Вступ до zigbee: архітектура, мережі та команди

Зазвичай багато людей плутають із двома термінами XBee та ZigBee, більшість із них використовують їх як взаємозамінні. Але це насправді не так; ZigBee - це стандартний протокол для бездротових мереж. Хоча XBee - це продукт, який підтримує різні протоколи бездротового зв'язку, включаючи ZigBee, Wi-Fi (модуль Wi-Fly), модуль 802.15.4, 868 МГц тощо. Тут ми в основному зосереджені на RF-модулі Xbee / Xbee-PRO ZB, який складається прошивки ZigBee.

Подумайте лише про калькулятор у комп’ютері, де складні обчислення виконуються із зручним інтерфейсом. Завдання було б дуже складним і нудним, якби було доступне лише обладнання. Отже, на найвищому рівні доступність програмного забезпечення полегшує процес вирішення проблем. Весь процес ділиться на рівні програмного забезпечення за допомогою фактичного обладнання, яке викликається вищими рівнями.

Ми навіть використовуємо концепцію шарів у своєму повсякденному житті. Наприклад, відправлення кур’єра / листа до будинку вашого друга, надсилання електронної пошти з однієї точки світу в іншу. Подібно до цього більшість сучасних мережевих протоколів навіть використовують концепцію шарів для розділення різних програмних компонентів на незалежні модулі, які можуть бути зібрані різними способами. Можливо, доведеться забруднити руки, щоб глибше зрозуміти архітектуру Xbee, але ми зробимо для вас все дуже простим.

Почнемо з деяких основних термінів, таких як маршрутизація, уникнення зіткнень та підтвердження. Для того, щоб зрозуміти перший термін, просто вкажіть його назву, „маршрут”, що означає відстеження або ідентифікацію шляху. У мережі маршрутизація означає надання напряму даним від вузла джерела до вузла призначення. Коли два вузли в мережі намагаються передавати одночасно, створюється ситуація, яка називається зіткненням. Отже, як правило, метод багаторазового доступу Carrier Sense із запобіганням зіткненням (CSMA / CA), щоб уникнути зіткнення, ви можете дізнатись більше про CSMA, використовуючи це посилання. В основному в ньому вузли розмовляють так само, як і розмова людини; вони коротко перевіряють, чи ніхто не розмовляє, перш ніж почнуть надсилати дані.

Щоразу, коли приймач успішно отримує передані дані, він підтверджує передавач. Потік даних не повинен переповнювати приймач. Будь-яке приймаюче радіо має обмежену швидкість, з якою воно може обробляти вхідні дані, та обмежений обсяг пам'яті, в якій можна зберігати вхідні дані.

Архітектура ZigBee:

У стеку ZigBee доступні основні чотири шари - це фізичний рівень, рівень доступу до медіа, мережевий рівень та рівень додатків.

Прикладний рівень визначає різні об'єкти адресації, включаючи профілі, кластери та кінцеві точки. Ви можете побачити шари стеку ZigBee на малюнку вище.

Мережевий рівень: додає можливості маршрутизації, що дозволяє пакетам радіочастотних даних обходити кілька пристроїв (кілька "стрибків") для маршрутизації даних від джерела до пункту призначення (рівний-рівний).

Рівень MAC управляє транзакціями радіочастотних даних між сусідніми пристроями (точка-точка). MAC включає такі послуги, як повторна спроба передачі та керування підтвердженням та методи уникнення зіткнень.

Фізичний рівень: Він визначає спосіб підключення пристроїв для створення мережі; він визначає вихідну потужність, кількість каналів і швидкість передачі. Більшість програм ZigBee працюють на діапазоні ISM 2,4 ГГц зі швидкістю передачі даних 250 кбіт / с.

Більшість сімейств XBee мають вбудовані лінії керування потоком, введенням-виведенням, A / D та індикаторами, які можна налаштувати за допомогою відповідних команд. Аналогові зразки повертаються як 10-бітові значення. Аналогове зчитування масштабується таким чином, що 0x0000 представляє 0V, а 0x3FF = 1,2V. (Аналогові входи модуля не можуть перевищувати 1,2 В)

Щоб перетворити показники АЦП у мВ, виконайте наступне:

AD (мВ) = (A / D показник * 1200mV) / 1023

Передача даних у ZigBee

Ви можете викликати мережу як комбінацію програмного та апаратного забезпечення, яка здатна передавати дані з одного місця в інше. Апаратне забезпечення відповідає за передачу сигналів від однієї точки мережі до іншої. Програмне забезпечення складається з наборів інструкцій, які дозволяють працювати так, як ми очікуємо.

Як правило, передача даних за допомогою пакетів ZigBee може здійснюватися двома способами: одноадресна передача та трансляція.

Трансляція:

Простими словами «Трансляція» означає інформацію / програму, передану по радіо чи телебаченню. Іншими словами, широкомовні передачі надсилаються на багато або всі пристрої в мережі. Трансляційні передачі за протоколом ZigBee поширюються по всій мережі таким чином, що передачу отримують усі вузли. Для цього координатор та всі маршрутизатори, які отримують широкомовну передачу, повторно передадуть пакет тричі.

Одноадресна передача:

Одноадресні передачі в даних маршруту ZigBee з одного джерела на інший пристрій призначення. Пристрій призначення може бути безпосереднім сусідом вихідного пристрою, або він може мати кілька стрибків між ними. Приклад наведено нижче на малюнку, що пояснює механізм розпізнавання надійності двонаправленої лінії зв'язку.

Основи мережі для маршрутизаторів Xbee та координатора

Що потрібно для того, щоб дістатися до будинку свого друга? Вам просто потрібна його адреса. Так само для надсилання даних з одного модуля Xbee до іншого вам потрібна його унікальна адреса. Як і у людей, у Xbee навіть є кілька адрес, кожна з яких має певну роль у роботі в мережі. Існує два типи адрес Статична адреса (64-розрядна адреса) та Динамічна адреса (16-розрядна адреса).

Адреси:

64-розрядна адреса універсальна; він закріплений всередині модуля Xbee виробником. Жодне інше радіо ZigBee на Землі не матиме тієї самої статичної адреси. На звороті кожного модуля xbee ви можете побачити цю адресу, як показано нижче, а особливо верхня частина адреси "0013A200" однакова для кожного модуля xbee.

Пристрій отримує 16-розрядну адресу, яка повинна бути унікальною локально, коли вона приєднується до мережі ZigBee. 16-розрядна адреса 0x0000 зарезервована для координатора. Усі інші пристрої отримують випадково сформовану адресу від маршрутизатора або пристрою-координатора, що дозволяє приєднатися. 16-розрядна адреса може змінитися, коли виявиться, що два пристрої мають однакову 16-розрядну адресу, або пристрій виходить з мережі і згодом приєднується (він може отримати іншу адресу).

Ідентифікатор вузла:

Нашому мозку завжди легше запам’ятовувати рядки замість числа. Отже, кожному модулю Xbee у мережі може бути призначений ідентифікатор вузла. Ідентифікатор вузла - це набір символів, тобто рядків, які можуть бути більш зручним для людини способом звернення до вузла в мережі.

Персональні мережі:

Мережі, розроблені цими модулями Xbee, називаються персональними мережами або PAN. Кожна мережа визначається унікальним ідентифікатором PAN (PAN ID). Цей ідентифікатор є загальним серед усіх пристроїв однієї мережі. ZigBee підтримує як 64-розрядний, так і 16-розрядний PAN ID. Обидві адреси PAN використовуються для унікальної ідентифікації мережі. Пристрої в одній мережі ZigBee повинні мати однакові 64-розрядні та 16-розрядні ідентифікатори PAN. Якщо кілька мереж ZigBee працюють в межах досяжності одна від одної, кожна повинна мати унікальні ідентифікатори PAN.

16-розрядний ідентифікатор PAN використовується для адресації рівня MAC при всіх передачах радіочастотних даних між пристроями в мережі. Але, через обмежений адресний простір 16-розрядного ідентифікатора PAN (65 535 можливостей), може існувати ймовірність того, що кілька мереж ZigBee (в межах одна від одної) можуть мати однаковий 16-розрядний ідентифікатор PAN. Для вирішення цих конфліктів ZigBee Alliance створив 64-розрядний ідентифікатор PAN. ZigBee визначає три різні типи пристроїв: координатор, маршрутизатор і кінцевий пристрій.

Для оплати налаштування мережі в кожній мережі завжди потрібен один координатор. Отже, воно ніколи не може спати. Він також відповідає за вибір каналу та ідентифікатора PAN (як 64-розрядного, так і 16-розрядного) для запуску мережі. Це може дозволити маршрутизаторам і кінцевим пристроям приєднуватися до мережі. Це може допомогти в маршрутизації даних у мережі.

У мережі може бути кілька маршрутизаторів. Один маршрутизатор може отримувати сигнали від інших маршрутизаторів / ОЗ (Кінцеві точки). Він також ніколи не може спати. Він повинен приєднатися до Zigbee PAN, перш ніж зможе передавати, отримувати або маршрутувати дані. Після приєднання він може дозволити маршрутизаторам і кінцевим пристроям приєднуватися до мережі. Після приєднання він також може допомогти в маршрутизації даних. Він може буферизувати радіочастотні пакети даних для сплячих кінцевих пристроїв.

Кінцевих точок також може бути кілька. Він може перейти в режим сну для економії енергії. Він повинен приєднатися до ZigBee PAN, перш ніж він зможе передавати або приймати дані, і навіть не може дозволити пристроям приєднуватися до мережі. Це залежить від батьків для передачі / прийому даних.

Оскільки кінцевий пристрій може перейти в режим сну, батьківський пристрій повинен буферизувати або утримувати вхідні пакети даних, поки кінцевий пристрій не прокинеться і не отримає пакети даних.

Різна топологія мережі в ZigBee

Топологія мережі стосується способу проектування мережі. Тут топологія - це геометричне відображення взаємозв'язку всіх зв'язків та пристроїв зв'язку (Координатор, Маршрутизатор та Кінцеві пристрої) між собою.

Тут ми маємо чотири базові топології сітки: зірка, гібрид та дерево.

У Mesh Topology кожен вузол пов’язаний один з одним, очікуючи кінцевий пристрій, оскільки кінцеві пристрої не можуть взаємодіяти безпосередньо. Щоб забезпечити простий зв’язок між двома радіостанціями ZB, вам потрібно буде налаштувати один з мікропрограмою координатора, а другий - з мікропрограмою маршрутизатора або кінцевої точки. Основна перевага мережі Mesh полягає в тому, що якщо одне з посилань стає непридатним для використання, це не виводить з ладу всю систему.

У зоряній топології кожен пристрій має виділене точкове з'єднання з центральним контролером (координатором). Всі пристрої не пов'язані між собою безпосередньо. На відміну від сітчастої топології, у топології зірок один пристрій не може надсилати нічого безпосередньо на інший пристрій. Координатор або концентратор є для обміну: Якщо один пристрій хоче надіслати дані іншому, він надсилає дані координатору, який надалі надсилає дані на пристрій призначення.

Гібридні мережі - це ті мережі, які містять два або більше типів стандартів зв'язку. Тут гібридна мережа - це поєднання мережі зірок і дерев, мало кінцевих пристроїв підключено безпосередньо до вузла координатора, а інші кінцеві пристрої потребують допомоги батьківського вузла для отримання даних.

У мережі Tree маршрутизатори утворюють магістральну та кінцеву пристрої, які зазвичай скупчені навколо кожного маршрутизатора. Це не сильно відрізняється від конфігурації сітки, за винятком того факту, що там маршрутизатори не взаємопов'язані, ви можете візуалізувати ці мережі за допомогою малюнка, показаного вище.

Прошивка Xbee

Програмований модуль XBee оснащений безкоштовним процесором додатків. Цей процесор додатків постачається із завантажувачем, що входить до комплекту постачання. Ця прошивка XBee ZV базується на стеці Embernet 3.xx ZigBee-PRO, модулі XBee-Znet 2.5 можуть бути оновлені до цієї функціональності. Ви можете перевірити прошивку за допомогою команди ATVR, про яку ми поговоримо далі в цьому розділі. Номери версій XBee матимуть 4 значущих цифри. Номер версії також можна побачити за допомогою команди ATVR. Відповідь повертає 3 або 4 числа. Усі числа шістнадцяткові та можуть мати діапазон від 0-0xF. Версія повідомляється як "ABCD". Цифри ABC - це основний номер випуску, а D - номер випуску з основного випуску. Обговорення API у розділі 4, а команди AT майже однакові для прошивки Znet 2.5 та ZB.

У телекомунікаціях вся команда Hayes - це команди, специфічні для мови, розроблені для модему Hayes Smart Modem, 1981 р. Вони являли собою серію коротких слів для управління модемом, що робить спілкування та налаштування модему простими в ті часи.

XBee також працює в командному режимі і активував команди AT, що розшифровується як УВАГА; ці команди можуть надсилатися на XBee через термінали XBee, а налаштовані AT радіостанції XBee мають два режими зв'язку.

Прозорий: радіо передає отриману інформацію лише на віддалену радіо-адресу, на яку було налаштовано. Дані, що надсилаються через послідовний порт, XBee отримує як є.

Команда: Цей режим використовується для розмови з радіо та конфігурації деяких попередньо налаштованих режимів; ми спілкуємось з модулями, перебуваючи в цьому режимі, і змінюємо конфігурацію.

Ви можете набрати +++ і зачекати одну секунду, не натискаючи жодної іншої кнопки, тоді повідомлення OK має з’явитися як зображення терміналу. Звичайно, XBee повідомляє нам, що він провів у режимі COMMAND і готовий отримувати повідомлення про конфігурацію.

Команди XBee AT:

AT (TEST): Це тестова команда для перевірки, чи відповідає модуль нормально, оскільки відповідь підтверджує те саме.

ATDH: Адреса призначення висока. Для налаштування верхніх 32 бітів 64-розрядної адреси призначення DL та DH в поєднанні надає вам 64-бітну адресу призначення.

ATDL: Адреса призначення низька. Це ще раз для налаштування нижчих 32 бітів 64-розрядної адреси призначення.

ATID: Ця команда змінює ідентифікатор PAN (PersThe ID - це 4 байти шістнадцяткового і може коливатися від 0000 до FFFF

ATWR: Пишіть. Запишіть значення параметрів у енергонезалежну пам’ять, щоб модифікації параметрів зберігалися через подальші скидання.

Примітка: Після видачі WR додаткові символи не повинні надсилатися до модуля до

Після отримання відповіді "OK \ r".

ATRE (Відновити за замовчуванням): Відновлення заводських налаштувань модуля, дуже корисно, якщо модуль не реагує.

Якщо ви хочете дізнатись більше про модулі ZigBee, то ось чудовий ресурс від Digi.