Introducere în zigbee: arhitectură, rețele și comenzi

În general, mulți oameni se confundă cu doi termeni XBee și ZigBee, cei mai mulți dintre ei îl folosesc în mod interschimbabil. Dar acest lucru nu este de fapt cazul; ZigBee este protocolul standard pentru rețeaua wireless. În timp ce XBee este un produs care acceptă diverse protocoluri de comunicații fără fir, inclusiv ZigBee, Wi-Fi (modul Wi-Fly), modul 802.15.4, 868 MHz etc. Aici ne concentrăm în principal pe modulul Xbee / Xbee-PRO ZB RF care constă a firmware-ului ZigBee.

Gândiți-vă la un calculator în computer, unde se efectuează calcule complexe cu o interfață ușor de utilizat. Sarcina ar fi fost foarte dificilă și obositoare dacă ar fi fost disponibil doar hardware. Deci, la cel mai înalt nivel, disponibilitatea software-ului facilitează procesul de rezolvare a problemelor. Întregul proces este împărțit în straturi ale software-ului de hardware-ul real, care este numit de niveluri superioare.

Folosim chiar și conceptul de straturi în viața noastră de zi cu zi. De exemplu, trimiterea curierului / scrisorii la casa prietenului tău, trimiterea de e-mailuri dintr-un punct al lumii în altul. În mod similar, majoritatea protocoalelor de rețea moderne folosesc chiar și un concept de straturi pentru a separa diferite componente software în module independente care pot fi asamblate în moduri diferite. Este posibil să trebuiască să-și murdărească mâinile pentru a înțelege în profunzime arhitectura Xbee, dar vă vom face lucrurile foarte simple.

Să începem cu câțiva termeni de bază precum rutare, evitare a coliziunilor și confirmare. Pentru a înțelege primul termen, mergeți doar la numele său, „traseu”, care înseamnă să urmăriți sau să identificați calea. În rețea, rutare înseamnă a oferi direcție către datele de la nodul sursă la nodul de destinație. Când două noduri din rețea încearcă să transmită simultan, creează o situație numită coliziune. Deci, în general, tehnica Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA) pentru a evita coliziunea, puteți afla mai multe despre CSMA folosind acest link. Practic în ea nodurile vorbesc în același mod în care conversația umană; verifică scurt pentru a vedea dacă nimeni nu vorbește înainte de a începe să trimită date.

Ori de câte ori receptorul primește cu succes datele transmise, acesta recunoaște emițătorul. Fluxul de date nu trebuie permis să copleșească radioul receptor. Orice radio de recepție are o viteză limitată la care poate procesa datele primite și o cantitate limitată de memorie în care să stocheze datele primite.

Arhitectura ZigBee:

Există patru mari straturi disponibile în stiva ZigBee care sunt stratul fizic, stratul de acces media, stratul de rețea și stratul de aplicație.

Stratul aplicației definește diverse obiecte de adresare, inclusiv profiluri, clustere și puncte finale. Puteți vedea straturile stivei ZigBee în figura de mai sus.

Strat de rețea: adaugă capabilități de rutare care permit pachetelor de date RF să traverseze mai multe dispozitive (mai multe „hamei”) pentru a direcționa datele de la sursă la destinație (de la egal la egal).

Stratul MAC gestionează tranzacțiile de date RF între dispozitivele învecinate (punct la punct). MAC include servicii precum reîncercarea transmisiei și gestionarea confirmărilor și tehnici de evitare a coliziunilor.

Stratul fizic: definește modul în care dispozitivele sunt conectate pentru a crea o rețea; definește puterea de ieșire, numărul de canale și rata de transmisie. Majoritatea aplicațiilor ZigBee funcționează pe banda ISM de 2,4 GHz la o rată de date de 250 kbps.

Majoritatea familiilor XBee au control de flux, I / O, A / D și linii de indicatori încorporate, care pot fi configurate folosind comenzi adecvate. Probele analogice sunt returnate ca valori pe 10 biți. Citirea analogică este scalată astfel încât 0x0000 să reprezinte 0V și 0x3FF = 1,2V. (Intrările analogice de pe modul nu pot depăși 1,2V)

Pentru a converti citirea A / D în mV, procedați în felul următor:

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

Transmiterea datelor în ZigBee

Puteți apela o rețea ca o combinație de software și hardware care este capabilă să trimită date dintr-o locație în alta. Hardware-ul este responsabil pentru transportarea semnalelor dintr-un punct al rețelei în altul. Software-ul constă din seturi de instrucțiuni care fac posibilă funcționarea așa cum ne așteptăm.

În general, transmiterea datelor prin pachetele ZigBee se poate face în două moduri: unicast și broadcast.

Transmisie prin difuzare:

Cu cuvinte simple, Broadcast înseamnă informația / programul transmis prin radio sau TV. Cu alte cuvinte, transmisiile difuzate sunt trimise la mai multe sau la toate dispozitivele din rețea. Transmisiile difuzate cu protocolul ZigBee sunt propagate în întreaga rețea astfel încât toate nodurile să primească transmisia. Pentru a realiza acest lucru, coordonatorul și toate routerele care primesc o transmisie difuzată vor retransmite pachetul de trei ori.

Transmisie Unicast:

Transmisiile Unicast în datele de rută ZigBee de la un dispozitiv sursă la alt dispozitiv de destinație. Dispozitivul de destinație ar putea fi un vecin imediat al dispozitivului sursă sau ar putea avea mai multe hamei între drum. Un exemplu este prezentat mai jos în figura care explică mecanismul de recunoaștere a fiabilității legăturii bidirecționale.

Bazele rețelei pentru routerele și coordonatorul Xbee

Pentru a ajunge la casa prietenului tău, de ce ai nevoie? Ai nevoie doar de adresa lui. În mod similar, pentru trimiterea datelor de la un modul Xbee la altul, aveți nevoie de adresa sa unică. La fel ca în cazul oamenilor, Xbee are chiar mai multe adrese, fiecare având un rol special în rețea. Există două tipuri de adrese Adresă statică (adresă pe 64 de biți) și adresă dinamică (adresă pe 16 biți).

Adrese:

Adresa pe 64 de biți este unică universal; este confirmat în interiorul modulului Xbee de către producător. Niciun alt radio ZigBee de pe pământ nu va avea aceeași adresă statică, pe spatele fiecărui modul xbee puteți vedea această adresă așa cum se arată mai jos și, în special, partea superioară a adresei „0013A200” este aceeași pentru fiecare modul xbee.

Un dispozitiv primește o adresă de 16 biți care ar trebui să fie unică la nivel local, atunci când se alătură unei rețele ZigBee. Adresa de 16 biți 0x0000 este rezervată coordonatorului. Toate celelalte dispozitive primesc o adresă generată aleatoriu de la router sau dispozitivul coordonator care permite asocierea. Adresa pe 16 biți se poate modifica atunci când se constată că două dispozitive au aceeași adresă pe 16 biți sau un dispozitiv părăsește rețeaua și se alătură ulterior (poate primi o adresă diferită).

Identificator nod:

Este întotdeauna mai ușor pentru creierul nostru să-și amintească șirurile în loc de număr. Prin urmare, fiecare modul Xbee dintr-o rețea poate fi atribuit cu un identificator de nod. Identificatorul nodului este un set de caractere, adică șiruri care pot fi o modalitate mai prietenoasă pentru oameni de a adresa un nod dintr-o rețea.

Rețele personale:

Rețeaua dezvoltată de aceste module Xbee se numește rețele personale sau PAN-uri. Fiecare rețea este definită cu un identificator PAN unic (PAN ID). Acest identificator este comun între toate dispozitivele din aceeași rețea. ZigBee acceptă atât un ID PAN pe 64 de biți, cât și unul pe 16 biți. Ambele adrese PAN sunt utilizate pentru a identifica o rețea în mod unic. Dispozitivele din aceeași rețea ZigBee trebuie să partajeze aceleași ID-uri PAN pe 64 de biți și pe 16 biți. Dacă mai multe rețele ZigBee funcționează în raza de acțiune, fiecare ar trebui să aibă ID-uri PAN unice.

ID-ul PAN pe 16 biți este utilizat pentru a adresa stratul MAC în toate transmisiile de date RF între dispozitivele dintr-o rețea. Dar, datorită spațiului limitat de adresare al ID-ului PAN pe 16 biți (65.535 posibilități), poate exista șansa ca mai multe rețele ZigBee (în raza de acțiune una a celuilalt) să aibă același ID PAN pe 16 biți. Pentru a rezolva aceste conflicte, ZigBee Alliance a creat un ID PAN pe 64 de biți. ZigBee definește trei tipuri diferite de dispozitive: coordonator, router și dispozitiv final.

În fiecare rețea este necesar întotdeauna un coordonator pentru încărcarea configurării rețelei. Deci, nu poate dormi niciodată. De asemenea, este responsabil pentru selectarea unui canal și a unui ID PAN (atât pe 64 de biți, cât și pe 16 biți) pentru a porni rețeaua. Poate permite routerelor și dispozitivelor finale să se alăture rețelei. Poate ajuta la rutare de date într-o rețea.

Într- o rețea pot exista mai multe routere. Un router poate primi semnale de la alte routere / EP-uri (End Points). De asemenea, nu poate dormi niciodată. Trebuie să se alăture unui Zigbee PAN înainte de a putea transmite, primi sau rute date. După aderare, poate permite routerelor și dispozitivelor finale să se alăture rețelei. După aderare, poate ajuta, de asemenea, la rutare de date. Poate memora pachete de date RF pentru dispozitivele endormite.

De asemenea, pot exista mai multe puncte finale. Poate intra în modul de repaus pentru a economisi energie. Trebuie să se alăture unui ZigBee PAN înainte de a putea transmite sau primi date și nici măcar nu poate permite dispozitivelor să se alăture rețelei. Depinde de părinte pentru transmiterea / primirea datelor.

Deoarece dispozitivul final poate intra în modul de repaus, dispozitivul părinte trebuie să memoreze sau să păstreze pachetele de date primite până când dispozitivul final se trezește și primește pachetele de date.

Diferite topologii de rețea în ZigBee

Topologia rețelei se referă la modul în care a fost proiectată rețeaua. Aici, topologia este reprezentarea geometrică a relației tuturor legăturilor și dispozitivelor de legătură (coordonator, router și dispozitive finale) între ele.

Aici avem patru rețele topologice de bază, stea, hibrid și copac.

În Topologie Mesh, fiecare nod este conectat unul cu celălalt nod se așteaptă la dispozitivul final, deoarece dispozitivele finale nu pot comunica direct. Pentru a permite o comunicare simplă între două radiouri ZB, va trebui să configurați una cu firmware-ul coordonatorului și una cu firmware-ul routerului sau al punctului final. Principalul avantaj al rețelei Mesh este că, dacă unul dintre linkuri devine inutilizabil, acesta nu incapacită întregul sistem.

Într-o topologie stelară, fiecare dispozitiv are o conexiune dedicată punct-la-punct la un controler central (coordonator). Toate dispozitivele nu sunt legate direct între ele. Spre deosebire de topologia mesh, în topologia stea un dispozitiv nu poate trimite nimic direct către alt dispozitiv. Coordonatorul sau hub-ul este acolo pentru schimb: Dacă un dispozitiv dorește să trimită date către altul, acesta trimite datele către coordonator, care trimite în continuare datele către dispozitivul de destinație.

Rețeaua hibridă este acea rețea care conține două sau mai multe tipuri de standarde de comunicare. Aici, rețeaua hibridă este o combinație de rețea stea și copac, puține dispozitive finale sunt conectate direct la nodul coordonator și alte dispozitive finale au nevoie de ajutorul nodului părinte pentru a primi datele.

În rețeaua Tree, routerele formează dispozitivele vertebrale și finale în general grupate în jurul fiecărui router. Nu este foarte diferit de o configurație mesh, cu excepția faptului că routerele nu sunt interconectate, puteți vizualiza aceste rețele folosind figura prezentată mai sus.

Firmware Xbee

Modulul programabil XBee este echipat cu un procesor de aplicații la scară liberă. Acest procesor de aplicație vine cu un încărcător de încărcare furnizat. Acest firmware XBee ZV se bazează pe stiva Embernet 3.xx ZigBee-PRO, modulele XBee-Znet 2.5 pot fi actualizate la această funcționalitate. Puteți verifica firmware-ul folosind comanda ATVR pe care o vom discuta mai târziu în capitol. Numerele versiunii XBee vor avea 4 cifre semnificative. Un număr de versiune poate fi de asemenea văzut folosind comanda ATVR. Răspunsul returnează 3 sau 4 numere. Toate numerele sunt hexazecimale și pot avea un interval de la 0-0xF. O versiune este raportată ca „ABCD”. Cifrele ABC sunt numărul principal al versiunii și D este numărul revizuirii din versiunea principală. Discuțiile API din capitolul 4 și comenzile AT sunt aproape aceleași pentru firmware-ul Znet 2.5 și ZB.

În telecomunicații, întreaga comandă Hayes este o comandă specifică limbii dezvoltată pentru modemul Hayes Smart Modem, 1981, acestea erau o serie de cuvinte scurte pentru a controla modemul, făcând comunicarea simplă și configurarea unui modem în acele zile.

XBee funcționează, de asemenea, în modul de comandă și a pornit comenzile AT care reprezintă ATENȚIE, aceste comenzi pot fi trimise către XBee prin terminalele XBee și AT-urile configurate XBee au două moduri de comunicare

Transparent: Radioul transmite informațiile primite numai la adresa radio de la distanță pentru care a fost configurat. Datele trimise prin portul serial sunt primite de XBee așa cum este.

Comandă: Acest mod este utilizat pentru a vorbi cu radio și pentru a configura unele moduri preconfigurate, comunicăm modulelor în timp ce se află în aceste moduri și schimbăm configurația.

Puteți să tastați +++ și să așteptați o secundă fără să apăsați alte butoane, mesajul OK ar trebui să apară ca imagine a terminalului. OK, XBee ne spune că a cheltuit în modul COMMAND și este gata să primească mesaje de configurare.

Comenzi XBee AT:

AT (TEST): Aceasta este comanda de testare pentru a verifica dacă modulul răspunde la un OK, deoarece răspunsul confirmă același lucru.

ATDH: Adresă destinație ridicată. Pentru a configura cei 32 de biți superiori ai adresei de destinație pe 64 de biți DL și DH combinați vă oferă adresa de destinație pe 64 de biți.

ATDL: Adresa destinației este scăzută. Aceasta din nou pentru configurarea celor 32 de biți inferiori ai adresei de destinație pe 64 de biți.

ATID: Această comandă modifică ID-ul PAN (Pers ID-ul este de 4 octeți hexazecimal și poate varia de la 0000 la FFFF

ATWR: Scrieți. Scrieți valorile parametrilor în memoria nevolatilă, astfel încât modificările parametrilor să persiste prin resetările ulterioare.

Notă: Odată ce WR este emis, nu trebuie trimise caractere suplimentare la modul până la

După primirea răspunsului „OK \ r”.

ATRE (Restore Defaults): Restabilește setările din fabrică la modul, este foarte util dacă modulul nu răspunde.

Dacă doriți să aflați mai multe despre modulele ZigBee, aici este marea resursă de la Digi.