XBee模組通訊實驗(一):認識ZigBee

XBee是Digi International(以下簡稱Digi)公司製造,具備資料採集功能的無線通訊模組。XBee產品有不同的型號,各自擁有不同的天線類型和功能,比較常見的是S1和S2模組,詳請參閱Digi公司的XBee商品頁,以及XBee Buying Guide(採購指南)

筆者跟朋友借來兩個XBee S1模組,外觀、接腳圖與特點如下(詳細特性請參閱PDF格式的XBee S1技術文件):

XBee S1模組外觀

XBee模組接腳圖

  • 工作電壓:2.8 ~ 3.4 V
  • 20個針腳:含9個數位I/O及5個類比輸入腳(與數位腳共用);針腳間距為2.0mm。
  • 內建鞭形天線
  • 室內傳輸距離:30公尺
  • 室外傳送距離(無遮蔽物):100公尺
  • 無線工作頻率:2.4GHz
  • 無線傳輸資料速率:250Kbps

IEEE 802.15.4與ZigBee通訊協定

“XBee”是Digi公司的商品名稱,它支援802.15.4或者ZigBee通訊協定。

802.15.4是IEEE(電機電子工程師學會)發布的無線傳輸標準,其特點是連線簡易、低數據傳輸率以及低功耗,適合家庭網路、工業自動化和醫療看護等應用。

ZigBee是在IEEE 802.15.4標準上,加入路由和其他聯網功能。ZigBee的名稱源自蜜蜂(bee)發現蜜源時,會跳「8字舞(waggle dance)」來告訴同伴方向和距離。ZigBee通訊協定由ZigBee聯盟合作開發,適合商業和工業的各種低數據傳輸率應用(註:聯盟廠商包含Honeywell、三菱電機、飛思卡爾半導體、摩托羅拉、三星電子、西門子、德州儀器、NXP、Atmel……等等)。

比較 ZigBee、Wifi和藍牙

ZigBee和802.15.4

WiFi(802.11標準)

藍牙

主要應用領域

無線監測和控制

高速無線網際網路

無線設備連結

傳輸速率(理論值)

250Kbps

11Mbps (802.11b) ~ 100Gbps(802.11ay)

720Kbps

典型傳輸距離

100公尺

50~100公尺

10~100公尺

特色

低功耗、網路節點數最大可達65000個。

速度、普及

使用便利

資料引用來自維基百科:

ZigBee網路架構

網路的構成方式又稱為拓樸(topology)。ZigBee支援點對點(point-to-point)單點對多點(point-to-multipoint)或者星狀(star)以及網狀(Mesh)架構,每個網路設備都稱作「節點」。

設置ZigBee網路時,要決定每個裝置(節點)的任務:

  • 協調器(Coordinator):ZigBee網路包含唯一的協調器,管理網路的設置。
  • 路由器(Router):同一個網路可以包含多個路由,負責轉發其他節點的訊號。
  • 終端(Endpoint):同一個網路可以包含多個終端,ZigBee的終端無法直接和其他終端通訊。

點對點(point-to-point)拓樸

點對點通訊,指的是兩個網路設備直接相連。像手機藍牙連接Arduino藍牙序列埠模組,或者手機畫面透過Miracast/WiFi-Direct技術投影到電視機,都是點對點連線。

一般家庭的網路都屬於星狀架構,中心節點是基地台,每個節點的訊息都要經過它收發。萬一基地台故障,整個網路就中斷了。

單點對多點(point-to-multipoint)或星狀(star)拓樸

網狀網路用在網路節點彼此距離超過無線傳輸範圍的場合,像普及於台灣各縣市的iTaiwan免費無線網路,就是由許多路由器交織而成。

網狀(Mesh)拓樸

底下網狀網路圖片取自非洲DIY建立WiFi Mesh網路的案例,這份PDF文件說明了網狀網路的優點和規劃方式,並且介紹如何透過FreifunkDD-WRT韌體,將普通市售無線基地台變成網狀網路節點。

網狀(Mesh)拓樸

非洲某些地區因為地廣人稀,無法吸引公司鋪設有線網路,所以偏鄉居民用無線網狀網路架設網際網路連線。圖中每一戶代表一個區域,包含一個無線網狀路由(mesh node),連接其他網狀路由;其中一個或多個路由,還負責連接到網際網路。每個路由都彼此相連,因此如果其中某個路由故障,並不會癱瘓整個網路。

未完待續…

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