Úvod do zigbee: architektura, sítě a příkazy

Obecně se mnoho lidí zaměňuje za dva pojmy XBee a ZigBee, většina z nich jej používá zaměnitelně. Ale ve skutečnosti tomu tak není; ZigBee je standardní protokol pro bezdrátové sítě. Zatímco XBee je produkt, který podporuje různé bezdrátové komunikační protokoly, včetně ZigBee, Wi-Fi (modul Wi-Fly), 802.15.4, 868 MHz atd. Zde se zaměřujeme hlavně na RF modul Xbee / Xbee-PRO ZB, který se skládá firmwaru ZigBee.

Jen si pomyslete na kalkulačku v počítači, kde se složité výpočty provádějí s uživatelsky přívětivým rozhraním. Úkol by byl velmi obtížný a zdlouhavý, kdyby byl k dispozici pouze hardware. Takže na nejvyšší úrovni dostupnost softwaru usnadňuje proces řešení problémů. Celý proces je rozdělen do vrstev softwaru skutečným hardwarem, který se nazývá vyššími úrovněmi.

Koncept vrstev používáme dokonce i v každodenním životě. Například posílání kurýrů / dopisů do domu vašeho přítele, odesílání e-mailů z jednoho bodu světa do druhého. Podobně většina moderních síťových protokolů dokonce využívá koncept vrstev k oddělení různých softwarových komponent do nezávislých modulů, které lze sestavit různými způsoby. Možná si budete muset zašpinit ruce, abyste porozuměli architektuře Xbee, ale my vám to velmi zjednoduší.

Začněme několika základními pojmy, jako je směrování, vyhýbání se kolizím a potvrzení. Pro pochopení prvního pojmu stačí přejít na jeho název, „trasa“, což znamená sledovat nebo identifikovat cestu. V sítích směrování znamená poskytnout směr dat ze zdrojového uzlu do cílového uzlu. Když se dva uzly v síti pokusí vyslat současně, vytvoří se situace zvaná kolize. Obecně se tedy technikou Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA), abyste se vyhnuli kolizím, dozvíte více o CSMA pomocí tohoto odkazu. V podstatě v něm uzly mluví stejným způsobem jako lidská konverzace; než začnou posílat data, krátce zkontrolují, zda nikdo nemluví.

Kdykoli přijímač úspěšně přijme přenášená data, potvrdí vysílač. Nesmí být dovoleno, aby tok dat přemohl rádio přijímače. Jakékoli přijímací rádio má omezenou rychlost, s jakou může zpracovávat příchozí data a omezené množství paměti, do které může příchozí data ukládat.

Architektura ZigBee:

V zásobníku ZigBee jsou k dispozici hlavní čtyři vrstvy, které jsou fyzická vrstva, vrstva přístupu k médiím, vrstva sítě a vrstva aplikace.

Aplikační vrstva definuje různé adresující objekty včetně profilů, klastrů a koncových bodů. Na obrázku výše můžete vidět vrstvy zásobníku ZigBee.

Síťová vrstva: Přidává možnosti směrování, které umožňují RF datovým paketům procházet více zařízení (více „chmelů“) k směrování dat ze zdroje do cíle (peer to peer).

MAC vrstva spravuje RF datové transakce mezi sousedními zařízeními (bod k bodu). MAC zahrnuje služby, jako je opakování přenosu a řízení potvrzení a techniky předcházení kolizím.

Fyzická vrstva: Definuje, jak jsou zařízení připojena k vytvoření sítě; definuje výstupní výkon, počet kanálů a přenosovou rychlost. Většina aplikací ZigBee pracuje v pásmu ISM 2,4 GHz s datovou rychlostí 250 kb / s.

Většina rodin XBee má vestavěné řízení toku, I / O, A / D a indikátory, které lze konfigurovat pomocí příslušných příkazů. Analogové vzorky jsou vráceny jako 10bitové hodnoty. Analogové čtení je upraveno tak, aby 0x0000 představovalo 0V a 0x3FF = 1,2V. (Analogové vstupy na modulu nesmí přesáhnout 1,2 V)

Chcete-li převést čtení A / D na mV, postupujte takto:

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

Přenos dat v ZigBee

Můžete volat síť jako kombinaci softwaru a hardwaru, která je schopna odesílat data z jednoho místa na druhé. Hardware je zodpovědný za přenos signálů z jednoho bodu sítě do druhého. Software se skládá z instrukčních sad, které umožňují pracovat tak, jak očekáváme.

Obecně lze datový přenos pomocí paketů ZigBee provádět dvěma způsoby: unicast a broadcast.

Vysílání vysílání:

Jednoduše řečeno Broadcast znamená informace / program přenášené rozhlasem nebo televizí. Jinými slovy, všesměrové přenosy jsou odesílány do mnoha nebo všech zařízení v síti. Broadcastové přenosy s protokolem ZigBee se šíří v celé síti tak, aby přenos přijímaly všechny uzly. Aby toho bylo dosaženo, koordinátor a všechny směrovače, které přijímají všesměrový přenos, paket vyslají třikrát.

Přenos Unicast:

Unicast přenosy v ZigBee směrují data z jednoho zdrojového zařízení do jiného cílového zařízení. Cílové zařízení může být bezprostředním sousedem zdrojového zařízení nebo může mít mezi cestou několik přeskoků. Níže je uveden příklad na obrázku vysvětlující mechanismus pro rozpoznání spolehlivosti obousměrného spoje.

Základy sítě pro směrovače Xbee a koordinátora

Co potřebujete, abyste se dostali do domu svého přítele? Potřebujete jen jeho adresu. Podobně pro odesílání dat z jednoho modulu Xbee do druhého potřebujete jeho jedinečnou adresu. Stejně jako u lidí má Xbee dokonce několik adres, z nichž každá má zvláštní roli při vytváření sítí. Existují dva typy adres: statická adresa (64bitová adresa) a dynamická adresa (16bitová adresa).

Adresy:

64bitová adresa je univerzálně jedinečná; je výrobcem zpevněn uvnitř modulu Xbee. Žádné jiné rádio ZigBee na Zemi nebude mít stejnou statickou adresu, na zadní straně každého modulu xbee můžete tuto adresu vidět, jak je znázorněno níže, a zejména horní část adresy „0013A200“ je stejná pro každý modul xbee.

Zařízení přijme 16bitovou adresu, která by měla být lokálně jedinečná, když se připojí k síti ZigBee. 16bitová adresa 0x0000 je vyhrazena pro koordinátora. Všechna ostatní zařízení obdrží náhodně vygenerovanou adresu ze směrovače nebo koordinačního zařízení, které umožňuje připojení. 16bitová adresa se může změnit, když se zjistí, že dvě zařízení mají stejnou 16bitovou adresu nebo když zařízení opustí síť a později se připojí (může obdržet jinou adresu).

Identifikátor uzlu:

Pro náš mozek je vždy snazší si pamatovat řetězce místo čísla. Proto lze každému modulu Xbee v síti přiřadit identifikátor uzlu. Identifikátor uzlu je sada znaků, tj. Řetězců, které mohou být lidsky přívětivější způsob adresování uzlu v síti.

Osobní sítě:

Síť vyvinutá těmito moduly Xbee se nazývá osobní síť nebo PAN. Každá síť je definována jedinečným identifikátorem PAN (PAN ID). Tento identifikátor je společný pro všechna zařízení ve stejné síti. ZigBee podporuje 64bitové i 16bitové ID PAN. Obě adresy PAN se používají k jedinečné identifikaci sítě. Zařízení ve stejné síti ZigBee musí sdílet stejná 64bitová a 16bitová ID PAN. Pokud více sítí ZigBee funguje v dosahu od sebe, každá by měla mít jedinečná ID PAN.

16bitové ID PAN se používá k adresování vrstvy MAC ve všech RF datových přenosech mezi zařízeními v síti. Ale vzhledem k omezenému adresovacímu prostoru 16bitového PAN ID (65 535 možností) může existovat šance, že více sítí ZigBee (v dosahu každé jiné) může mít stejné 16bitové PAN ID. K vyřešení těchto konfliktů vytvořila aliance ZigBee 64bitové ID PAN. ZigBee definuje tři různé typy zařízení: koordinátor, router a koncové zařízení.

V každé síti je vždy vyžadován jeden koordinátor pro účtování nastavení sítě. Takže to nikdy nemůže spát. Je také zodpovědný za výběr kanálu a PAN ID (64bitové i 16bitové) pro spuštění sítě. Umožňuje směrovačům a koncovým zařízením připojit se k síti. Může pomoci při směrování dat v síti.

V síti může být více směrovačů. Jeden směrovač může přijímat signály z jiných směrovačů / EP (koncových bodů). Také nikdy nemůže spát. Než může vysílat, přijímat nebo směrovat data, musí se připojit k Zigbee PAN. Po připojení může směrovačům a koncovým zařízením povolit připojení k síti. Po připojení může také pomoci při směrování dat. Může ukládat RF datové pakety pro spící koncová zařízení.

Může existovat také více koncových bodů. Může přejít do režimu spánku, aby šetřil energii. Musí se připojit k ZigBee PAN, než bude moci vysílat nebo přijímat data, a to dokonce nemůže umožnit zařízením připojit se k síti. Pro přenos / příjem dat je závislá na rodiči.

Protože koncové zařízení může přejít do režimu spánku, musí nadřazené zařízení ukládat do vyrovnávací paměti nebo zadržovat příchozí datové pakety, dokud se koncový přístroj neprobudí a nepřijme datové pakety.

Různá topologie sítě v ZigBee

Topologie sítě odkazuje na způsob, jakým byla síť navržena. Topologie zde představuje geometrické znázornění vztahu všech propojení a propojovacích zařízení (koordinátor, router a koncová zařízení) k sobě navzájem.

Zde máme čtyři základní topologické sítě, hvězdu, hybrid a strom.

V topologii sítě je každý uzel propojen s každým dalším uzlem očekávejte koncové zařízení, protože koncová zařízení nemohou komunikovat přímo. Chcete-li povolit jednoduchou komunikaci mezi dvěma radiostanicemi ZB, budete muset nakonfigurovat jedno s firmwarem koordinátora a druhé s firmwarem routeru nebo koncového bodu. Hlavní výhodou sítě Mesh je, že pokud se jeden z odkazů stane nepoužitelným, nezpůsobí to zneškodnění celého systému.

V hvězdné topologii má každé zařízení vyhrazené připojení point-to-point k centrálnímu ovladači (koordinátorovi). Všechna zařízení nejsou navzájem přímo propojena. Na rozdíl od síťové topologie nemůže ve hvězdné topologii jedno zařízení odeslat nic přímo do jiného zařízení. Koordinátor nebo rozbočovač je tu pro výměnu: Pokud chce jedno zařízení odeslat data jinému, odešle data koordinátorovi, který dále odešle data do cílového zařízení.

Hybridní síť jsou ty sítě, které obsahují dva nebo více typů komunikačních standardů. Zde je hybridní síť kombinací hvězdné a stromové sítě, několik koncových zařízení je připojeno přímo k uzlu koordinátora a další koncová zařízení potřebují k přijetí dat pomoc nadřazeného uzlu.

V síti Tree tvoří směrovače páteřní a koncová zařízení obecně seskupená kolem každého směrovače. To se příliš neliší od konfigurace sítě, kromě skutečnosti, že tam nejsou směrovače vzájemně propojené, si můžete tyto sítě vizualizovat pomocí obrázku uvedeného výše.

Firmware Xbee

Programovatelný modul XBee je vybaven aplikačním procesorem Free scale. Tento aplikační procesor je dodáván s dodávaným zavaděčem. Tento firmware XBee ZV je založen na zásobníku Embernet 3.xx ZigBee-PRO, moduly XBee-Znet 2.5 lze upgradovat na tuto funkci. Firmware můžete zkontrolovat pomocí příkazu ATVR, kterému se budeme věnovat dále v této kapitole. Čísla verzí XBee budou mít 4 platná čísla. Číslo verze lze také zobrazit pomocí příkazu ATVR. Odpověď vrátí 3 nebo 4 čísla. Všechna čísla jsou hexadecimální a mohou mít rozsah od 0-0xF. Verze je označena jako „ABCD“. Číslice ABC jsou hlavní číslo vydání a D je číslo revize z hlavního vydání. Diskuse o API v kapitole 4 a AT příkazy jsou téměř stejné pro firmware Znet 2.5 a ZB.

V telekomunikacích je celý příkaz Hayes jazykově specifickými příkazy vyvinutými pro modem Hayes Smart Smart Modem, 1981, což byla řada krátkých slov pro ovládání modemu, díky čemuž byla komunikace a nastavení modemu v té době jednoduché.

XBee také pracuje v příkazovém režimu a nastavilo AT Commands, což znamená POZOR, tyto příkazy lze odesílat XBee přes terminály XBee a AT nakonfigurovaná rádia XBee mají dva režimy komunikace

Transparentní: Rádio předává pouze informace, které přijímá, na rádiovou adresu dálkového ovladače, na kterou bylo nakonfigurováno. Data odeslaná přes sériový port jsou přijímána XBee tak, jak jsou.

Příkaz: Tento režim se používá pro komunikaci s rádiem a konfiguraci některých předkonfigurovaných režimů, v těchto režimech komunikujeme s moduly a měníme konfiguraci.

Můžete napsat +++ a počkat jednu sekundu bez stisknutí jakýchkoli dalších tlačítek, zpráva OK by se poté měla zobrazit jako obrázek terminálu. Dobře, XBee nám říká, že strávil v režimu PŘÍKAZ a je připraven přijímat konfigurační zprávy.

Příkazy XBee AT:

AT (TEST): Toto je testovací příkaz ke kontrole, zda modul reaguje na OK, protože odpověď potvrzuje totéž.

ATDH: Cílová adresa je vysoká. Konfigurace horních 32 bitů 64bitové cílové adresy DL a DH vám dává 64bitovou cílovou adresu.

ATDL: Nízká cílová adresa. To opět pro konfiguraci dolních 32 bitů 64bitové cílové adresy.

ATID: Tento příkaz změní ID PAN (PersThe ID je 4 bajty hexadecimální a může se pohybovat od 0000 do FFFF

ATWR: Napište. Hodnoty parametrů zapisujte do energeticky nezávislé paměti, aby úpravy parametrů přetrvávaly při následných resetech.

Poznámka: Po vydání WR by do modulu neměly být zasílány žádné další znaky

Po přijetí odpovědi „OK“.

ATRE (Restore Defaults): Obnoví tovární nastavení modulu, je velmi užitečné, pokud modul nereaguje.

Pokud se chcete dozvědět více o modulech ZigBee, pak je zde skvělý zdroj od společnosti Digi.