16個(gè)分開(kāi)的頻道，換言之在單一位置上可提供多達(dá)16個(gè)網(wǎng)絡(luò)而不會(huì)互相干擾。最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s ─ 在100米范圍內(nèi)，相比於Wi-Fi的54Mb/s或BlueTooth的1MB/s，此數(shù)據(jù)速率實(shí)在很低了，可視之為ZigBee的弱點(diǎn)?？墒牵缦惹疤岬?，這協(xié)議原意用作工業(yè)用途，在速度上不是主要考慮的。ZigBee是為滿足低電流損耗和尤其是低成本需求而開(kāi)發(fā)的。表1比較上述提到三種無(wú)線通信技術(shù)。

XBee模塊

MaxStream是一家非常有名的無(wú)線通信元件制造商，在其最近的產(chǎn)品上加了一個(gè)很貼切的名稱 ─ XBee，XBee是小型但不過(guò)是完備的ZigBee收發(fā)器（即接收器/發(fā)射器），它是雙向操作，在意義上來(lái)講它可交替地發(fā)射或接收數(shù)據(jù)（半雙工式）。

MaxStream提供有兩種版本；XBee和XBee PRO兩版本都是有相同的功能和引腳兼容（查明名稱“interchangeable”（可互換） ─ 圖1），唯一的差異是發(fā)射功率，XBee為最大1mW，而XBee PRO則最大63mW。發(fā)射功率當(dāng)然是一個(gè)重要因素，因?yàn)樽罱K產(chǎn)品的距離就決定於它的身上，但這絕不是唯一你要考慮的事情。

另一項(xiàng)至少認(rèn)為重要的考慮，發(fā)射功率高意味著電流損耗也大。1mW的發(fā)射功率經(jīng)已花費(fèi)大約45mA，而從天線輻射63mW出外就要從電源中轉(zhuǎn)移可觀的270mA，換言之勿妄想以電池來(lái)供電給電路 ─ 你想要的只是一個(gè)無(wú)線模塊罷了！

進(jìn)一步考慮的是要符合法定的需求，最大輻射功率是由使用者當(dāng)?shù)氐姆芍贫?，在歐洲的應(yīng)用限制為10mW。為要令它可以符合這個(gè)要求，MaxStream已在XBee內(nèi)實(shí)行一個(gè)配置參數(shù)，可用來(lái)設(shè)定發(fā)射功率。

各位如小心察驗(yàn)本文附隨的照片時(shí)，應(yīng)見(jiàn)到XBee帶有三種不同類型的天線（圖2）。
1. 整合於芯片內(nèi)里，在這情況下輻射能量實(shí)際是非定向。
2. 備有天線插座，供連接外部天線。
3. 整合有垂直（鞭型）天線，給予比選擇1有更佳的方向特性。

軟件

低成本的XBee模塊很容易經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)串行接口連接，譬如常見(jiàn)於微控制器的UART或PC上的COM接口（RS232），在115,200 baud的最高速率上傳輸，可是，XBee是由3.3V電源操作，而并非像大多數(shù)數(shù)字電路的5V電源，正如在圖3的方框圖上所見(jiàn)，換言之萬(wàn)不能只將“正常”數(shù)字信號(hào)施加至XBee輸入去，所以兩類邏輯之間作直接相連是不可行的，在後面再有深入講述這一方面。

除此以外，你不需有使用該模塊的任何特殊知識(shí)，所以無(wú)須查考ZigBee協(xié)議才去開(kāi)始，模塊為你做好每一樣事情，它是一個(gè)“智能”系統(tǒng)，即是說(shuō)模塊含有可接受來(lái)自使用者命令的控制邏輯。這些命令乃由制造商規(guī)定。

倘若你開(kāi)始恐懼事情發(fā)展下去看越來(lái)越復(fù)雜，任何人只要對(duì)微控制器編程略有經(jīng)驗(yàn)都不會(huì)為此而皺眉頭，查實(shí)該等命令只是ASCII碼（字符串），就好像你見(jiàn)到的調(diào)制解調(diào)器命令一樣，發(fā)送命令給XBee就如數(shù)據(jù)一樣。而這是有小小的軟件告知兩者誰(shuí)是誰(shuí)，工作情況如下。

在你可以發(fā)出一個(gè)命令之前，須將XBee置於“等待命令”狀態(tài)。要使它進(jìn)入此狀態(tài)，便要給它一串三個(gè)+字符（hex 2B），即文字上是“+++”，之後，XBee期待收到一個(gè)以Hayes格式的命令，這命令總是以ASCII碼的“AT”（此代表“attention”），緊跟著的才是實(shí)際命令及任何命令參數(shù)（如有），命令串由一個(gè)Carriage Return（CR）回車字符作終結(jié)。圖4舉出一個(gè)例子，XBee模塊執(zhí)行該命令，然後報(bào)告命令是否成功處理，如一切已按意旨去做，XBee便回應(yīng)“OK”；否則，會(huì)從模塊收到一個(gè)錯(cuò)誤信息。

MaxStream也提供一個(gè)名為X-CTU的簡(jiǎn)短程序，令到一切事情甚至更加方便，這程序在MaxStream網(wǎng)均供免費(fèi)下載，可用它來(lái)配置XBee模塊的所有參數(shù)，不過(guò)先要將XBee模塊連接至你PC的COM接口（因信號(hào)電平不同須經(jīng)適配器），另外亦可用X-CTU來(lái)測(cè)試模塊和將之升級(jí)。

軟件緩衡器

無(wú)線鏈路上總是半雙工式通信，用一條天線作發(fā)射或接收，但非兩者在同一時(shí)間。不過(guò)，你的應(yīng)用是可經(jīng)由串行鏈路往你界面上的UART便能達(dá)至同時(shí)發(fā)射和接收（全雙工模式）。圖5揭示該原理。

XBee模塊內(nèi)有發(fā)射（RF TX）緩沖器和接收（RF RX）緩沖器，每一緩沖器提供100bytes暫時(shí)?？康牡胤?，數(shù)據(jù)可以從兩個(gè)方面同時(shí)抵達(dá) ─ 發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)自UART及接收數(shù)據(jù)來(lái)自RF鏈路經(jīng)天線而來(lái)。當(dāng)天線正在接收數(shù)據(jù)之時(shí)，它不能同一時(shí)間發(fā)射數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@理由，將要發(fā)射的數(shù)據(jù)唯有暫時(shí)?？吭诎l(fā)射緩沖器里，而收到數(shù)據(jù)就堆放在接收緩沖器內(nèi)。只要RF端數(shù)據(jù)流停止，XBee模塊將天線從接收切換至發(fā)射，并且騰出發(fā)射緩沖器，把其內(nèi)含數(shù)據(jù)發(fā)送到大氣去，與此同時(shí)，UART倒空接收緩沖器，把內(nèi)里的數(shù)據(jù)送交你的應(yīng)用設(shè)備。

這雖是一個(gè)單純系統(tǒng)，但不是完全完美。應(yīng)用上如有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)就很容易令發(fā)射緩沖器過(guò)載，關(guān)於這個(gè)問(wèn)題MaxStream提供一個(gè)“滿載”警告。只要應(yīng)用設(shè)備填入數(shù)據(jù)至已屆發(fā)射緩沖器最後的17bytes（換言之有83 bytes正等待發(fā)送），第12腳即轉(zhuǎn)高位，告知系統(tǒng)須暫時(shí)停止注入數(shù)據(jù)。發(fā)射緩沖器內(nèi)容已減少至66bytes之後，第12腳再轉(zhuǎn)低。這可視為一類的軟件遲滯。

在實(shí)踐中的XBee

現(xiàn)在是時(shí)候要講講電路了，謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)師一般以其電路進(jìn)行初步研究開(kāi)始，而大多數(shù)設(shè)計(jì)師寧愿從一些經(jīng)已湊效的電路來(lái)取得靈感。

在制造商網(wǎng)址四周搜尋會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量、有系統(tǒng)的資料，可找到你心目中的概念，又或者找到你心中問(wèn)題的答案。網(wǎng)址∶www.maxstream.net/support/knowledgebase/full-list.php

圖5也示出XBee模塊的內(nèi)部方框圖，此是組成特定應(yīng)用的核芯，模塊有20只引腳（圖6），也許你立時(shí)想到是數(shù)字IC所采用的DIL封裝，這就錯(cuò)了，由於模塊非常細(xì)小的關(guān)系，引腳分隔只有2毫米，所以它們不適合於安放在IC插座上。幸而，任何人想使模塊可以更換，亦有適合的PCB連接器供使用。

為求安全起見(jiàn)，再次提醒，最高電源電壓是3.3V，超過(guò)這電壓結(jié)果只會(huì)令你珍貴的XBee永久死亡。電源電壓須經(jīng)由100nF電容器退耦合，并盡可能靠近第1和10兩腳之間。

第2及3兩腳提供通信，方向由矢號(hào)指示。有些引腳記有星號(hào)（*），此是廠方保留作某些用途，但仍未有公布。當(dāng)公布時(shí)，可從MaxStream網(wǎng)址下載，通過(guò)刷新固件把XBee升級(jí)。至於目前只有將這些引腳不作連接，與記有NC（not connected）的引腳同一處理。

第5腳更重要∶邏輯1（3.3V）啟動(dòng)XBee模塊，而邏輯0禁止它。從第5腳接10kΩ上拉電阻至第1腳可保證模塊在接通電源之時(shí)即被啟動(dòng)。至於第9腳有多種功用選擇，由內(nèi)部參數(shù)決定當(dāng)中那一個(gè)被使用，最重要的功能是休眠狀態(tài)，只要內(nèi)部SM寄存器不是在邏輯0模塊便在沉睡之中。

第7腳提供脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，此是與最近收到的RF信號(hào)成比例的，它有8.32ms時(shí)期，相當(dāng)於120Hz，LED光柱及其他光效應(yīng)可將之轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并利用它作為一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度指示燈（只需一個(gè)RC網(wǎng)路和一個(gè)LM 3914）。這亦可以由軟件去做，因?yàn)樽罱盏降男盘?hào)強(qiáng)度存放於內(nèi)部DB參數(shù)上，正如其名稱所指，這是給予dBm RF單位的數(shù)量（相對(duì)於1mW的分貝數(shù)），可用以下的方程式作dBm RF與mW（P）之間的對(duì)換；
dBm = 10 log P [dB]
或朝相反方向
P = 10（dBm/10） [mW]
試舉例∶0dBm = 1mW，10dbm = 10mW，20dBm = 100mW，30dBm = 1W。所有例子皆針對(duì)RF計(jì)算。