Introduktion till zigbee: arkitektur, nätverk och kommandon

Generellt blir många människor förvirrade med två termer XBee och ZigBee, de flesta använder det omväxlande. Men så är faktiskt inte fallet; ZigBee är standardprotokoll för trådlöst nätverk. Medan XBee är en produkt som stöder olika trådlösa kommunikationsprotokoll, inklusive ZigBee, Wi-Fi (Wi-Fly-modul), 802.15.4, 868 MHz-modul etc. Här fokuserar vi främst på Xbee / Xbee-PRO ZB RF-modul som består av ZigBee-firmware.

Tänk bara på en miniräknare i datorn, där komplexa beräkningar utförs med användarvänligt gränssnitt. Uppgiften skulle ha varit mycket svår och tråkig om bara hårdvara hade varit tillgänglig. Så på högsta nivå gör tillgängligheten av programvara problemlösningsprocessen enklare. Hela processen är uppdelad i lager av programvaran av den faktiska hårdvaran som kallas av högre nivåer.

Vi använder till och med begreppet lager i vårt dagliga liv. Till exempel skicka kurir / brev till din väns hus, skicka e-post från en värld till en annan. På samma sätt använder de flesta moderna nätverksprotokoll till och med ett koncept av lager för att separera olika programvarukomponenter i oberoende moduler som kan monteras på olika sätt. Man kan behöva smutsa händerna för att få en djupgående förståelse för Xbee-arkitektur, men vi kommer att göra sakerna väldigt enkla för dig.

Låt oss börja med några grundläggande termer som routing, kollisionsundvikande och bekräftelse. För att förstå den första termen går du bara efter dess namn, "rutt" vilket betyder att spåra eller identifiera sökvägen. I nätverk betyder routing att ge riktning till data från källnod till destinationsnod. När två noder i nätverket försöker sända samtidigt skapas en situation som kallas kollision. Så generellt Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA) teknik för att undvika kollision kan du lära dig mer om CSMA med den här länken. I princip talar noderna på samma sätt som den mänskliga konversationen; de kontrollerar kort för att se att ingen pratar innan de börjar skicka data.

Varje gång mottagaren framgångsrikt tar emot de överförda data, bekräftar den sändaren. Dataflödet får inte överväldiga mottagarradion. Varje mottagande radio har en begränsad hastighet med vilken den kan behandla inkommande data och en begränsad mängd minne för att lagra inkommande data.

ZigBee-arkitektur:

Det finns fyra stora lager tillgängliga i ZigBee-stacken som är fysiska lager, mediaåtkomstlager, nätverkslager och applikationslager.

Applikationslagret definierar olika adresseringsobjekt inklusive profiler, kluster och slutpunkter. Du kan se ZigBee-stacklagren i figuren ovan.

Nätverksskikt: Det lägger till routningsfunktioner som gör att RF-datapaket kan korsa flera enheter (flera "humle") för att dirigera data från källa till destination (peer to peer).

MAC-lager hanterar RF-datatransaktioner mellan angränsande enheter (punkt till punkt). MAC inkluderar tjänster såsom överföringsförsök och bekräftelseshantering och kollisionstekniker.

Fysiskt lager: Det definierar hur enheter ansluts för att skapa ett nätverk; den definierar uteffekt, antal kanaler och överföringshastighet. De flesta ZigBee-applikationer fungerar på 2,4 GHz ISM-bandet med en datahastighet på 250 kbps.

De flesta XBee-familjer har flödeskontroll, I / O, A / D och indikatorlinjer inbyggda som kan konfigureras med lämpliga kommandon. Analoga prover returneras som 10-bitars värden. Den analoga mätningen skalas så att 0x0000 representerar 0V och 0x3FF = 1,2V. (De analoga ingångarna på modulen får inte vara mer än 1,2 V)

Gör följande för att konvertera A / D-mätningen till mV:

AD (mV) = (A / D-avläsning * 1200mV) / 1023

Dataöverföring i ZigBee

Du kan ringa ett nätverk som en kombination av programvara och hårdvara som kan skicka data från en plats till en annan. Maskinvara är ansvarig för att bära signalerna från en nätverkspunkt till en annan. Programvaran består av instruktionsuppsättningar som gör det möjligt att arbeta som vi förväntar oss.

Generellt kan dataöverföringen med ZigBee-paket göras på två sätt: unicast och sändning.

Sändning:

Med enkla ord Broadcast betyder information / program som sänds via radio eller TV. Med andra ord sänds sändningar till många eller alla enheter i nätverket. Sändningssändningar med ZigBee-protokollet sprids i hela nätverket så att alla noder tar emot överföringen. För att uppnå detta kommer samordnaren och alla routrar som tar emot en sändningssändning sända paketet tre gånger.

Unicast-sändning:

Unicast-överföringar i ZigBee-ruttdata från en källenhet till en annan målenhet. Målenheten kan vara en omedelbar granne till källenheten, eller så kan den ha flera humle däremellan. Ett exempel visas nedan i figuren som förklarar mekanismen för att känna igen tillförlitligheten hos den dubbelriktade länken.

Grunderna i nätverket för Xbee-routrar och koordinator

För att nå din väns hus, vad behöver du? Du behöver bara hans adress. På samma sätt behöver du dess unika adress för att skicka data från en Xbee-modul till en annan. Precis som med människor har Xbee till och med flera adresser, var och en har en särskild roll i nätverk. Det finns två typer av adresser Statisk adress (64-bitars adress) och Dynamisk adress (16-bitars adress).

Adresser:

64-bitars adress är unik universellt; den är fast i Xbee-modulen av tillverkaren. Ingen annan ZigBee-radio på jorden kommer att ha samma statiska adress, på baksidan av varje xbee-modul kan du se den här adressen som visas nedan, och särskilt den högre delen av adressen "0013A200" är densamma för varje xbee-modul.

En enhet tar emot en 16-bitars adress som ska vara unik lokalt när den ansluter sig till ett ZigBee-nätverk. 16-bitarsadressen 0x0000 är reserverad för samordnaren. Alla andra enheter får en slumpmässigt genererad adress från routern eller koordinatorenheten som tillåter anslutning. 16-bitarsadressen kan ändras när två enheter har samma 16-bitarsadress eller om en enhet lämnar nätverket och senare ansluter (den kan ta emot en annan adress).

Nodidentifierare:

Det är alltid lättare för vår hjärna att komma ihåg strängar istället för nummer. Därför kan varje Xbee-modul i ett nätverk tilldelas en nodidentifierare. Noderidentifierare är teckenuppsättningar, dvs. strängar som kan vara mer mänskligt vänliga för att adressera en nod i ett nätverk.

Personliga nätverk:

Nätverk som utvecklats av dessa Xbee-moduler kallas personliga nätverk eller PAN-nätverk. Varje nätverk definieras med en unik PAN-identifierare (PAN ID). Denna identifierare är vanlig bland alla enheter i samma nätverk. ZigBee stöder både ett 64-bitars och ett 16-bitars PAN-ID. Båda PAN-adresserna används för att identifiera ett nätverk unikt. Enheter i samma ZigBee-nätverk måste dela samma 64-bitars och 16-bitars PAN-ID. Om flera ZigBee-nätverk fungerar inom räckhåll för varandra, bör var och en ha unika PAN-ID.

16-bitars PAN-ID används för att adressera MAC-lager i alla RF-dataöverföringar mellan enheter i ett nätverk. Men på grund av det begränsade adressutrymmet för 16-bitars PAN ID (65 535 möjligheter) kan det finnas en chans att flera ZigBee-nätverk (inom varandras räckvidd) kan ha samma 16-bitars PAN-ID. För att lösa dessa konflikter skapade ZigBee Alliance ett 64-bitars PAN-ID. ZigBee definierar tre olika enhetstyper: koordinator, router och slutenhet.

En koordinator krävs alltid i varje nätverk för laddning av installation av nätverket. Så det kan aldrig sova. Det ansvarar också för att välja en kanal och PAN-ID (både 64-bitars och 16-bitars) för att starta nätverket. Det kan tillåta routrar och slutenheter att gå med i nätverket. Det kan hjälpa till att dirigera data i ett nätverk.

Det kan finnas flera routrar i ett nätverk. En router kan få signaler från andra routrar / EP (slutpunkter). Det kan aldrig sova. Det måste gå med i ett Zigbee PAN innan det kan överföra, ta emot eller ruttdata. Efter anslutning kan routrar och slutenheter ansluta sig till nätverket. Efter anslutning kan den också hjälpa till att dirigera data. Det kan buffra RF-datapaket för sovande enheter.

Det kan också finnas flera slutpunkter. Det kan gå i viloläge för att spara ström. Det måste gå med i ett ZigBee PAN innan det kan överföra eller ta emot data och det kan inte ens tillåta enheter att gå med i nätverket. Det är beroende av förälder för att överföra / ta emot data.

Eftersom slutenheten kan gå i viloläge måste den överordnade enheten buffra eller hålla inkommande datapaket tills slutenheten vaknar och tar emot datapaket.

Olika nätverkstopologi i ZigBee

Nätverkstopologi avser det sätt på vilket nätverk har utformats. Här är topologin geometrisk representation av förhållandet mellan alla länkar och länkande enheter (koordinator, router och slutenheter) till varandra.

Här har vi fyra grundläggande topologinät, stjärna, hybrid och träd.

I Mesh Topology är varje nod ansluten till varandra nod förväntar sig slutenheten eftersom slutenheter inte kan kommunicera direkt. För att möjliggöra enkel kommunikation mellan två ZB-radioer måste du konfigurera en med koordinatorns firmware och en med router- eller endpoint-firmware. Den huvudsakliga fördelen med Mesh-nätverket är att om en av länkarna blir oanvändbar, gör det inte förmåga för hela systemet.

I en stjärntopologi har varje enhet en dedikerad punkt-till-punkt-anslutning till en central styrenhet (Koordinator). Alla enheter är inte direkt länkade till varandra. Till skillnad från en mesh-topologi, kan en enhet i stjärntopologi inte skicka något direkt till en annan enhet. Koordinatorn eller navet finns där för utbyte: Om en enhet vill skicka data till en annan skickar den data till samordnaren, som vidare skickar data till målenheten.

Hybridnätverk är de nätverk som innehåller två eller flera typer av kommunikationsstandarder. Här är hybridnätverk en kombination av stjärn- och trädnätverk, få slutenheter är anslutna direkt till koordinatornoden och andra slutanordningar behöver hjälp av föräldernoden för att ta emot data.

I träd -nätverk, routrar bildar ryggraden och slutanordningar i allmänhet grupperade runt varje router. Det skiljer sig inte så mycket från en nätkonfiguration förutom det faktum att routrar inte är sammankopplade, du kan visualisera dessa nätverk med hjälp av figuren som visas ovan.

Xbee-firmware

Den programmerbara XBee-modulen är utrustad med en applikationsprocessor i fri skala. Denna applikationsprocessor levereras med en medföljande startlastare. Denna XBee ZV-firmware är baserad på Embernet 3.xx ZigBee-PRO-stack, XBee-Znet 2.5-moduler kan uppgraderas till denna funktion. Du kan kontrollera firmware med ATVR-kommandot som vi kommer att diskutera senare i kapitlet. XBee-versionsnummer kommer att ha fyra signifikanta siffror. Ett versionsnummer kan också ses med ATVR-kommandot. Svaret returnerar 3 eller 4 siffror. Alla siffror är hexadecimala och kan ha ett intervall från 0-0xF. En version rapporteras som "ABCD". Siffror ABC är huvudsläppnummer och D är revisionsnummer från huvudsläpp. API-diskussionerna i kapitel 4 och AT-kommandon är nästan samma för Znet 2.5 och ZB-firmware.

Inom telekommunikation är hela Hayes-kommandot ett språkspecifikt kommando som utvecklats för Hayes-modemet Smart Modem, 1981, det var en serie korta ord för att styra modemet som gör kommunikation och inställning av ett modem enkelt på den tiden.

XBee fungerar också i kommandoläge och har avstängt AT-kommandon som står för OBS! Dessa kommandon kan skickas till XBee via terminalerna XBee och AT-konfigurerade XBee-radio har två kommunikationssätt

Transparent: Radion skickar endast den information den får till den fjärrradioadress som den har konfigurerats till. Data som skickas via seriell port tas emot av XBee som den är.

Kommando: Detta läge används för att prata med radio och konfigurera vissa förkonfigurerade lägen, vi kommunicerar till modulerna medan vi är i detta läge och ändrar konfiguration.

Du kan skriva +++ och vänta en sekund utan att trycka på några andra knappar, meddelandet OK ska då visas som bilden av terminalen precis uppe. Med OK berättar XBee att han tillbringade i COMMAND-läge och är redo att ta emot konfigurationsmeddelanden.

XBee AT-kommandon:

AT (TEST): Detta är testkommandot för att kontrollera om modulen svarar OK eftersom svaret bekräftar detsamma.

ATDH: Destinationsadress hög. Att konfigurera de övre 32 bitarna av 64-bitars destinationsadressen DL och DH kombinerat ger dig 64-bitars destinationsadress.

ATDL: Destinationsadress låg. Detta igen för att konfigurera de nedre 32 bitarna i 64-bitars destinationsadressen.

ATID: Detta kommando ändrar PAN-ID (Pers ID är 4 byte hexadecimalt och kan sträcka sig från 0000 till FFFF

ATWR: Skriv. Skriv parametervärden till icke-flyktigt minne så att parameterändringar kvarstår genom efterföljande återställningar.

Obs! När WR har utfärdats ska inga ytterligare tecken skickas till modulen förrän

Efter att "OK \ r" svaret har mottagits.

ATRE (Restore Defaults): Återställer fabriksinställningar till modulen, är mycket användbart om modulen inte svarar.

Om du vill lära dig mer om ZigBee-moduler är här den stora resursen från Digi.