Модуль 4

«Беспроводные сети связи»

Лабораторная работа № 5

Реализация сети ZigBee «точка - множество точек»

по дисциплине «Сети связи и системы коммутации»

Оглавление

Цель работы 1

Продолжительность 1

Оборудование, приборы, инструментарий 1

Описание лабораторного стенда 3

Методика выполнения 6

Задание на лабораторную работу 7

Требования к отчету 10

Контрольные вопросы 10

Рекомендуемая литература 11

Цель работы

1) создание программ, создающих сеть ZigBee из трех устройств;

2) обеспечение связи между двумя оконечными устройствами сети ZigBee через координатор.

Продолжительность

Лабораторная работа рассчитана на 0,1 зачетных единицы, 4 часа.

Оборудование, приборы, инструментарий

В состав лабораторного стенда входит: лабораторная установка «Сенсорные сети ZigBee», ПК, USB-кабель.

Краткие теоретические сведения

Стандарт ZigBee разрабатывался для создания устойчивых масштабируемых беспроводных сетей, поддерживающих большое количество различных приложений. Можно выделить несколько преимуществ сетей стандарта ZigBee над другими беспроводными сетями связи:

• устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость,

• устройства ZigBee отличаются низким энергопотреблением, а оконечные устройства, переходящие в режим сна, способны работать несколько лет от одной батарейки,

• сети ZigBee обеспечивают самовосстановление и гарантированную доставку пакетов между узлами, кроме того, их легко развертывать и масштабировать,

• спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных.

Такие достоинства, как компактность, дешевизна и энергосбережение, обеспечиваются только при низкой скорости передачи информации (включая служебную), которая достигает 250 кбит/с. В диапазоне 2,4 ГГц выделено 16 каналов ZigBee с шагом 5 МГц, и скорость передачи полезных данных в зависимости от загрузки сети, обычно составляет от 5 до 40 кбит/с. Расстояние между рабочими станциями может составлять десятки метров внутри помещений и сотни метров вне помещений, и в условиях ретрансляции зона покрытия сети ZigBee может достигать нескольких тысяч квадратных метров. При этом такая сеть может легко быть расширена добавлением новых элементов или разбита на несколько сетей путем назначения новых конфигураторов сети.

ZigBee устройства могут быть разделены на три основных типа:

• координаторы,

• маршрутизаторы,

• оконечные устройства.

Координатор – это устройство, которое запускает и контролирует работу сети. К его функциям также относится установление политики безопасности и управление ключами безопасности.

Маршрутизатор при формировании сети может соединяться как с координатором, так и с другими маршрутизаторами, и, соответственно, может иметь дочерние узлы – маршрутизаторы и оконечные устройства. Устройства этого типа осуществляют динамическую маршрутизацию и обслуживают устройства, находящиеся в режиме пониженного энергопотребления.

Оконечное устройство подключаются к координатору или маршрутизатору, но не имеет дочерних устройств. Узлы такого типа могут принимать и отправлять данные и переходить в режим сна для экономии заряда аккумуляторов. Оконечные устройства обычно связаны с датчиками и исполнительными механизмами.

Описание лабораторного стенда

Лабораторная установка включает в себя следующие элементы (см. рис. 1):

• Микроконтроллер с платой программатора – 3 шт.,

• Модуль ZigBee – 3 шт.,

• ЖК-дисплей,

• Блок индикации,

• Блок переключения

• Порт USB для подключения к ПК – 3 шт.,

• Кнопка управления питанием.

Рис. 1 – Схема лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя 3 узла ZigBee. Центральный узел является координатором, а боковые узлы – оконечными узлами или маршрутизаторами.

Описание программы

В данной лабораторной работе будет рассмотрено создание сети ZigBee, содержащей три узла. Узел-координатор будет создавать сеть, а затем проверять присутствие двух оконечных узлов. Как только все три узла появятся в сети, узел-координатор передаст в канал символ «0», что переведет оконечные узлы 2 и 3 в режим обмена данными. Данные с оконечного узла 2 будут передаваться на оконечный узел 3, где они будут отображаться на блоке светодиодов.

В описании работы используются следующие обозначения для узлов ZigBee:

• Узел 1 – координатор (находится в центре лабораторного макета)

• Узел 2 – оконечный узел с блоком переключателей (находится в правой части лабораторного макета)

• Узел 3 – оконечный узел с блоком индикации (находится в левой части лабораторного макета)

Алгоритмы программ для каждого из узлов приведены ниже.

Для узла 1:

• Конфигурирование узла 1 как координатора.

• Ожидание присоединения узлов 2 и 3 к сети.

• Передача команды узлам 2 и 3 для их перевода в режим обмена данными.

Для узла 2:

• Конфигурирование узла 2 как оконечного устройства.

• Присоединение к сети.

• Включение режима обмена данными с узлом 3 при поступлении команды от узла 1.

• Передача символов, соответствующих нажатым клавишам на блоке переключателей, узлу 3.

Для узла 3:

• Конфигурирование узла 3 как оконечного устройства.

• Присоединение к сети.

• Включение режима обмена данными с узлом 2 при поступлении команды от узла 1.

• Отображение полученных от узла 2 символов на блоке индикации.

Программа для узла 1 содержит несколько блоков. В первом блоке инициализируют устройство ZigBee и ЖК-экран. Далее выполняют поиск других устройств. Для поиска подключенных устройств программа узла 1 отправляет в радиоинтерфейс ZigBee символ «1». После этого устройство ожидает ответы от узлов 2 и 3. От узла 2 должен прийти ответ с символом «2», а от узла 3 – с символом «3». Успешный прием ответов от узлов 2 и 3 должен сопровождаться выводом информации об этом событии на экран узла 1. В заключительной части программы узел 1 должен отправить узлам 2 и 3 символ «0», приняв который оконечные узлы начнут передачу информации друг для друга.

Программа для узлов 2 и 3 также содержит несколько блоков. В первом блоке производят инициализацию устройств. Затем узлы ожидают получения символа «1» от координатора. Узел 2, получив данный символ, отправляет на координатор ответ с символом «2». Узел 3, получив данный символ, делает паузу в 5 мс и отправляет на координатор ответ с символом «3». Пауза необходима для того чтобы избежать коллизии при передачи ответов на координатор. В следующей части программы узлы ожидают от координатора получения символа «0». Получив данный символ, узел 2 подключается к узлу 3 с помощью макроса Connect_To_Name. Далее узел 2 в бесконечном цикле ожидает нажатия на любую из клавиш блока переключателей и передает значение нажатой клавиши на узел 3 с помощью макроса Send_Char. Узел 3 принимает все символы от узла 2 с помощью макроса Receive_Char и отображает их на блоке индикации.