Introduction à zigbee: architecture, réseaux et commandes AT

Généralement, beaucoup de gens sont confondus avec deux termes XBee et ZigBee, la plupart les utilisent de manière interchangeable. Mais ce n'est en fait pas le cas; ZigBee est un protocole standard pour les réseaux sans fil. Alors que XBee est un produit qui prend en charge divers protocoles de communication sans fil, y compris ZigBee, Wi-Fi (module Wi-Fly), 802.15.4, module 868 MHz, etc. Ici, nous nous concentrons principalement sur le module RF Xbee / Xbee-PRO ZB qui se compose du firmware ZigBee.

Pensez simplement à une calculatrice sur ordinateur, où des calculs complexes sont effectués avec une interface conviviale. La tâche aurait été très difficile et fastidieuse si seul le matériel avait été disponible. Ainsi, au plus haut niveau, la disponibilité des logiciels facilite le processus de résolution de problèmes. L'ensemble du processus est divisé en couches du logiciel par le matériel réel qui est appelé par les niveaux supérieurs.

Nous utilisons même le concept de couches dans notre vie quotidienne. Par exemple, envoyer un courrier / une lettre à la maison de votre ami, envoyer un courrier électronique d'un point du monde à un autre. De même, la plupart des protocoles de réseau modernes utilisent même un concept de couches pour séparer différents composants logiciels en modules indépendants qui peuvent être assemblés de différentes manières. Il faudra peut-être se salir les mains pour avoir une compréhension approfondie de l'architecture Xbee, mais nous allons rendre les choses très simples pour vous.

Commençons par quelques termes de base comme le routage, l'évitement des collisions et la reconnaissance. Pour comprendre le premier terme, allez simplement par son nom, «route» qui signifie suivre ou identifier le chemin. Dans le réseautage, le routage signifie fournir une direction aux données du nœud source au nœud de destination. Lorsque deux nœuds du réseau tentent de transmettre simultanément, crée une situation appelée collision. Ainsi, en général, la technique CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Evitement) pour éviter les collisions, vous pouvez en savoir plus sur CSMA en utilisant ce lien. Fondamentalement, les nœuds parlent de la même manière que la conversation humaine; ils vérifient brièvement que personne ne parle avant de commencer à envoyer des données.

Chaque fois que le récepteur reçoit avec succès les données transmises, il acquitte l'émetteur. Le flux de données ne doit pas submerger le récepteur radio. Toute radio réceptrice a une vitesse limitée à laquelle elle peut traiter les données entrantes et une quantité limitée de mémoire dans laquelle stocker les données entrantes.

Architecture ZigBee:

Il y a quatre couches principales disponibles dans la pile ZigBee qui sont la couche physique, la couche d'accès au support, la couche réseau et la couche d'application.

La couche d'application définit divers objets d'adressage, notamment des profils, des clusters et des points de terminaison. Vous pouvez voir les couches de la pile ZigBee dans la figure ci-dessus.

Couche réseau: elle ajoute des capacités de routage qui permettent aux paquets de données RF de traverser plusieurs périphériques (plusieurs «sauts») pour acheminer les données de la source à la destination (poste à poste).

La couche MAC gère les transactions de données RF entre les appareils voisins (point à point). Le MAC comprend des services tels que la gestion des tentatives de transmission et des accusés de réception et des techniques d'évitement des collisions.

Couche physique: elle définit comment les périphériques sont connectés pour créer un réseau; il définit la puissance de sortie, le nombre de canaux et la vitesse de transmission. La plupart des applications ZigBee fonctionnent sur la bande ISM 2,4 GHz à un débit de données de 250 kbps.

La plupart des familles XBee ont des lignes de contrôle de flux, d'E / S, A / D et d'indicateur intégrées qui peuvent être configurées à l'aide des commandes appropriées. Les échantillons analogiques sont renvoyés sous forme de valeurs 10 bits. La lecture analogique est mise à l'échelle de telle sorte que 0x0000 représente 0V et 0x3FF = 1,2V. (Les entrées analogiques du module ne peuvent pas dépasser 1,2 V)

Pour convertir la lecture A / N en mV, procédez comme suit:

AD (mV) = (lecture A / N * 1200 mV) / 1023

Transmission de données dans ZigBee

Vous pouvez appeler un réseau comme une combinaison de logiciel et de matériel capable d'envoyer des données d'un emplacement à un autre. Le matériel est chargé de transporter les signaux d'un point du réseau à un autre. Le logiciel se compose de jeux d'instructions qui permettent de travailler comme prévu.

Généralement, la transmission de données par paquets ZigBee peut se faire de deux manières: monodiffusion et diffusion.

Transmission par diffusion:

En termes simples, la diffusion signifie les informations / programmes transmis par radio ou télévision. En d'autres termes, les transmissions diffusées sont envoyées à de nombreux ou à tous les appareils du réseau. Les transmissions de diffusion avec le protocole ZigBee sont propagées dans tout le réseau de sorte que tous les nœuds reçoivent la transmission. Pour ce faire, le coordinateur et tous les routeurs qui reçoivent une transmission de diffusion retransmettent le paquet trois fois.

Transmission monodiffusion:

Les transmissions monodiffusion dans ZigBee acheminent les données d'un appareil source vers un autre appareil de destination. Le périphérique de destination peut être un voisin immédiat du périphérique source ou il peut y avoir plusieurs sauts entre les deux. Un exemple est montré ci-dessous dans la figure expliquant le mécanisme de reconnaissance de la fiabilité de la liaison bidirectionnelle.

Bases du réseau pour les routeurs Xbee et le coordinateur

Pour rejoindre la maison de votre ami, de quoi avez-vous besoin? Vous avez juste besoin de son adresse. De même, pour envoyer les données d'un module Xbee à un autre, vous avez besoin de son adresse unique. Tout comme avec les gens, Xbee a même plusieurs adresses, chacune ayant un rôle particulier dans la mise en réseau. Il existe deux types d'adresses Adresse statique (adresse 64 bits) et adresse dynamique (adresse 16 bits).

Adresses:

L'adresse 64 bits est unique universellement; il est confirmé à l'intérieur du module Xbee par le fabricant. Aucune autre radio ZigBee sur terre n'aura la même adresse statique, à l'arrière de chaque module xbee vous pouvez voir cette adresse comme indiqué ci-dessous, et notamment la partie supérieure de l'adresse «0013A200» est la même pour chaque module xbee.

Un appareil reçoit une adresse 16 bits qui doit être unique localement, lorsqu'il rejoint un réseau ZigBee. L'adresse 16 bits 0x0000 est réservée au coordinateur. Tous les autres périphériques reçoivent une adresse générée aléatoirement du routeur ou du périphérique coordinateur qui permet la jointure. L'adresse 16 bits peut changer lorsque deux périphériques ont la même adresse 16 bits ou qu'un périphérique quitte le réseau et se joint ultérieurement (il peut recevoir une adresse différente).

Identificateur de nœud:

Il est toujours plus facile pour notre cerveau de se souvenir des chaînes au lieu du nombre. Par conséquent, chaque module Xbee d'un réseau peut se voir attribuer un identifiant de nœud. L'identifiant de nœud est un ensemble de caractères, c'est-à-dire des chaînes qui peuvent être un moyen plus convivial d'adresser un nœud d'un réseau.

Réseaux personnels:

Les réseaux développés par ces modules Xbee sont appelés réseaux personnels ou PAN. Chaque réseau est défini avec un identifiant PAN unique (PAN ID). Cet identifiant est commun à tous les appareils du même réseau. ZigBee prend en charge un identifiant PAN 64 bits et 16 bits. Les deux adresses PAN sont utilisées pour identifier un réseau de manière unique. Les appareils sur le même réseau ZigBee doivent partager les mêmes identifiants PAN 64 bits et 16 bits. Si plusieurs réseaux ZigBee fonctionnent à portée l'un de l'autre, chacun doit avoir des ID PAN uniques.

L'ID PAN 16 bits est utilisé pour adresser la couche MAC dans toutes les transmissions de données RF entre les appareils d'un réseau. Mais, en raison de l'espace d'adressage limité de l'ID PAN 16 bits (65 535 possibilités), il peut y avoir un risque que plusieurs réseaux ZigBee (à portée les uns des autres) puissent avoir le même ID PAN 16 bits. Pour résoudre ces conflits, la ZigBee Alliance a créé un ID PAN 64 bits. ZigBee définit trois types de périphériques différents: coordinateur, routeur et périphérique final.

Un coordinateur est toujours requis dans chaque réseau pour la facturation de la mise en place du réseau. Donc, il ne peut jamais dormir. Il est également responsable de la sélection d'un canal et d'un ID PAN (64 bits et 16 bits) pour démarrer le réseau. Il peut permettre aux routeurs et aux appareils terminaux de rejoindre le réseau. Il peut aider à acheminer les données dans un réseau.

Il peut y avoir plusieurs routeurs dans un réseau. Un routeur peut recevoir des signaux d'autres routeurs / EP (points de terminaison). Il ne peut pas non plus dormir. Il doit rejoindre un PAN Zigbee avant de pouvoir transmettre, recevoir ou acheminer des données. Après avoir rejoint, il peut permettre aux routeurs et aux appareils terminaux de rejoindre le réseau. Après avoir rejoint, il peut également aider à acheminer les données. Il peut mettre en mémoire tampon les paquets de données RF pour les appareils finaux endormis.

Il peut également y avoir plusieurs points de terminaison. Il peut passer en mode veille pour économiser de l'énergie. Il doit rejoindre un PAN ZigBee avant de pouvoir transmettre ou recevoir des données et il ne peut même pas permettre aux appareils de rejoindre le réseau. Il dépend du parent pour la transmission / réception des données.

Comme le périphérique final peut passer en mode veille, le périphérique parent doit mettre en mémoire tampon ou conserver les paquets de données entrants jusqu'à ce que le périphérique final se réveille et reçoive les paquets de données.

Topologie de réseau différente dans ZigBee

La topologie du réseau fait référence à la manière dont le réseau a été conçu. Ici, la topologie est une représentation géométrique de la relation de tous les liens et dispositifs de liaison (coordinateur, routeur et périphériques finaux) entre eux.

Ici, nous avons quatre mailles de topologie de base, étoile, hybride et arbre.

Dans la topologie maillée, chaque nœud est connecté à chaque autre nœud attendu du périphérique final car les périphériques finaux ne peuvent pas communiquer directement. Pour permettre une communication simple entre deux radios ZB, vous devrez en configurer une avec le micrologiciel du coordinateur et une avec le micrologiciel du routeur ou du point final. Le principal avantage du réseau maillé est que si l'un des liens devient inutilisable, il n'invalide pas l'ensemble du système.

Dans une topologie en étoile, chaque appareil dispose d'une connexion point à point dédiée à un contrôleur central (coordinateur). Tous les appareils ne sont pas directement liés les uns aux autres. Contrairement à une topologie maillée, dans la topologie en étoile, un appareil ne peut rien envoyer directement à un autre appareil. Le coordinateur ou le concentrateur est là pour l'échange: si un appareil souhaite envoyer des données à un autre, il envoie les données au coordinateur, qui envoie ensuite les données à l'appareil de destination.

Les réseaux hybrides sont les réseaux qui contiennent au moins deux types de normes de communication. Ici, le réseau hybride est une combinaison de réseau en étoile et en arbre, peu de périphériques finaux sont connectés directement au nœud coordinateur et d'autres périphériques finaux ont besoin de l'aide du nœud parent pour recevoir les données.

Dans le réseau Tree, les routeurs forment la dorsale et les périphériques terminaux généralement regroupés autour de chaque routeur. Ce n'est pas très différent d'une configuration maillée sauf le fait que les routeurs ne sont pas interconnectés, vous pouvez visualiser ces réseaux à l'aide de la figure ci-dessus.

Micrologiciel Xbee

Le module programmable XBee est équipé d'un processeur d'application Free scale. Ce processeur d'application est livré avec un chargeur de démarrage fourni. Ce firmware XBee ZV est basé sur la pile Embernet 3.xx ZigBee-PRO, les modules XBee-Znet 2.5 peuvent être mis à niveau vers cette fonctionnalité. Vous pouvez vérifier le firmware en utilisant la commande ATVR dont nous parlerons plus loin dans le chapitre. Les numéros de version de XBee auront 4 chiffres significatifs. Un numéro de version peut également être vu à l'aide de la commande ATVR. La réponse renvoie 3 ou 4 nombres. Tous les nombres sont hexadécimaux et peuvent être compris entre 0 et 0xF. Une version est signalée comme "ABCD". Les chiffres ABC sont le numéro de version principale et D est le numéro de révision de la version principale. L'API décrite au chapitre 4 et les commandes AT sont presque les mêmes pour les micrologiciels Znet 2.5 et ZB.

Dans les télécommunications, toute la commande Hayes est un langage de commandes spécifiques développé pour le modem intelligent Hayes, 1981, il s'agissait d'une série de mots courts pour contrôler le modem, ce qui simplifiait la communication et la configuration d'un modem à l'époque.

XBee fonctionne également en mode commande et a déclenché des commandes AT qui signifie ATTENTION, ces commandes peuvent être envoyées à XBee via les terminaux XBee et les radios XBee configurées AT ont deux modes de communication

Transparent: la radio transmet uniquement les informations qu'elle reçoit à l'adresse radio distante sur laquelle elle a été configurée. Les données envoyées via le port série sont reçues par XBee telles quelles.

Commande: Ce mode est utilisé pour parler à la radio et configurer certains modes préconfigurés, nous communiquons avec les modules dans ces modes et changeons la configuration.

Vous pouvez taper +++ et attendre une seconde sans appuyer sur aucun autre bouton, le message OK devrait alors apparaître comme l'image du terminal juste en haut. Par OK, le XBee nous dit qu'il est passé en mode COMMANDE et est prêt à recevoir des messages de configuration.

Commandes XBee AT:

AT (TEST): C'est la commande de test pour vérifier si le module répond un OK car la réponse confirme la même chose.

ATDH: adresse de destination élevée. Pour configurer les 32 bits supérieurs de l'adresse de destination 64 bits, DL et DH combinés vous donne une adresse de destination 64 bits.

ATDL: adresse de destination basse. Encore une fois pour configurer les 32 bits inférieurs de l'adresse de destination 64 bits.

ATID: Cette commande change l'ID PAN (PersThe ID est 4 octets hexadécimal et peut aller de 0000 à FFFF

ATWR: Écrivez. Ecrivez les valeurs des paramètres dans la mémoire non volatile afin que les modifications de paramètres persistent lors des réinitialisations suivantes.

Remarque: une fois WR émis, aucun caractère supplémentaire ne doit être envoyé au module jusqu'à ce que

Après réception de la réponse "OK \ r".

ATRE (Restore Defaults): Restaure les paramètres d'usine du module, est très utile si le module ne répond pas.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les modules ZigBee, voici la grande ressource de Digi.