Способ настройки ZigBee радиосети

В статье рассматриваются практические вопросы построения системы управления радиосетью диапазона 2,4 ГГц в стандарте ZigBee. Использованы RF микросхемы типа CC2520 с ARM микроконтроллерами STM32F100RC. Решен вопрос добавления в сеть нового узла без применения компьютера. Это позволяет строить сет...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Искусственный интеллект
Дата:2013
Автори: Поливцев, С.А., Цыбульник, Е.С., Кобыляков, В.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України 2013
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85147
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Способ настройки ZigBee радиосети / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник, В.В. Кобыляков // Искусственный интеллект. — 2013. — № 2. — С. 93–98. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859980630954082304
author Поливцев, С.А.
Цыбульник, Е.С.
Кобыляков, В.В.
author_facet Поливцев, С.А.
Цыбульник, Е.С.
Кобыляков, В.В.
citation_txt Способ настройки ZigBee радиосети / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник, В.В. Кобыляков // Искусственный интеллект. — 2013. — № 2. — С. 93–98. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Искусственный интеллект
description В статье рассматриваются практические вопросы построения системы управления радиосетью диапазона 2,4 ГГц в стандарте ZigBee. Использованы RF микросхемы типа CC2520 с ARM микроконтроллерами STM32F100RC. Решен вопрос добавления в сеть нового узла без применения компьютера. Это позволяет строить сеть неквалифицированному пользователю самостоятельно, что улучшает потребительские свойства ZigBee сетей. У статті розглядаються практичні питання побудови системи управління радіомережею діапазону 2,4 ГГц у стандарті ZigBee. Використано RF мікросхему типу CC2520 з ARM мікроконтроллером STM32F100RC. Вирішено питання додавання в мережу нового вузла без застосування комп’ютера. Це дозволяє будувати мережу некваліфікованому користувачеві самостійно, що покращує споживчі властивості ZigBee мереж. In the article the practical questions of construction of control system are examined by the radio network of range 2,4 ГГц in the standard of ZigBee. RF of microcircuit of type of CC2520 is used with ARM by the microcontrollers of STM32F100RC. The question of adding is decided to the network of new knot without application of computer. It allows to build a network to the unskilled user independently, that improves consumer properties of ZigBee of networks.
first_indexed 2025-12-07T16:25:30Z
format Article
fulltext ISSN 1561-5359 «Штучний інтелект» 2013 № 2 93 4П УДК 004.382 С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник, В.В. Кобыляков Институт проблем искусственного интеллекта МОН Украины и НАН Украины, г. Донецк Украина, 83048, г. Донецк, ул. Артема, 118-б Способ настройки ZigBee радиосети S.A. Polivtsev, H.S. Thsibulnik, V.V. Kobiliakov Institute of Artificial Intelligence MES of Ukraine and NAS of Ukraine, c. Donetsk Ukraine, 83048, c. Donetsk, Artema st., 118-b Way of Adjustment ZigBee of a Radio Network С.О. Полiвцев, Е.С. Цибульнiк, В.В. Кобиляков Інститут проблем штучного інтелекту МОН України і НАН України, м. Донецьк Україна, 83048, м. Донецьк, вул. Артема, 118-б Спосіб налаштування ZigBee радіомережі В статье рассматриваются практические вопросы построения системы управления радиосетью диапазона 2,4 ГГц в стандарте ZigBee. Использованы RF микросхемы типа CC2520 с ARM микроконтроллерами STM32F100RC. Решен вопрос добавления в сеть нового узла без применения компьютера. Это позволяет строить сеть неквалифицированному пользователю самостоятельно, что улучшает потребительские свойства ZigBee сетей. Ключевые слова: ZigBee сеть, CC2520, ARM Cortex. In the article the practical questions of construction of control system are examined by the radio network of range 2,4 ГГц in the standard of ZigBee. RF of microcircuit of type of CC2520 is used with ARM by the microcontrollers of STM32F100RC. The question of adding is decided to the network of new knot without application of computer. It allows to build a network to the unskilled user independently, that improves consumer properties of ZigBee of networks. Key words: ZigBee network, CC2520, ARM Cortex. У статті розглядаються практичні питання побудови системи управління радіомережею діапазону 2,4 ГГц у стандарті ZigBee. Використано RF мікросхему типу CC2520 з ARM мікроконтроллером STM32F100RC. Вирішено питання додавання в мережу нового вузла без застосування комп’ютера. Це дозволяє будувати мережу некваліфікованому користувачеві самостійно, що покращує споживчі властивості ZigBee мереж. Ключові слова: ZigBee мережа, CC2520, ARM Cortex. Введение Суть проблемы. Беспроводные устройства радиосистем ZigBee для домашней автоматизации позволяют решить ряд насущных проблем современного дома: техническая сигнализация; домовая и охранная сигнализация; программирование и контроль потребления электроэнергии, воды, газа; удаленный контроль ситуации в доме через сети GSM и Интернет и ряд других. Однако, при всех достоинствах у современных ZigBee сетей есть ряд недостатков. К таковым можно отнести участие специалистов в первичной наладке сети под конкретного пользователя, внесение Поливцев С.А., Цыбульник Е.С., Кобыляков В.В. «Искусственный интеллект» 2013 № 2 94 4П изменений в сеть также требует участия специалистов или соответствующей квалифи- кации пользователей. В принципе все действия по наладке и реконфигурированию описаны в руководствах, есть программы, реализующие наладку и реконфигурацию, но их освоение требует времени и высокой квалификации пользователей. Участие спе- циалистов в наладке ZigBee сети существенно удорожает ее стоимость. Здесь уместна аналогия с сетью Интернет – пока работа с ней была доступна квалифицированным специалистам, её распространение было весьма малым. Как только появилось простое в установке оборудование и работающие с ним интуитивно понятные программы, простые в настройках и работе, то спрос на оборудование и программные продукты, связанные с Интернет технологиями, возрос в десятки тысяч раз и не снижается до сих пор. В данной статье предлагается программный способ решения задач первич- ного конфигурирования и реконфигурирования ZigBee сети. Реализация этого способа не удорожает оборудования, делает работу с ZigBee сетью доступной пользователю без всякой квалификации и, следовательно, способствует более широкому распро- странению ZigBee сетей для домашней автоматизации. Иcпользуемые структуры данных В документах [1], описывающих работу системы ZigBee и ее отдельных ком- понент, не указано, каким образом отдельные компоненты связываются в сеть, как производится добавление, исключение и замена узлов в сети. В стартовых набо- рах [2], предназначенных для разработчиков сетей, предполагается наличие ЭВМ в системе и программирование свойств каждого узла и сети в целом. Этого достаточно для специалистов, работающих в области построения радиосетей, но совершенно не подходит для массового потребителя. Следует сказать, что и сам стандарт IEEE 802.15.4/ZIGBEE является больше рекомендательным, чем руководящим документом. Кроме того, этот стандарт дос- таточно молод и находится в стадии постоянных изменений и дополнений. Исполь- зуя положения стандарта, предлагается решение задачи добавления, исключения и замены узлов в сети без применения ЭВМ. Для практической реализации была взята за аналог сеть SimpliciTI, описанная в [3]. В ней в качестве RF модулей использованы микросхемы CC2520 [4], управ- ляемые микроконтроллерами (МК) типа MSP430. В языке «С», использованном в аналоге, есть конструкция данных, называемая структурой. Описание структуры хо- рошо для программиста, но мало пригодно для статьи. Для краткости описания, в дан- ной статье каждой структуре ставится в соответствие имя множества, а элементу структуры – буква с индексом (указаны в скобках при описании структуры). В управ- ляющем МК каждого узла ZigBee сети использованы следующие структуры данных. Структура данных данного узла сети (множество A) typedef struct { myAddr; (a0) // Идентификатор (адрес) этого устройства. panId; (a1) // Идентификатор используемой сети. channel; (a2) // Номер используемого канала. ackRequest;(a3) // Флаг ожидать/не ожидать подтверждения запроса. } basicRfCfg_t; Структура состояний данного узла сети (множество B). typedef struct { txSeqNumber; (b0) // Номер текущей отсылаемой структуры SeqNumber. Способ настройки ZigBee радиосети «Штучний інтелект» 2013 № 2 95 4П ackReceived; (b1) // Состояние – прием/неприем ACK. receiveOn; (b2) // Состояние приемника. frameCounter; (b3) // Счетчик структур. } basicRfTxState_t; Структура узлов сети (множество C). 0. (c0) – Дата и время обновления страницы устройств сети; 1. (c1) – Позиционный номер данного устройства в сети; 2. (c2) – Число устройств в сети; 3. (c3) – Идентификатор сети; 4. (c4) – Поле Unit_Zero адрес устройства № 0; 5. (c5) – Поле Unit_One адрес устройства № 1; . . . 1004. (c1004) – Поле Unit_Addr адрес устройства № 1000. Структура данных приема и передачи одной посылки (множество D). typedef struct { length; (d0) // Число байт в структуре отсылки без байта length. ackRequest; (d1) // Байт ожидать/не ожидать подтверждения запроса. seqNumber; (d2) // Номер текущей отсылаемой структуры. srcPanId; (d3) // Идентификатор сети в этой посылке передачи/приема. dstAddr; (d4) // Адрес назначения (приемника) этой посылки. srcAddr; (d5) // Адрес источника (передатчика)этой посылки. *pPayload; (d6) // Указатель на данные, включаемые в эту посылку. rssi; (d7) // Значение rssi на стороне передатчика этой посылки. } basicRfRxInfo_t; Каждая структура данных меняет свое содержимое в зависимости от текущего состояния узла и общего состояния сети. В свою очередь, каждый узел может находиться в следующих состояниях: – не инициализирован – т.е. он имеет собственный уникальный номер, но не имеет позиционного номера ни в какой сети; – инициализирован – имеет позиционный номер в данной сети. Каждый узел может иметь следующий режим работы: – простоя (IDLE) или b2 = 0; – передачи данных (Data_Trans) или b2 = 1; – передачи подтверждения (ACK_Trans) или b2 = 2; – приема данных (Data_Rec) или b2 = 3; – приема подтверждения (ACK_Rec) или b2 = 4. Принимается, что каждая ZigBee сеть не имеет постоянной конфигурации, в нее могут добавляться новые узлы, удаляться старые узлы, могут добавляться и удаляться пульты управления. При этом ставится условие, что изменения в ZigBee системе должны производиться без применения компьютеров и дополнительного программного обеспечения. Способ решения задачи Для решения этой задачи предлагается на этапе производства (где применение ЭВМ неизбежно для записи программ в микроконтроллеры и тестирования модулей) в МК пультов управления записывать уникальные идентификаторы сети (PAN_ID) = Поливцев С.А., Цыбульник Е.С., Кобыляков В.В. «Искусственный интеллект» 2013 № 2 96 4П 0xYYYY, позиционный номер в сети (Unit_Zero) = 0; число элементов в сети (Num_Unit) = 0. В МК узлов управления предлагается записывать уникальные идентификаторы сети (PAN_ID) = 0xFFFF, позиционный номер в сети (Unit_Zero) = 0; число элементов в сети (Num_Unit) = 0. Также предполагается, что пульт управления имеет не менее 12 кнопок – с цифрами 0...9 и символами * и # (это условие выполняется для 100% «телефонных клавиатур» и эти символы можно передать с ЭВМ). Первичное конфигурирование ZigBee сети производится в следующей манере. Запускается в работу пульт управления (путем установки батарей питания) и первый из узлов (путем установки батарей питания или включения в электрическую сеть). Оба узла автоматически становятся в режим приема данных (Data_Rec) на опре- деленной частоте. На пульте нажимается кнопка «1» и пульт посылает посылку с идентификатором сети PAN_ID = 0xFFFF, адресом отправителя srcAddr = Unit_Zero, адресом получателя dstAddr = Unit_Zero, а в качестве полезной информации передается PAN_ID = 0xYYYY. Посылка содержит требование передачи подтверж- дения. Далее пульт становится в режим приема подтверждения (ACK_Rec), время которого ограничено. Управляемый узел принимает эту посылку, записывает в свою структуру PAN_ID, переданный как данные, присваивает себе позиционный номер = Unit_ Two, записывает число узлов в сети Num_Unit = 2. Эта информация сохраняется во FLASH памяти микроконтроллера и в рабочих структурах в RAM памяти. Теперь, даже после выключения/включения питания, узел будет помнить, восстанавливать эти данные и использовать их в работе. Далее узел переходит в режим передачи под- тверждения (ACK_Trans). Пульт управления, получив ACK, выполняет следующую работу. Присваивает себе позиционный номер = Unit_One, записывает число узлов в сети Num_Unit = 2. Эта информация сохраняется во FLASH памяти микроконтроллера и в рабочих структурах в RAM памяти. Таким образом, каждый узел построенной ZigBee сети имеет точное пред- ставление о числе узлов сети, PAN_ID сети, свой собственный позиционный номер в сети = srcAddr. Этой информации достаточно для формирования структуры данных приема и передачи одной посылки. Заметим, что в построенной сети нет устройства Unit_Zero. При подключении в сеть следующего узла, на пульте управления нажимается кнопка «2», пульт опре- деляет, что с этой кнопкой не ассоциирован ни один член сети и посылает посылку с идентификатором сети PAN_ID = 0xFFFF, адресом отправителя srcAddr = Unit_Zero, адресом получателя DstAddr = Unit_Zero, и в качестве полезной информации пере- дается PAN_ID = 0xYYYY и действительное число узлов сети Num_Unit. Посылка содержит требование передачи подтверждения. Далее пульт становится в режим приема подтверждения (ACK_Rec), время которого ограничено. Добавляемый узел принимает эту посылку, записывает в свою структуру PAN_ID переданный как данные, присваивает себе позиционный номер = Num_Unit + 1, записывает число узлов в сети Num_Unit = Num_Unit + 1. Далее узел переходит в режим передачи подтверждения (ACK_Trans). Пульт управления, получив ACK, выполняет следующую работу. Записывает число узлов в сети Num_Unit = Num_Unit + 1. Эта информация сохраняется во FLASH памяти микроконтроллера и в рабочих структурах в RAM памяти. По завершению работы по добавлению узлов в сеть (длительность этой работы может быть ограничена во времени) или при повторном нажатии на кнопку 1 на Способ настройки ZigBee радиосети «Штучний інтелект» 2013 № 2 97 4П пульте, МК пульта выполняет дополнительную работу по конфигурации сети – анализируется обстановка в районе расположения узлов сети, выбираются каналы передачи/приема, позиционные номера Unit_Zero, Unit_Two, Unit_Three… заме- няются другими идентификаторами (например, уникальными идентификаторами МК). После этого ZigBee сеть на 100% готова к работе. С точки зрения структур сети, пульт управления ничем не отличается от узла сети и поэтому их может быть несколько в сети, но эти дополнительные пульты перед добавлением должны иметь PAN_ID = 0xFFFF, позиционный номер в сети (Unit_Zero) = 0; число элементов в сети (Num_Unit) = 0. Тогда их регистрация в сети производится по вышеописанной методике. Удаление узла из сети производится по команде с пульта вида *xx*yy*yy#, где: xx – код команды, yy – позиционный номер удаляемого узла. В этой же манере может быть вставлен новый узел в сеть вместо удаленного. В рамках предложенных структур данных можно рассмотреть последова- тельность переходов в режимах работы для двух узлов при обмене простыми сооб- щениями при добавлении нового узла в сеть. Обозначим через A1, B1, C1 множества (структуры), связанные с пультом, и через AK, BK, CK множества (структуры), связанные с добавляемым узлом. Обозначим через D1K сообщение, посылаемое от узла 1 (пульт) к узлу K (добавляемый узел): D1K ={ d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7}, где d0 = 17; d1 = 1; d2 = 0; d3 = 0xFFFF; d4 = 0; d5 = 0; d6 = {a1, c2}; d7 = xx. После отсылки сообщения пульт переходит в состояние b12 = 5. Напомним, что d7 = xx – это измеренная величина сигнала на входе приемника источника посылки (в данном случае – пульта). Соответственно, ответ – подтверждение получения сообщения или посылка сообщения от узла K (добавляемый узел) к узлу 1(пульт) имеет вид: D K1 ={ d0, d1, d7}, где d0 = 17; d1 = 0; d7 = xx. Если сообщение D K1 получено, то c12 = c12 +1; c1K = K; b12 = 0. Соответственно в структурах добавленного узла сети происходят следующие изменения: cK1 = d6(2) + 1; cK3 = d6(1); cK[d6 + 4] = d6(2) + 1; aK0 = d6(2) + 1; aK1 = d6(1), bK2 = 4. Разумеется, все эти преобразования данных являются сильным упрощением реальных процессов, происходящих при обмене в узлах сети – не отображены факторы времени и поражения данных помехами, экстренные обмены в сети и т.п. Однако эти преобразования позволяют коротко (в реальных программах это около 200 строк на «С») и наглядно показать способ решения задачи конфигурирования и реконфигурирования ZigBee сети без применения дополнительного оборудования и программ, а также привлечения квалифицированных специалистов. Выводы Решен вопрос добавления в сеть нового узла без применения компьютера. Это позволяет строить сеть неквалифицированному пользователю самостоятельно, что улучшает потребительские свойства ZigBee сетей. Поливцев С.А., Цыбульник Е.С., Кобыляков В.В. «Искусственный интеллект» 2013 № 2 98 4П Кроме разработки предлагаемого способа, авторами выполнено портирование программного обеспечения с МК типа MSP430 на МК типа STM32F100RC, обла- дающего существенно лучшими характеристиками как по быстродействию, так и по объему памяти. Были проведены натурные эксперименты в ZigBee сети, состоящей из 5 узлов, которые полностью подтвердили работоспособность предложенного способа реконфигурации радиосети в стандарте IEEE 802.15.4. Предложенные структуры и их реализация в МК типа STM32F100RC позволяют легко реализовать сеть с числом узлов до 1000. Литература 1. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). [Электронный ресурс]. – Режим доступа : www.ti.com/ 2. CC2420DBK Demonstration Board Kit. [Электронный ресурс]. – Режим доступа : www.ti.com/ 3. Simple Modular RF Network Specification. [Электронный ресурс]. – Режим доступа : www.ti.com/simpliciti 4. CC2520 DATASHEET 2.4 GHZ IEEE 802.15.4/ZIGBEE RF TRANSCEIVER. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.ti.com/ Literaturа 1. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). – www.ti.com/ 2. CC2420DBK Demonstration Board Kit. – www.ti.com/ 3. Simple Modular RF Network Specification. – www.ti.com/simpliciti 4. CC2520 DATASHEET 2.4 GHZ IEEE 802.15.4/ZIGBEE RF TRANSCEIVER. – www.ti.com/ RESUME S.A. Polivtsev, H.S. Thsibulnik, V.V. Kobiliakov Way of Adjustment ZigBee of a Radio Network In the article the practical questions of construction of control system are examined by the radio network of range 2,4 ГГц in the standard of ZigBee. RF of microcircuit of type of CC2520 is used with ARM by the microcontrollers of STM32F100RC. The question of adding is decided to the network of new knot without application of computer. It allows to build a network to the unskilled user independently, that improves consumer properties of ZigBee of networks. The addition question in a network of new knot without computer application is dealt with. It allows to build a network to not qualified user independently that improves consumer properties ZigBee of networks. Except working out of an offered way, authors it is executed портирование the software with МК type MSP430 on МК type STM32F100RC possessing essentially the best characteristics both on speed and on a memory size. Natural experiments in ZigBee networks consisting of 5 knots which have completely confirmed working capacity of the offered way реконфигурации radio networks in standard IEEE 802.15.4 have been made. The offered structures and their realisation in MC type STM32F100RC allow to realise easily a network with number of knots to 1000. Статья поступила в редакцию 08.04.2013.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-85147
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1561-5359
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:25:30Z
publishDate 2013
publisher Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
record_format dspace
spelling Поливцев, С.А.
Цыбульник, Е.С.
Кобыляков, В.В.
2015-07-19T19:07:34Z
2015-07-19T19:07:34Z
2013
Способ настройки ZigBee радиосети / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник, В.В. Кобыляков // Искусственный интеллект. — 2013. — № 2. — С. 93–98. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
1561-5359
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85147
004.382
В статье рассматриваются практические вопросы построения системы управления радиосетью диапазона 2,4 ГГц в стандарте ZigBee. Использованы RF микросхемы типа CC2520 с ARM микроконтроллерами STM32F100RC. Решен вопрос добавления в сеть нового узла без применения компьютера. Это позволяет строить сеть неквалифицированному пользователю самостоятельно, что улучшает потребительские свойства ZigBee сетей.
У статті розглядаються практичні питання побудови системи управління радіомережею діапазону 2,4 ГГц у стандарті ZigBee. Використано RF мікросхему типу CC2520 з ARM мікроконтроллером STM32F100RC. Вирішено питання додавання в мережу нового вузла без застосування комп’ютера. Це дозволяє будувати мережу некваліфікованому користувачеві самостійно, що покращує споживчі властивості ZigBee мереж.
In the article the practical questions of construction of control system are examined by the radio network of range 2,4 ГГц in the standard of ZigBee. RF of microcircuit of type of CC2520 is used with ARM by the microcontrollers of STM32F100RC. The question of adding is decided to the network of new knot without application of computer. It allows to build a network to the unskilled user independently, that improves consumer properties of ZigBee of networks.
ru
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
Искусственный интеллект
Интеллектуальные робототехнические системы
Способ настройки ZigBee радиосети
Спосіб налаштування ZigBee радіомережі
Way of adjustment ZigBee of a radio network
Article
published earlier
spellingShingle Способ настройки ZigBee радиосети
Поливцев, С.А.
Цыбульник, Е.С.
Кобыляков, В.В.
Интеллектуальные робототехнические системы
title Способ настройки ZigBee радиосети
title_alt Спосіб налаштування ZigBee радіомережі
Way of adjustment ZigBee of a radio network
title_full Способ настройки ZigBee радиосети
title_fullStr Способ настройки ZigBee радиосети
title_full_unstemmed Способ настройки ZigBee радиосети
title_short Способ настройки ZigBee радиосети
title_sort способ настройки zigbee радиосети
topic Интеллектуальные робототехнические системы
topic_facet Интеллектуальные робототехнические системы
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85147
work_keys_str_mv AT polivcevsa sposobnastroikizigbeeradioseti
AT cybulʹnikes sposobnastroikizigbeeradioseti
AT kobylâkovvv sposobnastroikizigbeeradioseti
AT polivcevsa sposíbnalaštuvannâzigbeeradíomereží
AT cybulʹnikes sposíbnalaštuvannâzigbeeradíomereží
AT kobylâkovvv sposíbnalaštuvannâzigbeeradíomereží
AT polivcevsa wayofadjustmentzigbeeofaradionetwork
AT cybulʹnikes wayofadjustmentzigbeeofaradionetwork
AT kobylâkovvv wayofadjustmentzigbeeofaradionetwork