Introdução ao zigbee: arquitetura, redes e comandos

Geralmente muitas pessoas se confundem com os dois termos XBee e ZigBee, a maioria deles os usa de forma intercambiável. Mas este não é realmente o caso; ZigBee é o protocolo padrão para redes sem fio. Enquanto o XBee é um produto que suporta vários protocolos de comunicação sem fio, incluindo ZigBee, Wi-Fi (módulo Wi-Fly), módulo 802.15.4, 868 MHz etc. Aqui estamos focados principalmente no módulo RF Xbee / Xbee-PRO ZB que consiste do firmware ZigBee.

Basta pensar em uma calculadora no computador, onde cálculos complexos são realizados com interface amigável. A tarefa teria sido muito difícil e tediosa se apenas o hardware estivesse disponível. Portanto, no nível mais alto, a disponibilidade de software torna o processo de resolução de problemas mais fácil. Todo o processo é dividido em camadas do software pelo hardware real, que é chamado por níveis superiores.

Até usamos o conceito de camadas em nossa vida diária. Por exemplo, enviar correio / carta para a casa do seu amigo, enviar e-mail de um ponto do mundo para outro. Da mesma forma, a maioria dos protocolos de rede modernos até emprega um conceito de camadas para separar diferentes componentes de software em módulos independentes que podem ser montados de maneiras diferentes. Alguém pode ter que sujar as mãos para obter um entendimento profundo da arquitetura do Xbee, mas vamos tornar as coisas muito simples para você.

Vamos começar com alguns termos básicos como roteamento, prevenção de colisões e reconhecimento. Para entender o primeiro termo basta ir pelo seu nome, “rota” que significa rastrear ou identificar o caminho. Na rede, o roteamento significa fornecer direção aos dados do nó de origem ao nó de destino. Quando dois nós na rede tentam transmitir simultaneamente, cria-se uma situação chamada colisão. Portanto, geralmente a técnica Carrier Sense Multiple Access com Collision Avoidance (CSMA / CA) para evitar colisão, você pode aprender mais sobre CSMA usando este link. Basicamente, os nós falam da mesma maneira que a conversa humana; eles verificam rapidamente se ninguém está falando antes de começarem a enviar dados.

Sempre que o receptor recebe com sucesso os dados transmitidos, ele reconhece o transmissor. O fluxo de dados não deve sobrecarregar o rádio receptor. Qualquer rádio receptor tem uma velocidade limitada na qual pode processar os dados recebidos e uma quantidade limitada de memória para armazenar os dados recebidos.

Arquitetura ZigBee:

Existem quatro camadas principais disponíveis na pilha ZigBee, que são a camada física, a camada de acesso à mídia, a camada de rede e a camada de aplicação.

A camada de aplicativo define vários objetos de endereçamento, incluindo perfis, clusters e terminais. Você pode ver as camadas da pilha ZigBee na figura acima.

Camada de rede: adiciona recursos de roteamento que permitem que pacotes de dados RF percorram vários dispositivos (vários "saltos") para rotear dados da origem ao destino (ponto a ponto).

A camada MAC gerencia as transações de dados RF entre dispositivos vizinhos (ponto a ponto). O MAC inclui serviços como nova tentativa de transmissão e gerenciamento de confirmação e técnicas de prevenção de colisão.

Camada física: define como os dispositivos são conectados para formar uma rede; define a potência de saída, número de canais e taxa de transmissão. A maioria dos aplicativos ZigBee opera na banda ISM de 2,4 GHz a uma taxa de dados de 250 kbps.

A maioria das famílias XBee tem controle de fluxo, I / O, A / D e linhas indicadoras embutidas que podem ser configuradas usando comandos apropriados. Amostras analógicas são retornadas como valores de 10 bits. A leitura analógica é escalada de forma que 0x0000 represente 0 V e 0x3FF = 1,2 V. (As entradas analógicas no módulo não podem ser superiores a 1,2 V)

Para converter a leitura A / D em mV, faça o seguinte:

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

Transmissão de dados em ZigBee

Você pode ligar para uma rede como uma combinação de software e hardware capaz de enviar dados de um local para outro. O hardware é responsável por transportar os sinais de um ponto da rede para outro. O software consiste em conjuntos de instruções que tornam possível trabalhar como esperamos.

Geralmente a transmissão de dados por pacotes ZigBee pode ser feita de duas maneiras: unicast e broadcast.

Transmissão de transmissão:

Em palavras simples, Broadcast significa a informação / programa transmitido por rádio ou TV. Em outras palavras, as transmissões de broadcast são enviadas para muitos ou todos os dispositivos da rede. As transmissões broadcast com o protocolo ZigBee são propagadas em toda a rede de forma que todos os nós recebam a transmissão. Para fazer isso, o coordenador e todos os roteadores que recebem uma transmissão de broadcast retransmitirão o pacote três vezes.

Transmissão Unicast:

As transmissões Unicast em ZigBee roteiam dados de um dispositivo de origem para outro dispositivo de destino. O dispositivo de destino pode ser um vizinho imediato do dispositivo de origem ou pode ter vários saltos no meio do caminho. Um exemplo é mostrado abaixo na figura que explica o mecanismo para reconhecer a confiabilidade do link bidirecional.

Noções básicas de rede para roteadores Xbee e coordenador

Para chegar à casa do seu amigo, o que você precisa? Você só precisa do endereço dele. Da mesma forma, para enviar os dados de um módulo Xbee para outro, você precisa de seu endereço exclusivo. Assim como acontece com as pessoas, o Xbee ainda possui vários endereços, cada um com uma função particular na rede. Existem dois tipos de endereços: endereço estático (endereço de 64 bits) e endereço dinâmico (endereço de 16 bits).

Endereços:

O endereço de 64 bits é único universalmente; ele é firmado dentro do módulo Xbee pelo fabricante. Nenhum outro rádio ZigBee na terra terá o mesmo endereço estático, na parte de trás de cada módulo xbee você pode ver este endereço como mostrado abaixo, e notavelmente a parte superior do endereço “0013A200” é a mesma para cada módulo xbee.

Um dispositivo recebe um endereço de 16 bits que deve ser único localmente, quando se conecta a uma rede ZigBee. O endereço de 16 bits 0x0000 está reservado para o coordenador. Todos os outros dispositivos recebem um endereço gerado aleatoriamente do roteador ou dispositivo coordenador que permite a junção. O endereço de 16 bits pode mudar quando dois dispositivos são encontrados com o mesmo endereço de 16 bits ou quando um dispositivo deixa a rede e se conecta posteriormente (pode receber um endereço diferente).

Identificador de nó:

É sempre mais fácil para nosso cérebro se lembrar de strings em vez de números. Portanto, cada módulo Xbee em uma rede pode ser atribuído com um identificador de nó. O identificador de nó é um conjunto de caracteres, ou seja, cadeias de caracteres que podem ser uma forma mais amigável de endereçar um nó em uma rede.

Redes de área pessoal:

As redes desenvolvidas por esses módulos Xbee são chamadas de redes de área pessoal ou PANs. Cada rede é definida com um identificador PAN exclusivo (PAN ID). Este identificador é comum entre todos os dispositivos da mesma rede. ZigBee oferece suporte a PAN ID de 64 bits e 16 bits. Ambos os endereços PAN são usados ​​para identificar uma rede de maneira única. Dispositivos na mesma rede ZigBee devem compartilhar os mesmos PAN IDs de 64 bits e 16 bits. Se várias redes ZigBee estiverem operando dentro do alcance umas das outras, cada uma deve ter PAN IDs exclusivos.

O PAN ID de 16 bits é usado para endereçar a camada MAC em todas as transmissões de dados RF entre dispositivos em uma rede. Mas, devido ao espaço de endereçamento limitado do PAN ID de 16 bits (65.535 possibilidades), pode haver a chance de que várias redes ZigBee (dentro do alcance umas das outras) possam ter o mesmo PAN ID de 16 bits. Para resolver esses conflitos, a ZigBee Alliance criou um PAN ID de 64 bits. ZigBee define três tipos de dispositivos diferentes: coordenador, roteador e dispositivo final.

É sempre necessário um coordenador em cada rede para cobrar pela configuração da rede. Então, ele nunca consegue dormir. Também é responsável por selecionar um canal e PAN ID (64 bits e 16 bits) para iniciar a rede. Ele pode permitir que roteadores e dispositivos finais se conectem à rede. Pode auxiliar no roteamento de dados em uma rede.

Pode haver vários roteadores em uma rede. Um roteador pode obter sinais de outros roteadores / EPs (pontos finais). Ele também nunca consegue dormir. Ele deve ingressar em um Zigbee PAN antes de poder transmitir, receber ou rotear dados. Depois de ingressar, ele pode permitir que roteadores e dispositivos finais se unam à rede. Depois de ingressar, ele também pode ajudar no roteamento de dados. Ele pode armazenar pacotes de dados RF para dispositivos finais em hibernação.

Também pode haver vários pontos finais. Ele pode entrar no modo de espera para economizar energia. Ele deve se conectar a um ZigBee PAN antes de poder transmitir ou receber dados e não pode nem mesmo permitir que dispositivos se conectem à rede. Depende do pai para transmitir / receber dados.

Uma vez que o dispositivo final pode entrar no modo de hibernação, o dispositivo pai deve armazenar ou reter os pacotes de dados recebidos até que o dispositivo final acorde e receba os pacotes de dados.

Topologia de rede diferente em ZigBee

A topologia de rede refere-se à maneira como a rede foi projetada. Aqui, a topologia é a representação geométrica da relação de todos os links e dispositivos de ligação (coordenador, roteador e dispositivos finais) entre si.

Aqui temos quatro malha de topologia básica, estrela, híbrida e árvore.

Na topologia em malha, cada nó está conectado entre si e espera o dispositivo final porque os dispositivos finais não podem se comunicar diretamente. Para permitir a comunicação simples entre dois rádios ZB, você precisará configurar um com o firmware do coordenador e outro com o firmware do roteador ou terminal. A principal vantagem da rede Mesh é que se um dos links se tornar inutilizável, não incapacitará todo o sistema.

Em uma topologia em estrela, cada dispositivo tem uma conexão ponto a ponto dedicada a um controlador central (Coordenador). Todos os dispositivos não estão diretamente ligados uns aos outros. Ao contrário de uma topologia em malha, na topologia em estrela um dispositivo não pode enviar nada diretamente para outro dispositivo. O coordenador ou hub está lá para troca: se um dispositivo deseja enviar dados para outro, ele envia os dados para o coordenador, que posteriormente envia os dados para o dispositivo de destino.

Redes híbridas são aquelas redes que contêm dois ou mais tipos de padrões de comunicação. Aqui, a rede híbrida é uma combinação de rede em estrela e árvore, poucos dispositivos finais são conectados diretamente ao nó coordenador e outros dispositivos finais precisam da ajuda do nó pai para receber os dados.

Na rede Tree, os roteadores formam o backbone e os dispositivos finais geralmente agrupados em torno de cada roteador. Não é muito diferente de uma configuração de malha, exceto pelo fato de que seus roteadores não estão interconectados, você pode visualizar essas redes usando a figura mostrada acima.

Firmware Xbee

O módulo programável XBee é equipado com um processador de aplicativo de escala livre. Este processador de aplicativo vem com um carregador de boot fornecido. Este firmware XBee ZV é baseado na pilha Embernet 3.xx ZigBee-PRO, os módulos XBee-Znet 2.5 podem ser atualizados para esta funcionalidade. Você pode verificar o firmware usando o comando ATVR, que discutiremos mais tarde neste capítulo. Os números de versão do XBee terão 4 dígitos significativos. Um número de versão também pode ser visto usando o comando ATVR. A resposta retorna 3 ou 4 números. Todos os números são hexadecimais e podem variar de 0 a 0xF. Uma versão é relatada como "ABCD". Os dígitos ABC são o número da versão principal e D é o número da revisão da versão principal. A API discutida no capítulo 4 e os comandos AT são quase iguais para o firmware Znet 2.5 e ZB.

Nas telecomunicações, todo o comando Hayes é uma linguagem específica. Comandos desenvolvidos para o modem Hayes Smart Modem, 1981, eram uma série de palavras curtas para controlar o modem tornando a comunicação e configuração de um modem simples naqueles dias.

O XBee também funciona no modo de comando e acionou os comandos AT que significa ATENÇÃO, esses comandos podem ser enviados para o XBee através dos terminais XBee e os rádios XBee configurados com AT têm dois modos de comunicação

Transparente: o rádio só passa as informações que recebe para o endereço de rádio mais remoto para o qual foi configurado. Os dados enviados pela porta serial são recebidos pelo XBee como estão.

Comando: Este modo é usado para falar com o rádio e configurar alguns modos pré-configurados, nos comunicamos com os módulos enquanto estão nestes modos e alteramos a configuração.

Você pode digitar +++ e esperar um segundo sem pressionar nenhum outro botão, a mensagem OK deve aparecer como a imagem do terminal logo acima. Ao OK, o XBee informa que passou no modo COMMAND e está pronto para receber mensagens de configuração.

Comandos XBee AT:

AT (TEST): Este é o comando de teste para verificar se o módulo está respondendo um OK pois a resposta confirma o mesmo.

ATDH: Endereço de destino alto. Para configurar os 32 bits superiores do endereço de destino de 64 bits, DL e DH combinados fornecem o endereço de destino de 64 bits.

ATDL: Endereço de destino baixo. Isso novamente para configurar os 32 bits inferiores do endereço de destino de 64 bits.

ATID: Este comando altera o PAN ID (PersThe ID tem 4 bytes de hexadecimal e pode variar de 0000 a FFFF

ATWR: Escreva. Grave os valores dos parâmetros na memória não volátil para que as modificações dos parâmetros persistam nas redefinições subsequentes.

Nota: Uma vez que WR é emitido, nenhum caractere adicional deve ser enviado para o módulo até

Depois que a resposta "OK \ r" for recebida.

ATRE (Restore Defaults): Restaura as configurações de fábrica para o módulo, é muito útil se o módulo não responder.

Se você quiser aprender mais sobre os módulos ZigBee, aqui está o grande recurso da Digi.