Въведение в zigbee: архитектура, мрежи и команди

Обикновено много хора се бъркат с два термина XBee и ZigBee, повечето от тях го използват взаимозаменяемо. Но това всъщност не е така; ZigBee е стандартен протокол за безжична мрежа. Докато XBee е продукт, който поддържа различни протоколи за безжична комуникация, включително ZigBee, Wi-Fi (модул Wi-Fly), модул 802.15.4, 868 MHz и т.н. Тук се фокусираме основно върху RF модула Xbee / Xbee-PRO ZB, който се състои на фърмуера на ZigBee.

Само си помислете за калкулатор в компютър, където се извършват сложни изчисления с удобен за потребителя интерфейс. Задачата би била много трудна и досадна, ако беше наличен само хардуер. Така че, на най-високо ниво, наличието на софтуер улеснява процеса на решаване на проблеми. Целият процес е разделен на слоеве от софтуера от действителния хардуер, който се извиква от по-високите нива.

Ние дори използваме концепцията за слоевете в нашето ежедневие. Например изпращане на куриер / писмо до дома на вашия приятел, изпращане на имейл от една точка на света до друга. По същия начин повечето съвременни мрежови протоколи дори използват концепция за слоеве за разделяне на различни софтуерни компоненти в независими модули, които могат да бъдат сглобени по различни начини. Може да се наложи да си изцапате ръцете, за да разберете по-задълбочено архитектурата на Xbee, но ние ще направим нещата много лесни за вас.

Нека започнем с някои основни термини като маршрутизиране, избягване на сблъсък и потвърждение. За да разберете първия термин, просто отидете на неговото име, „маршрут“, което означава да проследите или идентифицирате пътя. В мрежата маршрутизирането означава да се осигури посока на данните от възел източник до възел дестинация. Когато два възела в мрежата се опитват да предават едновременно, създава ситуация, наречена сблъсък. Така че, като цяло техниката за множествен достъп на Carrier Sense с избягване на сблъсък (CSMA / CA), за да се избегне сблъсък, можете да научите повече за CSMA, като използвате тази връзка. По принцип в него възлите говорят по същия начин, както човешкият разговор; те проверяват за кратко дали никой не говори, преди да започнат да изпращат данни.

Винаги, когато приемникът успешно получи предадените данни, той потвърждава предавателя. Не трябва да се позволява потокът от данни да затрупва радиото на приемника. Всяко приемащо радио има ограничена скорост, с която може да обработва входящи данни и ограничен обем памет, в който да съхранява входящите данни.

ZigBee архитектура:

В стека на ZigBee има основни четири слоя, които са физически слой, слой за достъп до медии, мрежов слой и слой на приложението.

Приложният слой дефинира различни адресиращи обекти, включително профили, клъстери и крайни точки. Можете да видите слоевете на стека ZigBee на фигурата по-горе.

Мрежов слой: Той добавя възможности за маршрутизация, които позволяват на RF пакетите с данни да пресичат множество устройства (множество „скокове“) за маршрутизиране на данни от източник до местоназначение (peer to peer).

MAC слоят управлява RF транзакциите с данни между съседни устройства (точка до точка). MAC включва услуги като повторен опит за предаване и управление на потвърждението и техники за избягване на сблъсъци.

Физически слой: Той определя как устройствата са свързани, за да направят мрежа; той определя изходната мощност, броя на каналите и скоростта на предаване. Повечето ZigBee приложения работят на 2,4 GHz ISM лента със скорост на предаване на данни 250kbps.

Повечето семейства XBee имат вграден контрол на потока, I / O, A / D и индикаторни линии, които могат да бъдат конфигурирани с помощта на подходящи команди. Аналоговите проби се връщат като 10-битови стойности. Аналоговото отчитане се мащабира така, че 0x0000 представлява 0V и 0x3FF = 1.2V. (Аналоговите входове на модула не могат да надвишават 1.2V)

За да преобразувате A / D отчитането в mV, направете следното:

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

Предаване на данни в ZigBee

Можете да се обадите на мрежа като комбинация от софтуер и хардуер, която може да изпраща данни от едно място на друго. Хардуерът е отговорен за пренасянето на сигналите от една точка на мрежата в друга. Софтуерът се състои от набори от инструкции, които дават възможност да работи както очакваме.

По принцип предаването на данни чрез пакети ZigBee може да се извърши по два начина: едноадресен и излъчен.

Излъчено предаване:

С прости думи излъчване означава информацията / програмата, предавана по радиото или телевизията. С други думи излъчените предавания се изпращат до много или всички устройства в мрежата. Излъчваните предавания с протокола ZigBee се разпространяват в цялата мрежа, така че всички възли получават предаването. За да постигне това, координаторът и всички рутери, които получават излъчено предаване, ще препредадат пакета три пъти.

Едноадресно предаване:

Едноадресни предавания в ZigBee маршрутни данни от едно устройство източник към друго устройство дестинация. Устройството за местоназначение може да бъде непосредствен съсед на устройството източник или може да има няколко скачания между пътя. Пример е показан по-долу на фигурата, обясняваща механизма за разпознаване на надеждността на двупосочната връзка.

Основи на мрежата за Xbee рутери и координатор

За да стигнете до къщата на приятеля си, от какво имате нужда? Просто се нуждаете от адреса му. По същия начин, за изпращане на данните от един модул Xbee към друг, се нуждаете от неговия уникален адрес. Точно както при хората, Xbee дори има няколко адреса, всеки от които има определена роля в работата в мрежа. Има два типа адреси Статичен адрес (64-битов адрес) и Динамичен адрес (16-битов адрес).

Адреси:

64-битовият адрес е уникален универсално; той се закрепва вътре в модула Xbee от производителя. Нито едно друго ZigBee радио на земята няма да има същия същия статичен адрес, на гърба на всеки xbee модул можете да видите този адрес, както е показано по-долу, и по-специално горната част на адрес „0013A200“ е еднаква за всеки xbee модул.

Устройството получава 16-битов адрес, който трябва да бъде уникален локално, когато се присъедини към мрежа ZigBee. 16-битовият адрес 0x0000 е запазен за координатора. Всички други устройства получават произволно генериран адрес от рутера или устройството координатор, което позволява присъединяването. 16-битовият адрес може да се промени, когато се установи, че две устройства имат един и същ 16-битов адрес или устройство напусне мрежата и по-късно се присъедини (може да получи различен адрес).

Идентификатор на възел:

Винаги е по-лесно за нашия мозък да запомни струните, вместо числото. Следователно, всеки модул Xbee в мрежата може да бъде присвоен с идентификатор на възел. Идентификаторът на възел е набор от символи, т.е. низове, които могат да бъдат по-удобен за човека начин за адресиране на възел в мрежа.

Лични мрежи:

Мрежата, разработена от тези модули Xbee, се нарича лична мрежа или PAN. Всяка мрежа е дефинирана с уникален PAN идентификатор (PAN ID). Този идентификатор е често срещан сред всички устройства от една и съща мрежа. ZigBee поддържа както 64-битов, така и 16-битов PAN ID. И двата PAN адреса се използват за идентифициране на мрежа по уникален начин. Устройствата в една и съща ZigBee мрежа трябва да споделят едни и същи 64-битови и 16-битови PAN идентификатори. Ако множество ZigBee мрежи работят в обхват една от друга, всяка трябва да има уникални PAN ID.

16-битовият PAN ID се използва за адресиране на MAC слой при всички RF трансмисии на данни между устройства в мрежата. Но поради ограниченото адресиращо пространство на 16-битовия PAN ID (65 535 възможности), може да има вероятност множество ZigBee мрежи (в обхвата една от друга) да имат същия 16-битов PAN ID. За да разреши тези конфликти, ZigBee Alliance създаде 64-битов PAN ID. ZigBee дефинира три различни типа устройства: координатор, рутер и крайно устройство.

Във всяка мрежа винаги се изисква един координатор за таксуване на настройването на мрежата. Така че, никога не може да заспи. Той също така е отговорен за избора на канал и PAN ID (както 64-битов, така и 16-битов) за стартиране на мрежата. Той може да позволи на рутери и крайни устройства да се присъединят към мрежата. Той може да помогне за маршрутизиране на данни в мрежа.

В мрежата може да има множество рутери. Един рутер може да получава сигнали от други рутери / ЕР (Крайни точки). Също така никога не може да заспи. Той трябва да се присъедини към Zigbee PAN, преди да може да предава, приема или маршрутизира данни. След присъединяването може да позволи на рутерите и крайните устройства да се присъединят към мрежата. След присъединяването може да помогне и за маршрутизиране на данни. Той може да буферира RF пакети данни за спящи крайни устройства.

Също така може да има множество Крайни точки. Той може да премине в режим на заспиване, за да спести енергия. Той трябва да се присъедини към ZigBee PAN, преди да може да предава или приема данни и дори не може да позволи на устройствата да се присъединят към мрежата. Зависи от родителя за предаване / получаване на данни.

Тъй като крайното устройство може да премине в режим на заспиване, родителското устройство трябва да буферира или да задържи входящите пакети данни, докато крайното устройство се събуди и получи пакетите данни.

Различна мрежова топология в ZigBee

Топологията на мрежата се отнася до начина, по който е проектирана мрежата. Тук топологията е геометрично представяне на връзката между всички връзки и свързващи устройства (координатор, рутер и крайни устройства).

Тук имаме четири основни топологични мрежи, звезда, хибрид и дърво.

В Mesh Topology всеки възел е свързан помежду си, възелът очаква крайното устройство, тъй като крайните устройства не могат да комуникират директно. За да разрешите проста комуникация между две ZB радиостанции, ще трябва да конфигурирате една с фърмуера на координатора и една с фърмуера на рутера или крайната точка. Основното предимство на мрежата Mesh е, че ако една от връзките стане неизползваема, тя не обезсилва цялата система.

В звездната топология всяко устройство има специална връзка от точка до точка към централен контролер (координатор). Всички устройства не са пряко свързани помежду си. За разлика от мрежовата топология, при звездната топология едно устройство не може да изпрати нищо директно към друго устройство. Координаторът или хъбът е там за обмен: Ако едно устройство иска да изпрати данни на друго, то изпраща данните до координатора, който допълнително изпраща данните до целевото устройство.

Хибридни мрежи са тези мрежи, които съдържат два или повече типа комуникационни стандарти. Тук хибридната мрежа е комбинация от мрежа звезда и дърво, малко крайни устройства са свързани директно към координаторния възел, а други крайни устройства се нуждаят от помощта на родителски възел, за да получат данните.

В Tree мрежата рутерите образуват гръбначния стълб и крайните устройства, обикновено групирани около всеки рутер. Това не е много различно от конфигурацията на мрежа, освен факта, че там рутерите не са свързани помежду си, можете да визуализирате тези мрежи, като използвате фигурата, показана по-горе.

Фърмуер на Xbee

Програмируемият модул XBee е оборудван с безплатен процесор за приложения. Този процесор на приложения се доставя с предоставен boot loader. Този фърмуер на XBee ZV е базиран на стека Embernet 3.xx ZigBee-PRO, модулите XBee-Znet 2.5 могат да бъдат надградени до тази функционалност. Можете да проверите фърмуера с помощта на командата ATVR, която ще обсъдим по-нататък в главата. Номерата на версиите на XBee ще имат 4 значими цифри. Номерът на версията може да се види и с помощта на командата ATVR. Отговорът връща 3 или 4 числа. Всички числа са шестнадесетични и могат да имат диапазон от 0-0xF. Версия се отчита като "ABCD". Цифрите ABC са основният номер на изданието, а D е номерът на редакцията от основното издание. Обсъждането на API в глава 4 и AT командите са почти еднакви за фърмуера на Znet 2.5 и ZB.

В телекомуникациите цялата команда на Hayes е специфична за езика команда, разработена за модема Hayes Smart Modem, 1981 г. Те са поредица от кратки думи за управление на модема, което прави комуникацията и настройката на модем лесна в онези дни.

XBee също работи в команден режим и е активирал AT Commands, което означава ВНИМАНИЕ, тези команди могат да се изпращат на XBee чрез терминали XBee и AT конфигурираните XBee радиостанции имат два режима на комуникация

Прозрачно: Радиото само предава информацията, която получава, на радиоадреса на дистанционното, на което е конфигурирано. Данните, изпратени през сериен порт, се получават от XBee такива, каквито са.

Команда: Този режим се използва за разговор с радио и конфигуриране на някои предварително конфигурирани режими, ние комуникираме с модулите, докато сме в този режим и променяме конфигурацията.

Можете да въведете +++ и да изчакате една секунда, без да натискате други бутони, след което съобщението ОК трябва да се появи като изображение на терминала. С OK, XBee ни казва, че е прекарал в режим COMMAND и е готов да получава съобщения за конфигуриране.

Команди на XBee AT:

AT (TEST): Това е командата за тестване, за да се провери дали модулът отговаря на OK, тъй като отговорът потвърждава същото.

ATDH: Адресът на дестинацията е висок. За да конфигурирате горните 32 бита на 64-битовия адрес на местоназначение DL и DH комбиниран ви дава 64 битов адрес на местоназначение.

ATDL: Адресът на местоназначение е нисък. Това отново за конфигуриране на долните 32 бита на 64-битовия адрес на дестинация.

ATID: Тази команда променя PAN ID (PersThe ID е 4 байта шестнадесетичен и може да варира от 0000 до FFFF

ATWR: Пиши. Запишете стойностите на параметрите в енергонезависима памет, така че модификациите на параметрите да продължат чрез последващи нулирания.

Забележка: След като се издаде WR, до модула не трябва да се изпращат допълнителни знаци

След получаване на отговора "OK \ r".

ATRE (Restore Defaults): Възстановява фабричните настройки на модула, е много полезно, ако модулът не реагира.

Ако искате да научите повече за ZigBee модулите, тогава ето страхотният ресурс от Digi.