Résumé des connaissances théoriques de base de Zigbee

avant-propos

Cet article est écrit brièvement et ciblé, et une partie de ma propre compréhension sera ajoutée au milieu. Pour le développement de base et les applications connexes, consultez d'autres articles dans la colonne ci-dessous, et les articles liés au développement de la pile de protocoles seront mis à jour à l'avenir. Cet article résume les principes de base.

chapitre

• Présentation de Zigbee
• Principe de la technologie zigbee
• conception de matériel zigbee
• CC2530 Développement de base
• Fréquence radio et couche MAC
• Pile de protocoles Zstack
• Développement d'applications Zstack

Présentation de Zigbee

Focus du chapitre : Concepts,Caractéristiques, puces communes, piles de protocoles, environnement de développement

concept

Une technologie de communication sans fil bidirectionnelle à courte portée, à faible complexité, à faible consommation et à faible coût.

Scénarios applicables : courte distance, faible consommation d'énergie et faible taux de transmission, données périodiques, données intermittentes, données à faible réponse

Caractéristiques

1. Faible consommation d'énergie
2. faible coût
3. Grande capacité (les adresses IEEE 64 bits et les adresses courtes peuvent être utilisées, et 65536 appareils peuvent être hébergés dans un seul réseau Zigbee)
4. Fiable (CMSA/CA, RCC, Mode sans échec)
5. court délai
6. Topologie de réseau flexible (étoile, arbre, maillage ; saut unique, sauts multiples)

ébrécher

CC2530

• CPU et mémoire
• Horloge et gestion de l'alimentation
• Périphériques
• appareil sans fil

Pile de protocoles

Zstack (version open source du système d'exploitation OSAL intégré de la société TI)

environnement de développement

• ET
• Zigbee Sniffer (Zigbee sniffer), un programme utilisé pour analyser la structure de trame de chaque couche de Zigbee, nécessite un dispositif de renifleur.

Principe de la technologie Zigbee

Thème du chapitre : structure du réseau, système de réseau , architecture de protocole, couche de communication IEEE802.15.4, couche MAC et structure de trame de couche réseau, spécification de service de couche réseau, spécification de couche application

organisation du réseau

• Le coordinateur de réseau, le centre de l'ensemble du réseau, établit, entretient et gère le réseau, attribue des adresses de réseau, etc., et équivaut au "cerveau" du réseau.
• Un routeur de réseau, responsable de la découverte de l'itinéraire, de la transmission des messages et permettant à d'autres nœuds d'accéder au réseau via celui-ci.
• nœud terminal. Entrer dans le réseau par l'un des éléments ci-dessus, responsable de l'acquisition de données ou des fonctions de contrôle

système de réseau

Divisé en 4 couches, de haut en bas :

[Couche réseau (NWK) et couche application]Définition de l'Alliance Zibee
[Couche physique, couche de contrôle d'accès au support (MAC)]Collectivement appelée couche de communication IEEE802.15.4

Topologie

• Star, END ne communique qu'avec le coordinateur.
• Dans le type arborescent, l'appareil ne peut communiquer qu'avec son propre nœud parent ou nœud d'octet.
• Le type de maillage, sur la base du type d'arborescence, permet à tous les nœuds dotés d'une fonction de routage dans le réseau de communiquer entre eux.

Architecture de protocole

couche physique

Fonctions principales : attribution de bandes de fréquences de travail, attribution de canaux, fourniture de services de données et de services de gestion pour les services de couche MAC

Attribution de la bande de fréquences de travail

Trois bandes de fréquences de travail

• 2,4 GHz, capable d'atteindre un taux de transmission de 250 kb/s, avec un total de 16 canaux.
• 915MHz, le taux de transmission est de 40kb/s, 10 canaux.
• 868MHz, taux de transmission 20kb/s, 1 canal.

affectation de canal

Il y a 27 canaux et le nombre k est compris entre 0 et 26. La fréquence centrale des 27 canaux et le numéro de canal correspondant sont définis comme suit :

Spécification de service de couche physique

Réalisez la transmission transparente de divers flux de données entre entités de liaison de données. Les principaux services fournis sont les suivants : établissement, maintenance et libération des connexions de la couche physique, transmission des unités de données de service physique, gestion de la couche physique et codage des données.

---

Entité de gestion de la couche physique (PLME-SAP), PLME-SAP est responsable de la maintenance de la base d'informations PAN de la couche physique (PHY PIB) en plus du transfert des services de gestion entre la couche physique et la couche MAC.
Interface d'accès aux services de données de la couche physique (Physical Data SAP, PD-SAP en abrégé), PD-SAP est chargé de fournir des services de données entre la couche physique et la couche MAC.

Envoi et réception de données

Ceci est accompli par le biais de la primitive PD-DATA fournie par PD-SAP (Data Service), qui peut réaliser la transmission de deux unités de données de protocole de sous-couche MAC.

Détection des canaux d'énergie physiques

Avant de construire un nouveau réseau, il est nécessaire de balayer tous les canaux et de sélectionner un canal inactif pour le réseau, ce qui est réalisé par la détection d'énergie de canal physique.
Lorsqu'un canal est occupé par un autre réseau, la valeur de l'énergie du canal est différente.

• La détection d'énergie doit être générée par la sous-couche MAC.
• La confirmation de détection d'énergie est générée par la couche physique.

Activation et désactivation de l'émetteur-récepteur RF

Faible consommation d'énergie, pas besoin d'éteindre l'émetteur-récepteur RF sous-jacent.

Évaluation du canal clair (CCA)

La sous-couche MAC de la norme 802.1.4 utilise le mécanisme CSMA/CA pour accéder au canal, sur le principe de détecter si le canal physique actuel est inactif. La couche physique fournit la fonction de détection CCA.

indicateur de qualité du lien

Parfois, il est nécessaire de sélectionner une route en fonction de la qualité de la liaison (qualité du signal), et la couche physique peut renvoyer la valeur LQI actuelle (qualité du signal) accessoirement. La valeur LQI peut être représentée par l'indicateur de force du signal reçu (RSSI).

Obtenir et définir des paramètres d'attribut

Chaque couche du protocole a un PAN (base d'informations) correspondant, qui stocke les paramètres d'attribut.

couche MAC

Caractéristiques

• Utiliser le mécanisme CSMA/CA pour accéder au canal
• Mise en place et maintenance de PAN (Personal Area Network).
• Prend en charge l'association (c'est-à-dire l'adhésion au réseau) et la dissociation (sortie du réseau) des réseaux PAN
• Le coordinateur génère une trame de balise réseau et les appareils ordinaires se synchronisent avec le coordinateur en fonction de la balise
• Garantie Manutention et Maintenance GTS
• Fournit un lien fiable entre deux entités MAC homologues

Spécification de service

Le service de gestion MAC appelle l'interface du service de gestion et gère la base d'informations PAN

Le service de données MAC fournit une interface de service de données et ajoute un en-tête de protocole aux données de couche réseau, réalisant ainsi les données de trame de couche MAC.

---

Comment fonctionne le CSMA/CA
Objectif : Éviter le problème de collision de canaux.
Méthodes (deux):

• (1) Avant d'envoyer des données, surveillez l'utilisation du canal pendant un certain temps et attendez une période de temps aléatoire après que le canal soit toujours inactif, puis envoyez des données. (Étant donné que le temps aléatoire de chaque appareil est différent, l'apparition de conflits peut être réduite, mais ne peut pas être complètement évitée)
• (2) « Jugement de prise de contact », avant l'envoi, envoyer un message RTS de demande à l'extrémité cible et commencer à envoyer après que l'extrémité cible peut répondre au message CTS. (pour s'assurer qu'il n'y a pas de collision)

Établissement et maintenance du PAN

Le coordinateur est mis sous tension, scanne le réseau existant, sélectionne le canal libre et le PANID, et construit le réseau.

cadre de balise

• Savoir s'il y a des données qui vous sont envoyées dans le coordinateur
• Quand éteindre et rallumer RF

charpente=

Nom complet : MAC Protocol Data Unit (MPDU), qui se compose d'une série de champs disposés dans un ordre spécifique.

structure générale

En-tête de trame MAC (MHR), charge utile MAC, pied de page de trame MAC (MFR)

• Identificateur du PAN de destination. La longueur du champ PAN de destination est de 16 bits et il spécifie l'identifiant PAN où se trouve le périphérique de réception.
• Champ d'adresse de destination. La trame s'attend à recevoir l'adresse de l'appareil.
• Identifiant PAN source. La longueur du PAN source est de 16 bits et le code d'identification PAN de l'appareil émetteur est envoyé. L'identifiant PAN d'un ensemble est obtenu lors de l'association initiale du PAN et peut changer en cas de conflit.
• Champ d'adresse source. L'adresse de l'appareil émetteur.
• Champ FCS, code de contrôle CRC.

structure spécifique

• Cadre de balise. Réalisez le travail synchrone et le sommeil de l'équipement dans le réseau et établissez le coordinateur principal PAN.
• trame de données . Les données envoyées par la couche supérieure à la sous-couche MAC sont transmises. Lorsque la charge utile de données est envoyée à la sous-couche MAC, elle est appelée unité de données de service MAC et le premier bit est encapsulé.
• déterminer le cadre
• cadre de commande

Couche réseau

Caractéristiques

• Créer un nouveau réseau
• Permet aux appareils de rejoindre ou de quitter, attribue des adresses logiques internes aux appareils, établit et maintient des tables de voisinage

charpente

Unité de données du protocole de couche réseau (NPUD)

• Adresse de destination. Selon la valeur de sous-champ de l'indicateur de diffusion, l'adresse réseau du dispositif 16 bits, l'adresse de diffusion ou l'ID de groupe de multidiffusion de destination est obtenue.
• adresse source. L'appareil source obtient l'adresse réseau.
• champ de rayon. La longueur est de 8 bits.Chaque fois que des données de trame sont reçues, le rayon de diffusion est réduit de 1 et le rayon de diffusion détermine le rayon de propagation.
• Adresse de destination IEEE. Si elle existe, elle est incluse dans l'adresse IEEE E 64 bits correspondant à l'adresse réseau 16 bits de l'adresse de destination dans l'en-tête d'adresse.
• Adresse source IEEE. Idem
• Contrôle multidiffusion. Existe pendant la multidiffusion.

couche d'application

---

constituer

Sous-couche de support d'application (APS), objets de périphérique Zigbee, cadre d'application Zigbee (AF), modèles de profil de périphérique Zigbee et définitions du fabricant

Adresse de nœud et numéro de point de terminaison

• Adresse de nœud : divisée en deux types, adresse IEEE 64 bits (adresse MAC), adresse réseau 16 bits (adresse courte, attribuée par le coordinateur)
• Numéro de point de terminaison : l'entrée de la couche d'application de la pile de protocoles, qui décrit le cluster défini par un périphérique. Chaque appareil zigbee peut prendre en charge jusqu'à 240 points de terminaison, et 240 objets d'application peuvent être définis sur chaque appareil, dont le point de terminaison 0 est utilisé pour réserver l'interface de l'objet de l'appareil, le point de terminaison 255 est réservé à la diffusion et 241 ~ 245 sont utilisés pour une expansion future .

Communication indirecte et directe

• En communication indirecte, deux nœuds établissent un lien logique sur la couche application.
• Communication directe, utilisant la communication d'adresse de nœud (couche inférieure partielle)

groupe

type de messages

---

Sous-couche de support d'application

Fonction : responsable du traitement APDU de l'unité de données de la sous-couche de support d'application, de la gestion de la transmission des données et de la liste de liaison de maintenance

L'APS fournit une interface entre la couche réseau et la couche application via un ensemble commun de bits de service.

cadre d'application

Fonctions : Transactions combinées ( plusieurs transactions sont combinées en une seule trame, les transactions importantes sont divisées en plusieurs trames ), recevoir et rejeter

objet périphérique

Afin de réaliser l'initialisation et la configuration de chaque couche, l'application communique avec les autres couches de la pile Zigbee via le point d'extrémité 0. L'objet attaché au point d'extrémité 0 est appelé l'objet périphérique Zigbee.
Fonction ZDO : initialisation de la sous-couche de prise en charge des applications, de la couche réseau et d'autres couches d'appareils Zigbee ; regrouper les informations des applications de point de terminaison pour mettre en œuvre la découverte d'appareils et de services, la gestion du réseau, la gestion des liaisons, la gestion de la sécurité, la gestion des nœuds et d'autres fonctions.

Coordinateur Zigbee

Caractéristiques:

• Acceptez qu'un appareil rejoigne le réseau ou déconnectez un appareil du réseau.
• Services d'appareils et découverte de services en réponse aux demandes d'autres appareils, y compris les demandes de possession et les demandes de possession d'appareils enfants en veille.
• Prend en charge la fonction de liaison entre les appareils Zigbee, etc. Il est garanti que le nombre d'éléments de liaison ne peut pas dépasser la valeur spécifiée par l'attribut.
• Maintient une liste des appareils actuellement connectés, reçoit les analyses orphelines et reconnecte les appareils orphelins au réseau.
• Recevez et traitez les demandes de notification des terminaux.

Routeur Zigbee

Caractéristiques:

• Autoriser d'autres appareils à se connecter au réseau.
• Acceptez et exécutez des commandes pour supprimer un appareil du réseau.
• Répond à la découverte de périphérique et à la découverte de service.
• Une liste des appareils qui y sont connectés doit être maintenue, permettant aux appareils de rejoindre le réseau.

Équipement terminal Zigbee

Lorsque l'équipement terminal Zigbee est initialisé, il définit d'abord la valeur initiale des paramètres requis dans le travail ; deuxièmement, il commence à découvrir le fonctionnement du réseau et sélectionne un réseau approprié pour s'y connecter ; après la connexion, il utilise son propre Adresse IEEE et adresse réseau pour envoyer les informations de notification de l'équipement terminal. En fonctionnement normal, le terminal doit répondre aux requêtes de découverte de périphérique et de découverte de service, recevoir des informations de notification du coordinateur, vérifier s'il existe une entrée qui lui correspond dans la table de liaison, etc. Dans un réseau sécurisé, l'acquisition, l'établissement et la gestion des différentes clés doivent également être complétés.

---

Vous pouvez suivre cette colonne, et le développement de Zstack sera mis à jour à l'avenir.