無線一詞已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，我們已被無數(shù)的無線設(shè)備所包圍，例如移動(dòng)(流動(dòng))電話、警報(bào)系統(tǒng)、閘門控制器、無線上網(wǎng)、無線鍵盤等。在主要制造商的協(xié)助下，已經(jīng)有數(shù)種無線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出現(xiàn)——比如Bluetooth和Wi-Fi，是目前準(zhǔn)備要征服全世界。但是一切事情似乎頗為復(fù)雜，縱使你是一位富有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人士，到底應(yīng)如何解決這樣問題呢?數(shù)之不盡的半導(dǎo)體制造商生產(chǎn)的IC皆可根據(jù)一些常用的技術(shù)或其他便可用作無線通信，甚至有些微控制器也可達(dá)至此目的，雖然大部分都是很昂貴及往往在電子零件店里找不到，Chipcon CFC2440就是一個(gè)很好的例子，縱使你勉強(qiáng)克服了一般的設(shè)計(jì)問題，作為一位設(shè)計(jì)師要預(yù)先知道在某個(gè)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)完全不同類別的問題：需要一個(gè)RF輸出級(jí)和適合的天線。這個(gè)輸出級(jí)是困難重重的，不管你如何小心謹(jǐn)慎于寄生電感上，它們?nèi)允鼓惴浅ｎ^痛，因?yàn)槟愕脑O(shè)計(jì)是好是壞都在此處反映出來。電子制造商也留意到這個(gè)問題，所以現(xiàn)在提供有現(xiàn)成的“RF方案”，尤其是支持ZigBee協(xié)議的。

圖. 采用兩個(gè)XBee模塊的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

一、ZigBee概述

ZigBee是基于無線通信標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)名稱，基本上為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的。從歷史角度來看，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，可是因競(jìng)爭對(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，是否歷史會(huì)不斷重演?這次的狀況卻大不相同，因?yàn)閆igBee由主要的參與者如Digi、TI、Freescale、Honeywell、Philips、Microchip及Mitsubishi等支持，并且聯(lián)同大約一百家其他制造商組成“ZigBee Alliance”。

ZigBee原是依據(jù)于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100m范圍內(nèi))，相比于Wi-Fi的54Mb/s或BlueTooth的1MB/s，此數(shù)據(jù)速率實(shí)在是很低了，可視之為ZigBee的弱點(diǎn)。可是，這協(xié)議原意是用作工業(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發(fā)的。表1比較上述提到三種無線通信技術(shù)。

表1 Zigbee/BlueTools/wifi比較

二、ZigBee模塊

MaxStream是一家非常有名的無線通信元件制造商，現(xiàn)在已經(jīng)歸于DIGI公司旗下，在其ZigBee產(chǎn)品上加了一個(gè)很貼切的名稱XBee，XBee小型但卻是一個(gè)功能完善的ZigBee收發(fā)器(即接收器/發(fā)射器)，它是雙向操作，在意義上來講它可交替地發(fā)射或接收數(shù)據(jù)(半雙工式)。

Digi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如圖二所示，唯一的差異是發(fā)射功率，XBee為最大2mW，而XBeePRO則最大50mW。發(fā)射功率當(dāng)然是一個(gè)重要因素，因?yàn)樽罱K產(chǎn)品的距離就決定于它的身上，但這絕不是唯一你要考慮的事情。

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ǎ跉W洲的應(yīng)用限制為10mW。為要令它可以符合這個(gè)要求，Digi已在XBee內(nèi)實(shí)行一個(gè)配置參數(shù)，可用來設(shè)定發(fā)射功率。

XBee帶有多種不同類型的天線：

1. 整合于芯片內(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。

4. U.FL型按扣天線

三、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的最高速率上傳輸?？墒?，XBee是由3.3V電源操作，而并非像大部分數(shù)字電路的5V電源，正如在圖3的方框圖上所見，兩類邏輯之間作直接相連是不可行的。

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

在你可以發(fā)出一個(gè)命令之前，須將XBee置于“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“+++”。之后，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”(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)。XBee模塊執(zhí)行該命令，然后報(bào)告命令是否成功處理，如一切已按命令去做，XBee便回應(yīng)“OK”;否則，會(huì)從模塊收到一個(gè)錯(cuò)誤信息。

圖3：AT命令語法

另外，還有一個(gè)X-CTU軟件，令到一切事情甚至更加方便，可用它來配置XBee模塊的所有參數(shù)，不過先要將XBee模塊連接至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來測(cè)試模塊和升級(jí)固件。

四、模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存

無線鏈路上總是半雙工通信，用一條天線作發(fā)射或接收，但非兩者在同一時(shí)間。不過，Xbee模塊可以通過分時(shí)的方式達(dá)到UART端的同時(shí)發(fā)射和接收(全雙工模式)。圖4揭示了該原理。

圖4 XBee模塊內(nèi)部框圖

XBee模塊內(nèi)有發(fā)射(RF TX)緩存和接收(RF RX)緩存，每一緩存提供100bytes暫時(shí)存儲(chǔ)的地方，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)來自UART，以及接收數(shù)據(jù)來自RF鏈路經(jīng)天線而來。當(dāng)天線正在接收無線數(shù)據(jù)時(shí)，它不能在同一時(shí)間發(fā)射無線數(shù)據(jù)，因此，將要發(fā)射的數(shù)據(jù)可暫時(shí)存儲(chǔ)在發(fā)射緩存里，而收到數(shù)據(jù)就堆放在接收緩存內(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，并且將發(fā)射緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到大氣去，與此同時(shí)，UART清空接收緩存，把里面的數(shù)據(jù)傳輸給應(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)射緩存過載，關(guān)于這個(gè)問題Digi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)射緩存最后的17bytes(換言之有83bytes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之后，第12腳再轉(zhuǎn)低。

五、在實(shí)踐中的XBee

圖5 XBee模塊的管腳定義，整個(gè)模塊有20只引腳。

為求安全起見，再次提醒，最高電源電壓是3.3V，超過這電壓結(jié)果只會(huì)令你珍貴的XBee永久損壞。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。第5腳很重要∶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)。第9腳有多種功用選擇，由內(nèi)部參數(shù)決定當(dāng)中哪一個(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)于120Hz，LED發(fā)光二極管及其他光效應(yīng)器件可將之轉(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)LM3914)。這亦可以由軟件去做，因?yàn)樽罱盏降男盘?hào)強(qiáng)度存放于內(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)于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 = 10logP [dB] 或P = 10(dBm/10)[mW]

試舉例∶0dBm = 1mW，10dbm = 10mW，20dBm = 100mW，30dBm = 1W。所有例子都是針對(duì)RF計(jì)算的。

審核編輯：湯梓紅