Úvod do architektúry zigbee: architektúry, sietí a príkazov

Mnoho ľudí si spravidla mýli dva pojmy XBee a ZigBee, väčšina z nich ho však používa zameniteľne. Ale v skutočnosti to tak nie je; ZigBee je štandardný protokol pre bezdrôtové siete. Zatiaľ čo XBee je produkt, ktorý podporuje rôzne bezdrôtové komunikačné protokoly, vrátane ZigBee, Wi-Fi (modul Wi-Fly), 802.15.4, 868 MHz atď. Tu sa zameriavame hlavne na RF modul Xbee / Xbee-PRO ZB, ktorý sa skladá firmvéru ZigBee.

Spomeňte si na kalkulačku v počítači, kde sa zložité výpočty vykonávajú s užívateľsky prívetivým rozhraním. Úloha by bola veľmi náročná a zdĺhavá, ak by bol k dispozícii iba hardvér. Takže na najvyššej úrovni dostupnosť softvéru uľahčuje proces riešenia problémov. Celý proces je rozdelený na vrstvy softvéru skutočným hardvérom, ktorý sa volá na vyšších úrovniach.

Koncept vrstiev používame dokonca aj v každodennom živote. Napríklad posielanie kuriérov / listov do domu vášho priateľa, posielanie e-mailov z jedného bodu sveta na druhé. Podobne aj väčšina moderných sieťových protokolov dokonca využíva koncept vrstiev na oddelenie rôznych softvérových komponentov do nezávislých modulov, ktoré je možné zostaviť rôznymi spôsobmi. Možno si budete musieť zašpiniť ruky, aby ste porozumeli architektúre Xbee, ale urobíme to pre vás veľmi jednoduché.

Začnime niekoľkými základnými pojmami, ako je smerovanie, predchádzanie kolíziám a potvrdenie. Pre pochopenie prvého výrazu stačí pomenovať jeho názov „trasa“, čo znamená sledovať alebo identifikovať cestu. V sieťových sieťach smerovanie znamená poskytovať smer k údajom zo zdrojového uzla do cieľového uzla. Keď sa dva uzly v sieti pokúsia vysielať súčasne, vytvorí sa situácia nazývaná kolízia. Všeobecne teda platí, že ak chcete zabrániť kolízii, môžete sa pomocou techniky Carrier Sense Multiple Access with Collision Prevention (CSMA / CA) dozvedieť viac o protokole CSMA. V zásade v ňom uzly hovoria rovnakým spôsobom ako ľudská konverzácia; predtým, ako začnú posielať údaje, krátko skontrolujú, či nikto nerozpráva.

Kedykoľvek prijímač úspešne prijme prenesené dáta, potvrdí to vysielač. Tok údajov nesmie byť schopný preťažiť rádio prijímača. Akékoľvek prijímacie rádio má obmedzenú rýchlosť, s akou dokáže spracovať prichádzajúce dáta, a obmedzené množstvo pamäte, do ktorej môže prichádzajúce dáta ukladať.

Architektúra ZigBee:

V zásobníku ZigBee sú k dispozícii štyri hlavné vrstvy, ktoré sú fyzická vrstva, vrstva prístupu k médiám, sieťová vrstva a aplikačná vrstva.

Aplikačná vrstva definuje rôzne adresovacie objekty vrátane profilov, klastrov a koncových bodov. Vrstvy zásobníka ZigBee môžete vidieť na obrázku vyššie.

Sieťová vrstva: Pridáva možnosti smerovania, ktoré umožňujú RF dátovým paketom prechádzať viacerými zariadeniami (viacnásobné preskakovanie) na smerovanie údajov zo zdroja do cieľa (peer to peer).

MAC vrstva riadi RF dátové transakcie medzi susednými zariadeniami (bod k bodu). MAC obsahuje služby, ako je opakovanie prenosu a správa potvrdenia a techniky na predchádzanie kolíziám.

Fyzická vrstva: Definuje, ako sú zariadenia pripojené k vytvoreniu siete; definuje výstupný výkon, počet kanálov a prenosovú rýchlosť. Väčšina aplikácií ZigBee pracuje v pásme ISM 2,4 GHz s dátovou rýchlosťou 250 kb / s.

Väčšina skupín XBee má zabudované riadiace toky, I / O, A / D a indikačné čiary, ktoré je možné nakonfigurovať pomocou vhodných príkazov. Analógové vzorky sa vracajú ako 10-bitové hodnoty. Analógové čítanie je škálované tak, že 0x0000 predstavuje 0V a 0x3FF = 1,2V. (Analógové vstupy na module nemôžu byť väčšie ako 1,2 V)

Ak chcete previesť A / D odpočet na mV, postupujte takto:

AD (mV) = (A / D čítanie * 1 200 mV) / 1023

Prenos dát v ZigBee

Môžete zavolať sieť ako kombináciu softvéru a hardvéru, ktorá je schopná odosielať údaje z jedného miesta na druhé. Hardvér je zodpovedný za prenos signálov z jedného bodu siete do druhého. Softvér pozostáva z inštruktážnych sád, ktoré umožňujú pracovať podľa našich očakávaní.

Prenos dát paketmi ZigBee sa dá vo všeobecnosti uskutočniť dvoma spôsobmi: jednosmerným vysielaním a vysielaním.

Vysielanie:

Jednoducho povedané Broadcast znamená informácie / program prenášané rozhlasom alebo TV. Inými slovami, vysielacie prenosy sa odosielajú do mnohých alebo všetkých zariadení v sieti. Vysielané prenosy s protokolom ZigBee sa šíria v celej sieti tak, že prenos prijímajú všetky uzly. Aby sa to dosiahlo, koordinátor a všetky smerovače, ktoré prijímajú vysielací prenos, znovu zašlú paket trikrát.

Prenos Unicast:

Prenosy Unicast v ZigBee smerujú údaje z jedného zdrojového zariadenia do iného cieľového zariadenia. Cieľové zariadenie môže byť bezprostredným susedom so zdrojovým zariadením alebo môže mať medzi sebou niekoľko preskokov. Nižšie je uvedený príklad na obrázku, ktorý vysvetľuje mechanizmus rozpoznávania spoľahlivosti obojsmerného spoja.

Základy siete pre smerovače Xbee a koordinátora

Čo potrebujete, aby ste sa dostali do domu vášho priateľa? Potrebujete iba jeho adresu. Podobne pre odosielanie údajov z jedného modulu Xbee do druhého potrebujete jeho jedinečnú adresu. Rovnako ako ľudia, aj Xbee má niekoľko adries, z ktorých každá má osobitnú úlohu pri vytváraní sietí. Existujú dva typy adries: statická adresa (64-bitová adresa) a dynamická adresa (16-bitová adresa).

Adresy:

64-bitová adresa je univerzálne jedinečná; je výrobcom spevnený vo vnútri modulu Xbee. Žiadne iné rádio ZigBee na zemi nebude mať rovnakú statickú adresu, na zadnej strane každého modulu xbee môžete vidieť túto adresu, ako je uvedené nižšie, a najmä horná časť adresy „0013A200“ je rovnaká pre každý modul xbee.

Keď sa zariadenie pripojí k sieti ZigBee, dostane 16-bitovú adresu, ktorá by mala byť lokálne jedinečná. 16-bitová adresa 0x0000 je vyhradená pre koordinátora. Všetky ostatné zariadenia dostávajú náhodne generovanú adresu od smerovača alebo koordinátora, ktorý umožňuje pripojenie. 16-bitová adresa sa môže zmeniť, keď sa zistí, že dve zariadenia majú rovnakú 16-bitovú adresu, alebo keď zariadenie opustí sieť a neskôr sa pripojí (môže prijať inú adresu).

Identifikátor uzla:

Náš mozog si vždy ľahšie zapamätá reťazce namiesto čísla. Preto každému modulu Xbee v sieti možno priradiť identifikátor uzla. Identifikátor uzla je sada znakov, tj reťazcov, ktoré môžu byť pre človeka adresnejšie pre uzol v sieti.

Osobné siete:

Sieť vyvinutá týmito modulmi Xbee sa nazýva osobná sieť alebo PAN. Každá sieť je definovaná jedinečným identifikátorom PAN (PAN ID). Tento identifikátor je spoločný pre všetky zariadenia v rovnakej sieti. ZigBee podporuje 64-bitové aj 16-bitové ID PAN. Obe adresy PAN sa používajú na jednoznačnú identifikáciu siete. Zariadenia v rovnakej sieti ZigBee musia zdieľať rovnaké 64-bitové a 16-bitové identifikátory PAN. Ak v dosahu navzájom pracuje niekoľko sietí ZigBee, každá z nich by mala mať jedinečné identifikátory PAN.

16-bitové PAN ID sa používa na adresovanie vrstvy MAC pri všetkých RF údajových prenosoch medzi zariadeniami v sieti. Ale vzhľadom na obmedzený adresovací priestor 16-bitového PAN ID (65 535 možností) môže existovať šanca, že viac sietí ZigBee (v dosahu navzájom) môže mať rovnaké 16-bitové PAN ID. Na vyriešenie týchto konfliktov vytvorila Aliancia ZigBee 64-bitové ID PAN. ZigBee definuje tri rôzne typy zariadení: koordinátor, smerovač a koncové zariadenie.

V každej sieti je na zabezpečenie nastavenia siete vždy potrebný jeden koordinátor. Takže nikdy nemôže spať. Je tiež zodpovedný za výber kanálu a PAN ID (64-bitové aj 16-bitové) na spustenie siete. Môže umožniť smerovačom a koncovým zariadeniam pripojiť sa k sieti. Môže pomôcť pri smerovaní údajov v sieti.

V sieti môže byť viac smerovačov. Jeden smerovač môže prijímať signály z iných smerovačov / EP (koncových bodov). Tiež nikdy nemôže spať. Pred prenosom, príjmom alebo smerovaním údajov sa musí pripojiť k sieti Zigbee PAN. Po pripojení môže umožniť smerovačom a koncovým zariadeniam pripojenie k sieti. Po pripojení môže pomôcť aj pri smerovaní údajov. Môže ukladať RF dátové pakety pre spánkové koncové zariadenia.

Môže existovať aj viac koncových bodov. Môže ísť do režimu spánku kvôli šetreniu energie. Predtým, ako bude môcť prenášať alebo prijímať údaje, sa musí pripojiť k sieti ZigBee PAN a dokonca nemôže pripustiť pripojenie zariadení k sieti. Závisí to od rodiča pri vysielaní / prijímaní údajov.

Pretože koncové zariadenie môže prejsť do režimu spánku, musí nadradené zariadenie ukladať alebo zadržiavať prichádzajúce dátové pakety, kým sa koncový prístroj neprebudí a neprijme dátové pakety.

Rôzna topológia siete v ZigBee

Topológia siete sa vzťahuje na spôsob, akým bola sieť navrhnutá. Topológia tu predstavuje geometrické znázornenie vzťahu všetkých prepojení a prepájacích zariadení (koordinátor, smerovač a koncové zariadenia) navzájom.

Tu máme štyri základné topológie mriežka, hviezda, hybrid a strom.

V sieťovej topológii je každý uzol prepojený s každým ďalším uzlom, takže od koncového zariadenia očakávame, že koncový prístroj nemôže komunikovať priamo. Aby ste umožnili jednoduchú komunikáciu medzi dvoma vysielačmi ZB, budete musieť nakonfigurovať jedno s firmvérom koordinátora a druhé s firmvérom smerovača alebo koncového bodu. Hlavnou výhodou siete Mesh je, že ak sa jeden z odkazov stane nepoužiteľným, neznemožní to fungovanie celého systému.

V hviezdnej topológii má každé zariadenie vyhradené pripojenie typu point-to-point k centrálnemu ovládaču (koordinátor). Všetky zariadenia nie sú navzájom priamo prepojené. Na rozdiel od sieťovej topológie nemôže vo hviezdnej topológii jedno zariadenie odosielať nič priamo do iného zariadenia. Koordinátor alebo rozbočovač sú tu na výmenu: Ak chce jedno zariadenie odosielať údaje druhému, odošle údaje koordinátorovi, ktorý ďalej odošle údaje do cieľového zariadenia.

Hybridná sieť sú tie siete, ktoré obsahujú dva alebo viac typov komunikačných štandardov. Tu je hybridná sieť kombináciou hviezdnej a stromovej siete, niekoľko koncových zariadení je pripojených priamo k uzlu koordinátora a iné koncové zariadenia potrebujú na získanie údajov pomoc nadradeného uzla.

V sieti Tree tvoria smerovače chrbticové a koncové zariadenia obvykle zoskupené okolo každého smerovača. To sa veľmi nelíši od konfigurácie siete, okrem skutočnosti, že tam nie sú navzájom prepojené smerovače, môžete tieto siete vizualizovať pomocou obrázku zobrazeného vyššie.

Firmvér Xbee

Programovateľný modul XBee je vybavený aplikačným procesorom Free scale. Tento aplikačný procesor sa dodáva s dodávaným zavádzačom. Tento firmvér XBee ZV je založený na zásobníku Embernet 3.xx ZigBee-PRO, moduly XBee-Znet 2.5 je možné inovovať na túto funkčnosť. Firmvér môžete skontrolovať pomocou príkazu ATVR, o ktorom si povieme neskôr v tejto kapitole. Čísla verzií XBee budú mať 4 platné číslice. Číslo verzie môžete vidieť aj pomocou príkazu ATVR. Odpoveď vráti 3 alebo 4 čísla. Všetky čísla sú hexadecimálne a môžu mať rozsah od 0 do 0 ° F. Verzia sa označuje ako „ABCD“. Číslice ABC sú hlavné číslo vydania a D je číslo revízie z hlavného vydania. API diskutované v kapitole 4 a príkazy AT sú takmer rovnaké pre firmvér Znet 2.5 a ZB.

V telekomunikáciách je celý príkaz Hayes jazykovo špecifickým príkazom vyvinutým pre Hayesov modem Smart Modem, 1981, čo bola séria krátkych slov na ovládanie modemu, ktorá v tých časoch zjednodušila komunikáciu a nastavenie modemu.

XBee funguje aj v príkazovom režime a spustil AT príkazy, čo znamená POZOR, tieto príkazy je možné odosielať do XBee cez terminály XBee a AT nakonfigurované rádiá XBee majú dva režimy komunikácie

Transparentné: Rádio iba odovzdáva prijaté informácie na rádiovú adresu diaľkového ovládača, na ktorú je nakonfigurovaný. Dáta odosielané cez sériový port prijíma XBee také, aké sú.

Príkaz: Tento režim sa používa na komunikáciu s rádiom a na konfiguráciu niektorých predkonfigurovaných režimov. V týchto režimoch komunikujeme s modulmi a meníme konfiguráciu.

Môžete napísať +++ a počkať jednu sekundu bez stlačenia ďalších tlačidiel. Správa OK by sa mala potom zobraziť ako obrázok terminálu. OK, XBee nám oznámi, že strávil v režime COMMAND a je pripravený na prijímanie konfiguračných správ.

Príkazy XBee AT:

AT (TEST): Toto je testovací príkaz na kontrolu, či modul reaguje na OK, pretože odpoveď potvrdzuje to isté.

ATDH: Cieľová adresa je vysoká. Ak chcete nakonfigurovať horných 32 bitov 64-bitovej cieľovej adresy, DL a DH vám dajú dohromady 64-bitovú cieľovú adresu.

ATDL: Nízka cieľová adresa. To opäť pre konfiguráciu dolných 32 bitov 64-bitovej cieľovej adresy.

ATID: Tento príkaz zmení ID PAN (PersThe ID má 4 bajty hexadecimálne a môže sa pohybovať od 0000 do FFFF.

ATWR: Napíšte. Hodnoty parametrov zapisujte do energeticky nezávislej pamäte, aby úpravy parametrov pretrvávali aj pri ďalších resetoch.

Poznámka: Po vydaní WR by sa do modulu nemali posielať ďalšie znaky

Po prijatí odpovede „OK“.

ATRE (Restore Defaults): Obnoví výrobné nastavenia modulu, je veľmi užitočné, ak modul nereaguje.

Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o moduloch ZigBee, je tu skvelý zdroj od spoločnosti Digi.