Bevezetés a zigbee-be: architektúra, hálózatok és parancsok

Általában sok ember összetéveszti az XBee és a ZigBee két kifejezést, legtöbbjük felváltva használja. De ez valójában nem így van; A ZigBee a vezeték nélküli hálózatok szabványos protokollja. Míg az XBee egy olyan termék, amely különféle vezeték nélküli kommunikációs protokollokat támogat, beleértve a ZigBee-t, a Wi-Fi-t (Wi-Fly modult), a 802.15.4, 868 MHz-es modult stb. Itt elsősorban az Xbee / Xbee-PRO ZB RF modulra összpontosítunk a ZigBee firmware-ből.

Gondoljon csak egy számológépre a számítógépen, ahol komplex számításokat végeznek felhasználóbarát felületen. A feladat nagyon nehéz és fárasztó lett volna, ha csak hardver áll rendelkezésre. Tehát a legmagasabb szinten a szoftverek elérhetősége megkönnyíti a problémamegoldás folyamatát. Az egész folyamatot a szoftverrétegekre osztja a tényleges hardver, amelyet magasabb szintek hívnak meg.

Még a rétegek fogalmát is használjuk mindennapi életünkben. Például futár / levél küldése barátja házához, e-mail küldése a világ egyik pontjáról a másikra. Hasonlóképpen, a legtöbb modern hálózati protokoll még a rétegek koncepcióját is alkalmazza, hogy a különféle szoftverkomponenseket különféle módon összeállítható független modulokká különítse el. Lehet, hogy be kell piszkolnia a kezét az Xbee architektúra alapos megismerése érdekében, de mi nagyon egyszerűvé tesszük a dolgokat.

Kezdjük néhány alapvető kifejezéssel, például útválasztás, ütközés elkerülése és nyugtázás. Az első kifejezés megértése érdekében csak a nevét, az „útvonalat” kell használni, ami azt jelenti, hogy nyomon követi vagy azonosítja az utat. A hálózatban az útválasztás azt jelenti, hogy irányt adjon az adatoknak a forrás csomóponttól a cél csomópontig. Amikor a hálózat két csomópontja megpróbál egyidejűleg továbbítani, akkor ütközésnek nevezett helyzet alakul ki. Tehát általában az Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA) technika az ütközések elkerülése érdekében többet tudhat meg a CSMA-ról ezen a linken keresztül. Alapjában véve a csomópontok ugyanúgy beszélnek, mint az emberi beszélgetések; röviden megnézik, hogy senki sem beszél, mielőtt nekikezdenének az adatok küldésének.

Valahányszor a vevő sikeresen megkapja az átvitt adatokat, nyugtázza az adót. Nem szabad hagyni, hogy az adatáramlás elárasztja a vevő rádióját. Bármely vevő rádió korlátozott sebességgel képes feldolgozni a bejövő adatokat, és korlátozott mennyiségű memóriát tárolhat a bejövő adatok számára.

ZigBee architektúra:

A ZigBee veremben négy fő réteg érhető el: fizikai réteg, Médiaelérési réteg, Hálózati réteg és alkalmazásréteg.

Az alkalmazásréteg különböző címzési objektumokat határoz meg, beleértve a profilokat, fürtöket és végpontokat. A ZigBee veremrétegeket a fenti ábrán láthatja.

Hálózati réteg: Útválasztási képességeket kínál, amelyek lehetővé teszik az RF adatcsomagok számára, hogy több eszközön (több "komló") haladjanak át az adatok forrástól célig (peer to peer) történő továbbításához.

A MAC réteg kezeli a szomszédos eszközök közötti RF adattranzakciókat (pontról pontra). A MAC olyan szolgáltatásokat tartalmaz, mint az átviteli újrapróbálkozás, a nyugtázás kezelése és az ütközések elkerülését szolgáló technikák.

Fizikai réteg: Meghatározza, hogy az eszközök hogyan kapcsolódnak a hálózathoz; meghatározza a kimeneti teljesítményt, a csatornák számát és az átviteli sebességet. A legtöbb ZigBee alkalmazás a 2,4 GHz-es ISM sávon működik, 250 kbps sebességgel.

A legtöbb XBee család áramlásszabályozóval, I / O, A / D és indikátor vonalakkal rendelkezik, amelyek megfelelő parancsok segítségével konfigurálhatók. Az analóg mintákat 10 bites értékként adjuk vissza. Az analóg leolvasás mértéke olyan, hogy a 0x0000 értéke 0V, a 0x3FF = 1,2V. (A modul analóg bemenete legfeljebb 1,2 V lehet)

Az A / D leolvasás mV-vé alakításához tegye a következőket:

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

Adatátvitel a ZigBee-ben

Hívhat egy hálózatot szoftver és hardver kombinációjaként, amely képes adatokat küldeni egyik helyről a másikra. A hardver felelős azért, hogy a jeleket a hálózat egyik pontjáról a másikra vigye. A szoftver olyan utasításkészletekből áll, amelyek lehetővé teszik az elvárásoknak megfelelő munkát.

A ZigBee csomagok által történő adatátvitel általában kétféle módon történhet: unicast és broadcast.

Műsorszórás:

Egyszerű szavakkal a sugárzás a rádió vagy a TV által továbbított információt / programot jelenti. Más szavakkal, a sugárzott adásokat a hálózat sok vagy összes eszközére továbbítják. A ZigBee protokollal továbbított adásokat az egész hálózat terjeszti úgy, hogy minden csomópont megkapja az adást. Ennek megvalósításához a koordinátor és az összes útválasztó, amely sugárzott adást fogad, háromszor továbbítja a csomagot.

Unicast átvitel:

Unicast átvitel a ZigBee útvonaladatokban egyik forráseszközről egy másik céleszközre. A céleszköz lehet a forráseszköz közvetlen szomszédja, vagy több komló lehet közöttük. Az alábbiakban egy példát mutatunk be, amely elmagyarázza a kétirányú kapcsolat megbízhatóságának felismerésére szolgáló mechanizmust.

A hálózat alapjai az Xbee routerekhez és a Koordinátorhoz

Mire van szüksége a barátja házához való eljutáshoz? Csak a címe kell. Hasonlóképpen, az adatok egyik Xbee modulból a másikba történő elküldéséhez szüksége van annak egyedi címére. Az emberekhez hasonlóan az Xbee-nek még több címe is van, mindegyiknek különös szerepe van a hálózatépítésben. Kétféle cím létezik: Statikus cím (64 bites cím) és Dinamikus cím (16 bites cím).

Címek:

A 64 bites cím univerzálisan egyedi; az Xbee modul belsejében rögzíti a gyártó. A földön egyetlen más ZigBee rádiónak sem lesz ugyanaz a statikus címe, minden xbee modul hátoldalán láthatja ezt a címet az alábbiak szerint, nevezetesen a „0013A200” cím felső része minden xbee modul esetében azonos.

Egy eszköz 16 bites címet kap, amelynek helyileg egyedinek kell lennie, amikor csatlakozik a ZigBee hálózathoz. A 16 bites 0x0000 cím a koordinátor számára van fenntartva. Az összes többi eszköz véletlenszerűen generált címet kap az útválasztótól vagy a koordinátortól, amely lehetővé teszi a csatlakozást. A 16 bites cím megváltozhat, ha két eszköznek azonos a 16 bites címe, vagy ha egy eszköz elhagyja a hálózatot, és később csatlakozik (más címet is kaphat).

Csomópont azonosító:

Az agyunknak mindig könnyebb húrokra emlékezni a szám helyett. Ezért a hálózat minden Xbee modulja csomópont-azonosítóval rendelhető hozzá. A csomópont-azonosító karakterekből áll, azaz karakterláncok, amelyek emberbarátabb módon kezelhetik a csomópontokat a hálózatban.

Személyes hálózatok:

Az ezen Xbee modulok által kifejlesztett hálózatot személyes hálózatnak vagy PAN-nek nevezzük. Minden hálózatot egyedi PAN azonosítóval (PAN ID) definiálunk. Ez az azonosító ugyanazon hálózat összes eszköze között általános. A ZigBee egyaránt támogatja a 64 bites és a 16 bites PAN azonosítót. Mindkét PAN címet a hálózat egyedi azonosítására használják. Az ugyanazon ZigBee hálózaton lévő eszközöknek ugyanazokkal a 64 és 16 bites PAN azonosítókkal kell rendelkezniük. Ha több ZigBee hálózat működik egymás hatótávolságán belül, mindegyiknek egyedi PAN azonosítókkal kell rendelkeznie.

A 16 bites PAN ID-t a MAC réteg címzésére használják a hálózat eszközei közötti összes RF adatátvitel során. De a 16 bites PAN ID korlátozott címzési területe miatt (65 535 lehetőség) lehet, hogy több (egymás hatótávolságán belül lévő) ZigBee hálózatnak ugyanaz a 16 bites PAN azonosítója lehet. Ezen konfliktusok megoldására a ZigBee Alliance létrehozott egy 64 bites PAN azonosítót. A ZigBee három különböző eszköztípust határoz meg: koordinátort, útválasztót és végeszközt.

Minden hálózatban mindig egy koordinátorra van szükség a hálózat felállításának töltéséhez. Tehát soha nem tud aludni. Feladata egy csatorna és PAN azonosító (64 bites és 16 bites is) kiválasztása a hálózat indításához. Lehetővé teheti az útválasztók és a végberendezések csatlakozását a hálózathoz. Segíthet az adatok hálózatban történő továbbításában.

A hálózatban több útválasztó is lehet. Egy útválasztó más útválasztóktól / EP-ktől (végpontoktól) kaphat jeleket. Soha nem tud aludni sem. Csatlakoznia kell egy Zigbee PAN-hez, mielőtt továbbíthat, fogadhat vagy továbbíthat adatokat. Csatlakozás után lehetővé teheti az útválasztók és a végberendezések csatlakozását a hálózathoz. Csatlakozás után segíthet az adatok továbbításában is. Pufferelni képes RF adatcsomagokat alvó végberendezésekhez.

Több végpont is lehet. Energiatakarékosság céljából alvó üzemmódba léphet. Csatlakoznia kell egy ZigBee PAN-hez, mielőtt adatokat továbbíthat vagy fogadhat, és még azt sem engedheti meg, hogy az eszközök csatlakozzanak a hálózathoz. Az adatok továbbítása / fogadása a szülőtől függ.

Mivel a végberendezés alvó üzemmódba léphet, a szülő eszköznek pufferolnia vagy tárolnia kell a bejövő adatcsomagokat, amíg a végeszköz felébred és megkapja az adatcsomagokat.

Különböző hálózati topológia a ZigBee-ben

A hálózati topológia a hálózat tervezésének módjára utal. Itt a topológia az összes link és összekapcsoló eszköz (koordinátor, router és végberendezés) egymáshoz való viszonyának geometriai ábrázolása.

Itt négy alapvető topológiai hálónk van, csillag, hibrid és fa.

A Mesh topológiában minden csomópont össze van kötve egymással, és a csomópont elvárja a végberendezést, mert a végberendezések nem tudnak közvetlenül kommunikálni. Két ZB rádió közötti egyszerű kommunikáció lehetővé tételéhez konfigurálnia kell egyet a koordinátor firmware-rel, egyet pedig az útválasztó vagy a végpont firmware-jével. A Mesh hálózat legfőbb előnye, hogy ha az egyik link használhatatlanná válik, az nem teszi alkalmatlanná az egész rendszert.

Egy csillag topológia, minden eszköz rendelkezik egy dedikált pont-pont kapcsolat egy központi vezérlő (koordinátor). Az összes eszköz nincs közvetlenül összekapcsolva egymással. A háló topológiától eltérően a csillag topológiában egy eszköz nem küldhet semmit közvetlenül egy másik eszközre. A koordinátor vagy a hub ott van a cseréhez: Ha az egyik eszköz adatokat akar küldeni a másiknak, akkor az adatokat elküldi a koordinátornak, amely tovább továbbítja az adatokat a céleszköznek.

A hibrid hálózat azok a hálózatok, amelyek két vagy több típusú kommunikációs szabványt tartalmaznak. Itt a hibrid hálózat a csillag és a fa hálózat kombinációja, kevés végberendezés kapcsolódik közvetlenül a koordinátor csomóponthoz, és más végberendezéseknek a szülő csomópont segítségére van szükségük az adatok fogadásához.

A Tree hálózatban az útválasztók alkotják a gerincet és a végberendezéseket, amelyek általában az egyes útválasztók köré csoportosulnak. Ez nem nagyon különbözik a háló konfigurációjától, kivéve azt a tényt, hogy az útválasztók nincsenek összekapcsolva, ezeket a hálózatokat a fenti ábra segítségével jelenítheti meg.

Xbee firmware

Az XBee programozható modul szabad léptékű alkalmazásprocesszorral van felszerelve. Ez az alkalmazásprocesszor egy mellékelt rendszerindítóval érkezik. Ez az XBee ZV firmware az Embernet 3.xx ZigBee-PRO veremre épül, az XBee-Znet 2.5 modulok frissíthetők erre a funkcióra. A firmware-t ellenőrizheti az ATVR paranccsal, amelyet később a fejezetben tárgyalunk. Az XBee verziószámai 4 számjegyből állnak. A verziószám az ATVR parancs segítségével is látható. A válasz 3 vagy 4 számot ad vissza. Minden szám hexadecimális, és 0 és 0 közötti tartományba eshet. Egy verzió jelentése "ABCD". Az ABC számjegy a fő kiadás száma, D pedig a fő kiadás verziószáma. A 4. fejezetben tárgyalt API és az AT parancsok szinte megegyeznek a Znet 2.5 és a ZB firmware-ekkel.

A távközlésben a teljes Hayes parancs egy nyelvspecifikus parancs, amelyet a Hayes Smart Modem számára fejlesztettek ki, 1981 rövid szavak voltak, amelyek vezérelték a modemet, így azokban a napokban egyszerűvé vált a kommunikáció és a modem beállítása.

Az XBee parancs módban is működik, és elindította az AT parancsokat, amelyek a FIGYELEM szót jelentik. Ezeket a parancsokat az XBee terminálokon keresztül lehet elküldeni az XBee-nek. Az AT konfigurált XBee rádióknak két kommunikációs módjuk van.

Átlátszó: A rádió csak a kapott távoli rádiócímre továbbítja a kapott információkat. A soros porton keresztül küldött adatokat az XBee olyan állapotban fogadja.

Parancs: Ezt az üzemmódot használják a rádióval való beszélgetésre és néhány előre konfigurált mód konfigurálására. Ebben a módban kommunikálunk a modulokkal, és megváltoztatjuk a konfigurációt.

Beírhatja a +++ kifejezést, és várhat egy másodpercet anélkül, hogy megnyomna más gombokat, ekkor az OK üzenetnek kell megjelennie, ahogy a terminál képe éppen fent van. OK-val az XBee közli velünk, hogy COMMAND módban töltött, és készen áll a konfigurációs üzenetek fogadására.

XBee AT parancsok:

AT (TEST): Ez a tesztparancs annak ellenőrzésére, hogy a modul válaszol-e egy OK-val, mivel a válasz megerősíti ezt.

ATDH: Cél címe magas. A 64 bites célcím felső 32 bitjének konfigurálásához a DL és a DH együttesen 64 bites célcímet ad.

ATDL: A célcím alacsony. Ez ismét a 64 bites célcím alsó 32 bitjének konfigurálásához.

ATID: Ez a parancs megváltoztatja a PAN azonosítót (Pers Az azonosító 4 bájt hexadecimális, és 0000 és FFFF között lehet.

ATWR: Írj. Írja be a paraméterértékeket a nem felejtő memóriába, hogy a paraméterek módosítása a következő visszaállítások során is fennmaradjon.

Megjegyzés: A WR kiadását követően a modulhoz nem kell további karaktereket küldeni

Miután megkapta az "OK \ r" választ.

ATRE (Alapértékek visszaállítása): Visszaállítja a modul gyári beállításait, nagyon hasznos, ha a modul nem reagál.

Ha többet szeretne megtudni a ZigBee modulokról, akkor itt van a Digi nagyszerű forrása.