Introducció a zigbee: arquitectura, xarxes i comandaments

En general, molta gent es confon amb dos termes XBee i ZigBee, la majoria els utilitzen indistintament. Però en realitat no és així; ZigBee és un protocol estàndard per a xarxes sense fils. Tot i que XBee és un producte que admet diversos protocols de comunicació sense fils, incloent ZigBee, Wi-Fi (mòdul Wi-Fly), mòdul 802.15.4, 868 MHz, etc. Aquí ens centrem principalment en el mòdul RF Zbee / Xbee-PRO del microprogramari ZigBee.

Només cal pensar en una calculadora a l’ordinador, on es realitzen càlculs complexos amb una interfície fàcil d’utilitzar. La tasca hauria estat molt difícil i tediosa si només hagués estat disponible el maquinari. Per tant, al màxim nivell, la disponibilitat de programari facilita el procés de resolució de problemes. Tot el procés es divideix en capes del programari pel maquinari real, anomenat per nivells superiors.

Fins i tot fem servir el concepte de capes a la nostra vida quotidiana. Per exemple, enviar missatgeria / carta a casa del vostre amic o enviar missatges de correu electrònic d’un punt del món a un altre. De la mateixa manera, la majoria de protocols de xarxa moderns utilitzen fins i tot un concepte de capes per separar diferents components de programari en mòduls independents que es poden muntar de diferents maneres. És possible que s’hagi d’embrutar les mans per entendre en profunditat l’arquitectura de Xbee, però us farem les coses molt senzilles.

Comencem amb alguns termes bàsics com enrutament, evitació de col·lisions i reconeixement. Per entendre el primer terme, seguiu el seu nom, "ruta", que significa rastrejar o identificar el camí. En xarxa, l’encaminament significa proporcionar direcció a les dades des del node origen fins al node de destinació. Quan dos nodes de la xarxa intenten transmetre's simultàniament, es crea una situació anomenada col·lisió. Per tant, en general, la tècnica d’ accés múltiple Carrier Sense amb evitació de col·lisions (CSMA / CA) per evitar col·lisions, podeu obtenir més informació sobre CSMA mitjançant aquest enllaç. Bàsicament, els nodes parlen de la mateixa manera que la conversa humana; comproven breument que ningú no parli abans de començar a enviar dades.

Sempre que el receptor rep amb èxit les dades transmeses, reconeix el transmissor. No s’ha de permetre que el flux de dades desbordi la ràdio receptora. Qualsevol ràdio receptora té una velocitat limitada a la qual pot processar les dades entrants i una quantitat limitada de memòria per emmagatzemar-les.

Arquitectura ZigBee:

Hi ha quatre capes principals disponibles a la pila ZigBee que són la capa física, la capa d’accés als suports, la capa de xarxa i la capa d’aplicació.

La capa d’aplicació defineix diversos objectes d’adreces, inclosos perfils, clústers i punts finals. Podeu veure les capes de pila ZigBee a la figura superior.

Capa de xarxa: afegeix funcions d’encaminament que permet als paquets de dades RF travessar diversos dispositius (múltiples “llúpols”) per encaminar les dades de la font a la destinació (d’igual a igual).

La capa MAC gestiona les transaccions de dades RF entre dispositius veïns (punt a punt). El MAC inclou serveis com ara la prova de transmissió i la gestió de reconeixements i tècniques d'evitació de col·lisions.

Capa física: defineix com es connecten els dispositius per crear una xarxa; defineix la potència de sortida, el nombre de canals i la velocitat de transmissió. La majoria de les aplicacions ZigBee funcionen a la banda ISM de 2,4 GHz a una velocitat de dades de 250 kbps.

La majoria de famílies XBee tenen línies de control de flux, E / S, A / D i indicadors integrades que es poden configurar mitjançant les ordres adequades. Les mostres analògiques es retornen com a valors de 10 bits. La lectura analògica s’escala de manera que 0x0000 representi 0V i 0x3FF = 1,2V. (Les entrades analògiques del mòdul no poden superar els 1,2 V)

Per convertir la lectura A / D a mV, feu el següent:

AD (mV) = (lectura A / D * 1200 mV) / 1023

Transmissió de dades a ZigBee

Podeu trucar a una xarxa com a combinació de programari i maquinari capaç d’enviar dades d’un lloc a un altre. El maquinari s’encarrega de transportar els senyals d’un punt a un altre de la xarxa. El programari consta de conjunts d’instruccions que permeten treballar com esperem.

En general, la transmissió de dades pels paquets ZigBee es pot fer de dues maneres: unicast i broadcast.

Transmissió per transmissió:

En paraules simples, Broadcast significa la informació / programa transmès per ràdio o TV. En altres paraules, les transmissions de difusió s’envien a molts o tots els dispositius de la xarxa. Les transmissions de difusió amb el protocol ZigBee es propaguen a tota la xarxa de manera que tots els nodes rebin la transmissió. Per aconseguir-ho, el coordinador i tots els encaminadors que rebin una transmissió retransmetran el paquet tres vegades.

Transmissió Unicast:

Les transmissions Unicast a les dades de ruta de ZigBee des d’un dispositiu font a un altre dispositiu de destinació. El dispositiu de destinació pot ser un veí immediat del dispositiu d'origen, o bé pot tenir diversos salts pel mig. A continuació es mostra un exemple a la figura que explica el mecanisme per reconèixer la fiabilitat de l’enllaç bidireccional.

Conceptes bàsics de la xarxa per a routers i coordinadors Xbee

Què necessites per arribar a casa del teu amic? Només cal la seva adreça. De la mateixa manera, per enviar les dades d'un mòdul Xbee a un altre, necessiteu la seva adreça única. Igual que passa amb la gent, Xbee té fins i tot diverses adreces, cadascuna d'elles té un paper particular en la creació de xarxes. Hi ha dos tipus d’adreces Adreça estàtica (adreça de 64 bits) i adreça dinàmica (adreça de 16 bits).

Adreces:

L'adreça de 64 bits és única universalment; el fabricant ho confirma dins del mòdul Xbee. Cap altra ràdio ZigBee a la terra tindrà la mateixa adreça estàtica, a la part posterior de cada mòdul xbee podeu veure aquesta adreça tal com es mostra a continuació i, sobretot, la part superior de l'adreça "0013A200" és la mateixa per a cada mòdul xbee.

Un dispositiu rep una adreça de 16 bits que ha de ser única localment quan s’uneix a una xarxa ZigBee. L'adreça 0x0000 de 16 bits està reservada al coordinador. La resta de dispositius reben una adreça generada aleatòriament des del dispositiu encaminador o coordinador que permet la unió. L'adreça de 16 bits pot canviar quan es detecta que dos dispositius tenen la mateixa adreça de 16 bits o quan un dispositiu surt de la xarxa i s'uneix posteriorment (pot rebre una adreça diferent).

Identificador de node:

Sempre és més fàcil per al nostre cervell recordar les cadenes en lloc del nombre. Per tant, cada mòdul Xbee d'una xarxa es pot assignar amb un identificador de node. L'identificador de node és un conjunt de caràcters, és a dir, cadenes que poden ser una forma més adient per als humans d'adreçar-se a un node d'una xarxa.

Xarxes d'àrea personal:

Les xarxes desenvolupades per aquests mòduls Xbee s’anomenen xarxes d’àrea personal o PAN. Cada xarxa es defineix amb un identificador PAN únic (PAN ID). Aquest identificador és comú entre tots els dispositius de la mateixa xarxa. ZigBee admet un identificador PAN de 64 bits i un de 16 bits. Les dues adreces PAN s’utilitzen per identificar una xarxa de manera única. Els dispositius de la mateixa xarxa ZigBee han de compartir els mateixos ID PAN de 64 i 16 bits. Si diverses xarxes ZigBee funcionen dins de l'abast de les altres, cadascuna hauria de tenir identificadors PAN únics.

L'identificador PAN de 16 bits s'utilitza per dirigir la capa MAC a totes les transmissions de dades de RF entre dispositius d'una xarxa. Però, a causa de l'espai d'adreçament limitat de l'identificador PAN de 16 bits (65.535 possibilitats), pot haver-hi la possibilitat que diverses xarxes ZigBee (dins de l'abast de les altres) puguin tenir el mateix ID PAN de 16 bits. Per resoldre aquests conflictes, ZigBee Alliance va crear un identificador PAN de 64 bits. ZigBee defineix tres tipus de dispositius diferents: coordinador, encaminador i dispositiu final.

Sempre es requereix un coordinador en totes les xarxes per carregar la configuració de la xarxa. Per tant, mai pot dormir. També és responsable de seleccionar un canal i un identificador PAN (tant de 64 bits com de 16 bits) per iniciar la xarxa. Pot permetre que els enrutadors i els dispositius finals s’uneixin a la xarxa. Pot ajudar a encaminar dades a una xarxa.

Hi pot haver diversos encaminadors en una xarxa. Un enrutador pot obtenir senyals d'altres enrutadors / EP (punts finals). Tampoc pot dormir mai. Cal unir-se a un Zigbee PAN abans de poder transmetre, rebre o encaminar dades. Després d’unir-se, pot permetre que els enrutadors i els dispositius finals s’uneixin a la xarxa. Després d'unir-se, també pot ajudar a encaminar les dades. Pot emmagatzemar paquets de dades RF per a dispositius finals.

També hi pot haver diversos punts finals. Pot passar en mode de repòs per estalviar energia. Cal que s’uneixi a un ZigBee PAN abans de poder transmetre o rebre dades i ni tan sols pot permetre que els dispositius s’uneixin a la xarxa. Depèn del pare per transmetre / rebre dades.

Com que el dispositiu final pot entrar en mode de suspensió, el dispositiu pare ha de guardar o emmagatzemar paquets de dades entrants fins que el dispositiu final es desperti i rebi els paquets de dades.

Diferents topologies de xarxa a ZigBee

La topologia de xarxa fa referència a la manera com s’ha dissenyat la xarxa. Aquí, la topologia és la representació geomètrica de la relació de tots els enllaços i dispositius d'enllaç (coordinador, encaminador i dispositius finals) entre si.

Aquí tenim quatre malla de topologia bàsica, estrella, híbrida i arbre.

A la topologia de malla, tots els nodes estan connectats entre si i esperen el dispositiu final perquè els dispositius finals no es poden comunicar directament. Per permetre una comunicació senzilla entre dues ràdios ZB, haureu de configurar-ne una amb el microprogramari del coordinador i una amb el microprogramari del router o del punt final. El principal avantatge de la xarxa Mesh és que si un dels enllaços queda inutilitzable, no incapacita tot el sistema.

En una topologia estel·lar, cada dispositiu té una connexió punt a punt dedicada a un controlador central (coordinador). Tots els dispositius no estan enllaçats directament entre si. A diferència d’una topologia de malla, a la topologia estrella un dispositiu no pot enviar res directament a un altre dispositiu. El coordinador o concentrador hi és per a l’intercanvi: si un dispositiu vol enviar dades a un altre, envia les dades al coordinador, que també envia les dades al dispositiu de destinació.

Les xarxes híbrides són aquelles xarxes que contenen dos o més tipus d’estàndards de comunicació. Aquí, la xarxa híbrida és una combinació de xarxa estrella i arbre, pocs dispositius finals estan connectats directament al node coordinador i altres dispositius finals necessiten l’ajuda del node pare per rebre les dades.

A la xarxa Tree, els routers formen els dispositius troncals i finals generalment agrupats al voltant de cada router. No és molt diferent d'una configuració de malla, tret del fet que els enrutadors no estan interconnectats. Podeu visualitzar aquestes xarxes utilitzant la figura que es mostra més amunt.

Firmware de Xbee

El mòdul programable XBee està equipat amb un processador d'aplicacions a escala lliure. Aquest processador d'aplicacions inclou un carregador d'arrencada subministrat. Aquest microprogramari XBee ZV es basa en la pila ZigBee-PRO Embernet 3.xx, els mòduls XBee-Znet 2.5 es poden actualitzar a aquesta funcionalitat. Podeu comprovar el microprogramari mitjançant l'ordre ATVR, que parlarem més endavant al capítol. Els números de versió de XBee tindran 4 dígits significatius. També es pot veure un número de versió mitjançant l'ordre ATVR. La resposta retorna 3 o 4 números. Tots els números són hexadecimals i poden variar entre 0-0xF. S'informa d'una versió com "ABCD". Els dígits ABC són el número principal de la versió i D és el número de revisió de la versió principal. Les API que es comenten al capítol 4 i les ordres AT són gairebé les mateixes per al firmware Znet 2.5 i ZB.

En telecomunicacions, tota la comanda de Hayes és una ordre específica del llenguatge desenvolupada per al mòdem intel·ligent de Hayes, el 1981 eren una sèrie de paraules breus per controlar el mòdem fent que la comunicació i configuració d’un mòdem sigui senzilla en aquells dies.

XBee també funciona en mode d’ordres i ha activat ordres AT que significa ATENCIÓ; aquestes ordres es poden enviar a XBee mitjançant els terminals XBee i les ràdios XBee configurades amb AT tenen dos modes de comunicació

Transparent: la ràdio només transmet la informació que rep a l'adreça de ràdio remota a la qual s'ha configurat. XBee rep les dades enviades a través del port sèrie tal com és.

Ordre: aquest mode s'utilitza per parlar amb la ràdio i configurar alguns modes preconfigurats, ens comuniquem als mòduls mentre estem en aquests modes i canviem de configuració.

Podeu escriure +++ i esperar un segon sense prémer cap altre botó; aleshores apareixerà el missatge OK com a imatge del terminal. D'acord, XBee ens diu que va passar en mode COMMAND i que està preparat per rebre missatges de configuració.

Comandaments XBee AT:

AT (TEST): Aquesta és l'ordre de prova per comprovar si el mòdul està responent bé, ja que la resposta ho confirma.

ATDH: adreça de destinació alta. Per configurar els 32 bits superiors de l'adreça de destinació de 64 bits, DL i DH combinats us proporciona una adreça de destinació de 64 bits.

ATDL: Adreça de destinació baixa. Això de nou per configurar els 32 bits inferiors de l'adreça de destinació de 64 bits.

ATID: aquesta ordre canvia l'ID PAN (Pers L'ID és de 4 bytes d'hexadecimal i pot anar des de 0000 fins a FFFF

ATWR: escriure. Escriviu els valors dels paràmetres a la memòria no volàtil perquè les modificacions dels paràmetres persisteixin mitjançant restabliments posteriors.

Nota: Un cop emès WR, no s’han d’enviar cap caràcter addicional al mòdul fins a

Després de rebre la resposta "OK \ r".

ATRE (Restore Defaults): restaura la configuració de fàbrica al mòdul, és molt útil si el mòdul no respon.

Si voleu obtenir més informació sobre els mòduls ZigBee, aquí teniu el gran recurs de Digi.