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Application Note FBEE
Aplicação de redes Mesh
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1. Introdução
Este documento de aplicação foca no protocolo ZigBee 2006 Residencial Protocol da Microchip e tem como objetivo mostrar as características do protocolo baseado em uma rede com
topologia Mesh. Para fazer um estudo e entender o funcionamento mais detalhado da pilha ZigBee 2006 Residencial Protocol, é necessário que o leitor estude o documento “AN1232 ZigBee2006 Application Note” que pode ser encontrado no site da Fractum
(www.fractum.com.br/FBee/download). É necessário também que o leitor tenha um entendimento da linguagem C, e uma noção de como trabalhar com microcontroladores. O protocolo Microchip ZigBee 2006 Residencial Protocol, versão v2.0-2.x, provém conexão wireless baseado nos padrões estabelecidos pela ZigBee Alliance. O padrão ZigBee utiliza o IEEE 802.15.4 para as definições das camadas PHY e MAC. As demais camadas são definidas pela ZigBee Alliance. A customização na camada de Aplicação permite que os usuários
desenvolvam um vasto número de aplicações baseado no protocolo ZigBee. A aplicação que é inclusa como parte da versão v2.0-2.x da pilha, demonstra várias características especiais da conexão. Estas características incluem:
• Capacidade de habilitar ou desabilitar dispositivos de se juntar a outros dispositivos que estão na rede. Esta característica é importante para a configuração de uma topologia específica quando estiver formando a rede.
• Capacidade de enviar para, ou requisitar informações de um dispositivo específico utilizando funções de unicast addressing, e enviar para, ou requisitar informações de todos os
dispositivos da rede utilizando funções de broadcast addressing.
• Multicasting – Capacidade de enviar para, ou requisitar informações de dispositivos que são membros de um grupo específico. O ID de um grupo é usado para distinguir dispositivos que fazem parte de um grupo dado.
• Capacidade de adicionar ou remover um dispositivo de um grupo. Mas tarde neste documento, serão mostradas as instruções para adicionar ou remover dispositivos de um grupo.
• Capacidade de mostrar a informação de cada dispositivo de um Neighbor Table, ou seja, uma tabela que contém as informações de todos os dispositivos vizinhos.
Todas as características acima estão disponíveis ao usuário através do menu de aplicação da pilha que será mostrado no HyperTerminal.
As seguintes características estão disponíveis através das chaves Push Buttons do FBEE Kit: • Multicasting – Enviar informações para, ou requisitar de dispositivos que são membros do Grupo 0x0004.
•Adicionar ou remover um dispositivo do Grupo 0x0004.
O Grupo 0x0004 ilustra a função de Multitasking da maneira mais simples possível e está ligada às aplicações de PushButton. Entretanto, do menu de aplicação do HyperTerminal, o usuário tem a opção de escolha do ID do Grupo com uma faixa que varia de 0x0001 a 0x00F0. Dispositivos individuais podem incluir a si mesmo como membro de um Grupo através da criação de uma tabela de Grupos (Group Table). O Group Table contém tanto o ID do Grupo quanto os Endpoints associados ao grupo que o dispositivo faz parte.
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2. FBEE KIT
Este capítulo faz uma introdução às características do kit de demonstração FBee Kit. Este capítulo discute:
• Conteúdo do FBee Kit • FBee Kit
• Placa de aplicação FBee Kit • Módulo FBee
• FBee CD-ROM
2.1 CONTEÚDO DO FBEE KIT
O kit FBee contém os seguintes ítens: 1. Duas placas de aplicação
2. Dois módulos FBee com o transceptor MRF24J40 3. CD de documentação
4. Dois adaptadores para bateria de 9Vdc
Obs: Os módulos FBee também podem ser adquiridos separadamente pelo site: www.fractum.com.br
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2.2 O FBEE KIT
O FBee Kit permite que sejam desenvolvidas aplicações para soluções sem fio (wireless). O kit contém duas placas de aplicação FBee Kit e dois módulos FBee com o transceptor MRF24J40 para 2.4GHz que podem ser usados para formar uma simples rede wireless com dois nós. É possível ter uma rede com maior número de dispositivos adquirindo outros FBee kit ou outros módulos FBee.
O FBee kit já vem pré-configurado com uma demonstração wireless P2P (ponto a ponto). Para rodá-la pela primeira vez, veja o Capítulo 2 do manual do FBEE Kit. “Iniciando a
demonstração do FBee Kit” para aprender como operar esta aplicação e como carregar
outros protocolos de comunicação Wireless.
A placa de aplicação pode ser alimentada por uma bateria externa de +9V juntamente com o adaptador de bateria ou por uma fonte de alimentação variando de +5 a +15Vdc. Já está incluso na placa o regulador de tensão para +3,3V, que alimenta o microcontrolador e o módulo FBee.
2.3 PLACA DE APLICAÇÃO FBEE KIT
A placa de aplicação FBee Kit contém várias ferramentas que possibilitam o estudo e desenvolvimento de aplicações para soluções wireless. Abaixo está a descrição destas ferramentas.
1. Microcontrolador PIC18LF4620 (U1) com cristal de 4MHz (Y1).
2. LEDs: L1 e L2 são ativados pelos pinos RA0 e RA1 do microcontrolador, respectivamente.
3. Chaves Push Button: SW1 e SW2 são conectadas ao microcontrolador nos pinos RB4 e RB5, respectivamente. Não há resistores externos para pull-up na placa de aplicação. Para isso, devem ser habilitados os resistores internos de pull-up do PORTB via software.
4. Chaves de Reset MCLR: conectada ao pino MCLR do microcontrolador.
5. Conector de gravação ICSP (In-Circuit Serial Programming) padrão Microchip que pode ser conectado à programadores como o MPLAB ICD 2, MPLAB ICD 3, MPLAB REAL ICE™, ou qualquer outro gravador ICSP. Há dois tipos de conectores para gravação: barra (J3), e RJ-12 (J4).
6. Conector DB-9 com interface RS-232: permite que a placa se conecte à uma porta serial do computador para controle e debugação do programa. O microcontrolador utiliza o MAX3221 (U2) para fazer a interface.
7. Módulo FBee: o modulo FBee já está conectado diretamente à placa de aplicação e se comunica com o microcontrolador PIC através de 4 vias SPI, mais os pinos de RESET, WAKE e de INTERRUPÇÂO. A pinagem do módulo está descrita na figura abaixo. Para maiores informações sobre o módulo, consulte o manual técnico “Datasheet Módulo FBEE” que pode ser encontrado no site www.fractum.com.br.
Figura 2 - DIAGRAMA DE PINOS DO MÓDULO FBEE
8. Barra de pinos do Microcontrolador: o FBee Kit possui todos os pinos de I/O do
microcontrolador disponíveis ao usuário na barra de pinos J1. Além disso, conexões com +3,3V e GND também estão disponíveis.
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9. Alimentação: o FBEE Kit possui um adaptador para bateria de 9Vdc, mas a alimentação externa pode variar de +5Vdc a +16Vdc. O regulador de tensão da placa (U4) é o CI LP2981, que faz a conversão para +3,3V.
10 . Medir corrente: O Jumper JP5 pode ser usado para medir a corrente consumida pela placa. Para isto, deve-se cortar a trilha que se encontra por baixo da placa, onde há a
indicação para o corte. Outra solução é colocar um resistor na posição R12 e medir a tensão sobre ele para determinar o valor da corrente.
3. Overview do Protocolo ZigBee
ZigBee é um protocolo de redes sem fio (wireless) padrão desenvolvido para redes de baixa taxa de transmissão de dados. O protocolo foi estabelecido de acordo com a especificação do IEEE 802.15.4 e provêm funções de formação de rede, endereçamento de dispositivos, roteamento, e procura de dispositivos e mensagens. Para fazer um estudo e entender o funcionamento mais detalhado da pilha ZigBee 2006 Residencial Protocol, é necessário que o leitor estude o documento “AN1232 ZigBee2006 Application Note” que pode ser encontrado no site da Fractum (www.fractum.com.br/FBee/download).
3.1 Tipos de dispositivos
O IEEE 802.14.4 define dois tipos de dispositivos. Os tipos de dispositivos são mostrados na Tabela 1. Na tabela 2 estão definidos os três tipos de dispositivos para o protocolo ZigBee e sua relação com os tipos de dispositivos do IEEE.
Tabela 1: TIPOS DE DISPOSITIVOS IEEE 802.15.4™
Tabela 2: TIPOS DE DISPOSITIVOS DO PROTOCOLO ZigBee™ 3.2 Configurações de Rede
O protocolo Wireless ZigBee pode assumir vários tipos de configurações. Para todas as topologias de rede, existem pelo menos dois componentes principais:
• Dispositivo Coordenador;
• Dispositivo End Device.
O coordenador do protocolo ZigBee é uma variação especial do Full Function Device (FFD) que implementa um vasto número de serviços do protocolo. Um End Device pode ser um FFD, como um roteador, ou um RFD. O RFD é o mais simples nó de uma rede ZigBee. Ele executa somente um mínimo número de serviços do protocolo. Um terceiro e opcional componente é o roteador, que está presente em algumas configurações de redes.
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3.2.1 Rede Estrela (Star Network)
A configuração de rede Estrela (figura 3) consiste em um coordenador ZigBee e um ou mais dispositivos de rede. Nesta configuração, todos os dispositivos se comunicam apenas com o coordenador. Se um End Device precisa transferir informações para outro End Device, ele envia sua informação para o coordenador. Em seguida, o coordenador reenvia esta mensagem para o End Device de destino, o qual deve receber a informação.
Figura 3: Configuração de Rede Estrela
3.2.2 Rede Árvore (Cluster-Tree Network)
Outra configuração de rede é a topologia Cluster-Tree (Figura 4). Nesta configuração, os End Devices podem se unir tanto ao coordenador quanto aos roteadores. Os roteadores têm duas funções. Uma é aumentar o número de nós que podem estar na rede. A segunda é aumentar o tamanho físico da rede. Com a adição de um roteador, um End Device não precisa estar no alcance do coordenador. Todas as mensagens em uma topologia cluster tree são roteadas ao longo da árvore.
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3.2.3 Rede Mesh
Uma rede Mesh (figura 5) é similar à configuração de rede árvore, exceto que os dispositivos FFD podem rotear informações diretamente para outros FFD ao invés de seguir a estrutura da rede. As mensagens enviadas aos RFD devem ainda seguir a estrutura através do dispositivo FFD “parente” do RFD. A vantagem desta topologia é ter a certeza de que a informação chegará ao seu destino, e ainda que o tempo que uma informação toma até chegar ao destino é reduzido. Assim como as redes árvore, redes Mesh são consideradas multi-hop, devido às suas habilidades de rotear pacotes através de múltiplos dispositivos, enquanto a topologia estrela é uma rede sigle-hope (um pulo). O protocolo ZigBee é uma rede de multi-acesso, ou seja, todos os dispositivos na rede tem acesso igual ao meio de comunicação.
Figura 5: Configuração de Rede Mesh
4.
Aplicação Rede Mesh
Com base na aplicação exemplo fornecida pela Microchip, formaremos uma rede com dois dispositivos: um coordenador, e um Roteador ou RFD. Além disso, vamos observar o andamento da rede através do analisador de rede ZENA.
4.1 Hardware Necessário
Para configurar a aplicação exemplo, será necessária a utilização das duas placas de aplicação que FBEE Kit possui. Além disso, para o uso e monitoramento do exemplo será utilizado pelo menos um cabo serial RS-232 juntamente com um computador pessoal com porta COM RS-232 ou USB com adaptador para RS-232.
Para a compilação do programa, é necessário o MPLAB C18 versão v320 ou superior. Também, a ferramenta de desenvolvimento MPLAB IDE versão v8.10 ou superior e o programador MPLAB REAL ICE, ou ICD 2, ou ICD 3 serão utilizados.
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4.2 Firmware
A figura 3 abaixo mostra a estrutura do diretório para o código ZigBee 2006. Os tipos de dispositivos ZigBee – Coordenador, Roteador e Reduced Function End Device (RFD) são inclusos como parte da aplicação. Um projeto separado é fornecido para cada tipo de dispositivo. Assim, cada um deles pode ser configurado e customizado para operações específicas. O FBEE Kit trabalha com o PIC 18F4620, portanto, serão utilizados os códigos para PIC18.
Figura 6: Diretório para o código ZigBee 2006
Temos para a aplicação:
Push Button SW2 usado para adicionar ou remover um dispositivo do Grupo 0x0004. Push Button SW1 usado para enviar uma mensagem broadcast para todos os
dispositivos do Grupo 0x0004. Os dispositivos que receberem a mensagem broadcast terão que enviar uma resposta de 10 bytes ao dispositivo que enviou a mensagem. Os dados que retornarão serão [00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A].
LED1 é aceso quando o dispositivo fizer parte do Grupo 0x004, caso contrário, se
apagará.
LED2 indica quando o dispositivo recebeu e respondeu às mensagens endereçadas a
ele recebidas, somente quando fizer parte do grupo 0x0004. Também, quando for um membro do Grupo 0x0004 e receber uma requisição de dados de outro dispositivo, após enviar sua resposta, o LED2 inverterá seu estado. Essa é uma maneira útil e simples de visualizar o funcionamento do link de comunicação entre os dispositivos. Quando o dispositivo estiver conectado e fizer parte do grupo 0x0004, o conteúdo das mensagens recebidas serão mostradas no HyperTerminal.
4.3 Gravando a Aplicação
Para rodar a demonstração de aplicação que é inclusa na versão v2.0-2.x da pilha ZigBee, o software apropriado deve ser gravado na placa de aplicação. O dispositivo Coordenador e o Roteador e/ou RFD devem ser gravados com o tipo de PIC apropriado no MPLAB. Há dois métodos disponíveis para aplicações: usando a aplicação pré-compilada, ou utilizando o código fonte dos projetos. Para nossa aplicação, trabalharemos em cima da aplicação pré-compilada.
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A demonstração de aplicação pré-compilada está disponível no seguinte diretório:
“<Install Directory>\ZigBee2006Res\ DemoPIC18FCoordinator \DemoPIC18FCoordinator.hex” “<Install Directory>\ZigBee2006Res\ DemoPIC18FRouter \DemoPIC18FRouter.hex”
“<Install Directory>\ZigBee2006Res\ DemoPIC18FRFD \DemoPIC18FRFD.hex”
Use o menu File>Import do MPLAB® IDE para importar o arquivo .hex e então use o MPLAB®Programmer para gravar as aplicações, primeiro no Coordenador e depois no Roteador ou RFD Device.
Figura 7: Importando o arquivo .hex
4.4 Rodando a Aplicação com Push Buttons
Você precisará das duas placas de aplicação do FBEE Kit que serão carregadas com a aplicação exemplo correta. Um dos dispositivos deve ser um Coordenador. O outro dispositivo pode ser tanto um Rotador quanto um RFD.
Para análise do exemplo, vamos utilizar o analisador de rede ZENA. O analisador não interfere no funcionamento da rede, apenas faz o monitoramento dos dados que estão trafegando pelo ar. Portanto, sua utilização é opcional. Ele está configurado para trabalhar no canal 26. Aplique a alimentação ao dispositivo Coordenador com uma fonte externa variando de +5 a +15Vdc ou utilizando uma bateria de 9Vdc. Os dois Leds da placa serão acesos, indicando que o dispositivo formou a rede. Observe o a requisição de dados no ZENA. Agora o coordenador está pronto para aceitar que outros dispositivos se juntem à sua rede.
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Figura 8: Requisição de dados feita pelo Coordenador
Aplique a alimentação ao dispositivo Roteador. Os dois Leds da placa serão acesos, indicando que o dispositivo se juntou a rede. Observe o a requisição de dados no ZENA. Agora o
coordenador está pronto para aceitar que outros dispositivos se juntem à sua rede. Observe no Zena o pacote de dados de requisição Association Request do dispositivo que foi enviado pelo roteador e a resposta de sucesso do Association Request enviada pelo Coordenador. O roteador agora se uniu a rede.
Figura 9: Requisição de dados feita com sucesso
Os dois dispositivos estão rodando, porém não fazem parte do Grupo 0x0004. No coordenador, pressione o botão SW1. Ele se adicionará ao grupo 0x004 e enviará uma mensagem para todos os dispositivos (broadcast) com endereço de destino 0xffff, Source Address 0x0000(do coordenador). Quando o roteador receber uma mensagem broadcast de grupo, primeiro ele retransmite esta mensagem para que outros dispositivos na rede possam receber a mensagem de broadcast. Logo após, ele verifica se um dos seus endpoints pertence ao mesmo grupo e se for ele responde à requisição broadcast. Como nenhum nó faz parte de nenhum grupo no reset, o coordenador envia a mensagem ao grupo 0x0004 e o Roteador somente irá
retransmitir a mensagem, porém não irá responder à requisição de 10 bytes que o coordenador requisita porque não faz parte do grupo.
Faça o mesmo para o roteador. Pressione e solte a chave SW1 até que o LED1 apague e volte a ficar aceso. Quando acontecer, o roteador estará fazendo parte do grupo 0x004 também. Apertando a chave SW2, o Coordenador enviará uma informação broadcast a todos os membros do Grupo 0x0004. Observe que o LED2 do roteador inverte seu estado. Isso indica que o roteador agora, está respondendo as mensagens ao Coordenador.
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Figura 10: Mensagem enviada pelo Coordenador e respondida pelo Roteador
Esta aplicação trabalha bi direcional, isto é, da mesma maneira que todos os dispositivos ZigBee Coordenadores, Roteadores, e RFD´s.
4.5 Rodando a Aplicação através do Hyper Terminal
O monitoramento das informações poderá ser acompanhado por qualquer um dos nós,
utilizando o módulo serial HyperTerminal, que deve ser configurado como a figura abaixo. Para isso conecte o cabo serial no conector seria do seu computador e de sua placa de aplicação. Para nossa aplicação, estaremos monitorando o Coordenador.
Figura 11: Configuração da porta serial
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Figura 12: Menu de Opções
Alimente agora o dispositivo Roteador. O Roteador irá se juntar à rede formada. Note que as informações de rede (16-bits) e de endereço MAC do roteador (64-bits) serão mostradas no terminal. Em uma rede de dois dispositivos, o endereço do Roteador é 0x0001.
Para pedir informação do Roteador através do menu do Coordenador, selecione a opção número 2. Em seguida, informe a quantidade de Bytes que serão recebidos pelo Coordenador e digite: 0A, e informe o short address do dispositivo: 0001 ou qualquer que seja o endereço que o outro dispositivo possui.
Assim será enviada uma requisição de dados para o Roteador. A resposta do Roteador será:
Len: 0a From Address: 0001 00000102030405060708090A
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Do menu do Coordenador, selecione a opção 3 e digite 0004 para o ID do grupo o qual deve-se requisitar informações. A resposta do Roteador será:
Len: 0a From Address: 0001 0000010203040506070809 Como o Roteador faz parte do Grupo 0004, ele irá receber a informação acima.
Para mandar informações diretamente do Coordenador para Roteador use a opção número 4. Entre com o número de Bytes a serem enviados em hexa, e coloque o short address do dispositivo Roteador (ex. 0001). Assim será enviada o número de bytes digitado para o Roteador e será mostras uma mensagem de envio com êxito.
Para ver quais dispositivos estão guardados na Tabela de vizinhos do Coordenador, escolha no menu a opção número 7.
A seguinte informação será mostrada, indicando o short address do dispositivo, o seu endereço MAC, o tipo de dispositivo e sua relação com o coordenador.
Short MAC Type Rntlship 0001 0000000100000000 RTR CHILD
Estas são algumas das funcionalidades da pilha ZigBee 2006. Para aplicações específicas, é necessário que seja aplicado o código do usuário na camada de aplicação. Para um estudo mais detalhado da pilha, é necessário que o leitor estude o documento “AN1232 ZigBee2006 Application Note” que pode ser encontrado no site da Fractum
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