XBee3与XBee S2C混合应用注意事项（石油A11领域）

中石油在油气产业自动化走在国内的前列，采用了标准的Zigbee无线协议，A11协议是多年前召集多家无线供应商共同研讨并制定的标准，中石油也对该协议的应用提出许多自己的要求。虽然中石油的数字化油田战略已经实施多年，有A11作为一种标准体系，但是由于各个厂家的技术水平，产品的可靠性和智能化水平不尽相同，在具体实施环节常会碰到一些障碍，容易发生不同厂家的数据互通问题，影响生产效率。具体而言，在无线仪表这块，由于有不同厂家的参与，虽然有A11标准确立了大方向，但各厂家的适配上有时仍需要相互协调，一般以RTU为主，不同厂家的传感器为辅。具体到项目环节，由于不同传感器厂家的自适应能力和兼容性测试验证做得不充分，在项目实施环节的表现差异较大。

目前能入围且批量部署并稳定运行的，大多是采用XBee无线模块的产品和方案。随着XBee系列产品的更新换代，能符合Zigbee 3.0标准的XBee3横空出世，慢慢地将替换原有的XBee S2C。A11协议并没有随时代变化而演进，而XBee3提供了许多新的特性，但也为向前兼容S2C 做了许多兼容优化。在实际应用中，不论是传感器还是RTU，XBee3都可以直接替换S2C部署在产品上。对于S2C和XBee3混合组网的场景，需要了解这两代产品的异同，以便尽可能在软件上实现无忧的混合组网智能部署，减少等待时间和丢包率以及人工干预的情况。本文试图从产品设计和兼容性验证，无线ZigBee协议的注意事项等方方面面来讨论如何让自家产品做到兼容百搭，智能部署。

一、初级篇

本节主要是针对初级用户，希望能简单地对无线模块进行配置，而不想在程序上做太多的智能部署设置的用户。虽然简单配置也能满足基本的项目实施和应用，但由于缺少程序的网络管理和智能部署功能，在参数和模块选型上要多下功夫。

1. 模块选型。

Digi XBee Zigbee模块是应用最为广泛的符合ZigBee联盟协议规范的无线模块。ZigBee系列模块从第一代的XBee S2B，演进到S2C，以及目前最新的XBee3，只要是ZigBee协议的模块，都可以相互兼容通信。

如果是新项目设计，尽量采用XBee3，老产品也应尽快升级，在PCB封装设计上尽量做到大小模块封装兼容，以应对供应链紧张时带来的风险。Digi的无线模块分为普通型和增强型，只有发射功率的区别，应尽量选择增强型版本，以在复杂的电磁环境中增强信号，减少丢包率。

2. 固件。

Digi会定期发布XBee模块的新固件，主要是增加功能特性并修复已知bug。如果没有解决bug或是新特性的需求，现有的模块并不需要升级到最新的固件版本。但XBee模块在生产时总是会以最新发布的固件来进行生产，反应到模块的标签上，就是不同的revision。一般情况下固件会在充分测试后发布，由于每个用户的应用配置不尽相同，很难保证某些特定配置下不会有一些bug出现，因此最好的方式是阅读Release Note，根据相关描述避开或绕过潜在的影响。建议客户在新的项目上马之前，对现用产品的当前可用的固件做充分测试，确保没问题后再量产。

下面列出近两年来一些中国区用户常碰到的固件问题和解决方案：

XBee S2C

问题固件：405F；主要问题：休眠节点的polling timeout异常。

问题固件：4061；主要问题：当休眠节点NJ<FF时，rejoin机制不可用，并且无法加回原父节点。

解决问题：回退或升级4059、4060、4062等固件版本。

XBee3

和XBee S2C混合组网时，协调器应至少用100B固件，不可用更早期的固件，以便真正兼容原S2C的协调器行为。

3. 参数配置。

中石油A11无线仪表规范在设立之初参考了当时Zigbee协议的标准和知名的XBee无线模块API标准，而ZigBee协议作为一种开放的无线物联网协议有许多优势，首先是安全性，中石油的物联网通信时需采用加密的ZigBee协议通信，因此各厂家的RTU和仪器仪表均需要开启加密模式。要做到互联互通，各厂家在加密参数上需要保持一致。传感器设备上，休眠参数上应尽量和协调器的休眠参数保持大致相同或接近。

有关XBee的休眠参数，许多人并未深刻理解其意义，可以参考附录1。

XBee3还应该设置C8＝10，ET的值应该略大于休眠时长。此外，开启入网公告的功能有助于进阶用户的程序设计，因此通常JN＝1。其它常见的参数请参考A11的协议要求。

值得注意的是，由于ZigBee 3.0的升级，XBee3和S2C中有些默认参数并不一样，通常您可以按S2C的参数来设置XBee3。但在ZigBee 3.0中引入分布式网络概念，其中EO默认是配置成2，也就是集中式网络；而在S2C上，并没有这个概念，因此S2C的EO默认值是0，而实际应用上也大多是使用S2C协调器来作为集中式网络的中心。因此通常在中石油的A11的加密网络中不用按S2C的EO值去设置XBee3，而是保持XBee3的EO=2，以防止在两种模块的混合网络中的出现协调器默认的0地址无效的情况。详情可以参考附录2。

二、进阶篇

ZigBee是一种无线网络协议，而ZigBee设备都必须支持ZigBee网络的基本功能。虽然XBee模块可以不需要应用程序配合来管理最基本的ZigBee网络，但在实际应用中，通常可以主动利用ZigBee协议的网络功能实现智能部署和安装调试。

设备列表：一个完备的ZigBee产品，是能够在程序空间建立一张通信设备的列表，它有一系列好处，比如可以记录并采用16位短地址的方式通信，减少出错机率。RTU可以对在网设备进行鉴权，主动剔除第三方设备，可以同时和多个目标设备通信，比如传感器不仅可以把数据传给RTU，还可以发给router设备等。通常可以在部署模式阶段主动扫描或是通过入网通知的API帧来添加设备到列表当中。对于设备列表，还应该有剔除的机制，毕竟有些设备会损坏，更新或替换，通常是以一定时间都无法成功通信上来作为设备已不在现场标志。

有两种API帧可作为设备入网通知来把设备添加到列表中，一种是利用ZigBee本身的Joining Announce，它的不依赖于JN参数，缺点是只有入网时有一次通知，并且不太好识别设备类型，因此这种方式通常还需要配合在部署时主动扫描。另一种是利用XBee的JN参数，当JN＝1时，设备会在入网或reset后向网内其它设备公告自己的身份。油田上的设备经常有reset动作，即使错过了首次入网通知，还可以后续在对方设备reset后获取，因此这种方式添加设备列表比较容易。

运行模式：无线网络通常会有入网，离网等动作，因此在程序中制定产品的工作模式，有利于更高效组建好网络并保障可靠通信。比如在产品的部署阶段，可以定义为部署模式，此时以加快网络部署为目标，可以增加主动扫描的功能和一些握手鉴权等功能，在产品的正常工作模式下，可以关闭一些功能以便产品能无负担地专注于应用的实现。调试模式则可以开启一段调试代码，方便现场调试，虽然这些模式在产品设计中并非不可或缺，但合理安排仍可能最大化保障产品对各种异常环境的兼容能力。对于RTU来说，可以很方便通过按钮来切换模式；对于无按钮的传感器，则应该主要考虑在程序中智能实现各种模式的切换。

三、高级篇

XBee3已经推出有一段时间了，在许多项目上可以直接替换。但在一些特别的应用场景，仍可能存在一些尚未解决的兼容性bug。尽管由于zigbee 3.0协议的升级，一些兼容性的功能只能通过专用参数或在特定的参数组合下实现，Digi仍然会致力于让XBee3能完全取代和替换S2C，而不需要对传统使用S2C的产品作出修改。

最新发现的一个bug是在开启APS加密的情况下出现。XBee模块在开启EE后，网络包已经是加密了，但由于许多早期用户对ZigBee了解不深，在产品中还额外开启了APS加密。APS加密实际上是在加密网络包内对任意两点的应用层的payload再做进一步加密，意义不大，工业场景很少被使用。在XBee API模式中有个transmit option字段，默认为0x00，中石油不少RTU和传感器的早期用户就在XBee中采用了transmit option=0x60这种方式进行通讯。

下面做S2C和XBee3开启APS层加密通讯的兼容性测试。本次测试所用固件：100D和4061。

一、XBee3作为协调器, S2C作为路由器

方向：S2C –> XB3

刚开始时通讯正常，大约过5分钟后， S2C发不成功，错误代码：21 (Network ACK Failure)。

如果对S2C进行reset，仍不能修复，但错误代码变成：24 (Address not found)。

使用00作为协调器16位地址，结果仍一样。

方向：XB3 –> S2C

刚开始时通讯正常，大约过5分钟后，发不成功，错误代码：24 (Address not found)。

使用真实的16bit地址而不用FFFE，结果仍一样。

把S2C的EO改为和XBee3一样的0x2看看结果，要让双向通讯恢复，只有S2C发ATNR退网才行。

二、XBee3作为路由器，S2C作为协调器

奇怪的是，如果S2C作为协调器，XBee3作为路由器，并不会有这个bug。

初步结论：这是一个不常用的bug，只有当XBee3作为协调器时，S2C作为路由器时，并且API帧中的发送选项开启了APS加密（0x20或0x60），才会出现。

解决思路：

是否能在XBee3的配置中解决？很可能是NK或trust center的因素，需要测试以下几种临时解决方案：

1. 设置XBee3的EO＝0。这个设置会导致地址0不能代表XBee3作为协调器了，S2C发XBee3只能用FFFE或是真实的16位短地址。如果用0作为短地址发不通，并且会阻塞后续的发送（除非退网）。

2. 固定NK的值。实验表明，NK即使双方配置成一样的默认值，这个bug也依然存在。

这个bug的解决要等Digi发布新版的XBee3固件。对于混合组网的设备产家来说，在程序中不盲目采用部分厂家的0x60发送选项的设备制造商，在S2C到XBee3换代升级过程中受到的影响最小。

补充：RTU为XBee S2C, 传感器为XBee3

1、因ET参数默认值产生传感器多次入网短地址发生变化的问题

问题描述：根据报告，当休眠参数SPSN的值大于ET定义的时间，则ET时间到后会有退网的现象。

用开发板重现：

S2C（4060固件）协调器配置：ZS＝2, ID＝58, CE＝1, AP=1, AO=1，BD＝7，SP＝AF0，SN＝7，SO＝6，EE＝1，EO＝0，KY＝11，NK＝0, NI=end

XBee3（100B固件）休眠终端配置：ZS＝2, ID＝58, CE＝0, AP=1, AO=1，BD＝7，SP＝AF0，SN＝7，SO＝6，EE＝1，EO＝0，KY＝11，NK＝0, NI=cord

测试时一般要记录一下MY的值，以观察是否有变化。

在XCTU上两个模块都可以观察到cluster 0013的入网通告，可见休眠节点有离网过程。由于重新加网，所以休眠节点的短地址会变化。这个问题可以归结于，ET比休眠周期小，它认为自己时间到了要重入网，而协调器为S2C只看休眠参数，并没有ET值。

解决方法：将ET值改为大于休眠周期的值，则这个问题消失。

2、更换协调器问题

参数配置同1，在S2C时，不论NJ<FF还是NJ＝FF，都不需要发ATNR来离网，而是通讯不上时会自动离网，在XBee3时，需要发ATNR0, 通讯不上, polling没有时不会主动退网。

附录1：详解XBee ZigBee模块的休眠参数和相关意义

ZigBee设备可分为协调器，路由器和终端节点三种角色，其中只有终端节点可以休眠，在睡眠期间可以实现极低功耗，在醒来后又可获取休眠时期收到的数据。休眠参数不仅对终端节点有意义，在作为父节点的协调器或路由器，也同样有着重要的功能。

XCTU上，在配置界面的Sleep Modes区块，列出了所有的休眠参数：SP、SN、SM、ST、SO、WH、PO、ET，不同版本可用参数略有差异，下面详述：

SP：休眠周期。

休眠节点的SP代表休眠时间，也就是每隔SP*10ms的时间，休眠模块会醒来查询自己的数据。而在协调器或路由器上，它代表的是父节点收到数据后能为其子节点缓存多久。

SN：周期倍数。

这个参数用于设置polling timeout，算法是：3 * SN * (SP * 10ms)。休眠节点醒来时会向父节点查询自己的数据，这个过程叫polling。如果在polling timeout规定的时间内，父节点没有收到子节点查询请求，则父节点会把子节点从它的子节点列表中移除。XBee的协调器或路由器都能作为父节点为子节点缓存数据，每个模块最多可以挂20个子节点。当子节点从网络中移除，需要有个机制在父节点中也把该节点从列表中除名，也就是父节点不再为该子节点缓存数据，从而让出空间给其它节点，这个机制就叫polling timeout。值得注意的是，XBee3支持最新的ZigBee 3.0协议，支持休眠子节点设备入网时向父节点报告自己的polling timeout时间，也就是不同的设备可以有不同的超时时间，而不需要在父节点处统一设置。

ET：子节点超时时间。

这个ET是ZigBee 3.0后引入XBee3的，主要是用在休眠节点。对于混合组网的情况，当XBee3作为协调器或路由器，而网内有S2C的休眠节点时，应该把父节点的ET也配置得和休眠周期差不多，略大些即可。

ST：醒来时间。

该参数仅在周期休眠中使用（SM＝4，5)，其代表没数据活动多久后进入休眠。当XBee在收发数据时，模块不能立即进入休眠状态，它必须等待收发结束后一段空闲时间都再无数据，以保证收发数据能顺利完成。这个时间正是ST定义的。休眠节点醒来时polling父节点后，发现没有数据一般可以立即休眠，而无需等待ST时间，但有时模块不仅是接收，也需要外发信息，因此我们也可配置模块醒后保持ST时间，以有足够的时间通过串口来发送数据或命令，这是在后面的SO中配置。

SO：休眠选项。

这是两个字节的参数，注意bit0不用，目前仅bit1,bit2有定义。bit1: 在SN个休眠周期后，强制醒来ST时间。bit2: 启用扩展休眠周期，即休眠SN*SP时间。由于父节点在收到数据后只为子节点缓存SP定义的时间，而SP最大只能设置28秒，所以启用扩展休眠周期是有可能丢数据的。

WH：唤醒主机时间。

设备从睡眠中醒来，到发送数据到串口的允许时间。有些设备是通过XBee模块的信号唤醒或给处理器上电的，而主机醒来是需要时间，通过这个参数来确保从父节点收到的数据通过串口吐出给MCU时，MCU能准备好接收。

PO：查询时间。

这个参数定义模块醒着时，多久向父节点查询一次数据。默认是100ms。

通过理解模块的休眠参数，我们可很好的利用它的性能，灵活安排程序任务，最大少减少不必要的丢包。

附录2：从S2C升级到XBee3需要注意哪些问题

ZigBee 3.0对网络安全有着远比过去更严格的定义，为了适应这一变化，一些默认参数值在XBee3时代有了一些变化，在实际使用中，程序的逻辑应针对这些变化做相应的调整，特别是NJ参数和C8参数。

1、NJ

NJ是一个允许模块开放网络的参数。在S2C时代，它默认值是0xFF，表示任何时候都允许其它模块加入该网络；而在XBee3，它的默认值是0xFE，也就是在上电254秒后，会自动关闭加入功能。因此，如果和之前S2C混合组网，可以将该参数改为0xFF。必须注意的是，一个更安全的网络，应该是在适时开启加入，也就是一个网络出于安全考虑，应该只在开放部署时，才允许终端加入，应用程序设置有不同的模式（部署模式，开放部署维护模式，封网运作模式……)，能更好地维护和管理无线网络。

2、C8

XBee3使用更新的zigbee协议栈，它计算LQI曲线和S2C不同，如果一个网络内全用XBee3，并不需要设置该参数，默认值就可以。如果一个网络内有S2C和XBee3混合组网，则需要把XBee3的C8设置成10，以便达到最好的效果。混合组网中，C8不设置的话，S2C会更容易成为router跳点。该参数在1009后引后，所有混合组网的用户，都建议把XBee3升级到1009之后的版本。

3、ET

在ZigBee 3.0中，子节点挂在父节点下的timeout时间可以自己申报，而不像以前一样由父节点的休眠参数来决定。这样会更灵活一些，在实际应用中，建议ET比休眠参数略大一些。

4、EO

在XBee3为了支持ZigBee 3.0的默认安全机制，参数中默认使用中心化的信任中心（EO=2），在S2C，默认是分布式的信任中心（EO=0). 在一个网络中，EO的bit1必须相同，以便它们知道如何做密钥交换。由于在S2C中，CE=1代表协调器，由它维护着集中式安全的网络。在ZigBee 3.0引入了分布式网络的概念，CE不再特指协调器。XBee3的Router为了加入之前S2C协调器维护的集中式网络，应该使用EO=2，而非和S2C一样配置为EO=0，该参数值在XBee3中无需更改。

5、DO

DO在S2C和XBee3有不同的定义，因此大多数情况下您无需更改它，使用默认值即可。

除了NJ参数外，其它一些参数默认值的不同也大多不会影响入网和通讯体验。如果您的应用程序在初始化时写入一些参数，请仔细检查程序是否将不适用的S2C参数值写入XBee3。

ZigBee 3.0在安全机制上做了一些修改。Digi为了保证和S2C老用户有一样的用户体验，在固件上做了一些适应。因此，在使用XBee3作为协调器的情况下，当有混合组网需求时，为了达到最好的向前兼容效果，需要使用100A以后的固件。