Εισαγωγή στο zigbee: αρχιτεκτονική, δίκτυα και εντολές

Γενικά, πολλοί άνθρωποι συγχέονται με δύο όρους XBee και ZigBee, οι περισσότεροι από αυτούς το χρησιμοποιούν εναλλακτικά. Αυτό όμως δεν συμβαίνει. Το ZigBee είναι τυπικό πρωτόκολλο για ασύρματη δικτύωση. Ενώ το XBee είναι ένα προϊόν που υποστηρίζει διάφορα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας, όπως ZigBee, Wi-Fi (μονάδα Wi-Fly), μονάδα 802.15.4, 868 MHz κ.λπ. Εδώ επικεντρωνόμαστε κυρίως στην ενότητα Xbee / Xbee-PRO ZB RF που αποτελείται του υλικολογισμικού ZigBee.

Απλώς σκεφτείτε μια αριθμομηχανή στον υπολογιστή, όπου εκτελούνται πολύπλοκοι υπολογισμοί με φιλική προς το χρήστη διεπαφή. Η εργασία θα ήταν πολύ δύσκολη και κουραστική αν μόνο υλικό θα ήταν διαθέσιμο. Έτσι, στο υψηλότερο επίπεδο, η διαθεσιμότητα λογισμικού διευκολύνει τη διαδικασία επίλυσης προβλημάτων. Ολόκληρη η διαδικασία χωρίζεται σε επίπεδα του λογισμικού από το πραγματικό υλικό που καλείται από υψηλότερα επίπεδα.

Χρησιμοποιούμε ακόμη και την έννοια των επιπέδων στην καθημερινή μας ζωή. Για παράδειγμα, η αποστολή courier / επιστολή στο σπίτι του φίλου σας, η αποστολή email από ένα σημείο του κόσμου σε άλλο. Ομοίως, τα περισσότερα σύγχρονα πρωτόκολλα δικτύου χρησιμοποιούν ακόμη και μια έννοια επιπέδων για το διαχωρισμό διαφορετικών στοιχείων λογισμικού σε ανεξάρτητες ενότητες που μπορούν να συναρμολογηθούν με διαφορετικούς τρόπους. Κάποιος μπορεί να χρειαστεί να λερώσει τα χέρια του για να κατανοήσει σε βάθος την αρχιτεκτονική Xbee, αλλά θα κάνουμε τα πράγματα πολύ απλά για εσάς.

Ας ξεκινήσουμε με μερικούς βασικούς όρους όπως δρομολόγηση, αποφυγή σύγκρουσης και αναγνώριση. Για την κατανόηση του πρώτου όρου απλώς πηγαίνετε με το όνομά του, "διαδρομή" που σημαίνει να παρακολουθείτε ή να προσδιορίζετε τη διαδρομή. Στη δικτύωση, η δρομολόγηση σημαίνει την παροχή κατεύθυνσης στα δεδομένα από τον κόμβο πηγής στον κόμβο προορισμού. Όταν δύο κόμβοι στο δίκτυο προσπαθούν να μεταδώσουν ταυτόχρονα, δημιουργεί μια κατάσταση που ονομάζεται σύγκρουση. Έτσι, γενικά η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης Carrier Sense με αποφυγή σύγκρουσης (CSMA / CA) για την αποφυγή σύγκρουσης, μπορείτε να μάθετε περισσότερα για το CSMA χρησιμοποιώντας αυτόν τον σύνδεσμο. Βασικά σε αυτό οι κόμβοι μιλούν με τον ίδιο τρόπο που η ανθρώπινη συζήτηση. ελέγχουν εν συντομία για να δουν ότι κανείς δεν μιλάει πριν αρχίσουν να στέλνουν δεδομένα.

Κάθε φορά που ο δέκτης λαμβάνει επιτυχώς τα μεταδιδόμενα δεδομένα, αναγνωρίζει τον πομπό. Η ροή δεδομένων δεν πρέπει να επιτρέπεται να κατακλύζει το ραδιόφωνο δέκτη. Κάθε ραδιόφωνο λήψης έχει περιορισμένη ταχύτητα με την οποία μπορεί να επεξεργάζεται εισερχόμενα δεδομένα και περιορισμένη ποσότητα μνήμης για την αποθήκευση εισερχόμενων δεδομένων.

Αρχιτεκτονική ZigBee:

Υπάρχουν τέσσερα βασικά επίπεδα διαθέσιμα στη στοίβα ZigBee που είναι φυσικό επίπεδο, επίπεδο πρόσβασης πολυμέσων, επίπεδο δικτύου και επίπεδο εφαρμογής.

Το επίπεδο εφαρμογής ορίζει διάφορα αντικείμενα διευθύνσεων, συμπεριλαμβανομένων προφίλ, συστάδων και τελικών σημείων. Μπορείτε να δείτε τα επίπεδα στοίβας ZigBee στο παραπάνω σχήμα.

Επίπεδο δικτύου: Προσθέτει δυνατότητες δρομολόγησης που επιτρέπουν στα πακέτα δεδομένων RF να διασχίζουν πολλές συσκευές (πολλαπλά "λυκίσκου") για να δρομολογούν δεδομένα από πηγή σε προορισμό (peer to peer).

Το επίπεδο MAC διαχειρίζεται συναλλαγές δεδομένων RF μεταξύ γειτονικών συσκευών (από σημείο σε σημείο). Η MAC περιλαμβάνει υπηρεσίες όπως δοκιμή μετάδοσης και διαχείριση αναγνώρισης και τεχνικές αποφυγής σύγκρουσης.

Φυσικό επίπεδο: Καθορίζει τον τρόπο σύνδεσης των συσκευών για τη δημιουργία ενός δικτύου. καθορίζει την ισχύ εξόδου, τον αριθμό των καναλιών και το ρυθμό μετάδοσης. Οι περισσότερες εφαρμογές ZigBee λειτουργούν στη ζώνη ISM 2,4 GHz με ρυθμό δεδομένων 250kbps.

Οι περισσότερες οικογένειες XBee έχουν ενσωματωμένο έλεγχο ροής, I / O, A / D και γραμμές ένδειξης, οι οποίες μπορούν να διαμορφωθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλες εντολές. Τα αναλογικά δείγματα επιστρέφονται ως τιμές 10-bit. Η αναλογική ανάγνωση κλιμακώνεται έτσι ώστε το 0x0000 αντιπροσωπεύει 0V και 0x3FF = 1.2V. (Οι αναλογικές είσοδοι στη μονάδα δεν μπορούν να είναι μεγαλύτερες από 1,2V)

Για να μετατρέψετε την ανάγνωση A / D σε mV, κάντε τα εξής:

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

Διαβίβαση δεδομένων στο ZigBee

Μπορείτε να καλέσετε ένα δίκτυο ως συνδυασμό λογισμικού και υλικού που είναι σε θέση να στέλνει δεδομένα από τη μία τοποθεσία στην άλλη. Το υλικό είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά των σημάτων από το ένα σημείο του δικτύου στο άλλο. Το λογισμικό αποτελείται από σύνολα εντολών που καθιστούν δυνατή τη λειτουργία όπως περιμένουμε.

Γενικά, η μετάδοση δεδομένων από πακέτα ZigBee μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: unicast και μετάδοση.

Μετάδοση μετάδοσης:

Με απλά λόγια, «Broadcast» σημαίνει τις πληροφορίες / πρόγραμμα που μεταδίδονται μέσω ραδιοφώνου ή τηλεόρασης. Με άλλα λόγια, οι μεταδόσεις εκπομπών αποστέλλονται σε πολλές ή όλες τις συσκευές του δικτύου. Μεταδόσεις εκπομπών με το πρωτόκολλο ZigBee διαδίδονται σε ολόκληρο το δίκτυο έτσι ώστε όλοι οι κόμβοι να λαμβάνουν τη μετάδοση. Για να επιτευχθεί αυτό, ο συντονιστής και όλοι οι δρομολογητές που λαμβάνουν μετάδοση μετάδοσης θα εκπέμψουν εκ νέου το πακέτο τρεις φορές.

Μετάδοση Unicast:

Μεταδόσεις Unicast σε δεδομένα διαδρομής ZigBee από μια συσκευή πηγής σε μια άλλη συσκευή προορισμού. Η συσκευή προορισμού θα μπορούσε να είναι ένας άμεσος γείτονας της συσκευής προέλευσης ή θα μπορούσε να έχει αρκετούς λυκίσκους. Ένα παράδειγμα φαίνεται παρακάτω στο σχήμα που εξηγεί τον μηχανισμό για την αναγνώριση της αξιοπιστίας του αμφίδρομου συνδέσμου.

Βασικά στοιχεία του δικτύου για δρομολογητές και συντονιστές Xbee

Για να φτάσετε στο σπίτι του φίλου σας, τι χρειάζεστε; Χρειάζεστε απλώς τη διεύθυνσή του. Ομοίως, για την αποστολή των δεδομένων από μία μονάδα Xbee σε άλλη, χρειάζεστε τη μοναδική της διεύθυνση. Ακριβώς όπως με τα άτομα, το Xbee έχει ακόμη και πολλές διευθύνσεις, κάθε μία έχει έναν ιδιαίτερο ρόλο στη δικτύωση. Υπάρχουν δύο τύποι διευθύνσεων Στατική διεύθυνση (διεύθυνση 64-bit) και Δυναμική διεύθυνση (διεύθυνση 16-bit).

Διευθύνσεις:

Η διεύθυνση 64-bit είναι μοναδική παγκοσμίως. στερεώνεται στο εσωτερικό της μονάδας Xbee από τον κατασκευαστή. Κανένα άλλο ραδιόφωνο ZigBee στη γη δεν θα έχει την ίδια στατική διεύθυνση, στο πίσω μέρος κάθε μονάδας xbee μπορείτε να δείτε αυτήν τη διεύθυνση όπως φαίνεται παρακάτω, και κυρίως το υψηλότερο μέρος της διεύθυνσης "0013A200" είναι το ίδιο για κάθε μονάδα xbee.

Μια συσκευή λαμβάνει μια διεύθυνση 16-bit η οποία θα πρέπει να είναι μοναδική τοπικά, όταν συνδέεται σε ένα δίκτυο ZigBee. Η διεύθυνση 16-bit 0x0000 προορίζεται για τον συντονιστή. Όλες οι άλλες συσκευές λαμβάνουν μια τυχαία διεύθυνση από τον δρομολογητή ή τη συσκευή συντονισμού που επιτρέπει την ένωση. Η διεύθυνση 16-bit μπορεί να αλλάξει όταν διαπιστωθεί ότι δύο συσκευές έχουν την ίδια διεύθυνση 16-bit ή μια συσκευή αποχωρήσει από το δίκτυο και αργότερα συνδέεται (μπορεί να λάβει διαφορετική διεύθυνση).

Αναγνωριστικός κόμβος:

Είναι πάντα ευκολότερο για τον εγκέφαλό μας να θυμάται χορδές αντί για αριθμό. Ως εκ τούτου, κάθε μονάδα Xbee σε ένα δίκτυο μπορεί να αντιστοιχιστεί με ένα αναγνωριστικό κόμβου. Το αναγνωριστικό κόμβου είναι ένα σύνολο χαρακτήρων, δηλαδή συμβολοσειρές που μπορούν να είναι πιο φιλικοί προς τον άνθρωπο τρόπος αντιμετώπισης ενός κόμβου σε ένα δίκτυο.

Δίκτυα προσωπικών περιοχών:

Το δίκτυο που αναπτύχθηκε από αυτές τις μονάδες Xbee ονομάζεται δίκτυα προσωπικής περιοχής ή PAN. Κάθε δίκτυο ορίζεται με ένα μοναδικό αναγνωριστικό PAN (PAN ID). Αυτό το αναγνωριστικό είναι κοινό σε όλες τις συσκευές του ίδιου δικτύου. Το ZigBee υποστηρίζει ταυτόχρονα PAN ID 64-bit και 16-bit. Και οι δύο διευθύνσεις PAN χρησιμοποιούνται για τον μοναδικό προσδιορισμό ενός δικτύου. Οι συσκευές στο ίδιο δίκτυο ZigBee πρέπει να μοιράζονται τα ίδια αναγνωριστικά PAN 64-bit και 16-bit. Εάν πολλά δίκτυα ZigBee λειτουργούν μεταξύ τους, το καθένα πρέπει να έχει μοναδικά αναγνωριστικά PAN.

Το αναγνωριστικό PAN 16-bit χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση του επιπέδου MAC σε όλες τις μεταδόσεις δεδομένων RF μεταξύ συσκευών σε ένα δίκτυο. Όμως, λόγω του περιορισμένου χώρου διευθύνσεων του 16-bit PAN ID (65.535 δυνατότητες), μπορεί να υπάρχει πιθανότητα ότι πολλά δίκτυα ZigBee (σε απόσταση μεταξύ τους) μπορούν να έχουν το ίδιο 16-bit PAN ID. Για την επίλυση αυτών των διενέξεων, η ZigBee Alliance δημιούργησε ένα αναγνωριστικό PAN 64 bit. Το ZigBee ορίζει τρεις διαφορετικούς τύπους συσκευών: συντονιστή, δρομολογητή και τελική συσκευή.

Ένας συντονιστής απαιτείται πάντα σε κάθε δίκτυο για τη φόρτιση της εγκατάστασης του δικτύου. Δεν μπορεί ποτέ να κοιμηθεί. Είναι επίσης υπεύθυνο για την επιλογή καναλιού και PAN ID (και 64-bit και 16-bit) για την εκκίνηση του δικτύου. Μπορεί να επιτρέψει στους δρομολογητές και τις τελικές συσκευές να ενταχθούν στο δίκτυο. Μπορεί να βοηθήσει στη δρομολόγηση δεδομένων σε ένα δίκτυο.

Μπορεί να υπάρχουν πολλοί δρομολογητές σε ένα δίκτυο. Ένας δρομολογητής μπορεί να λαμβάνει σήματα από άλλους δρομολογητές / EP (End Points). Δεν μπορεί ποτέ να κοιμηθεί. Πρέπει να συμμετέχει σε ένα Zigbee PAN για να μπορεί να μεταδίδει, να λαμβάνει ή να δρομολογεί δεδομένα. Μετά τη συμμετοχή, μπορεί να επιτρέψει στους δρομολογητές και τις τελικές συσκευές να συνδεθούν στο δίκτυο. Μετά τη συμμετοχή, μπορεί επίσης να βοηθήσει στη δρομολόγηση δεδομένων. Μπορεί να αποθηκεύσει πακέτα δεδομένων RF για τελικές συσκευές ύπνου.

Μπορούν επίσης να υπάρχουν πολλαπλοί τελικοί πόντοι. Μπορεί να μεταβεί σε κατάσταση αναστολής για εξοικονόμηση ενέργειας. Πρέπει να συμμετέχει σε ένα ZigBee PAN για να μπορεί να μεταδώσει ή να λάβει δεδομένα και δεν μπορεί καν να επιτρέψει στις συσκευές να συνδεθούν στο δίκτυο. Εξαρτάται από τον γονέα για μετάδοση / λήψη δεδομένων.

Δεδομένου ότι η τελική συσκευή μπορεί να τεθεί σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας, η γονική συσκευή πρέπει να αποθηκεύσει ή να κρατήσει τα εισερχόμενα πακέτα δεδομένων έως ότου η τελική συσκευή ξυπνήσει και να λάβει τα πακέτα δεδομένων.

Διαφορετική τοπολογία δικτύου στο ZigBee

Η τοπολογία δικτύου αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο έχει σχεδιαστεί το δίκτυο. Εδώ, η τοπολογία είναι η γεωμετρική αναπαράσταση της σχέσης όλων των συνδέσεων και των συσκευών σύνδεσης (Συντονιστής, συσκευές δρομολογητή και τερματισμού) μεταξύ τους.

Εδώ έχουμε τέσσερα βασικά μάτια τοπολογίας, αστέρι, υβριδικό και δέντρο.

Στο Mesh Topology, κάθε κόμβος συνδέεται μεταξύ τους ο κόμβος αναμένει την τελική συσκευή, επειδή οι τελικές συσκευές δεν μπορούν να επικοινωνούν απευθείας. Για να ενεργοποιήσετε την απλή επικοινωνία μεταξύ δύο ραδιοφώνων ZB, θα πρέπει να διαμορφώσετε ένα με το υλικολογισμικό συντονιστή και ένα με υλικολογισμικό δρομολογητή ή τελικού σημείου. Το κύριο πλεονέκτημα του δικτύου Mesh είναι ότι εάν ένας από τους συνδέσμους καταστεί άχρηστος, δεν αδυνατίζει ολόκληρο το σύστημα.

Σε μια τοπολογία αστεριών, κάθε συσκευή έχει μια ειδική σύνδεση από σημείο σε σημείο σε έναν κεντρικό ελεγκτή (Συντονιστής). Όλες οι συσκευές δεν συνδέονται άμεσα μεταξύ τους. Σε αντίθεση με μια τοπολογία πλέγματος, στην τοπολογία αστεριών μια συσκευή δεν μπορεί να στείλει τίποτα απευθείας σε άλλη συσκευή. Ο συντονιστής ή ο διανομέας είναι εκεί για ανταλλαγή: Εάν μια συσκευή θέλει να στείλει δεδομένα σε άλλη, στέλνει τα δεδομένα στον συντονιστή, ο οποίος στέλνει περαιτέρω τα δεδομένα στη συσκευή προορισμού.

Το υβριδικό δίκτυο είναι εκείνα τα δίκτυα που περιέχουν δύο ή περισσότερους τύπους προτύπων επικοινωνίας. Εδώ, το υβριδικό δίκτυο είναι συνδυασμός αστεριού και δέντρου, λίγες τελικές συσκευές συνδέονται απευθείας στον κόμβο συντονιστή και άλλες τερματικές συσκευές χρειάζονται τη βοήθεια του γονικού κόμβου για τη λήψη των δεδομένων.

Στο δέντρο δικτύου, δρομολογητές διαμορφώνει τις συσκευές σπονδυλική στήλη και στο τέλος γενικά συγκεντρωμένα γύρω από κάθε δρομολογητή. Δεν διαφέρει πολύ από τη διαμόρφωση πλέγματος εκτός από το γεγονός ότι δεν υπάρχουν διασυνδεδεμένοι δρομολογητές, μπορείτε να οπτικοποιήσετε αυτά τα δίκτυα χρησιμοποιώντας την εικόνα που φαίνεται παραπάνω.

Υλικολογισμικό Xbee

Η προγραμματιζόμενη μονάδα XBee είναι εξοπλισμένη με επεξεργαστή εφαρμογών ελεύθερης κλίμακας. Αυτός ο επεξεργαστής εφαρμογών συνοδεύεται από έναν παρεχόμενο φορτωτή εκκίνησης. Αυτό το υλικολογισμικό XBee ZV βασίζεται στο Embernet 3.xx ZigBee-PRO stack, οι μονάδες XBee-Znet 2.5 μπορούν να αναβαθμιστούν σε αυτήν τη λειτουργικότητα. Μπορείτε να ελέγξετε το υλικολογισμικό χρησιμοποιώντας την εντολή ATVR την οποία θα συζητήσουμε αργότερα στο κεφάλαιο. Οι αριθμοί έκδοσης XBee θα έχουν 4 σημαντικά ψηφία. Ένας αριθμός έκδοσης μπορεί επίσης να δει χρησιμοποιώντας την εντολή ATVR. Η απάντηση επιστρέφει 3 ή 4 αριθμούς. Όλοι οι αριθμοί είναι δεκαεξαδικοί και μπορούν να έχουν εύρος από 0-0xF. Μια έκδοση αναφέρεται ως "ABCD". Τα ψηφία ABC είναι ο κύριος αριθμός κυκλοφορίας και το D είναι ο αριθμός αναθεώρησης από την κύρια έκδοση. Οι εντολές API που αναφέρονται στο κεφάλαιο 4 και AT είναι σχεδόν ίδιες για το υλικολογισμικό Znet 2.5 και ZB.

Στις τηλεπικοινωνίες, ολόκληρη η εντολή Hayes είναι συγκεκριμένες γλώσσες εντολές που αναπτύχθηκαν για το μόντεμ Hayes Smart Modem, 1981 ήταν μια σειρά από σύντομες λέξεις για τον έλεγχο της επικοινωνίας που κάνει το μόντεμ και τη ρύθμιση ενός μόντεμ απλού εκείνου του χρόνου.

Το XBee λειτουργεί επίσης σε λειτουργία εντολών και έχει ενεργοποιήσει τις εντολές AT που σημαίνει ΠΡΟΣΟΧΗ, αυτές οι εντολές μπορούν να σταλούν στο XBee μέσω των τερματικών XBee και οι διαμορφωμένοι με ραδιοφωνικούς σταθμούς XBee ραδιοφώνους έχουν δύο τρόπους επικοινωνίας

Διαφανές: Το ραδιόφωνο μεταδίδει μόνο τις πληροφορίες που λαμβάνει στη διεύθυνση ραδιοτηλεόρασης που έχει διαμορφωθεί. Τα δεδομένα που αποστέλλονται μέσω σειριακής θύρας λαμβάνονται από την XBee ως έχουν.

Εντολή: Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται για να μιλήσετε με ραδιόφωνο και να διαμορφώσετε ορισμένες προκαθορισμένες λειτουργίες, επικοινωνούμε με τις ενότητες ενώ σε αυτές τις λειτουργίες και αλλάζουμε τη διαμόρφωση.

Μπορείτε να πληκτρολογήσετε +++ και να περιμένετε ένα δευτερόλεπτο χωρίς να πατήσετε άλλα κουμπιά, το μήνυμα ΟΚ θα πρέπει στη συνέχεια να εμφανίζεται ως η εικόνα του τερματικού μόλις πάνω. Εντάξει, το XBee μας λέει ότι πέρασε σε λειτουργία COMMAND και είναι έτοιμο να λάβει μηνύματα διαμόρφωσης.

Εντολές XBee AT:

AT (TEST): Αυτή είναι η δοκιμαστική εντολή για να ελέγξετε εάν η μονάδα αποκρίνεται εντάξει καθώς η απάντηση επιβεβαιώνει το ίδιο.

ATDH: Υψηλή διεύθυνση προορισμού. Για να διαμορφώσετε τα άνω 32 bit της διεύθυνσης προορισμού 64-bit, το DL και το DH συνδυάζουν τη διεύθυνση προορισμού των 64 bit.

ATDL: Χαμηλή διεύθυνση προορισμού. Αυτό και πάλι για τη διαμόρφωση των κάτω 32 bit της διεύθυνσης προορισμού 64-bit.

ATID: Αυτή η εντολή αλλάζει το PAN ID (PersThe ID είναι 4 byte δεκαεξαδικού και μπορεί να κυμαίνεται από 0000 έως FFFF

ATWR: Γράψτε. Γράψτε τιμές παραμέτρων σε μη πτητική μνήμη, έτσι ώστε οι τροποποιήσεις παραμέτρων να συνεχίζονται μέσω επακόλουθων επαναφορών.

Σημείωση: Μόλις εκδοθεί το WR, δεν θα πρέπει να αποστέλλονται επιπλέον χαρακτήρες στη μονάδα μέχρι

Μετά τη λήψη της απάντησης "OK".

ATRE (Επαναφορά προεπιλογών): Επαναφέρει τις εργοστασιακές ρυθμίσεις στη μονάδα, είναι πολύ χρήσιμο εάν η μονάδα δεν ανταποκρίνεται.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τα ZigBee Modules τότε εδώ είναι ο εξαιρετικός πόρος από την Digi.