Comunicación de 4 módulos XBee utilizando el protocolo ZigBee

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2 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA DIVISIÓN CBI Comunicación de 4 módulos XBee utilizando el protocolo ZigBee Proyecto Terminal de Ingeniería Electrónica Presentado por: Gerardo Vázquez Ramírez Matrícula: ASESORES: Dr. RICARDO MARCELIN JIMÉNEZ Ing. MAURICIO LÓPEZ VILLASEÑOR Septiembre de 2013

3 ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN... 5 CAPÍTULO 1. Diseño e implementación Arquitectura de los nodos C, R y ED Diagrama de bloques de los nodos C y ED Diagrama de bloques del nodo-r Diagrama de bloques de los nodos C y ED conectados a una PC Interacción de los nodos en la red Descripción de los sistemas Sistema Electrónico Comunicación XBee-PIC-PC y criterio de dirección destino Diseño de la tarjeta de la aplicación Manipulación y Configuración de módulos de RF XBee Convertidor USB RS El software X-CTU Configuracion del módulo XBee PRO Configurar XBee con función de COORDINADOR Configurar XBee con función de ROUTER Configurar XBee con función de END DEVICE Tareas del PIC de Control Tarea del PIC de Control en el nodo C Tarea del PIC de Control en el nodo ED Tarea del PIC de Control en el nodo ED CAPÍTULO 2. El estándar ZigBee Características ZigBee Capas del protocolo Empaquetamiento y direccionamiento Seguridad Tipos de dispositivos Topologias en redes ZigBee Comparación de tecnologías Wireless... 41

4 2.1.7 Aplicaciones de acuerdo a la tecnología Tranceptor XBee PRO Generalidades Traeas del tranceptor XBee PRO Modos de funcionamiento Modos de operación Direccionamiento de los módulos Comandos básicos para el funcionamiento del módulo XBee Ejemplo de uso de comando AT CAPÍTULO 3. Pruebas y resultados Pruebas de comunicación Acoplamiento de la aplicación final Resultados de la aplicación final CONCLUSIONES

5 INTRODUCCIÓN El presente reporte tiene por finalidad explicar la construcción de una red de comunicación inalámbrica basada en la tecnología ZigBee. Se trata de una norma basada en el estándar IEEE para comunicaciones inalámbricas de baja velocidad. Esta tecnología encuentra una amplia variedad de aplicaciones tales como: la domótica, para usarlo dentro de dispositivos de automatización hogareña, la inmótica para edificios, control industrial, periféricos de PC, sensores médicos entre otros. La aplicación realizada en este proyecto consiste en transmitir datos a través de la red ZigBee, cuya arquitectura está constituida por un nodo-coordinador (nodo-c), un nodo-router (nodo-r) y dos nodos-dispositivos finales (nodo-ed, definidos como nodo-ed1 y nodo-ed2). La transferencia de datos a través de la red ZigBee la inicia el usuario al proporcionarle los datos al nodo-c (por medio de la computadora personal tipo PC), estos datos de información recibidos por el nodo-c los manda al nodo-ed1 o al nodo-ed2, de acuerdo al estado de un interruptor. Los datos recibidos por el nodo-ed1 o por el nodo-ed2 son procesados y enviados al otro nodo-ed (por ejemplo, si los datos son recibidos por el nodo-ed1, éste los procesa y los transfiere al nodo-ed2). Finalmente el nodo-ed que recibió los datos de información del otro nodo-ed, procesa los datos y los manda al nodo-c, que a su vez los expide a la computadora personal tipo PC para que sean visualizados por el usuario (al ser mostrados en la pantalla de la PC), verificando así que la información realmente ha viajado a través de la red ZigBee. La comunicación entre un módulo de RF XBee con un microcontrolador es muy útil, ya que se pueden realizar diversas tareas prescindiendo de una computadora personal. Tareas que van desde enviar datos, procesar datos, e inclusive se pueden configurar parámetros en el módulo XBee mediante comandos AT, es decir el PIC puede controlar de manera muy satisfactoria la funcionalidad del módulo XBee y explotar al máximo sus recursos. El trabajo consta de tres secciones o capítulos, a través de los cuales se explica el diseño y el desarrollo de nuestra aplicación, así como los fundamentos del protocolo y la arquitectura de la red ZigBee. De igual manera se explican las pruebas que se realizaron para comunicar el PIC con el módulo de RF XBee, y por último los resultados obtenidos con sus respectivas conclusiones. En el capítulo 1, llamado Diseño e implementación, se hace una revisión cuidadosa de los bloques que definen la arquitectura de un nodo, poniendo énfasis en los mecanismos que garantizan la comunicación entre los mismos. En el capítulo 2, llamado El estándar ZigBee, se revisan a profundidad los elementos que comprende una red construida bajo esta norma, por ejemplo, las posibles topologías, velocidades de transmisión, capas de protocolos. Asimismo, se establece una comparación con otras tecnologías inalámbricas, tales como Bluetooth y Wi-Fi. 5

6 En el capítulo 3, llamado Pruebas y resultados, se describen las pruebas preliminares con las que validamos cada una de las operaciones que integran nuestra aplicación. Al mismo tiempo explicamos los pasos elementales que sigue el sistema en su conjunto. Por último la sección de conclusiones comprende las experiencias y conocimientos adquiridos en la realización de este proyecto, además de recomendaciones válidas para los lectores. 6

7 CAPÍTULO 1. Diseño e implementación Este proyecto consiste en la creación de una pequeña red de nodos inalámbricos bajo el protocolo ZigBee 1, que permite la comunicación entre ellos. A esta red le llamaremos una red ZigBee en la que se pueden distinguir tres tipos de nodos, como se ilustra en la figura 1.1: Nodo Coordinador (C). Nodo Router (R). Nodo End Device (ED). El nodo Coordinador es el encomendado de levantar la red y como su nombre lo indica coordina todo el flujo de datos que se transmite por la red. El nodo Router es el encargado de encaminar los datos a su destino cuando el coordinador y el dispositivo End Device se encuentran separados a una distancia mayor a su capacidad de enlace entre ellos. Finalmente el nodo End Device es el encargado de recibir los datos de otro dispositivo de la red o transmitir datos hacia uno de ellos. Para que la red sea operable se requiere al menos de un nodo-c y un nodo-ed. Cuando el nodo-c y el nodo-ed se encuentren separados a una distancia mayor a su capacidad de enlace, mayor a 30 metros en el caso del XBee-PRO 2, se requiere intercalar al menos un nodo-r, como se muestra en la figura 1.1. Figura 1.1 Red ZigBee básica. En este capítulo se describe la arquitectura de le red ZigBee, los niveles de voltaje que alimentan a cada elemento de los nodos, la toma de decisión de la trayectoria de los datos, los criterios de configuración de cada uno de los módulos XBee y el diseño de la tarjeta de aplicación. 1.1 Arquitectura de los nodos C, R y ED Para la realización del proyecto se ha visto la necesidad de presentar un diagrama de bloques del sistema. En esta sección se proporciona la descripción a bloques de los nodos C, R y ED. Es importante aclarar que la arquitectura de los nodos C y ED difieren de la del nodo-r. Esta 1 El protocolo ZigBee se explica en el Capítulo 2. 2 El intervalo de distancia puede variar dependiendo del modelo del XBee. 7

8 diferencia se basa en el hecho de que el nodo-r sólo es utilizado como enlace entre el coordinador y los ED Diagrama de bloques de los nodos C y ED En la arquitectura de los nodos C y ED se identifican los siguientes bloques, vea la figura 1.2: Bloque de control: Consta de un microcontrolador PIC16F877A, llamado PIC de Control, que se encarga de configurar y de supervisar el flujo de información, entre una computadora personal tipo PC y el dispositivo de radiofrecuencia (RF). Adicionalmente cuenta con un conector en donde se puede aplicar una señal que permite al microcontrolador tomar decisiones. Bloque de comunicación serial: Consta de un convertidor USB-Serial, que acopla las señales del puerto USB de una computadora personal tipo la PC, con señales de voltaje del microcontrolador PIC. Este bloque permite la transferencia de datos entre ambos, PIC-PC. Bloque de comunicación por RF: Compuesto por un módulo XBee-PRO que trabaja en la banda libre de 2.4Ghz y opera bajo el protocolo ZigBee. Además, un par de LED S que funcionan como banderas indicadoras del estado del módulo XBee. Bloque de Comunicación serial Bloque de control Bloque de comunicación por RF Figura 1.2 Diagrama a bloques de los nodos coordinador(c) y End Device (ED) Diagrama de bloques del nodo-r La arquitectura del nodos-r se compone exclusivamente del bloque de comunicación de RF. Este bloque de comunicación es exactamente igual al que está presente en los nodos C y ED, vea la figura

9 Bloque de comunicación por RF Figura 1.3 Diagrama a bloques del nodo Router (R) Diagrama de bloques de los nodos C y ED conectados a una PC La computadora personal tipo PC conectada al nodo-c es utilizada por el usuario para transferir al nodo-c los datos a ser transmitidos a través de la red, y para monitorear los datos que son recibidos por el nodo-c, provenientes de otros nodos de la red ZigBee. Mientras que la computadora personal tipo PC conectada a un nodo-ed es utilizada por el usuario para monitorear los datos que son recibidos por el nodo-ed y que provenientes de otros nodos de la red, ver figura1.4. Cabe señalar que el nodo-r no necesita estar conectado a una PC, ya que éste sólo encamina los datos. Bloque de Comunicación serial Bloque de control Bloque de comunicación por RF Figura 1.4 Diagrama a bloques del nodo coordinador(c) y del nodo End Device (ED) conectados con la PC. 1.2 Interacción de los nodos en la red La transferencia de datos o la comunicación entre los diferentes nodos de la red ZigBee requiere establecer, entre otras cosas, la dirección de destino. Esta dirección de destino es establecida en la trama que se manda a través de la red. Las tramas, a su vez, se generan de acuerdo a la manera como se configuran los XBee de la red ZigBee. En general, existen dos modos de configurar a los XBee para llevar a cabo esta comunicación. La configuración en modo API. La configuración en modo transparente. 9

10 Estos dos modos de configuración difieren en la forma en cómo se genera la trama que se manda a través de la red. En la configuración en modo API el dispositivo que controla al módulo XBee se encarga propiamente de generar la estructura de la trama, en la que se deben establecer los parámetros muy particulares de la red, los datos de información a ser transmitidos y la dirección de destino entre otros. Por ejemplo, el usuario puede conformar la estructura de la trama (que permite la comunicación entre nodos) a partir de la dirección de destino, los datos de información a ser transmitidos, los parámetros particulares de la red, etc.; y una vez que el usuario arma la trama la transfiere al módulo XBee utilizando una computadora personal tipo PC. Otro ejemplo, es utilizando un dispositivo microcontrolador conectado al módulo XBee, que debidamente programado, genere la trama de acuerdo al estándar proporcionado por el protocolo ZigBee. Esta forma de operar la red implica que toda la responsabilidad recaiga sobre el usuario o el programador del microcontrolador, de manera que si alguno de los parámetros de la trama es incorrecto, simplemente la comunicación no se lleva a cabo. Es importante aclara que la configuración en modo API no forma parte de la aplicación en este proyecto. La configuración en modo transparente difiere de la del modo API en el sentido de que el dispositivo que controla al módulo XBee no tiene que ocuparse en conformar la trama y solo tiene que proporcionarle al módulo XBee, como primera instancia, la dirección de destino y posteriormente los datos de información a ser trasmitidos; de esta forma el módulo XBee se encarga de armar la trama a partir de la dirección de destino y de los datos de información a ser transmitidos. Es decir, que el módulo XBee tiene la tarea de armar la trama sin la necesidad de que el usuario intervenga en tal tarea. Este último modo es el que se utiliza en la aplicación de este proyecto. Para el direccionamiento en modo transparente la arquitectura de la red ZigBee se encuentra constituida por un coordinador (nodo-c), un ruteador (nodo-r) y dos dispositivos terminales (nodo-ed), como se muestra en la figura 1.5. Como se mencionó en la sección 1.1.3, el coordinador y los dispositivos terminales cuentan con el PIC de Control, el módulo de RF (XBee) y una computadora personal tipo PC, vea la figura 1.4. En esta aplicación el PIC de Control se encarga de establecer la dirección de destino, de recibir los datos a transmitir, provenientes de una computadora personal tipo PC, y de transferir estos datos al módulo XBee, para que este último se encargue de formar la trama y trasmitirla vía radiofrecuencia. 10

11 Figura 1.5 Arquitectura con direccionamiento en modo transparente. Es importante aclarar que el PIC de Control del nodo-c recibe los datos por parte del usuario (mediante una computadora personal tipo PC); mientras que el PIC de Control de los nodos-ed los reciben de su correspondiente módulo XBee, cuyos datos provienen de otro módulo de la red ZigBee vía radiofrecuencia. Al energizar o inicializar el nodo, el microcontrolador PIC de Control configura al XBee con la dirección de destino, mediante el uso de comandos AT, vea el capítulo 2. Una vez establecida la dirección de destino, el XBee sale del modo de comando AT, trabajando exclusivamente en modo transparente. 1.3 Descripción de los sistemas Sistema Electrónico En esta sección se abordan los diferentes voltajes de polarización presente en los nodos de la red ZigBee, enfatizando en las secciones de hardware que se encuentran alimentados con un voltaje de 5V y de 3.3V. Para entender la distribución de las polarizaciones de voltaje en los nodos, primero se debe tomar en cuenta que la comunicación entre el PIC de Control y la computadora personal tipo PC se lleva a cabo a través de un convertidor USB-RS232, como se muestra en la figura 1.6. Este convertidor proporciona una salida de voltaje de 5V, que a su vez es utilizado para polarizar al nodo correspondiente a 3.3V. Esta conversión de 5V a 3.3V la realiza un regulador de voltaje (LF33CV) con salida a 3.3V. 11

12 Convertidor USB-RS V GND GND RXD TXD Figura 1.6 Convertidor USB-RS 232 conectado a una PC. El uso del regulador de voltaje LF33CV (o su equivalente) es necesario para que los módulos XBee puedan funcionar adecuadamente, ya que estos trabajan en un intervalo RXD de voltajes entre 2.8 y 3.4V. En la figura 1.7 se muestra la distribución de los voltajes del nodo, TXDen donde se puede identificar al convertidor USB-RS232 y su terminal de salida a 5V, que se conecta GND al regulador de GND Convertidor USB-RS 232 voltaje, cuya salida de este último energiza al microcontrolador y al módulo XBee. 5 V Convertidor USB-RS V GND GND RXD TXD Figura 1.7 Acondicionamiento de 5V a 3.3V Comunicación XBee-PIC-PC y criterio de dirección destino Otro aspecto importante en este sistema de nodos, en particular para el nodo-c y los nodos-ed, es la comunicación que se lleva a cabo entre los diferentes bloques que lo constituyen: el PIC de Control, el módulo de RF y la computadora personal tipo PC. Se puede distinguir dos tipos de enlace de comunicación entre bloques: 12

13 Comunicación módulo XBee microcontrolador PIC16F877A Comunicación PIC16F877A computadora personal tipo PC (PC PIC16F877A) La comunicación entre el módulo XBee y el PIC (XBee PIC16F877A) se realiza utilizando la comunicación serial basada en el protocolo RS232, implementado con las funciones del hardware del microcontrolador. Las señales se acoplan directamente ya que ambos trabajan a 3.3V. Véase figura 1.8. Mientras que la interacción PC PIC16F877A esta dada a través de un convertidor USB RS232, véase la sección de este capítulo para mayor información de este convertidor. Este convertidor envía señales TTL (5V), las mismas que el PIC recibe e interpreta, esto gracias a que el PIC es compatible con señales de 3.3V y 5V. La comunicación entre la computadora personal tipo PC y el PIC de Control, a través del convertidor USB RS232, se realiza con el protocolo RS232 que está implementado por software en el PIC de Control. La figura 1.8 muestra las líneas de conexiones, donde se lleva a cabo la comunicación, de los diferentes bloques involucrados en un nodo. Convertidor USB-RS V GND GND RXD TXD Figura 1.8 Comunicación entre la computadora personal tipo PC, el PIC de Control y el módulo de RF. Por otra parte, como se mencionó en la sección 1.2, el PIC de Control establece la dirección de destino de los datos a ser transferidos. En esta aplicación se tienen dos posibles destinatarios y el PIC de Control decide a cuál de ellos le envía la información. Esta trayectoria del flujo de 13

14 información obedece a la condición del estado de la terminar 2 del puerto E (RE2), es decir de acuerdo al nivel de voltaje presente en la terminal RE2, como se muestra en la figura V GND Figura 1.9 Sistema de direccionamiento Diseño de la tarjeta de la aplicación La placa que soporta la aplicación además de estar constituida por los bloque mencionados en la sección 1.1.1, que corresponde al bloque de control (microcontrolador PIC de Control), al bloque de comunicación por RF (XBee PRO) y al bloque de comunicación serial (convertido USB- RS232), tiene implementado una etapa de potencia donde se identifica al regulador de voltaje a 3.3V y a las terminales de entrada de polarización a 5V, donde se conecta con la salida de 5V del convertido USB-RS232. Antes de plantear las especificaciones del diseño de la placa es importante recordar que el hardware del nodo-c es igual al de los nodos-ed y que el nodo-r sólo contiene el bloque de comunicación por RF, que es similar al del nodo-c y los nodos-ed. Esto permitió considerar un solo diseño para todos los nodos, con la particularidad que al nodo-r no se le coloca el microcontrolador, pero si contiene la etapa de potencia para obtener los 3.3V necesarios para energizar al dispositivo XBee PRO. El número total de placas diseñadas fueron cuatro: un 14

15 Coordinador, un Router y dos Dispositivos finales. Además, el diseño se realizó utilizando el Altium Designer 6. Par el diseño de la placa se consideró que éste debe estar constituido por: Una etapa de potencia para la polarización de los elementos del nodo. Un zócalo de 40 terminales para conectar al microcontrolador (PIC de Control). Un zócalo de 20 terminales para conectar al módulo XBee. Líneas de comunicación entre el módulo XBee y el PIC de Control. Terminales tipo header para conectar las líneas provenientes del convertido USB-RS232 (Tx, Rx, GND y 5V). Conector que es usado por el PIC de Control para la toma de decisión de la dirección de destino, de acuerdo al nivel lógico presente en esa línea. En la figura 1.10 se muestra el diagrama de conexiones de la tarjeta de aplicación. Se incluyen líneas que pueden ser puenteadas para futuras aplicaciones. Figura 1.10 Conexiones de la tarjeta de aplicación final. 15

16 La tarjeta implementada con todos sus componentes se muestra en la figura 1.11, en la que se distingue el bloque de control, encerrado en el cuadro 1, el bloque de comunicación serial, delimitado por el cuadro 2, y dentro del cuadro 3 el bloque de RF Figura 1.11 Tarjeta de aplicación final. 1.4 Manipulación y Configuración de módulos de RF XBee Para que la red ZigBee sea operable el XBee debe ser configurado previamente a su uso en la aplicación (el Firmware y parámetros). Los XBee son fácilmente configurados con el software proporcionado por la empresa Digi International Inc, llamado X-CTU. Esta configuración entre otras cosas permite al XBee opera como coordinador, ruteador o dispositivo final. 16

17 A lo largo de esta sección se explica con detalle los pasos a seguir en la instalación del software X-CTU y de los manejadores del convertidor USB RS232. Además, se describen las diferentes formas de configurar al módulo XBee (coordinador, ruteador o dispositivo final). La configuración del XBee, como se mencionó, se realiza utilizando el software X-CTU instalado en una computadora personal tipo PC, la transferencia de los parámetros de configuración se especifican en las diferentes opciones que permite el software X-CTU y se transfieren al módulo XBee utilizando una comunicación RS232. Sin embargo, para que esta comunicación se realice se requiere adecuar los niveles de voltaje entre el módulo XBee y la computadora personal tipo PC. Para ello y considerando que en la actualidad la mayoría de las computadoras personales tipo PC sólo cuentan con puertos USB, en la aplicación se eligió el convertidor USB Serial RS232. La figura 1.12 muestra los voltajes de polarización (de 3.3 V y la conexión a tierra) y el mínimo número de terminales necesarias para recibir y transmitir información desde y hacia el módulo XBee PRO, vía comunicación RS232. Las terminales Rx y Tx corresponde a las terminales requeridas por el protocolo RS232 full duplex. La terminal Rx es la asociada a la recepción de información del módulo XBee y la terminal Tx a la de transmisión. Figura 1.12 Conexiones mínimas del módulo XBee. En la figura 1.13 se muestra las conexiones requeridas para el acoplamiento de voltaje entre el módulo XBee y la computadora personal tipo PC. Este acoplamiento se obtiene mediante el divisor de voltaje con resistencias, en la que el convertidor USB Serial RS232 envía señales TTL (5V), que al pasar por el divisor de voltaje se obtienen señales de 3.4V, que son compatibles con el módulo XBee. Adicionalmente debe cuidarse, en este proceso de configuración, de no tener otro elemento circuitial conectado a estas terminales. 17

18 Convertidor USB-RS V GND GND RXD TXD Figura 1.13 Conexión del XBee con la PC Convertidor USB RS232 Hoy en día existen situaciones donde es necesario convertir, o bien, emular un puerto serie RS232 a partir de un puerto USB. Esto se debe a que muchas de las computadoras modernas no incluyen el puerto serie, ya que para aplicaciones informáticas se considera obsoleto. Sin embargo existen muchas aplicaciones en electrónica donde resulta muy conveniente usar el protocolo RS232 para el intercambio de información; y la PC resulta la interface más conveniente. En el mercado hay una variedad de convertidores de USB a RS232 integrados en un cable o bien como adaptador. En la Figura 1.14 se muestra el convertidor USB-RS 232 que se usara en este proyecto. Figura 1.14 Convertidor USB-Serial. Estos adaptadores se encargan de emular un puerto serie mediante el puerto USB. Estos adaptadores vienen con un software que una vez instalado crea un puerto serie virtual a través del puerto USB. De esta manera se puede intercambiar información entre una PC y un dispositivo externo que utilice la norma RS232 mediante el puerto USB. El convertidor USB Serial RS232, permite convertir las señales de voltaje TTL (5V) a señales establecidas por la norma RS232. Este convertidor, cuando es utilizado como interfaz en el proceso de configuración del módulo XBee, 18

19 además de proporcionar el hardware necesario para acoplar las señales de voltaje entre la computadora personal tipo PC y el módulo XBee, también proporciona los voltajes de alimentación al módulo XBee. Por otra parte, cuando el convertidor se utiliza en el circuito de la aplicación, éste además de proporcionar la interfaz (para el coordinador y los dispositivos finales) entre el microcontrolador (PIC de Control) y la computadora personal tipo PC, también proporciona los voltajes de alimentación a la tarjeta. Esto es, la salida de voltaje a 5V del convertido USB RS232 alimenta al regulador de voltaje que proporciona el voltaje de 3.3V al sistema de la aplicación. El convertidor USB Serial RS232 ha sido probado con los sistemas operativos Windows XP y 7, y se puede adquirir en la tienda en línea de MINIROBOT. Para utilizar este convertido USB Serial RS232 primero debe ser instalado el manejador del dispositivo (driver) en la computadora personal tipo PC. Esto se lleva a cabo siguiendo los siguientes pasos: 1.- Habra la carpeta que contiene el driver 3 vea la Figura Figura 1.15 Archivos que contiene la carpeta del driver. 2.- Antes de seguir, es importante que el convertidor (USB a RS-232) se encuentre desconectado de la computadora, dar doble clic al archivo CDM para instalar el driver, vea la Figura Figura 1.16 Ejecutable del driver. 3 El driver es proporcionado por el vendedor MINIROBOT. 19

20 3.- Se visualizará una ventana parecida a la mostrada en la Figura 1.17, la cual se cerrara automáticamente cuando finalice la instalación. Figura 1.17 Ventana que indica que el driver se está instalando. Una vez instalado el driver conecte el convertidor a la PC y este será reconocido de forma automática El software X-CTU El software X-CTU es una aplicación basada en Windows proporcionada por la empresa Digi. Este programa fue diseñado para interactuar con los archivos de Firmware que se encuentran en los productos de Digi RF y proporciona una interfaz gráfica fácil de usar. X-CTU está diseñado para funcionar con todos los equipos basados en Windows que ejecuten Microsoft: Windows 98 SE o superior. X-CTU puede ser descargado desde el sitio web de Digi. La instalación de X-CTU en la computadora personal tipo PC se lleva a cabo siguiendo los siguientes pasos: 1.- Descargue el archivo instalable, ubicado en el siguiente enlace: Una vez descargado el archivo instale el programa haciendo doble click en dicho archivo. 3.- Aparecerá la pantalla de bienvenida, pulse el botón Next, vea la Figura

21 Figura 1.16 Pantalla de bienvenida X-CTU. 4.- Aparecerá la pantalla de acuerdo de licencia, seleccione la opción I Agree y pulse Next, vea la Figura Figura 1.17 Pantalla términos y licencia X-CTU. 5.- Enseguida aparecerá la pantalla de la Figura 1.18 de selección de carpeta de instalación, si desea cambiar la carpeta en la que se instalará el programa dar click en Browser, de lo contrario deje la carpeta por defecto y pulse Next. 21

22 Figura 1.18 Pantalla para seleccionar el destino de la carpeta de instalación X-CTU. 6.- De click al botón Next y justo después aparece una pantalla de actualización, pulse el botón Si. Una vez terminada la actualización, aparece la pantalla La instalación ha sido completada y pulse el botón Close para terminar la instalación del programa Configuracion del módulo XBee PRO La configuración del módulo XBee desde la PC es el paso fundamental para que red ZigBee sea operable. Para cada módulo de RF XBee PRO, vea la Figura 1.19, se configura su modo de operación por medio de un Firmwere (utilizando la herramienta proporcionada por el fabricante, el X-CTU), de adecuado a la aplicación requerida por el usuario (Coordinador, Router ó End Device). También, se establece el tipo de protocolo de la red (ZigBee, DigiMesh o Znet 2.5). Figura 1.19 XBee PRO. 22

23 Con el software X-CTU se puede acceder a todas las características del módulo XBee; por ejemplo: establecer el tipo de módem y las funciones del módem (las cuales no se pueden configurar con comandos AT). Es importante aclarar que la configuración que se realiza con el software X-CTU en esta aplicación corresponde a la configuración básica del módulo XBee, los otros parámetros del funcionamiento del módulo XBee se llevan a cabo en tiempo real, de acuerdo a la aplicación. Implícito a la configuración del módulo XBee se encuentra las conexiones analizadas en las subsecciones anteriores. De manera que el primer paso para iniciar el proceso de configuración del XBee es conectar el XBee (utilizando el convertidor USB a RS-232) a la computadora personal tipo PC y esperar a que el sistema reconozca el hardware. Al ejecutar el programa X-CTU, aparecerá la ventana mostrada en la Figura El usuario, utilizando esta ventana, tiene la posibilidad de verificar el estado del módulo XBee; para ello se selecciona el dispositivo identificado como USB Serial Port (el número de puerto puede variar dependiendo del puerto en donde se conecte), señalado con la flecha 1, seguido de un click en el botón Test / Query, señalado con la flecha 2, y si el módem es leído correctamente aparecerá una ventana con el número de serie del módem, dar click en el botón Aceptar. Una vez que el Test / Query se ejecuto correctamente, es posible iniciar la configuración del módulo XBee, en caso contrario es probables que no haya comunicación entre el XBee y la computadora personal tipo PC, o que el módulo XBee se encuentre dañado. 1 2 Figura 1.20 Ventana que se muestra al abrir el software X-CTU. 23

24 Ahora se procede a leer la configuración actual del XBee; para ello se activa la pestaña Modem Configuration, vea flecha 1 de la figura 1.21, y enseguida se selecciona el botón Read (vea flecha 2). Aparecerá desplegada, en esa misma ventana, la información de la configuración actual del XBee. Es importante aclarar que dos de estos parámetros de configuración sólo pueden ser configurados con el software X-CTU; el primero es el Modem XBEE-PRO, indicado con la flecha 3, que tiene seleccionado el tipo de módem XBP24-ZB, cuyo parámetro significa que se encuentra establecido el tipo de protocolo ZigBee, que corresponde al utilizado en esta aplicación. El segundo es Function Set (vea flecha 4), en este campo se selecciona el tipo de función que tendrá el módulo XBee dentro de la red ZigBee. En el caso particular mostrado en la Figura 1.21, se tiene la función de COORDINADOR en modo API 4. Este parámetro debe ser cambiado de acuerdo al tipo de función con la que se desea que cuente el módulo XBee. En las siguientes subsecciones se desarrollan las configuraciones de cada módulo XBee, para los tres diferentes tipos de nodo, que en la aplicación es la función de Coordinador en modo transparente, Router en modo transparente o Dispositivo Final en modo transparente Figura 1.21 Ventana que muestra la lectura de la configuración actual del XBee. 4 La red de 16-bit y direcciones de 64 bits extendidas se devuelven en un marco de respuesta comando API. Solo ilustra la lectura del módulo, ya que en este proyecto solo se utiliza el modo AT (transparente) 24

25 Finalmente los comandos AT básicos que deben ser configurados y que permiten la transferencia de datos a través de la red ZigBee se muestran en la figura 1.21, especificadas con las flechas del 5 al 10. Estos comandos básicos se describen a continuación: ID: PAN ID (vea flecha 5). Red de Área personal. Todos los dispositivos dentro de la red ZigBee deben tener especificado la misma Área personal. NJ: Tiempo de asociación de nodos (vea flecha 6). Establece el intervalo de tiempo durante el cual un nodo puede asociar nodos hijos. CH: Canal de operación (vea flecha 7). Todos los dispositivos dentro de la red ZigBee deben trabajar en el mismo canal. Si dos módulos se encuentran en redes o canales distintos, no se podrán comunicar, a pesar de que estén direccionados correctamente. SH: Parte alta del número de serie del XBee (vea flecha 8). Parte Alta de la dirección de 64 bits que se utiliza para direccionamiento. SL: Parte baja del número de serie del XBee (vea flecha 9). Parte Baja de la dirección de 64 bits que se utiliza para direccionamiento. NI: Identificador de nodo (vea flecha 10). Se almacena un identificador de cadena (vea sección ). El registro sólo acepta datos ASCII imprimibles. En modo de comando, una cadena no puede empezar con un espacio. Un retorno de carro termina el comando. SM: modo de sleep (vea sección ). Este comando AT solo se utiliza en los nodos End Device. Para establecer las condiciones de los parámetros anteriores se requiere entender las necesidades de la aplicación. Estas consisten en que la red ZigBee debe estar constituida por un nodo-coordinador (nodo-c), un nodo-router (nodo-r) y dos nodos-dispositivos finales (nodo-ed). Los nodos-ed deben tener un enlace de comunicación directa con el nodo-r y este último exclusivamente con el nodo-c, no permitiendo una comunicación directa de los nodos-ed con el nodo-c y todo el flujo de información entre los nodos-ed y el nodo-c debe encaminarse a través del nodo-r. Esto implica que el nodo-c debe aceptar como nodo hijo únicamente al nodo-r y este último aceptar como hijos a los dos nodos-ed. De esta forma se asegura que en la aplicación la información entre el nodo-c y los nodos-ed la encamine el nodo-r. Además, considerando que la aplicación se llevo a cabo en un ambiente relativamente reducido (en un laboratorio), todos los nodos de la red ZigBee tiene la capacidad de enlazarse, por lo que se vio la necesidad de establecer un intervalo de tiempo de aceptación de hijos por parte del nodo-c y que las fuentes de alimentación de los nodo se aplicaran de manera escalonada. 25

26 Configurar XBee con función de COORDINADOR Dentro de la red ZigBee debe existir un Coordinador que se encargue de levantar la red, implicando que éste debe estar presente antes que cualquier otro nodo de la red ZigBee. Los pasos necesarios para que un nodo funcione como dispositivo Coordinador son, vea la figura 1.22: 1.- En el parámetro del campo Function Set (vea flecha 1) se selecciona la opción: ZIGBEE COORDINATOR AT. Esto permite configurar al módulo XBee como Coordinador en modo transparente. 2.- El parámetro asociado al comando AT PAN ID (vea flecha 2) escoge el área de trabajo, en este caso particular se selecciona de manera arbitraria el 333. Éste corresponde a seleccionar la red del área establecida por el parámetro El parámetro asociado al comando AT NJ (vea flecha 3) escoge el tiempo de asociación de hijos, en este caso particular se selecciona el número hexadecimal 40 (64d). Esto permite al nodo-c aceptar nodos hijos que soliciten asociarse a la red durante un intervalo de tiempo de 64 segundos, a partir de la aplicación de la alimentación. La selección de este tiempo finito de asociación al Coordinador se estableció con el fin de verificar el funcionamiento del nodo-r. Esto implica que al nodo-r debe aplicársele la alimentación en ese intervalo de tiempo. Así, el nodo-c tendrá como único hijo aceptado al nodo-r y el flujo de información la encamina este último. 4.- El parámetro asociado al comando AT NI (vea flecha 4) asigna el identificador del nodo, en este caso particular se selecciona la cadena COORDINADOR. 5.- Para que los cambios realizados se apliquen al módulo XBee, seleccione el botón Write (vea flecha 5). 26

27 Figura 1.22 Configuración de nodo COORDINADOR Configurar XBee con función de ROUTER Dentro de la red ZigBee el Router tiene como función el de encaminar los datos de información entre el nodo-c y los nodos-ed, además de manera muy general el de cubrir grandes distancias cuando el nodo-c y los nodos-ed no tienen vista uno del otro. Como se indicó, la aplicación se realizó en un laboratorio, por lo que el Router se implemento en la red con el fin de observar el funcionamiento de la red ZigBee con todos sus nodos y sus funciones correspondientes. 27

28 Figura 1.23 Configuración de nodo ROUTER. 1.23: Los pasos necesarios para que un nodo funcione como dispositivo Router son, vea la figura 1.- En el parámetro del campo Function Set (vea flecha 1) se selecciona ZIGBEE ROUTER AT. Esto permite configurar al módulo XBee como Router en modo transparente. 2.- El parámetro asociado al comando AT PAN ID (vea flecha 2) escoge el área de trabajo, como antes se selecciona el 333, de manera que coincida con el establecido en el Coordinador. 3.- El parámetro asociado al comando AT NJ (vea flecha 3) escoge el área de trabajo, ahora se selecciona el número hexadecimal FF. Esto permite al nodo-r aceptar nodos hijos, que soliciten asociarse a la red, en cualquier momento de la aplicación. Recuerde que el nodo-r es hijo único del nodo-c. 28

29 4.- El parámetro asociado al comando AT NI (vea flecha 4) asigna el identificador del nodo, en este caso particular se selecciona la cadena ROUTER. 5.- Para que los cambios realizados se apliquen al módulo XBee, seleccione el botón Write (vea flecha 5) Configurar XBee con función de END DEVICE Dentro de la aplicación de la red ZigBee de este proyecto, los Dispositivos finales se encargan de procesar los datos de información que reciben del nodo-c y los reenvían de vuelta al nodo-c, una vez procesados. Los pasos necesarios para que un nodo funcione como dispositivo End Device son, vea las figuras 1.24 y 1.25: 1.- En el parámetro del campo Function Set (vea flecha 1), se selecciona ZIGBEE END DEVICE AT. Esto permite configurar al módulo XBee como End Device en modo transparente. 2.- El parámetro asociado al comando AT PAN ID (vea flecha 2) escoge el área de trabajo, como antes se selecciona el 333, de manera que coincida con el establecido en el Coordinador y el Router. 3.- El parámetro asociado al comando AT NI (vea flecha 3) asigna el identificador de cada nodo, en este caso particular se selecciona la cadena ED1 para uno de los End Device y ED2 para el otro. 4.- El parámetro asociado al comando AT SM (vea flecha 4) al establecerse a 1, se habilita el PIN SLEEP <terminal 9 del XBee>. 5.- Para que los cambios realizados se apliquen al módulo XBee, seleccione el botón Write (vea flecha 5). 29

30 1 2 3 *ED2 Figura Configuración de nodos END DEVICE. 1.5 Tareas del PIC de Control El PIC de Control es el cerebro del nodo, ya que es el encargado de configurar y supervisar el flujo de información entre una computadora personal tipo PC y el dispositivo de radiofrecuencia. Recuerde que la tarjeta del nodo-c y de los nodos-ed cuentan con un PIC de Control cada uno. Una de las tareas del PIC de Control, para el nodo-c y los nodos-ed, es configurar al módulo XBee con la dirección de destino de los datos de información que se transmitirán vía radiofrecuencia. El PIC de Control establece esta dirección de acuerdo al estado de la terminal 2 del puerto E, vea la figura 1.9, llamado el selector de dirección, SelDir. En esta aplicación el estado del nivel lógico de la terminal 2 del puerto E se conmuta de manera manual. 30

31 5 4 Figura 1.25 Continuación de configuración de nodos END DEVICE. Las otras tares que debe realizar el PIC de Control dependen de la actividad del nodo en particular. Por ejemplo, el nodo-c tiene otras tareas que son diferentes a las de los nodos-ed, inclusive cada nodo-ed (nodo-ed1 o nodo-ed2) tiene sus propias tareas. Estas diferencias de tareas de los PIC de Control se describen en las siguientes secciones. Antes de establecer las tares del PIC de Control de cada uno de los nodos (nodo-c y nodos- ED) es necesario establecer un panorama de la aplicación, con la finalidad de entender las diferentes particularidades de estas tareas. La red ZigBee está constituida por cuatro nodos: un nodo-c, un nodo-r y dos nodos-ed. En la red ZigBee cada uno de los nodos-ed y el nodo-c, tiene una conexión con una computadora personal tipo PC. El nodo-c recibe datos de información del usuario (por medio de la computadora personal tipo PC), estos datos de información los transfiere al nodo-ed1 o al nodo-ed2, dependiendo de la bandera de selección de destino seleccionada. Uno de estos casos es cuando el nodo-c dirige los datos de información al nodo-ed1 (pasando por el nodo-r), que los procesa y los reenvía al nodo-ed2 (pasando por el nodo-r). El nodo-ed2 los procesa y los manda al nodo-c (pasando por el nodo-r) para que este último los 31

32 muestre en la pantalla de la computadora personal tipo PC. Es decir, el nodo-c inicia la transferencia de información que llega al nodo-ed1, éste los manda al nodo-ed2 y por último éste lo envía al nodo-c, de manera que el usuario puede verificar que la información realmente viajo a través de la red ZigBee. El otro caso es cuando el nodo-c expide los datos de información al nodo-ed2 (pasando por el nodo-r), que los procesa y los reenvía al nodo-ed1 (pasando por el nodo-r). A su vez el nodo-ed1 los procesa y los manda al nodo-c (pasando por el nodo-r) para que este último los muestre en la pantalla de la computadora personal tipo PC. De acuerdo al panorama de la aplicación, antes mencionada, la tarea del PIC de Control para cada uno de los nodos se describe a continuación Tarea del PIC de Control en el nodo C 1. Seleccionar la dirección de destino, al testear el estado del bit selector de dirección (SelDir), con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel bajo, SelDir = 0V, el nodo-c establece como dirección destino al nodo-ed1. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-ed1). Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel alto SelDir = 5V, el nodo-c establece como dirección destino al nodo-ed2. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-ed2). 2. Esperar a recibir un dato de información por sus terminales de comunicación serial, y al recibirlo reenviarlo, con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el dato de información proviene de la computadora personal tipo PC, este dato lo dirige a su módulo XBee para que este último lo transmita al correspondiente nodo-ed, cuya dirección fue establecida en el paso anterior (dirección destino del nodo-ed1 o ED2). Cuando el dato de información vine del módulo XBee (información proveniente de otro nodo de la red ZigBee), el dato lo manda hacia la computadora personal tipo PC. Este dato de información corresponde al dato que ha viajado a través de la red ZigBee. 32

33 1.5.2 Tarea del PIC de Control en el nodo ED1 1. Seleccionar la dirección de destino al testear el estado del bit selector de dirección (SelDir), de la misma forma como lo hace el PIC de Control perteneciente al nodo Coordinador, con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel bajo, SelDir = 0V, el nodo-ed1 establece como dirección destino al nodo-ed2. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-ed2). Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel alto SelDir = 5V, el nodo-ed1 establece como dirección destino al nodo-c. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-c). 2. Esperar a recibir un dato de información por su terminal de comunicación serial, dato que proviene de otro nodo (Coordinador o Dispositivo Final 2, ED2) de la red ZigBee. 3. Procesar el dato de información una vez recibido. Este procesamiento corresponde a sumarle un valor unitario al dato recibido, y lo representa como una cantidad hexadecimal siempre y cuando el resultado de la suma se encuentra dentro del intervalo de 10 decimal (representación hexadecimal A ) al 15 decimal (representación hexadecimal F ). En caso contrario lo representa como un valor ASCII. 4. Enviar a la computadora personal tipo PC el dato de información recibido, para que sea visualizada por el usuario. 5. Enviar a la computadora personal tipo PC el dato procesado, para que sea visualizada por el usuario. 6. Enviar el dato procesado (resultado de la suma), con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel bajo, SelDir = 0V, el nodo-ed1 manda el dato procesado al nodo-ed2. Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel alto, SelDir = 5V, el nodo-ed1 manda el dato procesado al nodo-c. Estas tareas las lleva a cabo de manera cíclica, iniciando con la espera de recibir un dato de información por su terminal de comunicación serial. 33

34 1.5.3 Tarea del PIC de Control en el nodo ED2 1. Seleccionar la dirección de destino al testear el estado del bit selector de dirección (SelDir), de la misma forma como lo hace el PIC de Control perteneciente al nodo Coordinador, con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel bajo, SelDir = 0V, el nodo-ed2 establece como dirección destino al nodo-c. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-c). Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel alto SelDir = 5V, el nodo-ed2 establece como dirección destino al nodo-ed1. Para ello el PIC de Control debe poner al XBee en modo de comando y escribirle la dirección del nodo destino (dirección del nodo-ed1). 2. Esperar a recibir un dato de información por su terminal de comunicación serial, dato que proviene de otro nodo (Coordinador o Dispositivo Final 1, ED1) de la red ZigBee. 3. Procesar el dato de información una vez recibido. Este procesamiento corresponde a sumarle un valor cuatro al dato recibido, y lo representa como una cantidad hexadecimal siempre y cuando el resultado de la suma se encuentra dentro del intervalo de 10 decimal (representación hexadecimal A ) al 15 decimal (representación hexadecimal F ). En caso contrario lo representa como un valor ASCII. 4. Enviar a la computadora personal tipo PC el dato de información recibido, para que sea visualizada por el usuario. 5. Enviar a la computadora personal tipo PC el dato procesado, para que sea visualizada por el usuario. 6. Enviar el dato procesado (resultado de la suma), con las siguientes posibilidades de acción: Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel bajo, SelDir = 0V, el nodo-ed2 manda el dato procesado al nodo-c. Cuando el selector de dirección (SelDir) está en un nivel alto, SelDir = 5V, el nodo-ed2 manda el dato procesado al nodo-ed2. Estas tareas las lleva a cabo de manera cíclica, iniciando con la espera de recibir un dato de información por su terminal de comunicación serial. 34

35 CAPÍTULO 2. El estándar ZigBee ZigBee es un estándar desarrollado por una alianza de empresas, sin ánimo de lucro, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo costo. Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Honeywell, Philips y Motorola que trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica, automatización de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de PC, juguetería, sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth Características ZigBee Algunas de las características de ZigBee son: Opera en las bandas libres ISM (Industrial, Scientific & Medical) de 2.4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos). Tiene una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un intervalo de cobertura de 10 a 75 metros. A pesar de coexistir en la misma frecuencia con otro tipo de redes como WiFi o Bluetooth su desempeño no se ve afectado, esto debido a su baja tasa de transmisión y, a características propias del estándar IEEE Capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre más nodos existan dentro de una red, entonces, mayor número de rutas alternas existirán para garantizar que un paquete llegue a su destino. Cada red ZigBee tiene un identificador de red único, lo que permita que coexistan varias redes en un mismo canal de comunicación sin ningún problema. Teóricamente pueden existir hasta redes diferentes en un mismo canal y cada red puede estar constituida hasta por nodos, obviamente estos límites se ven truncados por algunas restricciones físicas (memoria disponible, ancho de banda, etc.). Incluye un protocolo de comunicación multi-salto, es decir, que se puede establecer comunicación entre dos nodos aun cuando estos se encuentren fuera del intervalo de transmisión, siempre y cuando existan otros nodos intermedios que los interconecten, de esta manera, se incrementa el área de cobertura de la red. Su topología de malla (MESH) permite a la red auto recuperarse de problemas en la comunicación aumentando su confiabilidad. 35

36 2.1.1 Capas del protocolo ZigBee incluye una pila de protocolos que, de manera similar al modelo OSI, está constituido por diferentes capas, las cuales son independientes una de la otra. En la Figura 2.1 se muestran las diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee. Figura 2.5 Diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee. La capa de más bajo nivel es la capa física PHY, que en conjunto con la capa de acceso al medio MAC, brindan los servicios de transmisión de datos por el aire, punto a punto. Estas dos capas están descritas en el estándar IEEE El estándar trabaja sobre las bandas ISM de uso no regulado, donde se definen hasta 16 canales en el intervalo de 2.4 GHz, cada una de ellas con un ancho de banda de 5 MHz. Se utilizan radios con un espectro de dispersión de secuencia directa, lográndose tasas de transmisión en el aire de hasta 250 Kbps en intervalos que oscilan entre los 10 y 75 m, los cuales dependen bastante del entorno. La capa de red NWK, tiene como objetivo principal permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer una interfaz adecuada para su uso por parte de la capa de aplicación. En esta capa se brindan los métodos necesarios para: iniciar la red, unirse a la red, encaminar paquetes dirigidos a otros nodos en la red, proporcionar los medios para garantizar la entrega del paquete al destinatario final, filtrar paquetes recibidos, cifrarlos y autentificarlos. Se debe tener en cuenta que el algoritmo de encaminamiento que se usa es el de encaminamiento de malla, el cual se basa en el protocolo Ad Hoc On- Demand Vector Routing AODV 5. Esta capa cumple con la función de unir o separar dispositivos a través del controlador de red, implementa seguridad, y encamina tramas a sus respectivos destinos. Además, la capa de red del controlador de red es 5 Es un protocolo de enrutamiento reactivo para redes MANET, significa que AODV no hace nada hasta que un nodo necesita transmitir un paquete a otro nodo. 36

37 responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma. Es en esta capa donde se implementan las distintas topologías de red que ZigBee soporta (árbol, estrella y malla 6 ). La siguiente capa es la de Soporte a la Aplicación, que es la responsable de mantener el rol que el nodo juega en la red, filtrar paquetes a nivel de aplicación, mantener la relación de grupos y dispositivos con los que la aplicación interactúa y simplificar el envío de datos a los diferentes nodos de la red. La capa de Red y de soporte a la aplicación son definidas por la ZigBee Alliance. En el nivel conceptual más alto se encuentra la capa de Aplicación que no es otra cosa que la aplicación misma y de la que se encargan los fabricantes. Es en esta capa donde se encuentran los ZDO (ZigBee Device Objects) que se encargan de definir el papel del dispositivo en la red. Cada capa se comunica con sus capas adyacentes a través de una interfaz de datos y otra de control, las capas superiores solicitan servicios a las capas inferiores, y éstas reportan sus resultados a las superiores. Además de las capas mencionadas, a la arquitectura se integran otro par de módulos: módulo de seguridad, que es quien provee los servicios para cifrar y autentificar los paquetes, y el módulo de administración del dispositivo ZigBee, que es quien se encarga de administrar los recursos de red del dispositivo local, además de proporcionar a la aplicación funciones de administración remota de red Empaquetamiento y direccionamiento En ZigBee, el empaquetamiento se realiza en cuatro tipos diferentes de paquetes básicos, los cuales son: datos, ACK, MAC y BALIZA. En la Figura2.2 se muestra los campos de los cuatro tipos de paquetes básicos. El paquete de datos tiene una carga de datos de hasta 104 bytes. La trama está numerada para asegurar que todos los paquetes llegan a su destino. Un campo nos asegura que el paquete se ha recibido sin errores. Esta estructura aumenta la fiabilidad en condiciones complicadas de transmisión. La estructura de los paquetes ACK, llamada también paquete de reconocimiento, es donde se realiza una realimentación desde el receptor al emisor, de esta manera se confirma que el paquete se ha recibido sin errores. Se puede incluir un tiempo de silencio entre tramas, para enviar un pequeño paquete después de la transmisión de cada paquete. El paquete MAC, se utiliza para el control remoto y la configuración de dispositivos/nodos. Una red centralizada utiliza este tipo de paquetes para configurar la red a distancia. 6 Es una red en malla (Mesh Network) implementada sobre una red inalámbrica LAN. 37

38 El paquete FARO se encarga de despertar (consumo de energía) los dispositivos que escuchan y luego vuelven a dormirse (sleep) si no reciben nada más. Estos paquetes son importantes para mantener todos los dispositivos y los nodos sincronizados, sin tener que gastar una gran cantidad de batería estando todo el tiempo encendidos. Por otra parte, el direccionamiento es, a su vez, parte del nivel de aplicación. Figura 2.6 Campos de los cuatro tipos de paquetes básicos de ZigBee. Un nodo ZigBee está formado por un transceptor de radio compatible con el estándar dónde se implementan dos mecanismos de acceso al canal y una o más descripciones de dispositivo (colecciones de atributos que pueden consultarse o asignarse, o se pueden monitorizar por medio de eventos). El transceptor es la base del direccionamiento, mientras que los dispositivos dentro de un nodo se identifican por medio de un número de dispositivo terminal entre 1 y 240. Los dispositivos se direccionan empleando 64 bits y un direccionamiento corto opcional de 16 bits. El campo de dirección incluido en MAC puede contener información de direccionamiento de origen y destino (necesarios para operar punto a punto). Este doble direccionamiento es usado para prevenir un fallo dentro de la red. Los dos mecanismos de acceso al canal que se implementan en ZigBee corresponden para redes con balizas y sin balizas. Para una red sin balizas, un estándar ALOHA CSMA-CA envía reconocimientos positivos para paquetes recibidos correctamente. En esta red, cada dispositivo es autónomo, pudiendo iniciar una conversación, en la cual los otros pueden interferir. A veces, puede ocurrir que el dispositivo destino puede no oír la petición, o que el canal esté ocupado. Este sistema se usa típicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales sus dispositivos (sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales), duermen (sleep) prácticamente todo el tiempo (el 99,999%). Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se "despiertan" (consumo de energía) de forma regular para anunciar que siguen en la red. Cuando se produce un 38

39 evento, el sensor "despierta" (consumo de energía) instantáneamente y transmite la alarma correspondiente. Es en ese momento cuando el coordinador de red, recibe el mensaje enviado por el sensor, y activa la alarma correspondiente. En este caso, el coordinador de red se alimenta de la red principal durante todo el tiempo. En cambio, en una red con balizas, se usa una estructura de súper trama para controlar el acceso al canal. Esta súper trama es estudiada por el coordinador de red para transmitir tramas BALIZA cada ciertos intervalos (múltiples cada de ms hasta cada 52 s). Esta estructura garantiza el ancho de banda dedicado y bajo consumo de corriente. Este modo es más recomendable cuando el coordinador de red trabaja con una batería. Los dispositivos que conforman la red, escuchan a dicho coordinador durante el "balizamiento" (envío de mensajes a todos los dispositivos broadcast, entre 0,015 y 252 segundos). Un dispositivo que quiera intervenir, lo primero que tendrá que hacer es registrarse con el coordinador, y es entonces cuando mira si hay mensajes para él. En el caso de que no haya mensajes, este dispositivo vuelve a "dormir", y se despierta de acuerdo a un horario que ha establecido previamente el coordinador. En cuanto el coordinador termina el "balizamiento", vuelve a "dormirse"(sleep) Seguridad Otro aspecto muy importante es la seguridad de las transmisiones y de los datos, los cuales son puntos clave en la tecnología ZigBee que utiliza el modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE , la cual especifica 4 servicios de seguridad: Véase Figura 2.3. Control de accesos, el dispositivo mantiene una lista de dispositivos verificados en la red. Datos encriptados, las cuales utilizan una encriptación con un código de 128 bits. Cifrado de tramas, para proteger los datos de ser modificados por otros. Secuencias de refresco, para comprobar que las tramas no han sido reemplazadas por otras. El controlador de red comprueba estas tramas de refresco y su valor, para ver si son las esperadas. Figura 2.7 Seguridad en MAC. 39

40 2.1.4 Tipos de dispositivos Una red ZigBee la forman básicamente 3 tipos de elementos. Un único dispositivo Coordinador, dispositivos de Encaminamiento y Dispositivos Finales (Dispositivos Finales). El Coordinador Es el único nodo que tiene la función de formar la red. Es el responsable de establecer el canal de comunicaciones y del PAN ID (identificador de red) para toda la red. Una vez que el Coordinador alza la red, permite que se le unan dispositivos de Encaminamiento y Dispositivos Finales. Luego puede realizar funciones de reexpedición de paquetes, esto es, participar en el encaminamiento de paquetes, y ser origen y/o destinatario de información. Los Dispositivos de Encaminamiento Es un nodo que crea y mantiene información sobre la red, además determina la mejor ruta para transmitir un paquete de información. Lógicamente un Router debe unirse a una red ZigBee antes de poder actuar como Router retransmitiendo paquetes de otros nodos de Encaminamiento o de End Device. Los Dispositivos Terminales Los dispositivos finales no tienen capacidad de encaminar paquetes. Deben interactuar siempre a través de su nodo padre, ya sea éste un Coordinador o un Encaminador, es decir, no puede enviar información directamente a otro End Device. Normalmente estos equipos van alimentados con baterías. El consumo es menor al no tener que realizar funciones de encaminamiento Topologias en redes ZigBee La capa de red NWK, une o separa dispositivos a través del coordinador de red, implementa seguridad, y encamina tramas a sus respectivos destinos. Además, la capa de red del coordinador central o maestro es responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma. En ZigBee existen tres tipos de topologías: estrella, árbol, y en red malla (Mesh Network), las cuales pueden observarse en la Figura 2.4. Siempre hay un nodo de red que asume el papel de coordinador encargado de centralizar la adquisición y las rutas de comunicación entre dispositivos. Además, si se aplica el concepto de red de malla, pueden existir coordinadores o Encaminadores, alimentados permanentemente en espera de recibir/repetir las tramas de los dispositivos o sensores. 40

41 Figura 2.8 Diferentes topologías de red disponibles en ZigBee. Sin lugar a dudas, una de las mayores aportaciones del ZigBee y el que mayor interés está despertando a las empresas desarrolladoras de productos, es el concepto de red Nodal o de malla Network por el que cualquier dispositivo ZigBee puede conectarse con otro dispositivo usando a varios de sus compañeros como repetidores. A este se le conoce como enrutado multi-salto, primero hace llegar la información al nodo ZigBee vecino, para así llegar al nodo destino, pasando por todos los que sean necesarios. De esta manera cualquier nodo ZigBee puede hacer llegar los datos a cualquier parte de la red inalámbrica siempre y cuando todos los dispositivos tengan un vecino dentro de su intervalo de cobertura Comparación de tecnologías Wireless Existen en el mercado varias tecnologías inalámbricas; a continuación se realiza una comparación de ZigBee con dos tecnologías de red muy populares hoy en día, Bluetooth y Wi-Fi. Hay muchas alternativas inalámbricas asequibles a los diseñadores; comparando ZigBee con algunos de los estándares más populares que comparten la banda de 2.4 GHz sin licencia. Los parámetros mostrados en la siguiente Tabla 2.1 incluyen el estándar que debe seguirse a nivel de la capa dos (es decir el formato de la trama), la máxima velocidad de transmisión, el consumo de corriente típica en transmisión y en StandBy, los requisitos de memoria de programa para un dispositivo típico, aplicaciones y opciones de conexión de la red entre otras características. Ancho de Consumo de Estándar Ventajas Aplicaciones Banda potencia Wi-Fi Hasta 400 ma Gran ancho de Navegar por Internet, 41

42 Bluetooth ZigBee 54Mbps 1 Mbps 250 Kbps transmitiendo, 20 ma en reposo 40 ma transmitiendo, 0.2 ma en reposo 30 ma transmitiendo, ma en reposo banda Interoperatividad, sustituto del cable Batería de larga duración, bajo coste Redes de ordenadores, transferencia de ficheros. Wireless USB, móviles, informática casera. Control remoto, productos dependientes de la batería, sensores juguetería. Tabla 2.1 Comparación de las tecnologías Wireless. Wi'Fi o WLAH es una red que requiere la actividad casi ininterrumpida de los dispositivos en la red. La ventaja de este estándar es la gran cantidad de datos que se pueden transferir de un punto a multi-puntos, pero se puede ver que la corriente en transmisión es alta. Bluetooth es un popular sistema de comunicación inalámbrico basado en el estándar IEEE , Bluetooth trabaja a una velocidad de transmisión de datos de 1 Mbps. Se puede ver que Bluetooth y ZigBee tienen similares corrientes en transmisión, pero ZigBee tiene un recurso significativamente mejor, más baja corriente en "StandBy. Esto es debido a que los dispositivos en redes Bluetooth deben dar información a la red frecuentemente para mantener la sincronización, así que no pueden estar fácilmente en modo sleep" (modo de bajo consumo). Se observa que de los tres estándares de radiofrecuencia, solamente ZigBee brinda la flexibilidad de la conexión de redes en malla; además de reducidos requisitos de memoria de programa. Las aplicaciones ZigBee son típicamente muy simples. La potencia está en la conexión de redes y el hecho de que los Dispositivos Terminales de ZigBee pueden dormir mientras que se mantienen asociados a la red. Uno de los puntos clave de la Tabla 2.1 es mostrar que los estándares inalámbricos están basados en lo que se llaman "modelos de uso" o aplicaciones". Ningún estándar cubre todos los requerimientos de todos los "modelos de uso. Los diseñadores deben escoger el estándar que cubre mejor sus requisitos de aplicación. Examinando la comparativa de los dos estándares más cercanos ZigBee y Bluetooth, ambos tienen radios similares, pero no lo son en cuanto al consumo de energía. La diferencia entre los dos estándares está en su campo de aplicación. Bluetooth apunta a las aplicaciones de una transferencia media de datos y servicio ininterrumpido, como transferencia de ficheros y transmisión de sonido en telecomunicaciones. Por otro lado ZigBee, apunta a las aplicaciones de baja transferencia de datos y ciclos de servicio bajos. 42

43 2.1.7 Aplicaciones de acuerdo a la tecnología El mercado para las redes ZigBee comprende una amplia variedad de aplicaciones. En la actualidad la gran mayoría de las compañías que forman parte de la ZigBee Alliance se encuentran desarrollando productos que van desde electrodomésticos hasta teléfonos celulares, impulsando el área que más les interesa. En la Figura 2.5 se presentan los grupos más dominantes de aplicaciones que están en la mira de ZigBee. Figura 2.9 Grupos de aplicaciones que están en la mira de ZigBee. Hay que tener en cuenta que ZigBee está diseñado para aplicaciones que transmiten unos cuantos bytes esporádicamente, que es el caso de una aplicación para automatizar el hogar (domótica). Al usar esta tecnología no habría la necesidad de cablear los interruptores, los cuales podrían ser cambiados de un lugar a otro con plena libertad, pudiendo por ejemplo, prender o apagar las luces de la casa a través de Internet o utilizando el teléfono celular en cualquier momento. Una de las áreas de aplicación que ha tomado fuerza, es la de los sistemas de medición avanzada, medidores de agua, luz y gas que forman parte de una red con otros dispositivos como displays ubicados dentro de las casas, que pueden monitorear el consumo de energía y no sólo eso, sino que también pueden interactuar con electrodomésticos o cualquier otro sistema eléctrico como bombas de agua o calefacción, con la finalidad de aprovechar mejor la energía. ZigBee goza de un importante respaldo para la gestión energética y para las soluciones de consumo eficiente por parte de la industria de los servicios públicos; y por parte de los patrocinadores de las redes energéticas inteligentes en varios países. Otra área de aplicación prometedora es el rastreo de bienes, también está en la lista la identificación vehicular, nodos ubicados en vehículos que permiten identificar al vehículo a 43

44 distancia y descargar información que ha recopilado por un periodo de tiempo determinado, monitorización médica de pacientes y cuidado personal, control de máquinas, herramientas y redes de sensores para el control industrial de plantas de proceso. Este tipo de escenarios se encuentran al alcance de la tecnología actual. Las anteriores son sólo algunas de las múltiples aplicaciones que se le pueden dar a las redes en cuestión. En la Figura 2.6 se observan algunas de las aplicaciones soportadas por ZigBee que son bastante interesantes. Figura 2.10 Diversos grupos de aplicaciones para ZigBee. La ZigBee(R) Alliance y la Wi-Fi Alliance(R) han anunciado un acuerdo para colaborar en las redes de área de hogar inalámbricas (HAN) para aplicaciones Smart Grid. 7 El objetivo inicial de la colaboración será ZigBee Smart Energy 2.0, un protocolo de gestión de energía de próxima generación para los hogares compatibles con Smart Grid basados en el actual y exitoso ZigBee Smart Energy Profile. ZigBee Smart Energy 2.0 se espera que funcione con tecnología Wi-Fi como resultado de la colaboración. Las dos organizaciones identificarán las oportunidades para el uso de ZigBee Smart Energy 2.0, capitalizando la fortaleza única de sus tecnologías respectivas. Esto ampliará la utilización de HAN dentro de la gestión del consumo energético o instrumentos de producción, una parte vital de los esfuerzos ya en marcha dentro de la Smart Grid. ZigBee Smart Energy 2.0 fue seleccionada el año anterior por el U.S. Department of Energy y por el National Institute of Standards and Technology (NIST) como estándar inicial interoperable para instrumentos HAN. 7 Red Inteligente 44

45 La unión de la tecnología de comunicaciones Wi-Fi con ZigBee Smart Energy 2.0 consigue que los servicios públicos, vendedores y consumidores energéticos dispongan de una mayor elección y versatilidad en las soluciones de gestión de energía. El acuerdo entre las dos organizaciones ayudará a desplegar una integración más cercana de las dos tecnologías de comunicaciones dentro de un entorno de hogar inteligente. Este entorno incluirá instrumentos que abarcan desde los medidores de servicios públicos, termostatos y aplicaciones para los instrumentos de entretenimiento del hogar, sistemas informáticos y de automoción. ZigBee Smart Energy se desarrolló inicialmente para funcionar en una red inalámbrica estándar ZigBee con el fin de prestar apoyo a las necesidades de medición inteligente e infraestructura de medición avanzada (AMI). ZigBee Smart Energy 2.0 se ha diseñado para prestar apoyo a otras tecnologías de redes dentro del hogar digital, incluyendo HomePlug 8 y ahora Wi-Fi. El estándar de baja potencia ZigBee se ha optimizado para las necesidades de las redes de sensores inalámbricos, ofreciendo una auto-organización robusta, red de integración de autocuración, escalabilidad para redes muy grandes, de coste y complejidad muy bajos y una vida de batería superlativa. 2.2 Tranceptor XBee PRO Desde sus inicios el hombre ha tenido la necesidad de comunicarse. Con el paso del tiempo dicha necesidad se fue incrementando de manera considerable, a tal grado que la comunicación a distancia pasó a formar parte de las necesidades fundamentales de los pueblos; sin embargo, junto a la comunicación a distancia surge la necesidad de mejorar los métodos de comunicación empleados, para lo cual el tiempo de entrega de la información y la pérdida de ésta debían reducirse en la mayor proporción posible Generalidades Actualmente existen un gran número de formas de comunicación (oral, escrita, señas, imágenes, etc.), sin embargo con la comunicación electrónica, se logra que las señales eléctricas se puedan transmitir a distancias mucho mayores, a velocidades sumamente altas y con menores pérdidas. Por comunicaciones electrónicas puede entenderse el proceso de transmisión, recepción y procesamiento de información con ayuda de circuitos electrónicos. Dicha comunicación puede ser de tres tipos: simplex (en una sola dirección), half-dúplex (en ambas direcciones pero no al mismo tiempo) o full-dúplex (en ambas direcciones simultáneamente). Dado que para el desarrollo del proyecto es necesario establecer comunicación en ambas direcciones, se usará la estructura 8 La tecnología HomePlug es un estándar de red, utiliza la red eléctrica interna ya existente 45

46 mostrada en la Figura 2.7, la cual consiste de tres secciones principales: un transmisor, un medio de transmisión y un receptor. Figura 2.11 Diagrama a bloques de un sistema de comunicación semi-duplex. El Transceptor, inclusive denominado bajo la forma de Transductor, es un dispositivo que se encarga de transmitir una Potencia de un punto a otro, cambiando su estado. Generalmente consisten en Sistemas Electromagnéticos, aunque también puede haberlos de tipo Acústico o bien inclusive dispositivos Mecánicos, que transmiten una señal determinada hacia otro dispositivo, pero realizando una transformación de medios. En el mundo de los ordenadores, y más precisamente en las Redes y Telecomunicaciones, este término está ligado a un dispositivo que se encarga de realizar funciones de Recepción de una comunicación, contando con un Circuito Eléctrico que permite un procesamiento para también realizar la Transmisión de esta información, sin importar su diseño o formato. Es común contar por ejemplo con un Transductor que trabaja como Transmisor de Señales RF cumpliendo esta doble funcionalidad de Emisor y Receptor de esta comunicación, realizando este nexo utilizando como canal de comunicación la Vía Inalámbrica. Este dispositivo, entonces, tiene una dualidad de funcionalidades que van en la Recepción de la señal de comunicación, y además la Transmisión de una nueva señal, pero nunca podemos realizar ambas al mismo tiempo, por lo que se establece que tiene una Función Semi-Dúplex. Esto limita el funcionamiento de un Transceptor a la posibilidad de emitir una señal en particular, permitiendo la emisión de señales en una ida y vuelta de la comunicación, pero no al mismo tiempo entre los dos terminales que intervienen. El medio de transmisión es aquel por el que viaja la información del transmisor al receptor, por lo que bien puede considerarse como una conexión entre ambos elementos. Dependiendo del tipo de información a transmitir, los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden ser clasificados en dos grupos: analógicos y digitales. En un sistema de comunicaciones analógico, como el empleado en este proyecto, la energía electromagnética se transmite y recibe como una señal que se encuentra variando continuamente. Por otro lado, 46

47 cuando la energía electromagnética se transmite y recibe como niveles discretos se dice que se trata de un sistema digital. Como se dijo anteriormente, para que la transmisión pueda llevarse a cabo resulta necesario convertir la señal de información a una forma adecuada. Este es precisamente el objetivo fundamental de la modulación: convertir a energía electromagnética la información de la fuente para que ésta pueda propagarse a través de los sistemas de comunicación, sin importar que sean analógicos o digitales. Dicha transformación de la información se lleva a cabo en el transmisor, en un circuito conocido como modulador. Por lo tanto, la modulación puede ser definida como: el proceso de modificar la información de una fuente a una forma apropiada para su transmisión. Generalmente involucra traducir una señal en banda base a una señal pasa banda a frecuencias muy altas comparadas con la frecuencia en banda base. La señal pasa banda se llama señal modulada y la señal de información en banda base se denomina señal moduladora. La modulación se puede hacer variando la amplitud, fase o frecuencia de una portadora de alta frecuencia de acuerdo con la amplitud de la señal de información. La demodulación es el proceso de extraer el mensaje en banda base de una portadora de manera que pueda ser procesada e interpretada por el receptor Traeas del tranceptor XBee PRO El transceptor de radiofrecuencia XBee PRO tiene como tarea principal la transmisión y recepción de datos que son suministrados por la fuente 9. Los módulos XBee-PRO son módulos de radio frecuencia que trabajan en la banda de 2.4 GHz con protocolo de comunicación (ZigBee). Son utilizados en automatización de casas, sistemas de seguridad, monitoreo de sistemas remotos, aparatos domésticos, alarmas contra incendio, plantas tratadoras de agua, etc. Los módulos XBee-PRO tienen un alcance en interiores de hasta 100 metros, y en exteriores el alcance es de hasta 1500 metros. En la Figura 2.8 se muestran los tres diferentes tipos de XBee-PRO. 9 La fuente, puede ser un microcontrolador, o una PC. 47

48 Figura 2.12 Tipos de XBee Pro. La Figura 2.9 muestra las conexiones mínimas que necesita el módulo XBee para poder ser utilizado. Luego de esto, se debe configurar según el modo de operación que se desea para la aplicación requerida por el usuario. Figura 2.13 Conexiones mínimas requeridas para el XBee. Esta configuración, no permite el uso de Control de Flujo (RTS & CTS), por lo que ésta opción debe estar desactivada en el terminal y en el módulo XBee. En caso de que se envíe una gran cantidad de información, el buffer del módulo se puede sobrepasar. Para evitarlo existen dos alternativas: bajar la tasa de transmisión o activar el control de flujo Modos de funcionamiento Los cinco modos de funcionamiento de un módulo XBee, se muestran en la Figura

49 Figura 2.14 Modos de operación del XBee PRO. Modo Recibir/Transmitir Se encuentra en estos modos cuando al módulo le llega algún paquete RF a través de la antena (modo Receive) o cuando se manda información serial al buffer, Data in (pin 3), que luego será transmitida (modo Transmit). Modo de Bajo Consumo (Modo dormido) El modo dormido hace posible que el módulo RF entre en un modo de bajo consumo de energía cuando no se encuentra en uso. Para poder entrar en modo de sueño, se debe cumplir una de las siguientes condiciones que se muestran en la Tabla 2.2. Valor de comando SM = 0 SM = 1 SM = 4 Descripción El Dispositivo Final se comporta como Router. Habilita el pin 9; PIN SLEEP<9> (1 duerme, 0 despierto). Habilita sueño cíclico (determinado por el parámetro ST). 49

50 SM = 5 PIN SLEEP<9> 0, despierta al XBee 5 seg y después se duerme. Tabla 2.2 Modo Sleep. La configuración de los ciclos de sueño se realiza principalmente con el comando SM. Por defecto, los modos de sueños están deshabilitados (SM=0), permaneciendo el módulo en estado de reposo/recepción. En este estado el módulo está siempre preparado para responder a un comando, ya sea, por el puerto serial o la interfaz RF. Modo de Comando Para configurar, ajustar, modificar o leer los parámetros del módulo XBee se debe primero entrar al modo de comando, que es un estado en el cual los caracteres ingresados se interpretan como comandos. Este modo se identifica como el modo de comando AT. Por ejemplo, éste permite ajustar parámetros como la dirección propia o la de destino, así como su modo de operación, entre otras cosas. Para ingresar comandos AT, al módulo XBee, es necesario utilizar la Hyperterminal de Windows, el programa X-CTU o algún microcontrolador que maneje UART y tenga los comandos guardados en memoria o los adquiera de alguna otra forma. Para entrar a este modo se deben enviar una secuencia de comando de tres caracteres , y luego esperar la respuesta del módulo XBee que entrega los caracteres OK. El módulo XBee viene por defecto con una velocidad de 9600bps. En caso de no poder ingresar al modo de comandos, es posible que sea debido a la diferencia de velocidades entre el módulo y la interfaz que se comunica vía serial. En la Figura 2.11 se observa la sintaxis de un comando AT. Luego de ingresar a este modo, se debe introducir el comando deseado para ajustar los parámetros del módulo XBee. Figura 2.15 Ejemplo del formato de comando AT. Modo Idle Cuando el módulo no está en ninguno de los otros modos, se encuentra en éste. Es decir, si no está transmitiendo, recibiendo, ahorrando energía o en el modo de comandos, entonces se dice que se encuentra en un estado al que se le llama de inactividad, Idle Modos de operación Además de los modos de funcionamiento mencionados, existen otros modos asociados a la operación y que se refieren a la forma de transmitir la información. Estos modos son: Modo Transparente y Modo API. 10 Sin dejar pasar un intervalo de tiempo mayor a 1 seg. entre ello. 50

51 Modo de operación Transparente En este modo todo lo que ingresa por la terminal Data In (pin 3), es guardado en el buffer de entrada y luego transmitido, y todo lo que ingresa como paquete RF es guardado en el buffer de salida y luego enviado por la terminal Data Out (pin 2). El modo Transparente viene por defecto en los módulos XBee. Este modo está destinado principalmente a la comunicación punto a punto, donde no es necesario ningún tipo de control. También se usa para reemplazar alguna conexión serial por cable, ya que es la configuración más sencilla posible y no requiere una mayor configuración. Modo de operación API Este modo es más complejo, pero permite el uso de Tramas con cabeceras que aseguran la entrega de los datos, al estilo TCP. Extiende el nivel en el cual la aplicación del cliente, puede interactuar con las capacidades de red del módulo. Cuando el módulo XBee se encuentra en este modo, toda la información que entra y sale, es empaquetada en tramas, que definen operaciones y eventos dentro del módulo. Así, una trama de transmisión de Información (información recibida por la terminal DIN o pin 3) incluye: - Trama de información RF transmitida. - Trama de comandos (equivalente a comandos AT). - Mientras que una Trama de Recepción de Información incluye: o o o Trama de información RF recibida. Comando de respuesta. Notificaciones de eventos como Reinicio, Asociación, Des asociación, etc. Esta API, provee alternativas para la configuración del módulo y ruteo de la información en la capa de aplicación del cliente. Un cliente puede enviar información al módulo XBee. Estos datos serán contenidos en una Trama cuya cabecera tendrá información útil referente al módulo. Entre las opciones que permite la API, se tienen: Transmitir información a múltiples destinatarios, sin entrar al modo de Comandos. Recibir estado de éxito/falla de cada paquete RF transmitido. Identificar la dirección de origen de cada paquete recibido. 51

52 2.2.5 Direccionamiento de los módulos Los módulos permiten dos tipos de direccionamiento. La de 16 bit y la de 64 bits. La principal diferencia es que en la de 64 bit es posible obtener una mayor cantidad de direcciones y por lo tanto, una mayor cantidad de nodos o equipos funcionando en la misma red. Son a través de estas direcciones que los módulos se comunican entre sí. Direccionamiento de 16 bits El comando AT MY, define un número de 16 bit como dirección del módulo dentro de la red. El intervalo se encuentra entre 0x0000 y 0xFFFD (las direcciones 0xFFFF y 0xFFFE son para habilitar la dirección de 64-bit, por lo que si se desea utilizar direccionamiento a 16 bits, estos valores no deben ser usados). Direccionamiento de 64 bit El número 0xFFFF y 0xFFFE del comando AT MY, se usa cuando se desea desactivar el direccionamiento de 16 bit, y se habilita el uso de la dirección de 64 bit. Con este direccionamiento ya no es posible definir la dirección de origen del módulo, ya que ésta se asigna automáticamente. En este caso, la dirección del módulo corresponde a su número serial, que viene de fábrica y se muestra en la Figura 2.12, el cual es imposible de cambiar. Figura 2.16 Numero de serie de XBee Comandos básicos para el funcionamiento del módulo XBee Existe una cantidad de comandos mínimos que se utilizan para configurar los módulos XBee dentro de la red ZigBee para que sea operable. En esta sección se citan dichos comandos y 52

53 una descripción de su funcionamiento. La tabla con todos los comandos AT está disponible en el siguiente enlace AT Nombre Descripción CH: Canal de operación Establece el canal. Todos los dispositivos deben trabajar en el mismo canal. Si dos módulos se encuentran en distintas redes o canales, no se puede comunicar, aunque estén direccionados correctamente. ID: PAN ID (Área de trabajo) Establece el área de trabajo. Todos los dispositivos deben estar dentro de la misma área de trabajo. Establece la dirección de destino de los datos de información, se tienen tres casos: 1.- DH=0 y DL=0; Cuando un End Device ó Router, quiere transmitir al coordinador. DH, Dirección de destino 2.- DH=0 y DL=FFFF; Transmite a todos los nodos unidos a DL: la red. 3.- DH=SH (destino) y DL=SL (destino); Direccionamiento de 64 bits. Para el direccionamiento de 64 bit, se debe dejar MY como FFFF(ATMYFFFF) o FFFE(ATMYFFFE). BD: Velocidad de transferencia Leer o establecer la tasa de transferencia en baudios NI: Identificador de nodo Almacena un identificador de cadena. El registro sólo acepta datos ASCII imprimibles. En modo de comando, una cadena no puede empezar con un espacio. Un retorno de carro termina el comando. Comando terminará automáticamente cuando máximo de bytes de la cadena se han introducido NC: Número de hijos restantes Lee el número de hijos que pueden unirse al dispositivo. Si NC devuelve 0, el dispositivo no puede permitir que más hijos se le unan. BH: Saltos de difusión Establece/Lee, el número máximo de saltos para cada transmisión de datos de difusión. Si se establece en 0, se utiliza el número máximo de saltos. ND: Descubrir nodos Detecta e informa de todos los módulos de RF encontrados. WR: Escribir cambios Escribe los cambios realizados. Estos cambios permanecen aun después de cortar la alimentación eléctrica al XBee. AC: Aplicar cambios Aplica los cambios realizados. CN: Salir de modo comando Termina el modo comando y pone al XBee en modo de espera. NJ: Tiempo de asociación de nodo Ejemplo de uso de comando AT Establece el tiempo durante el cual un nodo puede asociar nodos hijos. Tabla 2.3 Comandos AT básicos. Por ejemplo si se desea establecer la dirección de destino del módulo de 64 bits se usan los comandos DH y DL, respectivamente, y el valor del número de serie del módem destino, como se muestra en la Figura

54 Figura 2.17 Ejemplo de escritura de parámetros. En el ejemplo anterior, la dirección asignada equivale a SH:0013A200 y SL:4068FEC3 (parte alta y baja del número de serie del módulo destino, respectivamente). Se observa que primero se ingresa al modo de comandos AT (insertando los caracteres +++), el módulo XBee responde con un OK<CR>. Luego se ingresa la parte alta de la dirección de destino con el comando ATDH0013A200 y se presiona <CR>; con ello el módulo responde con un <CR>OK<CR>. Enseguida se envía la parte baja mediante el comando ATDL4068FEC3 y el módulo XBee confirma la recepción del comando con OK<CR>. Para escribir la dirección en la memoria no volátil del módulo, se envía el comando ATWR<CR>, el módulo XBee responde con un OK<CR>. Por último salimos del modo comando enviando el comando ATCN<CR>, el módulo XBee responde con el último OK<CR>. En caso de que no se ingrese ningún comando AT válido durante el tiempo determinado por CT (Command Mode Timeout), el módulo XBee se sale del modo de comando automáticamente pasando así al modo inactivo. Para consulta del estado de algún parámetro previamente establecido por un comando, se ingresa el comando directamente sin ningún parámetro; tomando como referencia al ejemplo anterior, vea la figura 2.13, al ingresar ATDL se obtiene la dirección introducida con anterioridad, vea la figura

55 Figura 2.18 Ejemplo lectura de parámetros. Otra forma de configurar el módulo por comandos AT, es ingresando varios comandos separados por coma (, ). Esto se muestra en la figura Figura 2.19 Configuración abreviada. Observa que luego de entrar al modo de comandos, se ingresa ATDL4068FEC3, regresando un OK<CR>, enseguida se envía el parámetro WR, devuelve un OK<CR>, que indica que el comando se ingresa correctamente, por último se envía el comando CN, y sale del modo comando. 55

56 CAPÍTULO 3. Pruebas y resultados La aplicación realizada en este proyecto consiste en transmitir datos a través de la red ZigBee, cuya arquitectura está constituida por un nodo-coordinador (nodo-c), que se conecta con un nodo-router (nodo-r) y dos nodos-dispositivos finales (nodo-ed, definidos como nodo-ed1 y nodo-ed2), conectados al nodo-r. La transferencia de datos a través de la red ZigBee la inicia el usuario al proporcionarle los datos al nodo-c (por medio de la computadora personal tipo PC), estos datos de información recibidos por el nodo-c, los manda al nodo-ed1 o al nodo-ed2, de acuerdo al estado del llamado selector de dirección ( SelDir ), terminal 2 del puerto E, RE2. Los datos recibidos por el primer nodo-ed, son procesados y transmitidos hacia el otro nodo-ed. Finalmente el último nodo-ed vuelve a procesar los datos y los manda al nodo-c, que a su vez los reexpide a la computadora personal tipo PC para que sean visualizados por el usuario. Con ello se verifica que la información realmente viajo a través de la red ZigBee. No hay que olvidar que es necesario configurar previamente a cada módulo XBee con un Firmware, presentado en el capítulo dos. Para que el lector pueda reproducir la aplicación, se ha planteado en este capítulo las pruebas que se llevaron a cabo para obtener la aplicación final, es decir cómo se fue estructurando la aplicación de manera progresiva. De esta manera se describen las pruebas que cubren el enlace entre el microcontrolador y la computadora personal tipo PC, el enlace entre el microcontrolador y el módulo XBee, la interacción entre la computadora personal tipo PC y el módulo XBee, así como los primeros pasos en la configuración del módulo XBee utilizando al microcontrolador. Para lograr la comunicación entre los nodos de la red ZigBee, es necesario implementar una serie de pruebas de comunicación entre los bloques que integran un nodo, como son el bloque de control, el bloque de RF y el bloque de comunicación serial. Por otro lado se deben hacer pruebas de comunicación entre dos nodos los cuales se identifican como nodo-a y nodo-b respectivamente como se muestra en la figura 3.1. Es importante mencionar que se han realizado pruebas de comunicación previas entre un módulo XBee-A con un módulo XBee-B en modo transparente conectados cada uno respectivamente a una PC, a las que denominaremos PC-A y una PC-B, respectivamente, mediante una interfaz USB-RS-232. Con estas pruebas se busca integrar un PIC que tenga la función de servir como interfaz entre la PC y el módulo de RF XBee, ya que será necesario para procesar información, realizar algunas configuraciones en el XBee, además de almacenar información, entre otras tareas. La figura 3.1 muestra los Nodo-A y el Nodo-B, respectivamente, y un medio de comunicación inalámbrico. Cabe mencionar que a lo largo del capítulo se hará referencia a los elementos electrónicos que pertenecen al Nodo-A con una terminación -A (guion A mayúscula) y con terminación -B (guion B mayúscula) a los elementos del Nodo-B. 56

57 Medio de Transmisión Nodo-A Nodo-B Figura 3.1 Nodos para pruebas. 3.1 Pruebas de comunicación Las pruebas preliminares que desarrollamos, incluyen los siguientes casos: 1. Comunicación PIC-XBee. 2. Eco entre la PC-A y el XBee-B. 3. Envió de caracteres desde la memoria RAM del PIC-A hacia la PC-A. 4. El PIC-A pone en modo comando al XBee-A. 5. El PIC-A configura un parámetro en el XBee-A. 6. Comunicación de Nodo-A con Nodo-B (suma de un número). 7. Comunicación (transparente) y monitorización del Nodo-A con el Nodo-B. Prueba 1 Comunicación PIC-XBee Esta primera prueba consiste en mandar datos del microcontrolador al XBee para que éste los transfiera y sean recibidos por otro módulo XBee, este último los expide a la computadora personal que se encuentra conectada a él. Para llevar a cabo la prueba se requiere que la arquitectura de la red este constituida por un microcontrolador y dos módulos XBee. El módulo XBee llamado XBee-A, vea la figura 3.2, se configura como coordinador y el módulo XBee llamado XBee-B se configura como end device. Adicionalmente se deben establecer los siguientes parámetros de configuración, establecidos directamente usando el software X-CTU: ID a 333 (área de trabajo), valor asignado a ambos módulos XBee (XBee-A y XBee-B). DH a 0013A200 y DL a 4068FEC2 para el coordinador, que corresponde a la dirección física del dispositivo end device, llamado XBee-B, como ejemplo vea la figura DH a 0013A200 y DL a 4068FEC1 para el end device, que corresponde a la dirección física del dispositivo coordinado, llamado XBee-A. NI con la cadena COORDINADOR, que corresponde al nombre identificador del dispositivo XBee-A. 57

58 NI con la cadena ED, que corresponde al nombre identificador del dispositivo XBee-B. Es importante hacer notar que en relación al comando CH, canal de operación, es un parámetro que no es configurable por el usuario. El dispositivo coordinador lo establece de forma automática, luego de muestrear la potencia de los diferentes canales, y seleccionar el canal menos utilizado. El dispositivo terminal se adhiere automáticamente al mismo canal que el del coordinador. Además, toda esta configuración de los módulos XBee se mantiene para todas las demás pruebas. El primer ejercicio se implementó con la finalidad de comunicar el PIC de Control con el módulo de RF XBee bajo el protocolo RS-232 implementado por Hardware en el PIC. El programa debe estar diseñado para que el PIC-A envié la cadena G E R A R D O al módulo XBee-A y luego este lo transmita al XBee-B, que a su vez desplegara la cadena en la PC-B, este proceso completo se repite cada dos segundos, el resultado se puede ver en la figura 3.2. XBee-A PC-B XBee-B PIC-A PC-A PIC-A XBee-A GERARDO RET 2 Seg XBee-B GERARDO PC-B Figura 3.2 Prueba 1 comunicación PIC-XBee. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza inicializando los puertos y configurando a los registros de funciones especiales para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, así como estableciendo todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea las figuras 3.3 y 3.4. Transfiere el mensaje GERARDO hacia el módulo XBee, utilizando la UART; para llevar a cabo este proceso se ayuda de la rutina dsp_car, vea la figura 3.5, que a su vez utiliza una tabla de datos, vea la figura 3.6 donde se encuentra el código de dicha tabla. Espera 2 segundos y manda nuevamente el mensaje al invocar a la rutina dsp_car. Para generar la espera de 2 segundos se llama a la subrutina de retardo rt2seg, vea la figura 3.7, que se ayuda a su vez de la rutina ret20ms, vea la figura 3.8. Repitiéndose de manera cíclica estos últimos pasos, vea la figura

59 Figura 3.3 Programa principal del ejercicio 1, comunicación PIC-XBee. Figura 3.4 Subrutina que habilita la Comunicación RS-232 por hardware en el PIC-A. 59

60 Figura 3.5 Subrutina que recupera la cadena de caracteres de la tabla 1 y los despliega en la PC-B. 60

61 Figura 3.6 Contiene la cadena que invoca la subrutina dsp_car. Figura 3.7 Retardo de 2 segundos que es invocado por el programa principal. 61

62 Figura 3.8 Retardo de 20 milisegundos que utiliza la rutina de retardo de 2 segundos. Prueba 2 Eco entre la PC-A y el XBee-B En esta prueba se pretende que el usuario envíe al XBee-A una cadena menor a seis caracteres con terminación en CAR-RETURN (<CR>), para que este a su vez lo retransmita al nodo B, donde es recibido por el XBee-B y retransmitido al PIC-B donde este último al detectar el <CR> genera un eco en la PC-A. Es decir el PIC-B enviara un eco de la cadena que el usuario le envié desde la PC-A cada vez que reciba un CR, el esquema se puede ver en la figura 3.9, en donde se observa además que se envía un OK<CR> y su eco de igual manera para la cadena 62

63 ERROR. Para poder almacenar los datos se hace uso de la memoria RAM del PIC accediendo a ella por medio de direccionamiento indirecto. XBee-A XBee-B PC-A PIC-B RAM O K <CR> PC-A XBee-A XBee-B PIC-B OK<CR> OK<CR> OK<CR> OK<CR> Figura 3.9 Prueba 2 eco entre la PC-A y el XBee-B. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza inicializando los puertos y configurando a los registros de funciones especiales para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, así como estableciendo todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea las figuras 3.10 y 3.3. Inicializa las localidades de memoria RAM para almacenar datos, vea la figura Estos datos son recibidos por la UART por software y almacenados en la memoria RAM del PIC durante la interrupción vea figura Transfiere los datos almacenados en la memoria RAM del PIC-B hacia el XBee-B con ayuda de la rutina dsp_d_ram, vea la figura 3.13 que a su vez invoca al la subrutina enviah para enviar los datos por RS-232 Hardware ver figura

64 Figura 3.10 Programa principal de la Prueba 2 eco entre la PC-A y el XBee-B. 64

65 Figura 3.11 Subrutina que Inicializa las localidades de la memoria RAM que serán usadas para almacenar una cadena de caracteres. 65

66 Figura 3.12 Subrutina de interrupción que almacena los caracteres recibidos desde el XBee, en la memoria RAM del PIC, sale cuando recibe un <CR>. 66

67 Figura 3.13 Subrutina que recupera la cadena de caracteres almacenados en la memoria RAM y los envía al XBee. Figura 3.14 Subrutina que transmite al XBee-A el dato almacenado en W, vía UART por hardware. 67

68 Prueba 3 envió de caracteres desde la memoria RAM del PIC-A hacia la PC-A En este ejercicio se pretende enviar desde el PIC-A la cadena A D I O S hacia la PC-A, estos datos primero son almacenados por el PIC-A en su memoria RAM como se muestra, en la figura 3.15 posteriormente son leídos desde la misma y transmitidos hacia la PC-A donde se despliegan. PIC-A PC-A RAM A D I O S <CR> PIC-A ADIOS<CR> PC-A Figura 3.15 Prueba 3 envió de caracteres desde la memoria RAM del PIC-A hacia la PC-A. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza configurando e inicializando los puertos asociado a la UART implementada por software en el microcontrolador, vea las figuras 3.16 y Inicializa las localidades de memoria RAM para almacenar datos, vea la figura La subrutina saveram (vea figura 3.18) almacena en la memoria RAM la cadena ADIOS<CR> que se encuentra en la tabla dos de la figura Los datos son leídos de la memoria RAM y enviados a la PC-A por medio de la subrutina enviadram (ver figura 3.20) por medio de la UART implementada por software (envía) que se muestra en la figura 3.21 para ser desplegados en la PC-A. Cabe mencionar que la UART implementada por software ocupa un retardo de 154 useg (retseri) que se muestra en la figura

69 Figura 3.16 Programa principal de la prueba 3 envió de caracteres desde la memoria RAM del PIC-A hacia la PC-A. Figura 3.17 Subrutina que inicializa las terminales de los puertos RX y TX para usarse en la comunicación RS-232 implementada por software, y así comunicar al PIC-A con la PC-A. 69

70 Figura 3.18 Subrutina que guarda los datos de la tabla 2 en la memoria RAM del PIC-A. 70

71 Figura 3.19 Contiene los datos que la subrutina saveram invoca para almacenar en la memoria RAM del PIC-A Figura 3.20 Subrutina que envía los datos almacenados en la memoria RAM del PIC-A hacia la PC-A. 71

72 Figura 3.21 Envía por RS-232 (implementado por software) el carácter almacenado en W hacia la PC-A, esta subrutina es invocada por la subrutina enviadram. 72

73 Figura 3.22 Subrutina de retardo de 104 useg que invoca la subrutina envía (UART por software). Prueba 4 el PIC-A pone en modo comando al XBee-A En la prueba 4 se pretende que el PIC-A ponga en modo comando al XBee-A. La figura 3.23 muestra el procedimiento, donde el PIC-A envía +++ primero a la PC-A y luego al XBee-A, este responde con OK<CR> que el PIC-A almacena en su memoria RAM para después enviarlo y mostrarlo en la PC-A, espera 4 segundos y repite el proceso. 73

74 PC-A PIC-A RAM O K <CR> XBee-A PC-A PIC-A XBee-A OK<CR> OK<CR> RET 4 Seg Figura 3.23 Prueba 4 el PIC-A pone en modo comando al XBee-A. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza configurando e inicializando los puertos asociado a la UART implementada por software en el microcontrolador, vea las figuras 3.24 y 3.17, así como también se inicializan los puertos y se configuran los registros de funciones especiales, para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, además de establecer todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea las figuras 3.3. Envía la secuencia +++ con la subrutina Send3mas (ver figuras 3.25 y 3.26) que a su vez se ayuda de las subrutinas ini_ram (ver figura 3.11) que inicializa las localidades de memoria RAM, la subrutina envia (ver figura 3.21) que envía datos a la PC-A por UART implementada por software, con ayuda de la subrutina de retardo retseri (ver figura 3.22), la subrutina enviah (ver figura 3.14) que envía datos al XBee-A por la UART implementada por hardware, la subrutina enviadram (ver figura 3.20)que lee los datos almacenados en la memoria RAM e invoca a la subrutina envía para desplegarlos en la PC-A (ver figura 3.21). Espera cuatro segundos invocando dos veces a la subrutina de retardo rt2seg, vea la figura 3.7, que se ayuda a su vez de la rutina ret20ms, vea la figura 3.8, regresa al principio. 74

75 Figura 3.24 Programa principal del ejercicio 4 el PIC-A pone en modo comando al XBee-A. 75

76 Figura 3.25 Subrutina que envía +++ primero a la PC-A y luego al XBee-A, para poner en modo comando al modulo de RF XBee-A. Una vez que entra en modo comando el XBee-A envía un OK<CR> de confirmación al PIC-A, mismo que este despliega en la PC-A. 76

77 Figura 3.26 continuación de la subrutina Send3mas Prueba 5 el PIC-A configura un parámetro en el XBee-A En este ejercicio el PIC-A establece en el XBee-A, la dirección de destino DL con el valor 1F. En la figura 3.27 se muestra al PIC-A que pone en modo de comando al módulo XBee-A enviando la secuencia +++ y posteriormente envía el comando ATDL1F, que es la dirección de destino para el XBee-A confirmando este con un OK<CR> todo el proceso se muestra en la hiperterminal de la PC-A. 77

78 PIC-A XBee-A +++OK ATDL1F OK PC-A PIC-A XBee-A OK<CR> OK<CR> ATDL1F ATDL1F OK<CR> OK<CR> RET 4 Seg Figura 3.27 Prueba 5 el PIC-A configura un parámetro en el XBee-A. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza configurando e inicializando los puertos asociado a la UART implementada por software en el microcontrolador, vea las figuras 3.28 y 3.17, así como también se inicializan los puertos y se configuran los registros de funciones especiales, para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, además de establecer todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea la figura 3.3. Envía la secuencia +++ con la subrutina Send3mas (ver figuras 3.25 y 2.26) que a su vez se ayuda de las subrutinas ini_ram (ver figura 3.11) que inicializa las localidades de memoria RAM, la subrutina envía (ver figura 3.21) que envía datos a la PC-A por UART implementada por software con ayuda de la subrutina de retardo retseri (ver figura 3.22), la subrutina envíah (ver figura 3.14) que envía datos al XBee-A por la UART implementada por hardware, la subrutina envíadram (ver figura 3.20) que lee los datos almacenados en la memoria RAM e invoca a la subrutina envía para desplegarlos en la PC-A. Envía el comando ATDL1F invocando a la subrutina SendComan (ver figura 3.29) que para llevar a cabo su tarea invoca a las subrutinas y MACROS ini_ram (ver figura 3.11) que inicializa las localidades de memoria RAM, McMsjPC (ver figura 3.30) Macro que envía una cadena (comando) a la PC-A, recibe como argumento la etiqueta de donde se encuentra la cadena de caracteres y envía el mensaje invocando a la subrutina TBL_PC (ver figura 3.31) que es quien lee el mensaje con la subrutina lee_msj (ver figura 3.32) de la tabla que contiene los datos (ver figura 3.35) a continuación invoca la Macro McMsjXB (ver figura 3.33) que realiza la tarea de enviar el comando al XBee-A, invocando a la subrutina TBL_XB (ver figura 3.34) para que lea el comando con la subrutina lee_msj (ver figura 3.32) contenido en la tabla de datos que muestra la figura 3.35, la subrutina envíadram (ver figura 3.20) lee los datos almacenados en la memoria RAM e invoca a la subrutina envía para desplegarlos en la PC-A. Espera cuatro segundos invocando dos veces a la subrutina de retardo rt2seg, vea la figura 3.7, que se ayuda a su vez de la rutina ret20ms, vea la figura

79 Figura 3.28 Programa principal del ejercicio 5 el PIC-A configura un parámetro en el XBee-A. 79

80 Figura 3.29 Subrutina que envía un comando al XBee-A y a la PC-A. 80

81 Figura 3.30 Macro que envía una cadena a la PC-A, recibe como argumento la etiqueta de donde se encuentra el mensaje. Figura 3.31 Esta subrutina lee los datos de la tabla y los envía hacia la PC-A hasta que envía un <CR>. 81

82 Figura 3.32 Subrutina que actualiza el contador de programa con la dirección de dato a leer. Figura 3.33 Macro que envía una cadena al XBee-A, recibe como argumento la etiqueta de donde se encuentra el mensaje. 82

83 Figura 3.34 Esta subrutina lee los datos de la tabla y los envía hacia el XBee-A hasta que envía un <CR>. Figura 3.35 Contiene el comando que se envía tanto a la PC-A como al XBee-A. 83

84 Prueba 6 comunicación del Nodo-A con el Nodo-B (suma de un número) Este es un paso importante ya que se pretende comunicar el Nodo-A con el nodo-b, de tal forma que el usuario envíe un carácter desde el nodo-a hacia al Nodo-B, por su parte el Nodo-B le suma una unidad al carácter recibido y lo envía de vuelta al Nodo-A en donde el dato es desplegado en la PC-A como se muestra en la figura En esta prueba es necesario hacer notar que se graba en cada PIC, correspondiente a cada nodo, un programa que realiza una tarea distinta. En el PIC-A se ejecuta la tarea de llevar a cabo una comunicación transparente entre el PIC-A y la PC-A, es decir el PIC-A sirve como interfaz o cable virtual para comunicar el PIC-A con la PC-A. En contraparte el PIC-B se encarga de sumar una unidad al dato que recibe del XBee-B y devolverlo al mismo para que este lo retransmita al nodo-a donde es desplegado. PC-A XBee-A XBee-B PIC-A PIC-B PC-A PIC-A XBee-A XBee-B PIC-B A A A B B B Figura 3.36 Prueba 6 comunicación entre Nodo-A con Nodo-B (suma de un número). Para el microcontrolador del nodo-a se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza configurando e inicializando los puertos asociados a la UART implementada por software en el microcontrolador, vea las figuras 3.58 y 3.17, así como también se inicializan los puertos y se configuran los registros de funciones especiales, para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, además de establecer todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea la figura 3.3. Recibe un dato desde la PC-A al invocar la subrutina recibir (ver figura 3.38) por medio de la UART implementada por software que funciona con las subrutina de retardo retsrmv y retseri (ver figuras 3.39 y 3.22 respectivamente), transmite el dado hacia el XBee, vía UART implementada por hardware con la subrutina envíah (ver figura 3.14), espera a recibir el dato de vuelta ya sumado y lo despliega en la PC-A al invocar la subrutina envía (ver figura 3.21). 84

85 Figura 3.37 Programa principal para el PIC-A del ejercicio 6, cable virtual entre la PC-A con el XBee-A. 85

86 Figura 3.38 Esta subrutina recibe un dato de información desde la PC-A, por UART implementada por software. 86

87 Figura 3.39 Subrutina de retardo de 152us que invoca la subrutina recibir. En contraparte para el microcontrolador del nodo-b se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza inicializando los puertos y se configuran los registros de funciones especiales, para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, además de establecer todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea la figura 3.40 y 3.3. Recibe por interrupción el dato desde el XBee-B, al dato recibido le suma una unidad y lo reenvía hacia el XBee-B vía UART implementada por software como muestra la interrupción ISR de la figura3.41. Permanece en espera. Figura 3.40 Programa principal para el PIC-B del ejercicio 6, suma y reenvió de carácter. 87

88 Figura 3.41 Subrutina de interrupción en donde se recibe el carácter desde el XBee-B, además incrementa el dato y lo retransmite al XBee-B. 88

89 Prueba 7 comunicación (transparente) y monitorización del Nodo-A con el Nodo-B Esta prueba se realiza con la finalidad de tener una comunicación transparente entre el Nodo-A con el Nodo-B. Como se mencionó en el capítulo 2 la comunicación transparente es básicamente un cable virtual entre el Nodo-A y el Nodo-B. Esta comunicación consiste en que el usuario inserte datos desde la PC-A y estos se envíen hacia la PC-B para ser desplegados en su hiperterminal. En este caso se prueba la comunicación entre el Nodo-A y el Nodo-B donde se encuentran involucrados todos los bloques que constituyen un nodo; como son el bloque de control, el bloque de RF y el bloque de comunicación serial. El programa que se graba en ambos PICs, es exactamente igual ya que los dos tienen la misma tarea pero en diferente nodo. En la figura 3.42 se observa que la PC-A envía la cadena HIE1 hacia la hiperterminal de la PC-B donde esta responde con la cadena HIE2 que se puede apreciar en la PC-A. PC-A XBee-A XBee-B PC-B PIC-A PIC-B PC-A PIC-A XBee-A XBee-B PIC-B PC-B HIE1<CR> HIE1<CR> HIE1<CR> HIE1<CR> HIE2<CR> HIE2<CR> HIE2<CR> HIE2<CR> Figura 3.42 Prueba 7 comunicación transparente entre el Nodo-A con el Nodo-B. Se desarrolló un programa cuyo algoritmo comienza configurando e inicializando los puertos asociados a la UART implementada por software en el microcontrolador, vea las figuras 3.43 y 3.17, así como también se inicializan los puertos y se configuran los registros de funciones especiales, para habilitar el hardware asociado al módulo UART del microcontrolador, además de establecer todas las terminales de entrada/salida como digitales, vea la figura 3.3. Recibe un dato desde la PC al invocar la subrutina recibir (ver figura 3.38) por medio de la UART implementada por software que funciona con las subrutinas de retardo retsrmv y retseri (ver figuras 3.39 y 3.22 respectivamente), transmite el dado hacia el XBee, vía UART implementada por hardware con la subrutina envíah (ver figura 3.14). Recibe un dato por interrupción vía UART implementada por hardware y lo despliega en la PC al invocar la subrutina envía (ver figura 3.21). 89

90 Figura 3.43 Programa principal para el PIC-A y PIC-B del ejercicio 7, comunicación (transparente) y monitorización del Nodo-A con el Nodo-B. 90

91 3.2 Acoplamiento de la aplicación final La aplicación de este proyecto consiste en una red ZigBee la cual trabaja con 4 nodos: un Nodo-C, un Nodo-R y dos Nodos-ED (ED-1 y ED-2), ver figura A su vez el Nodo-C y los nodos ED1 y ED2 cuentan con un bloque de control, un bloque de RF y un bloque de comunicación serial cada uno como se explicó en el capítulo 1, así como también están conectados a una computadora personal tipo PC en donde se monitoriza la actividad de cada uno de estos nodos, mientras que el nodo-r solo incluye el bloque de RF. En la figura 3.44 se observa la arquitectura de la red ZigBee en donde tenemos el Nodo-C conectado a la PC0, el nodo-ed1 conectado a la PC1 y el nodo-ed2 conectado a la PC2, en cuanto al nodo-r es el encargado de encaminar los datos. PC 1 PC 0 ED1 C R1 PC 2 ED2 Figura 3.44 Acoplamiento total de la red ZigBee. El acoplamiento final de la red ZigBee se observa en la figura 3.45 en donde se encuentran todos los nodos conectados a una misma PC, que en oposición con la red de la figura 3.44 cada nodo está conectado a una PC. Esto es posible gracias a que el software X-CTU empleado en esta aplicación puede ejecutar un número de hyperterminales igual al número de puertos USB que se tengan en la PC, es decir se puede considerar que cada nodo está conectado a una PC distinta ya que las tareas que se realizan en cada hyperterminal son independientes una de la otra. En este caso la PC tiene 4 Puertos USB y tenemos 4 nodos de los cuales 3 deben ser monitoreados. Esto quiere decir que en esta aplicación se puede trabajar con una sola PC los 4 nodos. 91

92 C R ED 3.3 Resultados de la aplicación final Figura 3.45 Red ZigBee en funcionamiento. Como se mencionó en el capítulo 1 la finalidad de esta aplicación es que el PIC de control configure al XBee con comandos AT, en este caso la configuración consiste en establecer la dirección de destino en el módulo XBee correspondiente a cada nodo, como se tienen 3 nodos que 92

93 cuentan con un PIC de control para procesar información entonces tenemos tres diferentes direcciones de destino, que son la dirección del Nodo-C, la dirección del Nodo-ED1 y la dirección del Nodo-ED2, además también se puede ver en la figura 3.46 que los datos pueden tener 2 rutas. La primer ruta es la que se muestra a la izquierda de la figura 3.46, en donde al Nodo-C se le establece la dirección de destino correspondiente al Nodo-ED1, en el Nodo-ED1 se configura la dirección de destino que le pertenece al Nodo-ED2 y por último al Nodo-ED2 se le asigna la dirección de destino del Nodo-C, es decir el Nodo-C envía los datos de información al Nodo-ED1, el Nodo-ED1 envía sus datos de información al Nodo-ED2 y finalmente el Nodo-ED2 envía sus datos al Nodo-C. La segunda ruta se muestra a la derecha de la figura 3.46 en la cual el Nodo-C primero envía sus datos de información al Nodo-ED2, el Nodo-ED2 los renvía al Nodo-ED1 y el NodoED1 transmite sus datos de información al nodo-c. Por otro lado cabe señalar que los nodos ED1 y ED2 tienen una característica particular que consiste en procesar los datos de información que reciben antes de reenviarlos a su dirección de destino. El Nodo-ED1 tiene la particularidad de incrementar en uno al dato de información que recibe, luego verifica si el dato está dentro de un intervalo entre 10d a 15d, cuando es el caso el numero decimal se convierte a Hexadecimal y luego lo retransmite a su destino, cuando el dato de información no está dentro de este intervalo se procede al reenvío inmediato. El Nodo-ED2 incrementa cuatro veces al dato da información recibido, ya luego verifica si el dato está dentro del intervalo y envía a su destino. La figura 3.46 muestra las dos posibles rutas que pueden configurar los PICs de control en cada nodo respectivamente, cabe señalar que los datos de información que viajan a través de la red ZigBee siempre son encaminados por el Nodo-R que no se muestra en la figura 3.46 por motivos prácticos. Ruta 1 Ruta 2 ED1 ED1 C C ED2 ED2 Figura 3.46 Rutas que pueden seguir los datos de información. Para comprobar que la configuración de los parámetros establecidos en cada nodo es correcta, se deben enviar datos a través de la red y monitorear que los datos siguen la trayectoria 93

94 establecida por el PIC de control en cada nodo. Estos datos los podemos apreciar en la figura 3.47 y figura 3.48 que muestra los resultados de la aplicación final en donde se envían diferentes datos de información como son caracteres números, letras en mayúscula y minúscula, además de mostrar los resultados para ambas trayectorias. En los recuadros marcados con -1- de la figura 3.47 se puede observar la forma en que el PIC de control configura la dirección de destino; por ejemplo en el Nodo- C escribe la dirección de destino correspondiente al Nodo-ED1 (0013A FEC3), en el Nodo-ED1 escribe la dirección de destino propia del Nodo-ED2 (0013A FEC4), y en el Nodo-ED2 escribe la dirección del Nodo-C (0 0) a si mismo esta trayectoria corresponde a la Ruta 1 mostrada en la figura 3.46, cabe mencionar que la configuración de destino de cada nodo se lleva a cabo cuando se energizan los nodos por primera vez, o cuando se presiona el botón de reset en el PIC de control correspondiente a cada nodo. Esta dirección de destino como se mencionó en el capítulo 1, la configura el PIC de control en cada nodo respectivamente. En los recuadros marcados con un -2- se observa que el usuario envía el numero 1 desde el Nodo-C hacia el Nodo-ED1, el Nodo-ED1 recibe el dato lo incrementa en uno y transmite un 2 hacia el Nodo-ED2, este lo recibe, lo incrementa en cuatro y transmite un 6 hacia el Nodo-C, también hace lo mismo con el numero 2 y 3. En los recuadros marcados con un -3- se observa que el usuario envía letras; por ejemplo primero envía la h desde el Nodo-C, el Nodo-ED1 recibe la h la incrementa en uno y transmite una i hacia el Nodo-ED2, el Nodo-ED2 incrementa la i en cuatro y transmite una m hacia el Nodo-C y realiza el mismo procedimiento para las demás letras que envía. En los recuadros marcados con un -4- se observa la conversión de los números que están dentro del intervalo entre 10d a 15d como lo es para el numero 5 que el usuario envía desde el Nodo-C, el Nodo-ED1 lo recibe, le suma uno y envía un 6 hacia el Nodo-ED2 mismo que le suma cuatro y envía una 0Ahex ya que el 10dec está dentro del intervalo, también podemos observar que cuando el usuario envía un 6 recibe una 0Bhex, y de igual manera para el resto de los números que pertenecen al recuadro 4. Por ultimo en los recuadros marcados con un -5- se observa que el usuario envía letras mayúsculas como es la A que el usuario manda desde el Nodo-C, el Nodo- ED1, la recibe y envía una B hacia el Nodo-ED1, el Nodo-ED1 recibe la B y retransmite una F hacia el Nodo-C y realiza la misma rutina para el resto de las letras mayúsculas. 94

95 Nodo-C Nodo-ED1 Nod Figura 3.47 Resultados de la ruta Nodo C, ED1, ED2, C. Los recuadros marcados con un -1- de la figura 3.48 muestran que las direcciones de destino establecidas en cada nodo corresponden a la Ruta 2, es decir, el PIC de control en el Nodo- C escribe la dirección de destino correspondiente a el Nodo-ED2, en el Nodo-ED2 escribe la dirección de destino del Nodo-ED1 y en ED1 la dirección de destino del Nodo-C. En el recuadro -2- se observa que el usuario envía el dato 1 desde el Nodo-C y también se observa que el dato -1- lo recibe el Nodo-ED2, este le suma cuatro y envía un cinco hacia el Nodo-ED1 le suma uno y envía un 6 hacia el Nodo-C donde se puede apreciar. Se enviaron los mismos caracteres tanto en la Ruta 1 como en la Ruta2 de manera que se esperan los mismos resultados en el Nodo-C no así en los Nodos ED1 y ED2. 95