Introducción a zigbee: arquitectura, redes y comandos

Generalmente mucha gente se confunde con dos términos XBee y ZigBee, la mayoría lo usa indistintamente. Pero este no es realmente el caso; ZigBee es un protocolo estándar para redes inalámbricas. Si bien XBee es un producto que admite varios protocolos de comunicación inalámbrica, incluido ZigBee, Wi-Fi (módulo Wi-Fly), módulo 802.15.4, 868 MHz, etc. Aquí nos centramos principalmente en el módulo RF Xbee / Xbee-PRO ZB que consiste del firmware ZigBee.

Piense en una calculadora en la computadora, donde se realizan cálculos complejos con una interfaz fácil de usar. La tarea hubiera sido muy difícil y tediosa si solo hubiera estado disponible el hardware. Entonces, al más alto nivel, la disponibilidad de software facilita el proceso de resolución de problemas. Todo el proceso se divide en capas del software por el hardware real, al que llaman los niveles superiores.

Incluso usamos el concepto de capas en nuestra vida diaria. Por ejemplo, enviar mensajería / carta a la casa de un amigo, enviar correo electrónico de un punto del mundo a otro. De manera similar, la mayoría de los protocolos de red modernos incluso emplean un concepto de capas para separar diferentes componentes de software en módulos independientes que se pueden ensamblar de diferentes maneras. Es posible que uno tenga que ensuciarse las manos para comprender en profundidad la arquitectura de Xbee, pero haremos las cosas muy simples para usted.

Comencemos con algunos términos básicos como enrutamiento, prevención de colisiones y reconocimiento. Para entender el primer término, simplemente use su nombre, "ruta", que significa rastrear o identificar la ruta. En las redes, el enrutamiento significa proporcionar una dirección a los datos desde el nodo de origen al nodo de destino. Cuando dos nodos en la red intentan transmitir simultáneamente, se crea una situación llamada colisión. Por lo tanto, en general, la técnica Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA / CA) para evitar colisiones, puede obtener más información sobre CSMA utilizando este enlace. Básicamente en él los nodos hablan de la misma forma que la conversación humana; verifican brevemente que nadie esté hablando antes de comenzar a enviar datos.

Siempre que el receptor recibe con éxito los datos transmitidos, reconoce al transmisor. No se debe permitir que el flujo de datos abrume la radio del receptor. Cualquier radio receptora tiene una velocidad limitada a la que puede procesar los datos entrantes y una cantidad limitada de memoria para almacenar los datos entrantes.

Arquitectura ZigBee:

Hay cuatro capas principales disponibles en la pila ZigBee que son la capa física, la capa de acceso a los medios, la capa de red y la capa de aplicación.

La capa de aplicación define varios objetos de direccionamiento, incluidos perfiles, clústeres y puntos finales. Puede ver las capas de la pila de ZigBee en la figura de arriba.

Capa de red: agrega capacidades de enrutamiento que permiten que los paquetes de datos de RF atraviesen múltiples dispositivos (múltiples "saltos") para enrutar datos de origen a destino (de igual a igual).

La capa MAC gestiona las transacciones de datos de RF entre dispositivos vecinos (punto a punto). El MAC incluye servicios como la gestión de reintentos de transmisión y acuse de recibo y técnicas para evitar colisiones.

Capa física: define cómo se conectan los dispositivos para hacer una red; define la potencia de salida, el número de canales y la velocidad de transmisión. La mayoría de las aplicaciones ZigBee operan en la banda ISM de 2,4 GHz a una velocidad de datos de 250 kbps.

La mayoría de las familias XBee tienen control de flujo, E / S, A / D y líneas indicadoras integradas que se pueden configurar mediante los comandos adecuados. Las muestras analógicas se devuelven como valores de 10 bits. La lectura analógica se escala de manera que 0x0000 representa 0 V y 0x3FF = 1,2 V. (Las entradas analógicas del módulo no pueden superar los 1,2 V)

Para convertir la lectura A / D a mV, haga lo siguiente:

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

Transmisión de datos en ZigBee

Puede llamar a una red como una combinación de software y hardware que es capaz de enviar datos de una ubicación a otra. El hardware es responsable de transportar las señales de un punto de la red a otro. El software consta de conjuntos de instrucciones que permiten trabajar como esperamos.

Generalmente, la transmisión de datos mediante paquetes ZigBee se puede realizar de dos formas: unidifusión y difusión.

Transmisión de difusión:

En palabras simples, transmisión significa la información / programa transmitido por radio o televisión. En otras palabras, las transmisiones de difusión se envían a muchos o todos los dispositivos de la red. Las transmisiones broadcast con el protocolo ZigBee se propagan en toda la red de manera que todos los nodos reciben la transmisión. Para lograr esto, el coordinador y todos los enrutadores que reciben una transmisión de difusión retransmitirán el paquete tres veces.

Transmisión unicast:

Las transmisiones de unidifusión en ZigBee enrutan los datos de un dispositivo de origen a otro dispositivo de destino. El dispositivo de destino podría ser un vecino inmediato del dispositivo de origen, o podría tener varios saltos en el camino. A continuación, se muestra un ejemplo en la figura que explica el mecanismo para reconocer la confiabilidad del enlace bidireccional.

Conceptos básicos de la red para enrutadores Xbee y Coordinador

Para llegar a la casa de tu amigo, ¿qué necesitas? Solo necesitas su dirección. Del mismo modo, para enviar los datos de un módulo Xbee a otro, necesita su dirección única. Al igual que con las personas, Xbee incluso tiene varias direcciones, cada una tiene un papel particular en la creación de redes. Hay dos tipos de direcciones: dirección estática (dirección de 64 bits) y dirección dinámica (dirección de 16 bits).

Direcciones:

La dirección de 64 bits es única universalmente; está asegurado dentro del módulo Xbee por el fabricante. Ninguna otra radio ZigBee en la tierra tendrá la misma dirección estática, en la parte posterior de cada módulo xbee puede ver esta dirección como se muestra a continuación, y notablemente la parte superior de la dirección “0013A200” es la misma para cada módulo xbee.

Un dispositivo recibe una dirección de 16 bits que debería ser única localmente cuando se une a una red ZigBee. La dirección de 16 bits 0x0000 está reservada para el coordinador. Todos los demás dispositivos reciben una dirección generada aleatoriamente desde el enrutador o dispositivo coordinador que permite la unión. La dirección de 16 bits puede cambiar cuando se encuentra que dos dispositivos tienen la misma dirección de 16 bits o cuando un dispositivo abandona la red y luego se une (puede recibir una dirección diferente).

Identificador de nodo:

Siempre es más fácil para nuestro cerebro recordar cadenas en lugar de números. Por lo tanto, a cada módulo Xbee de una red se le puede asignar un identificador de nodo. El identificador de nodo es un conjunto de caracteres, es decir, cadenas que pueden ser una forma más amigable para los humanos de direccionar un nodo en una red.

Redes de área personal:

Las redes desarrolladas por estos módulos Xbee se denominan redes de área personal o PAN. Cada red se define con un identificador PAN único (ID PAN). Este identificador es común entre todos los dispositivos de la misma red. ZigBee admite un ID PAN de 64 bits y de 16 bits. Ambas direcciones PAN se utilizan para identificar una red de forma única. Los dispositivos de la misma red ZigBee deben compartir los mismos ID PAN de 64 y 16 bits. Si varias redes ZigBee están operando dentro del rango entre sí, cada una debe tener ID PAN únicos.

El ID PAN de 16 bits se utiliza para direccionar la capa MAC en todas las transmisiones de datos de RF entre dispositivos en una red. Pero, debido al espacio de direccionamiento limitado de la ID PAN de 16 bits (65,535 posibilidades), puede existir la posibilidad de que varias redes ZigBee (dentro del rango entre sí) puedan tener la misma ID PAN de 16 bits. Para resolver estos conflictos, ZigBee Alliance creó un ID PAN de 64 bits. ZigBee define tres tipos de dispositivos diferentes: coordinador, enrutador y dispositivo final.

Siempre se requiere un coordinador en cada red para cobrar el establecimiento de la red. Entonces, nunca puede dormir. También es responsable de seleccionar un canal y un ID PAN (tanto de 64 bits como de 16 bits) para iniciar la red. Puede permitir que los enrutadores y los dispositivos finales se unan a la red. Puede ayudar a enrutar datos en una red.

Puede haber varios enrutadores en una red. Un enrutador puede recibir señales de otros enrutadores / EP (puntos finales). Tampoco puede dormir nunca. Debe unirse a un Zigbee PAN antes de poder transmitir, recibir o enrutar datos. Después de unirse, puede permitir que los enrutadores y los dispositivos finales se unan a la red. Después de unirse, también puede ayudar a enrutar datos. Puede almacenar en búfer paquetes de datos de RF para dispositivos terminales inactivos.

También puede haber varios puntos finales. Puede entrar en modo de suspensión para ahorrar energía. Debe unirse a un ZigBee PAN antes de que pueda transmitir o recibir datos y ni siquiera puede permitir que los dispositivos se unan a la red. Depende del padre para transmitir / recibir datos.

Dado que el dispositivo final puede entrar en modo de suspensión, el dispositivo principal debe almacenar en búfer o almacenar los paquetes de datos entrantes hasta que el dispositivo final se active y reciba los paquetes de datos.

Topología de red diferente en ZigBee

La topología de red se refiere a la forma en que se ha diseñado la red. Aquí, la topología es una representación geométrica de la relación de todos los enlaces y dispositivos de enlace (Coordinador, Enrutador y Dispositivos finales) entre sí.

Aquí tenemos cuatro topologías básicas: malla, estrella, híbrida y árbol.

En la topología de malla, cada nodo está conectado entre sí, excepto el dispositivo final, porque los dispositivos finales no pueden comunicarse directamente. Para permitir una comunicación simple entre dos radios ZB, deberá configurar una con el firmware del coordinador y otra con el firmware del enrutador o del punto final. La principal ventaja de la red Mesh es que si uno de los enlaces se vuelve inutilizable, no incapacita todo el sistema.

En una topología en estrella, cada dispositivo tiene una conexión punto a punto dedicada a un controlador central (Coordinador). Todos los dispositivos no están directamente vinculados entre sí. A diferencia de una topología de malla, en la topología en estrella un dispositivo no puede enviar nada directamente a otro dispositivo. El coordinador o concentrador está ahí para el intercambio: si un dispositivo desea enviar datos a otro, envía los datos al coordinador, que luego envía los datos al dispositivo de destino.

Las redes híbridas son aquellas redes que contienen dos o más tipos de estándares de comunicación. Aquí, la red híbrida es una combinación de red en estrella y árbol, pocos dispositivos finales están conectados directamente al nodo coordinador y otros dispositivos finales necesitan la ayuda del nodo principal para recibir los datos.

En la red de árbol, los enrutadores forman la columna vertebral y los dispositivos finales generalmente se agrupan alrededor de cada enrutador. No es muy diferente de una configuración de malla, excepto por el hecho de que los enrutadores no están interconectados, puede visualizar estas redes usando la figura que se muestra arriba.

Firmware de Xbee

El módulo programable XBee está equipado con un procesador de aplicación de báscula libre. Este procesador de aplicaciones viene con un cargador de arranque incluido. Este firmware XBee ZV se basa en la pila Embernet 3.xx ZigBee-PRO, los módulos XBee-Znet 2.5 se pueden actualizar a esta funcionalidad. Puede verificar el firmware usando el comando ATVR que discutiremos más adelante en el capítulo. Los números de versión de XBee tendrán 4 dígitos significativos. También se puede ver un número de versión usando el comando ATVR. La respuesta devuelve 3 o 4 números. Todos los números son hexadecimales y pueden tener un rango de 0-0xF. Una versión se informa como "ABCD". Los dígitos ABC son el número de versión principal y D es el número de revisión de la versión principal. La API discutida en el capítulo 4 y los comandos AT son casi los mismos para el firmware Znet 2.5 y ZB.

En telecomunicaciones, todo el comando Hayes es un idioma específico. Los comandos desarrollados para el módem Hayes Smart Modem, 1981 eran una serie de palabras cortas para controlar el módem haciendo que la comunicación y la configuración de un módem fueran simples en aquellos días.

XBee también funciona en modo comando y ha activado AT Commands que significa ATENCIÓN, estos comandos se pueden enviar a XBee a través de terminales XBee y AT Las radios XBee configuradas tienen dos modos de comunicación

Transparente: la radio solo pasa la información que recibe a la dirección de radio más remota en la que se ha configurado. XBee recibe los datos enviados a través del puerto serie tal cual.

Comando: Este modo se utiliza para hablar por radio y configurar algunos modos preconfigurados, nos comunicamos con los módulos mientras estamos en estos modos y cambiamos la configuración.

Puede escribir +++ y esperar un segundo sin presionar ningún otro botón, el mensaje OK debería aparecer como la imagen del terminal justo arriba. Por OK, el XBee nos dice que pasó en modo COMMAND y está listo para recibir mensajes de configuración.

Comandos XBee AT:

AT (TEST): Este es el comando de prueba para verificar si el módulo está respondiendo OK, ya que la respuesta confirma lo mismo.

ATDH: Dirección de destino alta. Para configurar los 32 bits superiores de la dirección de destino de 64 bits, DL y DH combinados le proporciona una dirección de destino de 64 bits.

ATDL: Dirección de destino baja. Esto nuevamente para configurar los 32 bits inferiores de la dirección de destino de 64 bits.

ATID: este comando cambia el ID de PAN (PersThe ID es 4 bytes de hexadecimal y puede variar de 0000 a FFFF

ATWR: escribir. Escriba los valores de los parámetros en la memoria no volátil para que las modificaciones de los parámetros persistan durante los reinicios posteriores.

Nota: Una vez que se emite WR, no se deben enviar caracteres adicionales al módulo hasta

Después de recibir la respuesta "OK \ r".

ATRE (Restore Defaults): Restaura la configuración de fábrica del módulo, es muy útil si el módulo no responde.

Si desea obtener más información sobre los módulos ZigBee, aquí está el gran recurso de Digi.