Digi XBee od podszewki czyli jak wybrać odpowiedni moduł radiowy dla swojej aplikacji?

XBee® jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy Digi International, będący rodziną modemów komórkowych i modułów RF, która zapewnia obsługę szeregu popularnych protokołów bezprzewodowych do szybkiego prototypowania i szybkiego wprowadzania produktów na rynek. Ale jak wybrać ten właściwy? Ten przewodnik pomoże wybrać najlepszy moduł XBee dla Twojej aplikacji.

Moduły XBee zapewniają łączność bezprzewodową dla podłączonych urządzeń na rynku machine-to-machine (M2M) i Internetu rzeczy (IoT). Kompletny ekosystem produktów Digi XBee obejmuje moduły, biblioteki kodu i narzędzia programistyczne. Zasoby pomagają uprościć i przyspieszyć projektowanie, kodowanie, produkcję i wdrażanie. Wstępnie certyfikowane moduły eliminują również problemy i dodatkowe koszty procesu certyfikacji.

Co to jest moduł XBee?

Moduł XBee to bardzo małe urządzenie radiowe, które wykorzystuje różne protokoły komunikacyjne do przesyłania informacji, takich jak dane z czujnika. Moduły XBee wykorzystujące częstotliwość radiową (RF) komunikują się przez bramkę, podczas gdy komórkowe XBee łączą się przez sieci komórkowe. To jest definicja Digi XBee.

Moduły Digi XBee są solidne, wszechstronne, bezpieczne i niezawodne, co czyni je popularnym wyborem przy dodawaniu komunikacji bezprzewodowej do podłączonych produktów. Moduły RF Digi XBee stosowane są w każdej możliwej do wyobrażenia aplikacji IoT, od czujników przemysłowych, inteligentnego rolnictwa i śledzenia zasobów po inteligentne oświetlenie miejskie.

Oto kilka kluczowych funkcji XBee:

• Kompatybilność pinów, dzięki czemu przełączanie się między rozwiązaniami jest łatwe i ekonomiczne.
• Wspólna platforma sprzętowo-programowa, interfejs konfiguracyjny i środowisko programistyczne, umożliwiające łatwe przejście między liniami produktów i protokołami.
• Globalne certyfikaty dla wdrożeń wieloregionalnych.
• Łatwe w użyciu narzędzia Digi XBee, interfejsy API i biblioteki kodu, programowalność MicroPython i opcjonalna konfiguracja Bluetooth umożliwiają programistom opracowywanie, wdrażanie i zarządzanie urządzeniami.

Przyjrzyjmy się opcjom XBee pod kątem protokołów, częstotliwości, anten i dostępnym rozmiarom.

• Porównanie zasięgu XBee: Dzięki zasięgowi na zewnątrz do 105km, moduł Digi XBee-PRO SX 900 może pokonać duże odległości potrzebne do zdalnych wdrożeń. W przypadku sieci lokalnych moduły Digi XBee 3 PRO mogą tworzyć sieci punkt-wielopunkt lub sieci typu mesh z odległościami wewnętrznymi około 90 metrów między węzłami.
• Pobór mocy XBee: Moduły o mniejszym zasięgu, takie jak Digi XBee Zigbee, mogą przesyłać przy użyciu tylko 33 mA prądu. Moduły o większym zasięgu, takie jak Digi XBee-PRO SX 900, mogą pobierać do 900 mA prądu, ale pokonują odległości ponad 300 razy większe. Urządzenia komórkowe, takie jak Digi XBee 3 Cellular LTE-M/NB-IoT, pobierają średnio około 200 mA, zapewniając długą żywotność baterii w urządzeniach mobilnych.
• Częstotliwość: Moduły Digi XBee 3 Cellular obsługują wiele pasm LTE, umożliwiając wdrażanie urządzeń mobilnych na wielu kontynentach. Inne moduły Digi XBee, takie jak Wi-Fi, Zigbee, DigiMesh i 802.15.4, działają na licencjonowanych globalnie pasmach 2,4 GHz. Moduły dalekiego zasięgu Digi poniżej 1 GHz działają w paśmie 900 MHz w Ameryce Północnej i w paśmie 868 MHz w Europie.
• Antena: Wiele opcji anten jest dostępnych dla Digi XBee, w tym proste anteny przewodowe, ścieżki PCB i anteny chipowe. Opcje złączy obejmują RPSMA i U.FL. Niektóre moduły obsługują również podkładkę RF do połączeń antenowych SMT. Więcej o antenach w sekcji niżej.
• Protokół: Wybierz spośród 802.15.4 punkt-wielopunkt, sieci kratowej z Zigbee lub DigiMesh, oparte na standardach Wi-Fi, rozwiązania dalekiego zasięgu 900/868 MHz i różne moduły komórkowe obsługujące IoT o typowych rozmiarach i wspólny interfejs.

Ewolucja XBee

Moduł radiowy XBee został wprowadzony w 2005 roku przez firmę MaxStream. Digi kupiło MaxStream w następnym roku i uruchomiło certyfikowany moduł Zigbee XBee. Produkty te okazały się tak popularne, że pojawiły się moduły Wi-Fi, a zewnętrzne firmy zaczęły budować gniazda dla Digi XBee we własnych produktach. Następnie w 2018 roku firma Digi wprowadziła linię programowalnych modułów Digi XBee 3. Rodzina powiększyła się o dodatkowe moduły XBee i opcje komórkowe, a także ekosystem wspierającego oprogramowania, bibliotek i narzędzi upraszczających rozwój.

Oto krótki przegląd ewolucji XBee:

• 802.15.4: Wprowadzone w 2005 roku, moduły „serii 1” były pierwszymi, które cechowały się klasycznym 20-pinowym wzorem XBee i wspierały standard IEEE 802.15.4. Ich prosty interfejs poleceń AT stał się standardem w całej linii XBee. Moduł był popularny wśród społeczności Maker – pionierów Internetu Rzeczy - IoT.
• Zigbee: Opierając się na sukcesie XBee, firma Digi zaprezentowała moduł XBee z obsługą sieci mesh Zigbee. Moduły Zigbee automatycznie tworzą sieci. Sieć „samonaprawiająca się” może krążyć wokół modułów będących offline, dzięki czemu Zigbee jest idealny dla przemysłowych systemów wykrywania.
• Wi-Fi: Oryginalny XBee Wi-Fi firmy Digi wydany w 2011 roku z obsługą globalnego protokołu Wi-Fi. Druga wersja została wydana w następnym roku z bezprzewodowymi aktualizacjami oprogramowania firmware OTA - Over the Air.
• LTE Cat 1: Digi XBee LTE Cat 1 oznacza wejście Digi na rynek komórkowy. Przeznaczony dla podłączonych urządzeń o niższych potrzebach w zakresie przepustowości, obsługuje łączność w aplikacjach, w których Wi-Fi nie jest dostępne.
• LTE-M/NB-IoT: Po XBee LTE Cat 1 firma Digi opracowała i certyfikowała moduły obsługujące protokoły komórkowe LTE-M i NB-IoT. Dzięki tym standardom urządzenia zasilane bateryjnie mogą działać i być podłączone do sieci komórkowych przez długi czas.
• Moduły DigiMesh® RF: Digi opracowało DigiMesh, aby wyeliminować luki w funkcjonalności Zigbee. W sieci DigiMesh wszystkie moduły są urządzeniami tego samego typu i mogą być zasilane bateryjnie, co usprawnia przydzielanie i tworzy odporną sieć bez konieczności stosowania zawsze włączonych modułów routera. DigiMesh może działać na częstotliwości 2,4 GHz lub 868/900 MHz.
• 868/900 MHz: Digi XBee-PRO 900HP obejmuje zasięg ok 15km z opcjami sieci mesh. Digi XBee SX 868/900 zawiera DigiMesh i może być skonfigurowany na zasięg ok 105km.

Co to jest Zigbee i czym różni się od XBee? XBee i Zigbee są czasami mylone, ponieważ oba mają „Bee” w swoim brandingu. Ale podczas gdy XBee jest modułem radiowym, Zigbee jest standardem bezpiecznego protokołu komunikacyjnego dla małej mocy, lokalnej bezprzewodowej sieci mesh, która działa na globalnych częstotliwościach. Moduły XBee obsługują Zigbee i wiele innych protokołów, dzięki czemu tworzenie aplikacji bezprzewodowych jest łatwe i opłacalne.

XBee PRO kontra XBee

Kilka linii modułów Digi XBee występuje zarówno w wersji zwykłej, jak i PRO. Główną różnicą między nimi jest moc transmisji, a co za tym idzie zasięg.

Zwykłe wersje Digi XBee 3 RF i Digi XBee SX obsługują aplikacje o średnim zasięgu, wymagające niewielkiej ilości mocy nadawczej. Zużywają mniej energii, dzięki czemu baterie działają dłużej i generują mniej ciepła, są tańsze i mogą być certyfikowane w regionach, które umożliwiają tylko transmisję o małej mocy.

Digi XBee-PRO obejmują moduły Digi XBee 3 PRO, Digi XBee-PRO 900HP i Digi XBee-PRO SX. Moduły PRO są uważane za dalekosiężne, dla odległości od ok 3 do 100km.

Grupy XBee

Linia Digi XBee składa się z trzech szerokich grup. Istnieją moduły krótkiego zasięgu o małej mocy, moduły dalekiego zasięgu, które wymagają więcej energii do przesyłania sygnałów na duże odległości, oraz modemy komórkowe Digi XBee, które łączą się z sieciami komórkowymi.

• 2,4 GHz (krótki zasięg, niska moc),
• Sub-1 GHz (daleki zasięg, większa moc),
• Komórkowy.

Poniższa tabela przedstawia zakres możliwości i wymagania dotyczące zasilania dla obecnych modułów Digi RF i komórkowych. Zasięgi są maksymalne, jakich można się spodziewać i zależą od takich czynników, jak anteny, sieci lokalne i dostępność zasięgu komórkowego.

Rodzaje anten Xbee

Moduły komunikacyjne potrzebują anten do nadawania i odbierania sygnałów. Właściwa antena zależy od rozmiaru urządzenia, materiałów, wymagań dotyczących zasięgu i ograniczeń mechanicznych. Digi oferuje wiele możliwości dopasowania do spełnienia wymagań aplikacyjnych.

• Dipol: Anteny dipolowe są bardzo wydajnymi antenami o stałej wydajności, dookólnej charakterystyce promieniowania i niezawodnej polaryzacji.
• Wire: Starannie dostrojony metalowy drut umieszczony prostopadle do modułu, zapewniający doskonałą wydajność anteny pokładowej. Jest prosty i oferuje promieniowanie dookólne, co oznacza, że ​​maksymalna odległość transmisji jest taka sama we wszystkich kierunkach.
• Chip: Antena chipowa to płaski ceramiczny chip, który jest równy z korpusem XBee. Antena chipowa sprawdza się dobrze w przypadku bardzo małych konstrukcji i zapobiega naprężeniom mechanicznym anteny.
• PCB: Te anteny są nadrukowane na płytce PCB modułu XBee. Składają się one z szeregu ścieżek przewodzących ułożonych we wzór fraktalny, zapewniający podobne zalety jak antena chipowa, zazwyczaj z lepszą wydajnością.
• U.FL: To jest mniejsze z zewnętrznych złączy. Jeśli moduł znajduje się w metalowej skrzynce, antena musi znajdować się na zewnątrz, aby uniknąć tłumienia obudowy. Ponadto czasami korzystne jest użycie anteny specjalnego przeznaczenia o określonej orientacji lub wzorcu promieniowania w celu skupienia sygnałów na większą odległość.
• RPSMA: To złącze anteny zewnętrznej jest znacznie większe niż złącze U.FL, ale ze względu na swój rozmiar i solidność może obsługiwać antenę zewnętrzną zamontowaną bezpośrednio do XBee bez żadnego kabla połączeniowego, oszczędzając miejsce i koszty, jednocześnie poprawiając wydajność.
• RF Pad: Niektóre projekty wymagają anteny lub złącza zintegrowanego z płytką drukowaną urządzenia hosta. Do tego są moduły Digi XBee z prostym padem RF; przylutowanie modułu do PCB hosta automatycznie łączy go z istniejącą anteną lub złączem hosta.