XBee® ZigBee 3.0无线模块

ZigBee无线通信协议和发展历史
Zigbee是由来自全球三百多家知名企业会员组成的ZigBee联盟在基于IEEE802.15.4无线标准的基础上制定的的一个开放式全球无线网络协议标准。蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的舞蹈来告知同伴新发现的食物源位置等信息,Zigbee的名称由此而来。它是一种低成本,高度可靠安全,低功耗的无线自组网通信技术协议。在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,也能自动作为其它网络节点的中继,从而使网络可以不断扩展到更大的范围。

ZigBee协议从2004发布第一个版本以来,在2007年底推出稳定版本ZigBee PRO,此后在这个网络栈的基础上不断推陈出新,出现了许多公共的应用规范,为了让不同行业的设备可以互通,在2015年底,ZigBee 3.0发布,为物联网铺好道路,使之更容易为,传感器网络,智能家居、工业控制、智能建筑和智慧城市构建解决方案。

Digi ZigBee模块发展历史
如果您有幸用过十多年前Digi的第一代ZigBee模块,那时还只有插针封装的型号,在XBee模块上除了XBee几个大字母外,在其下方还可以看到S2的标记。事实上,根据芯片版本的不同历史上分别有S2,S2B,S2C等,每次硬件平台升级,都会引入一个新的尾缀字母。历史版本中S2和S2B已经停产并被S2C替代,这也是目前仍在出货的产品。当前最新的XBee ZigBee模块是基于XBee Micro平台的XBee3。除了硬件平台上的区别,XBee还有固件上的区别,每隔一段时间,Digi会推出某一系列XBee模块的新的固件,这些新的固件或是增加一些功能,或是解决一些微小的bug,但总的来说,不同固件版本在API层面是相互兼容的,除非软件上用到一些和版本号有关的AT参数或指令,新版模块一般都可以直接替换旧有的模块,而无需在软件层面做出修改。因此不论哪个硬件版本或是固件版本,ZigBee模块都是向下兼容的,在ZigBee网络协议的支持上是一致的,并且通过ZigBee联盟的认证测试。

XBee S2C系列无线模块

XBee S2C系列无线模块


XBee S2C系列无线模块是支持标准ZigBee PRO 2007协议的无线模块。普通型和增强型均有邮票孔表贴型和双列直插两种封装。同样有各种天线接口的种类繁多的型号。建议用户选择外置天线的型号。这里只列出部分常用的型号:

更多型号参考:


XBee3 ZigBee无线模块和常用型号

XBee3和Micro XBee是最新推出的,能够支持ZigBee 3.0的硬件平台,它提供了和S2C一样大小的封装型号,同时还提供了一种XBee Micro的封装,它大约只有原来尺寸的三分之一大小,这使得用XBee实现无线穿戴式设备成为可能。

类型 型号
XBee3 Micro开发测试套装 XBIB-C-MMT*2 ,XB3-24Z8CM *2
XBee3开发套件(普通型,标准XBee底板) XK3-Z8S-WZM
XBee3增强型,双型直插,SMA天线接口 XB3-24Z8ST
XBee3增强型,邮票孔,U.FL天线接口 XB3-24Z8US
XBee3增强型,邮票孔,迷你封装, U.FL天线接口 XB3-24Z8UM

新的产品和新的项目设计,建议都用XBee3模块来进行开发。 XBee开发板可用于更方便地在电脑上对XBee模块功能进行开发调试和验证,以固件升级等操作。配套XBee底板型号如下:

型号 说明
XBIB-C-MMT Micro XBee 底板, USB-C
XBIB-CU-TH 双列直插XBee 底板

上述最新底板支持板载温度/湿度传感器和接口扩展槽,以方便demo测试开发,包括支持下面扩展:

XBIB-C-GPS GPS接口子板

通常地,XBee模块通过一个UART串行接口与外部MCU进行交互,单片机或ARM等主控器件,只要逻辑电平不高于XBee模块的定义,通常都可以直接连接XBee的UART进行通信,而无需额外的上拉或下拉电阻。外部主控芯片同XBee的连接最简单的情况仅需接收和发送两根线(DIN,DOUT)即可通信,对于大数据量的传输,根据不同场景您有可能还需要加上流控引脚,此外XBee还有些辅助引脚可针对不同应用场景加以应用,简化开发或方便调试。比如入网信号,引脚休眠,配置按钮,IO引脚等,可根据需要决定是否使用。

除了使用外部单片机进行交互外,XBee模块也可以在内部运行MicroPython脚本程序,实现一些不需要外部处理器的简单指令,比如进行协议转换,或是实现蓝牙的数据功能。

XBee3 ZigBee 3.0模块用户手册和硬件参考:
XBee3 ZigBee3.0用户指南
XBee3硬件参考手册
开发底板和XCTU工具软件

ZigBee网络的介绍可以参考XBee3 ZigBee3.0用户指南 中的ZigBee Network章节。 ZigBee协议栈由PHY,MAC,网络层和应用支持子层(APS))组成,ZigBee设备对象(ZDO)作为应用程序框架或者说一个特殊的APS子层是每个ZigBee设备都必须拥有的功能。ZigBee协议定义了三种不同的设备节点类型:协调器,路由器,终端节点。

  • 协调器

在ZigBee网络中,协调器负责选定一个信道和PAN ID来创建一个网络。它能允许路由器和终端节点加入网络,可作为路由转发数据,可以为休眠子节点缓存数据,但它不可以休眠。

  • 路由器

路由器需先加入协调器的网络才能发送,接收或转发数据,加入网络后它能允许路由器或其它节点加入网络,转发数据,可以为休眠子节点缓存数据,同样地,它也不可以休眠。

  • 终端节点

节点设备必须加入ZigBee网络才能发送或接收数据,它不能允许其它设备加入网络,总是通过它的父节点发送或接收数据,不能作为路由转发数据。它可以进入低功耗的休眠模式。

Digi的ZigBee模块简单地说,是内置ZigBee协议栈,带有ZDO功能,支持通过串口简单配置来实现使用ZigBee网络进行通信,它能实现ZigBee的全部功能,但用户又不需要深入了解ZigBee协议本身。使用Digi的ZigBee模块能和其它符合标准ZigBee协议的第三方设备进行通信。

ZigBee 3.0是在ZigBee 2007 PRO的基础上进一步的发展,增强安全和易用性,统一了应用规范,使得不同行业的设备也能互联互通。有关ZigBee 3.0的一些额外特性,请参考:ZigBee 3.0

XBee ZigBee开发套件 请确保您购买了正确的XBee3开发套件,Digi的XBee3开发套件带有多个无线模块,以及多个可以用于同电脑连接的开发板和一些天线,使您可以很方便地利用串口调试助手或Digi XCTU开发工具来进行ZigBee的组网和通信测试。XBee开发板上带有USB转UART电路,这样在没有串口的笔记本电脑上也很容易进行串口通信测试。

透传模式通信

您需要有Digi的XBee ZigBee mesh网络开发套件来进行组网和通信操作,在进行下一步操作之前,您需要装备好至少两个模块和对应的开发底板。

首先,确保您的电脑上已经安装好Digi的开发工具XCTU,请下载对应您的电脑操作系统的最新版本。将两个Digi的XBee ZigBee模块通过开发底板和电脑连接起来,打开XCTU,用左上角的带有放大镜图标的查找按钮来查询连接到电脑上的模块,并把它添加到XCTU左侧的无线模块列表中。在XCTU软件中,默认是位于配置窗口中,点击左边模块,便会读取模块相关的参数,在配置窗口中展现出来。

XCTU的参数区域的上方,有一排常用的按钮,分别是读取(read),写入(write)参数,加载默认参数(default),升级固件(update),配置导入导出(profile)。 首次使用,建议用Update按钮更新一下到最新固件,在firmware version中选择最上方最新的固件,确定是ZigBee协议的固件,去掉“强制模块保留当前配置”的选项,然后点update按钮。这样就恢复模块到出厂的设置。

如果您的模块已经是最新固件,请用参数区上方的“Default”按钮加载模块的默认参数,并按“Write”写入模块,使模块恢复出厂的配置,确保不会因为之前使用时的不恰当参数影响通信效果。写入默认值后,再按“Read”按钮重新加载一下参数到XCTU右侧的参数栏上。

点击左侧另一个模块,用同样的方式恢复一下模块的出厂设置。在配置模式下,如果仅对某个参数进行读取和写入,可以使用对应参数右方的刷新和写入按钮。

两个ZigBee模块要相互通信,必须在同一个网络中,所以我们需要将一个模块配置成协调器,另一个模块配置成路由器并加入到协调器的网络中。注意模块默认的NJ为254S,所以在5份钟内会关闭允许加入,为了避免加入窗口被关闭,可以把NJ改为FF,也就是永远允许加入。

以下两个模块简称A和B。
A模块:CE=1 配置为协调器,DL=FFFF,NJ=FFFF
B模块:不改任何参数
将A模块的CE改为1,就把模块配置成协调器了,这时模块会生成一个网络号为ID指定值的ZigBee网络,默认ID=0,因此协调器会生成一个随机64bit的网络号的ZigBee网络。如果刷新模块参数,会发现OP和CH有一个值了,这里OP是指当前的网络号,CH是指当前的信道号。DH和DL组成模块的目标地址,我们把DL改为FFFF,是因为默认DH和DL都为0,这样指代协调器本身,DH为0而DL=FFFF则是广播地址。

B模块是默认的路由器的出厂配置,ID=0表示可以加入任意网络。如果周边没有其它ZigBee网络,B模块又是首次使用,那么它肯定会在10秒内加入A模块的网络,可以读取一下B模块的OP和CH,观察它是否和A模块相同,以此来判断是否在同一个网络中。默认地B模块的DH和DL都是0,表示目标地址是协调器。入网后,模块的入网指示灯会均匀地闪烁(每秒两次),这样我们已经配置好两个对发的模块了。如果B模块的Assoc指示灯没有闪烁而是常亮,那表示还没有入网,这时可以手动在commissioning按钮上连按四下,让这个模块离开原来网络,以便加入A模块的网络,通常只要天线连着,就可以看到B模块入网,然后我们就可以做透传对发测试。

这时我们可以点击右上角的图标切换到终端窗口,来观察串口数据透传的效果。终端窗口实际上是个带有ASCII和16进制显示终端的串口调试工具,有个串口打开/关闭按钮,以及一个视图分离按钮,方便查看两个模块各自的收发数据。

分别选中模块,并在终端模式中打开串口,将其中一个模块的串口终端视图分离,我们在任意一个终端中输入数据,另一个模块的张端就能收到相同的数据。如下图所示:

在透传模式下,数据送入A模块的串行UART接口,就会被发到目标地址指定的B模块上,从B模块的串行UART中输出,所以称之为透传。平时模块处于空闲或传输数据的状态,当我们需要更改模块参数时,就可以通过向串口发指定时序的特定字符串来进入命令模式,以便更改模块配置。默认地,在空闲期间连续输入三个“+”号可进入命令模式,这时可以通过向串口发AT命令来实现特定功能。比如,我们之前设置协调器的目标地址为0xFFFF,这样网络内所有的模块者能收到该数据并转发,如果我们只需向特定的模块发送数据,就不应该用广播模式,而需要把目标地址设置为特定的模块的MAC地址,下面AT命令演示了读取B模块的自身地址并将它设置为A模块的目标地址的过程。

在B模块上,用“+++“进入命令模式,发ATSH,ATSL分别读出模块64位MAC地址的高位和低位。切换到A模块的终端窗口中,用ATDH和ATDL把刚才获取得的参数设置目标地址,并用ATWR写入flash,这样断电重启后配置不会被清空。注意,默认地在命令模式中如果10秒内无任何输入,就会退出命令模式,回到透传模式的空闲状态。所以AT命令中的字符请连续输入不要间停超过10秒。否则您需要重新用”+++“进入命令模式。

静静等待约10秒钟后模块退出命令模式(也可以发ATCN命令直接退出命令模式),这时在终端窗口中输入数据,另一个模块的终端也能收到数据,只不过,此时作为协调器的A模块不再是广播模式,而是只定向往B模块发数据了。

通过AT命令可以设置很多参数,比如NI是设置模块的ASCII名称,NR是退网命令,ID是指定网络名称,还可以通过AT命令读取或设置模块的IO口状态等。请查阅XCTU或产口手册获取更多信息。下面我们将把A模块的网络ID更改,让B模块重新加入,以下是完整操作过程的相关AT命令。 A模块:读一下CE,以确定是要操作的协调器A模块;读一下当前ID值;写入新的网络ID;配置写入flash;稍等片刻后查询当前工作的网络ID.

B模块:读一下CE,确定是路由器;读一下当前网络ID;读一下当前信道;发退网命令,离开之前加过的网络;稍等片刻查询新加入的网络ID;查询当前信道。

由于透传模式下,需要通过特定字符组合和时序进入命令模式,在一些需要频繁使用AT命令的场景下就显得很不方便,因此Digi的模块除了支持透传模式外,还可以通过API模式更灵活地使用模块。

API模式通信

API模式,是指外部MCU通过向XBee模块的UART发送指定格式的命令帧,来实现发送数据或执行AT命令等功能。API模式下,XBee模块能够实现比透传模式更多的功能,包括:

  • 无需配置DHDL,直接向网络内任意模块进行通信

DH,DL是透传模式下才会用到的参数,在API模式下,命令帧中带有目标地址字段和数据字段

  • 随时进行发送本地和远程AT命令,而无需切换模式

API模式下,通过命令帧的识别码来区别是数据发送请求,还是本地AT命令或远程AT命令,无需进行模式切换。

  • 发送状态可通过反馈包判断,接收到的数据可识别来源

可以通过开启反馈包,判断每个数据包发送成功与否,接收到的数据可以通过数据帧中的源地址判断是从哪个模块发过来的。

  • 可以进行ZDO和ZigBee协议的通信

API模式下的明确寻址数据发送命令帧中,可以使用ZigBee协议的Profile,Cluster,Endpoint字段来实现ZigBee协议的通信。 并且固件中自带有ZDO协议栈处理ZCL请求和响应。

  • 更多功能,请阅读产品手册

XBee模块可以通过ATAP命令来设置模块的工作模式,AP=0时是透传模式,AP=1是API模式。 在XCTU上方的工具菜单或工具按钮中,可以找到API组帧和解析工具。在API模式的模块终端窗口中,也会有发送帧的生成向导和接收帧的解析窗口。 下面是用API帧生成工具生成的一个发送数据帧例子:

ZigBee网络内的无线模块,可以全部配置成透传模式或API模式,也可以部分配置成API模式,它们之前可以相互通信,下面将演练一下API模式的模块A和透传模式的模块B进行相互通信实验。

A模块:在配置窗口中,直接设置CE=1, AP=1,并按一下配置窗口上方“Read”按钮刷新一下模块信息,我们会发现API模式下左侧列表协调器图标会多出一个红色”C”字。切换到终端模式,我们会发现API的终端模式和透传模式不太一样,它是以API帧为主的信息框和工具框,如下图所示:

这里,我们利用新增命令帧向导添加一个准备用来发送“test”字符的命令帧,注意目标地址字段要用B模块的Mac地址,如下图所示:

根据向导提示,按“OK”和“Add Frame”按钮,把生成的帧添加到发送列表当中。

B模块:保持透传模式不变,确保DH和DL为默认值0,并且是加入A模块的网络。

同样地,将B模块的终端视图分离出主窗口,以便观察它们的相互通信。 当在A模块中选中刚才生成的发送“test”字符的命令帧,按下发送按钮时,B模块的窗口中就收到了“test”字符。如下图所示:

我们还可以看到,默认地,API带有反馈包,在发送端可以看到发送成功与否的结果。

我们在B模块的终端打一个字符“a”,同样地,A模块就收到带有这个字符的API接收帧,我们可以通过A模块的帧信息详情的下拉滑块查看帧的详细说明。

更多的API命令帧说明,请参考产品手册或Digi XBee API进阶应用指南

关于XBee API模式帧生成工具代码或者说是API驱动库,请参考XBee API驱动

量产时的一些可用工具:生产测试常用的工具和设备

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