مقدمة إلى zigbee: الهندسة المعمارية والشبكات والأوامر

بشكل عام ، يتم الخلط بين العديد من الأشخاص وبين مصطلحين XBee و ZigBee ، يستخدمه معظمهم بالتبادل. لكن هذا ليس هو الحال في الواقع. ZigBee هو بروتوكول قياسي للشبكات اللاسلكية. بينما XBee هو منتج يدعم العديد من بروتوكولات الاتصال اللاسلكي ، بما في ذلك ZigBee و Wi-Fi (وحدة Wi-Fly) و 802.15.4 و 868 MHz وما إلى ذلك. هنا نركز بشكل أساسي على وحدة Xbee / Xbee-PRO ZB RF التي تتكون من البرامج الثابتة ZigBee.

مجرد التفكير في آلة حاسبة في الكمبيوتر ، حيث يتم إجراء العمليات الحسابية المعقدة بواجهة سهلة الاستخدام. كانت المهمة صعبة للغاية ومملة لو كانت الأجهزة فقط متاحة. لذلك ، على أعلى مستوى ، فإن توفر البرامج يجعل عملية حل المشكلات أسهل. تنقسم العملية برمتها إلى طبقات من البرنامج بواسطة الأجهزة الفعلية التي تسمى بمستويات أعلى.

حتى أننا نستخدم مفهوم الطبقات في حياتنا اليومية. على سبيل المثال ، إرسال بريد سريع / خطاب إلى منزل صديقك ، وإرسال بريد إلكتروني من مكان إلى آخر في العالم. وبالمثل ، فإن معظم بروتوكولات الشبكة الحديثة تستخدم مفهوم الطبقات لفصل مكونات البرامج المختلفة إلى وحدات مستقلة يمكن تجميعها بطرق مختلفة. قد يضطر المرء إلى جعل يديه متسخين للحصول على فهم عميق لهندسة Xbee ، لكننا سنجعل الأشياء بسيطة جدًا بالنسبة لك.

لنبدأ ببعض المصطلحات الأساسية مثل التوجيه وتجنب الاصطدام والإقرار. لفهم المصطلح الأول ، ما عليك سوى الذهاب باسمه ، "الطريق" الذي يعني تتبع أو تحديد المسار. في الشبكات ، يعني التوجيه توفير التوجيه للبيانات من عقدة المصدر إلى العقدة الوجهة. عندما تحاول عقدتان في الشبكة الإرسال في وقت واحد ، يؤدي ذلك إلى حدوث حالة تسمى التصادم. لذلك ، بشكل عام تقنية الوصول المتعدد مع تقنية تجنب الاصطدام (CSMA / CA) لتجنب الاصطدام ، يمكنك معرفة المزيد عن CSMA باستخدام هذا الرابط. في الأساس تتحدث العقد بنفس الطريقة التي تتحدث بها المحادثة البشرية ؛ يقومون بالتحقق لفترة وجيزة لمعرفة أنه لا أحد يتحدث قبل أن يبدأوا في إرسال البيانات.

عندما يتلقى المتلقي البيانات المرسلة بنجاح ، فإنه يتعرف على المرسل. يجب ألا يُسمح لتدفق البيانات بإرباك راديو المستقبل. يتمتع أي راديو مُستقبل بسرعة محدودة يمكنه من خلالها معالجة البيانات الواردة وكمية محدودة من الذاكرة لتخزين البيانات الواردة.

العمارة ZigBee:

تتوفر أربع طبقات رئيسية في ZigBee stack وهي الطبقة المادية وطبقة الوصول إلى الوسائط وطبقة الشبكة وطبقة التطبيق.

تحدد طبقة التطبيق كائنات عنونة متنوعة بما في ذلك ملفات التعريف والمجموعات ونقاط النهاية. يمكنك رؤية طبقات مكدس ZigBee في الشكل أعلاه.

طبقة الشبكة: تضيف إمكانات التوجيه التي تسمح لحزم بيانات التردد اللاسلكي باجتياز أجهزة متعددة ("قفزات" متعددة) لتوجيه البيانات من المصدر إلى الوجهة (نظير إلى نظير).

تدير طبقة MAC معاملات بيانات التردد اللاسلكي بين الأجهزة المجاورة (من نقطة إلى نقطة). تشتمل وحدة التحكم MAC على خدمات مثل إعادة محاولة الإرسال وإدارة الإشعار بالاستلام وتقنيات تجنب الاصطدام.

الطبقة المادية: تحدد كيفية توصيل الأجهزة لإنشاء شبكة ؛ يحدد طاقة الخرج وعدد القنوات ومعدل الإرسال. تعمل معظم تطبيقات ZigBee على نطاق 2.4 جيجا هرتز ISM بمعدل بيانات 250 كيلو بت في الثانية.

تحتوي معظم عائلات XBee على خطوط تحكم في التدفق و I / O و A / D ومؤشر مدمجة يمكن تكوينها باستخدام الأوامر المناسبة. يتم إرجاع العينات التناظرية كقيم 10 بت. يتم قياس القراءة التناظرية بحيث يمثل 0x0000 0V و 0x3FF = 1.2V. (لا يمكن أن تتجاوز المدخلات التناظرية على الوحدة 1.2 فولت)

لتحويل قراءة A / D إلى mV ، قم بما يلي:

AD (بالسيارات) = (A / D القراءة * 1200mV) / 1023

نقل البيانات في ZigBee

يمكنك استدعاء شبكة كمجموعة من البرامج والأجهزة القادرة على إرسال البيانات من موقع إلى آخر. الأجهزة مسؤولة عن نقل الإشارات من نقطة شبكة إلى أخرى. يتكون البرنامج من مجموعات التعليمات التي تجعل من الممكن العمل كما نتوقع.

بشكل عام ، يمكن نقل البيانات بواسطة حزم ZigBee بطريقتين: الإرسال الأحادي والبث.

بث البث:

بكلمات بسيطة ، البث يعني المعلومات / البرنامج الذي يتم إرساله عن طريق الراديو أو التلفزيون. بمعنى آخر ، يتم إرسال إرسالات البث إلى العديد من الأجهزة أو جميعها في الشبكة. يتم نشر عمليات إرسال البث باستخدام بروتوكول ZigBee في الشبكة بأكملها بحيث تتلقى جميع العقد الإرسال. لإنجاز ذلك ، سيقوم المنسق وجميع أجهزة التوجيه التي تستقبل إرسال البث بإعادة إرسال الحزمة ثلاث مرات.

انتقال أحادي:

تقوم عمليات الإرسال الأحادي في ZigBee بتوجيه البيانات من جهاز مصدر إلى جهاز وجهة آخر. قد يكون الجهاز الوجهة جارًا مباشرًا للجهاز المصدر ، أو يمكن أن يكون به عدة قفزات بين الطريق. يتم عرض مثال أدناه في الشكل الذي يوضح آلية التعرف على موثوقية الارتباط ثنائي الاتجاه.

أساسيات الشبكة لأجهزة التوجيه Xbee والمنسق

لتصل إلى منزل صديقك ، ماذا تحتاج؟ أنت فقط بحاجة إلى عنوانه. وبالمثل ، لإرسال البيانات من وحدة Xbee إلى أخرى ، فأنت بحاجة إلى عنوانها الفريد. تمامًا كما هو الحال مع الأشخاص ، لدى Xbee عدة عناوين ، لكل منها دور معين في الشبكات. هناك نوعان من العناوين عنوان ثابت (عنوان 64 بت) وعنوان ديناميكي (عنوان 16 بت).

عناوين:

عنوان 64 بت فريد عالميًا ؛ تم تثبيته داخل وحدة Xbee من قبل الشركة المصنعة. لن يكون لأي راديو ZigBee آخر على الأرض نفس العنوان الثابت ، في الجزء الخلفي من كل وحدة xbee يمكنك رؤية هذا العنوان كما هو موضح أدناه ، ولا سيما الجزء العلوي من العنوان "0013A200" هو نفسه لكل وحدة xbee.

يتلقى الجهاز عنوانًا من 16 بتًا يجب أن يكون فريدًا محليًا ، عندما ينضم إلى شبكة ZigBee. عنوان 16 بت 0x0000 محجوز للمنسق. تتلقى جميع الأجهزة الأخرى عنوانًا تم إنشاؤه عشوائيًا من جهاز التوجيه أو جهاز المنسق الذي يسمح بالانضمام. يمكن تغيير عنوان 16 بت عندما يتم العثور على جهازين لهما نفس عنوان 16 بت أو عندما يغادر الجهاز الشبكة وينضم لاحقًا (يمكن أن يتلقى عنوانًا مختلفًا).

معرف العقدة:

من الأسهل دائمًا على دماغنا أن يتذكر السلاسل بدلاً من الأرقام. وبالتالي ، يمكن تعيين كل وحدة Xbee في الشبكة بمعرف عقدة. معرف العقدة هو مجموعة من الأحرف مثل السلاسل التي يمكن أن تكون طريقة أكثر ملاءمة للإنسان لمعالجة عقدة في الشبكة.

شبكات المنطقة الشخصية:

تسمى الشبكة التي طورتها وحدات Xbee هذه شبكات المنطقة الشخصية أو شبكات PAN. يتم تعريف كل شبكة بمعرف PAN فريد (معرف PAN). هذا المعرف شائع بين جميع أجهزة نفس الشبكة. يدعم ZigBee كلاً من معرف PAN 64 بت و 16 بت. يتم استخدام كلا عنواني PAN لتعريف الشبكة بشكل فريد. يجب أن تشترك الأجهزة الموجودة على نفس شبكة ZigBee في نفس معرفات PAN 64 بت و 16 بت. إذا كانت شبكات ZigBee متعددة تعمل في نطاق بعضها البعض ، فيجب أن يكون لكل منها معرفات PAN فريدة.

يتم استخدام معرف PAN 16 بت لمعالجة طبقة MAC في جميع عمليات إرسال بيانات التردد اللاسلكي بين الأجهزة في الشبكة. ولكن نظرًا لمساحة العنونة المحدودة لمعرّف PAN ذي 16 بت (65.535 احتمالًا) ، فقد يكون هناك احتمال أن يكون لشبكات ZigBee المتعددة (ضمن نطاق بعضها البعض) نفس معرف PAN 16 بت. لحل هذه التعارضات ، أنشأ ZigBee Alliance معرف PAN 64 بت. يحدد ZigBee ثلاثة أنواع مختلفة من الأجهزة: المنسق والموجه والجهاز النهائي.

مطلوب دائمًا منسق واحد في كل شبكة لفرض رسوم على إنشاء الشبكة. لذلك ، لا يمكنها النوم أبدًا. كما أنها مسؤولة عن تحديد القناة ومعرف PAN (كلاهما 64 بت و 16 بت) لبدء الشبكة. يمكن أن يسمح لأجهزة التوجيه والأجهزة الطرفية بالانضمام إلى الشبكة. يمكن أن يساعد في توجيه البيانات في الشبكة.

يمكن أن يكون هناك العديد من أجهزة التوجيه في الشبكة. يمكن لجهاز توجيه واحد الحصول على إشارات من أجهزة توجيه أخرى / EP (نقاط النهاية). كما أنه لا يستطيع النوم أبدًا. يجب أن ينضم إلى Zigbee PAN قبل أن يتمكن من إرسال البيانات أو استقبالها أو توجيهها. بعد الانضمام ، يمكن أن يسمح لأجهزة التوجيه والأجهزة الطرفية بالانضمام إلى الشبكة. بعد الانضمام ، يمكنه أيضًا المساعدة في توجيه البيانات. يمكنه تخزين حزم بيانات التردد اللاسلكي للأجهزة الطرفية النائمة.

يمكن أن يكون هناك نقاط نهاية متعددة أيضًا. يمكن أن يدخل في وضع السكون لتوفير الطاقة. يجب أن ينضم إلى ZigBee PAN قبل أن يتمكن من نقل البيانات أو استقبالها ولا يمكنه حتى السماح للأجهزة بالانضمام إلى الشبكة. يعتمد على الوالدين لنقل / استقبال البيانات.

نظرًا لأن الجهاز النهائي يمكن أن يدخل في وضع السكون ، يجب على الجهاز الرئيسي تخزين حزم البيانات الواردة مؤقتًا أو الاحتفاظ بها حتى يستيقظ الجهاز النهائي ويستقبل حزم البيانات.

طوبولوجيا الشبكة المختلفة في ZigBee

يشير طوبولوجيا الشبكة إلى الطريقة التي تم بها تصميم الشبكة. هنا ، الهيكل هو تمثيل هندسي لعلاقة جميع الروابط وأجهزة الربط (المنسق والموجه وأجهزة النهاية) ببعضها البعض.

لدينا هنا أربع شبكات طوبولوجية أساسية ، ونجمة ، وهجينة ، وشجرة.

في شبكة Topology ، ترتبط كل عقدة ببعضها البعض وتتوقع أن الجهاز النهائي لا يمكنه الاتصال مباشرة. لتمكين الاتصال البسيط بين جهازي راديو ZB ، ستحتاج إلى تكوين أحدهما مع البرنامج الثابت للمنسق والآخر مع جهاز التوجيه أو البرامج الثابتة لنقطة النهاية. الميزة الرئيسية لشبكة Mesh هي أنه إذا أصبح أحد الروابط غير قابل للاستخدام ، فلن يؤدي ذلك إلى تعطيل النظام بأكمله.

في الهيكل النجمي ، يحتوي كل جهاز على اتصال مخصص من نقطة إلى نقطة بوحدة تحكم مركزية (منسق). جميع الأجهزة ليست مرتبطة ببعضها البعض بشكل مباشر. على عكس الهيكل الشبكي ، في الهيكل النجمي لا يمكن لجهاز واحد إرسال أي شيء مباشرة إلى جهاز آخر. المنسق أو المحور موجودان للتبادل: إذا أراد أحد الأجهزة إرسال البيانات إلى جهاز آخر ، فإنه يرسل البيانات إلى المنسق ، مما يؤدي إلى إرسال البيانات إلى الجهاز الوجهة.

الشبكة الهجينة هي تلك الشبكات التي تحتوي على نوعين أو أكثر من أنواع معايير الاتصال. هنا ، الشبكة الهجينة عبارة عن مزيج من شبكة النجوم والشجرة ، ويتم توصيل عدد قليل من الأجهزة الطرفية مباشرة بالعقدة المنسقة وتحتاج الأجهزة الطرفية الأخرى إلى مساعدة العقدة الأم لتلقي البيانات.

في شبكة الشجرة ، تشكل أجهزة التوجيه العمود الفقري والأجهزة النهائية التي تتجمع بشكل عام حول كل جهاز توجيه. لا يختلف الأمر كثيرًا عن تكوين الشبكة باستثناء حقيقة أن هناك أجهزة توجيه غير مترابطة ، يمكنك تصور هذه الشبكات باستخدام الشكل الموضح أعلاه.

Xbee البرامج الثابتة

تم تجهيز وحدة XBee Programmable بمعالج تطبيق مجاني. يأتي معالج التطبيقات هذا مع محمل التمهيد المصاحب. يعتمد برنامج XBee ZV الثابت هذا على مكدس Embernet 3.xx ZigBee-PRO ، ويمكن ترقية وحدات XBee-Znet 2.5 إلى هذه الوظيفة. يمكنك التحقق من البرنامج الثابت باستخدام أمر ATVR الذي سنناقشه لاحقًا في الفصل. ستحتوي أرقام إصدار XBee على 4 أرقام معنوية. يمكن أيضًا رؤية رقم الإصدار باستخدام أمر ATVR. تُرجع الإجابة 3 أو 4 أرقام. جميع الأرقام سداسية عشرية ويمكن أن تتراوح بين 0-0xF. تم الإبلاغ عن إصدار باسم "ABCD". الأرقام ABC هي رقم الإصدار الرئيسي و D هو رقم المراجعة من الإصدار الرئيسي. مناقشة API في الفصل 4 وأوامر AT هي نفسها تقريبًا للبرامج الثابتة Znet 2.5 و ZB.

في الاتصالات السلكية واللاسلكية ، يكون أمر Hayes بأكمله عبارة عن أوامر لغة محددة تم تطويرها لمودم Hayes modem ، 1981 ، كانت عبارة عن سلسلة من الكلمات القصيرة للتحكم في المودم مما يجعل الاتصال وإعداد مودم بسيطًا في تلك الأيام.

يعمل XBee أيضًا في وضع الأوامر وقد أطلق أوامر AT التي تعني تنبيه ، يمكن إرسال هذه الأوامر إلى XBee عبر المحطات الطرفية XBee و AT المكوّنة من أجهزة راديو XBee لها وضعان للاتصال

شفاف: يقوم الراديو بتمرير المعلومات التي يتلقاها فقط إلى عنوان الراديو البعيد الذي تم تكوينه له. يتم استلام البيانات المرسلة عبر المنفذ التسلسلي بواسطة XBee كما هي.

الأمر: يستخدم هذا الوضع للتحدث إلى الراديو وتكوين بعض الأوضاع المكونة مسبقًا ، ونحن نتواصل مع الوحدات أثناء وجودها في هذه الأوضاع ونغير التكوين.

يمكنك كتابة +++ والانتظار ثانية واحدة دون الضغط على أي أزرار أخرى ، ثم تظهر الرسالة "موافق" كصورة للمحطة. بواسطة OK ، يخبرنا XBee أنه قضى في وضع COMMAND وهو جاهز لتلقي رسائل التكوين.

أوامر XBee AT:

AT (اختبار): هذا هو أمر الاختبار للتحقق مما إذا كانت الوحدة النمطية تستجيب للموافقة كما يؤكد الرد نفسه.

ATDH: عنوان الوجهة مرتفع. لتكوين 32 بت العلوي من عنوان الوجهة 64 بت ، يمنحك DL و DH مجتمعين عنوان وجهة 64 بت.

ATDL: عنوان الوجهة منخفض. هذا مرة أخرى لتكوين أقل 32 بت من عنوان الوجهة 64 بت.

ATID: يغير هذا الأمر معرف PAN (رقم المعرف هو 4 بايت من السداسي العشري ويمكن أن يتراوح من 0000 إلى FFFF

ATWR: اكتب. اكتب قيم المعلمات إلى الذاكرة غير المتطايرة بحيث تستمر تعديلات المعلمات من خلال عمليات إعادة التعيين اللاحقة.

ملاحظة: بمجرد إصدار WR ، لا يجب إرسال أحرف إضافية إلى الوحدة النمطية حتى

بعد تلقي استجابة "موافق \ r".

ATRE (استعادة الإعدادات الافتراضية): يستعيد إعدادات المصنع للوحدة النمطية ، ويكون مفيدًا جدًا إذا لم تستجب الوحدة.

إذا كنت تريد معرفة المزيد عن ZigBee Modules ، فإليك المورد الرائع من Digi.