Impariamo ad utilizzare i moduli XBee per
realizzare semplici collegamenti Wireless
nelle nostre applicazioni con Arduino.
Sesta puntata.
dell’ing.
MIRCO
SEGATELLO
Il protocollo ZigBee prevede delle specifi che di sicurezza per l’accesso alla rete, tra cui un sistema criptato a 128 bit basato sul NIST
Cer-tifi ed Advanced Encryption Standard (AES).
Confrontando lo ZigBee con il Wi-Fi ed il Bluetooth, ci si accorge subito di alcune diffe-renze: il Bluetooth è essenzialmente utilizzato per far colloquiare due apparati a brevissima distanza, senza l’utilizzo di cavi; di solito è implementato sui telefoni cellulari per uti-lizzare periferiche esterne come auricolari e ricevitori GPS o per lo scambio dati con il PC. Non è in grado di gestire molte periferiche contemporaneamente ed il raggio di portata che consente è piuttosto limitato.
Il Wi-Fi ha il vantaggio di una portata mag-giore, tanto che con apparati ed antenne
spe-Tabella 1 - Confronto tra gli standard di comunicazione.
Tabella 2 - Caratteristiche tecniche dei moduli Xbee serie 1. Fig 1 - Confronto tra i vari standard di comunicazione.
Standard ZigBee 802.15.4 Wi-Fi 802.11b Bluetooth 802.15.1
Portata in metri 1 ÷ 100 1 ÷100 1 ÷ 10
Durata batteria 100 ÷ 1000 0,5 ÷ 5 1 ÷ 7
Numero di nodi nella rete 65.000 32 7
Applicazioni Monitoraggio, controllo, telemetria Web, Email, Video In sostituzione di cablaggio
Stack Size (KB) 4 ÷ 32 1.000 250
Velocità di trasmissione (kb/s) 20 ÷ 250 11.000 720
Parametro XBee XBee-PRO
Frequenza operativa ISM 2,4GHz ISM 2,4GHz Potenza in trasmissione 1 mW 63 mW
Sensibilità ricezione -92 dB -100 dB
Portata 30 m (indoor)100 m (in aria libera) 90 m (indoor)1.600 m (in aria libera) Consumo TX 45 mARX 50 mA Power-down < 10μA TX 250 mA RX 55 mA Power-down < 10μA Velocità di trasferimento RF 250 kbps 250 kbps Velocità trasferimento UART 1,2÷115 kBaud 1,2÷115 kBaud
Estensioni Linee di A/D e digitali Linee di A/D e digitali Periferiche indirizzabili 65.000 65.000
Numero di canali disponibili 16 12 Alimentazione 2,8÷3,4V 2,8÷3,4V
cifi che si arriva sino a qualche chilometro; ha una velocità di trasferimento notevole, miglio-rata con gli ultimi standard, che gli permette l’invio di immagini in streaming e consente la creazione di reti anche complesse sia tra periferiche, sia fra PC. Tuttavia gli alti costi dell’hardware e l’elevato consumo di corrente non lo rendono idoneo in applicazioni a basso costo con alimentazione a batteria per connes-sioni di lunga durata (Tabella 1).
A livello commerciale, lo standard ZigBee/ IEEE 802.15.4 è stato implementato dalla Maxstream-Digi (www.maxstream.net e www.
digi.com) con i moduli denominati XBee.
I primi di questi moduli immessi nel mercato e denominati semplicemente XBee, si riferi-scono alla serie 1 ed implementano solo in parte il protocollo ZigBee, mantenendo, però, la caratteristica di poter essere utilizzati nella realizzazione di reti a basso costo e a basso consumo. I moduli sono semplici da utilizza-re, richiedono pochissima energia e costitui-scono una soluzione effi cace ed affi dabile per la trasmissione di dati critici. I moduli XBee operano nella banda ISM alla frequenza di 2,4 GHz, permettendo di realizzare applicazioni hardware estremamente compatte; inoltre sono compatibili con le normative vigenti in paesi come U.S.A., Canada, Australia, Israele e negli stati dell’Europa. Ciascun modulo è formato da un transceiver a radiofrequenza ed un microcontrollore, con fi rmware aggior-nabile, che gestisce, oltre alla comunicazione radio, anche una serie di linee di I/O sia digi-tali che analogiche, con funzioni di interrupt e sleep. Ciò permette di connettere direttamente al modulo sensori o contatti e di farlo lavorare sul campo in modalità stand-alone, senza la necessità di interfacciarlo con altri elementi esterni se non una batteria di alimentazione. Tutte le funzioni che dovrà svolgere saranno programmate dall’utente secondo le esigenze. Di questa prima serie esiste anche la versio-ne PRO, che pur manteversio-nendo le medesime caratteristiche e la stessa piedinatura (cambia la lunghezza) ha una potenza trasmissiva maggiore, che permette la comunicazione a
Corso Arduino
tecniche sono riportate nella Tabella 2. Esistono diverse versioni di moduli XBee a seconda del tipo di antenna adottato, il più performante dei quali consente l’utilizzo di un’antenna esterna con attacco U.FL; ma i costi e gli ingombri maggiorati non sempre ne giustifi cano l’utilizzo. Una seconda versione prevede un’antenna a stilo già installata e consente di ottenere quasi la massima porta-ta dichiaraporta-ta; un’ultima versione dispone di un’antenna integrata, decisamente molto pra-tica, ma che riduce la portata di circa il 30 %. La serie PRO, perfettamente compatibile con la standard, ha una potenza ed una sensibilità in ricezione maggiorata, caratteristiche che le permettono di essere impiegata in comunica-zioni a lungo raggio; si distingue per la scritta PRO sull’involucro e la lunghezza leggermen-te superiore a quella degli altri moduli. La serie 2 dei moduli XBee implementa com-pletamente lo standard ZigBee; ciò aumenta la possibilità di realizzare reti complesse autoconfi guranti con funzioni di auto-routing, auto-riparanti e reti mesh. L’aspetto esterno è invariato ma viene aggiunta la sigla “serie 2” e si perde la compatibilità con i moduli della serie 1. La serie 2 introduce la possibilità di confi gurare un modulo come router, che, inserito in una rete, si comporta da ponte tra il Coordinator e gli End Device, oppure con altri router permette di estendere dinamicamente la rete. Anche in questo caso esiste la versione PRO con potenza maggiorata (la Tabella 3 riepiloga le caratteristiche tecniche).
Vediamo ora, qui di seguito, gli elementi di base che formano una rete ZigBee.
• Node; questo termine indica un qualsiasi di-spositivo della rete che consente lo scambio di dati via radio ed è identifi cato da un numero (Identify Device). Fig 2 Modulo XBee con antenna integrata. Fig 3 Modulo XBee con attacco U.FL per antenna esterna. Fig 5 Modulo XBee PRO con antenna integrata. Fig 6 Modulo XBee PRO con attacco U.FL per antenna esterna. Fig 7 Modulo XBee PRO con antenna esterna integrata. Fig 4 Modulo XBee con antenna esterna integrata.
• Coordinator – ZC (Controller); rappresenta il nodo radice della rete ad albero, inizializza la rete, gestisce i vari nodi, opera la raccolta dati ed è in grado di operare da ponte verso altre reti; per ogni rete viene designato un Coordinator che contiene le informazioni sulla rete e le chiavi di sicurezza ed è in grado di confi gurare gli altri moduli della rete. • Router – ZR; detto anche Full function
Device (FFD) è un dispositivo client (genera
informazioni e le invia al nodo centrale); può
anche agire come intermediario per il rilascio verso il nodo centrale di informazioni da altri dispositivi.
• End Device – ZED; anche detto Reduced
Function Device, RFID o semplicemente, nodo,
è un dispositivo client: raccoglie informazioni e le invia al Coordinator o al Router, ma non opera come intermediario per altri dispositivi. È l’elemento più semplice ed economico, soli-tamente destinato ad oggetti quali interruttori, TV, radio, lampade, elettrodomestici, ecc. Normalmente fa parte di una sottorete a stella di tipo point-to-multipoint verso un Router o Coordinator.
RETI IMPLEMENTABILI CON I MODULI XBEE Di seguito vediamo quali sono i tipi di rete wireless implementabili con i moduli XBee.
Rete point to point (PPP)
In questa rete due dispositivi dialogano tra di loro. Per migliorare l’immunità ai disturbi ed evitare confl itti che possano ritardare le comunicazioni, è possibile assegnare a questi due moduli un canale trasmissivo differente rispetto agli altri. La rete, anche se di soli due elementi, può contenere un master ed uno slave (Fig. 12).
Rete point to multipoint (PMP)
È una rete in cui un dispositivo dialoga con più dispositivi. La rete di tipo a stella ha una maggior complessità e impone di risolvere il problema dei confl itti, assegnando ad un solo dispositivo il compito di master mentre gli altri sono slave. Nel caso di reti ZigBee ci sarà un Coordinator e degli End Device (Fig. 13).
Rete peer to peer (P2P)
Si tratta di una rete defi nita paritaria, nella
Fig 8 Modulo XBee Serie2 con antenna integrata. Fig 8 Modulo XBee Serie2 con antenna integrata. Fig 9 Modulo XBee Serie2 con attacco per antenna esterna. Fig 10 Modulo XBee Serie2 con attacco U.FL per antenna esterna. Fig 11 Modulo Xbee PRO con antenna esterna integrata.
Tabella 3 - Caratteristiche tecniche moduli XBee serie 2.
Parametro XBee Serie2 XBee-PRO Serie2
Frequenza operativa ISM 2,4 GHz ISM 2,4 GHz Potenza trasmissiva 2 mW 63 mW Sensibilità ricezione -92 dB -100 dB
portata 40 m (indoor)120 m (in aria libera) 90 m (indoor)1.600 m (in aria libera) consumo TX 40 mARX 40 mA Power-down < 1μA TX 250 mA RX 55 mA Power-down < 4μA Velocità di trasferimento RF 250 kbps 250 kbps Velocità trasferimento UART 1,2 k ÷ 1M baud 1,2 k ÷ 1M baud
estensioni Linee di A/D e digitali Linee di A/D e digitali Periferiche indirizzabili 65.000 65.000
Numero di canali disponibili 16 15 alimentazione 2,1 ÷ 3,6 V 2,7 ÷ 3,6 V
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quale non sono presenti dispositivi client o server, ma un numero di dispositivi che si equivalgono (in inglese peer) che svolgono le funzioni sia di server che di client. In que-sto modo ogni nodo è in grado di avviare e completare la comunicazione; è il caso di due portatili oppure di un PC ed uno smartphone che comunicano tra loro per scambiarsi fi le senza la necessità di utilizzare un Router. In ambiente Windows questa rete è anche deno-minata “rete ad hoc”.
Rete Mesh
È la rete che impiega appieno le potenzialità del protocollo ZigBee, in cui sono presenti un Coordinator e diversi End Device supportati da Router utilizzati per espandere ed instra-dare le comunicazioni in modo dinamico. Questa rete può essere realizzata solo con i moduli della serie 2. Nelle reti mesh il disposi-tivo Coordinator è in grado di confi gurare di-namicamente gli altri moduli della rete; ogni dispositivo Router può svolgere operazioni di smistamento agganciandosi a sua volta ad altri Router. Espandendo in modo dinamico la rete, infatti, è possibile inserire “al volo” nuovi nodi lasciando che la rete stessa si auto-confi guri aumentando le distanze coperte. Nel caso la comunicazione con alcuni dispositivi si perda, si può recuperarla in automatico restaurandola tramite altri nodi; così la rete diventa molto robusta nei riguardi dei distur-bi e dei guasti (Fig.15).
Le modalità di comunicazione implementabili con i moduli XBee sono tre e vengono elencate e descritte qui di seguito.
Transparent mode (pprz)
Questa modalità prevede che ogni modulo sia impostato come End Device e sia disabilitata l’associazione tra End Device in tutti i modu-li; ogni dispositivo della rete dovrà avere gli stessi parametri ID e CH. Questa modalità è chiamata anche Transparent Mode e in essa due dispositivi sono utilizzati come radiomo-dem, comportandosi a tutti gli effetti come un normale cavo seriale: quello che si manda all’RX di un modulo arriva direttamente al TX dell’altro, senza dover programmare o settare nulla (tranne il baud-rate per la comunicazio-ne); la packetizzazione dei dati e l’aggiunta di un checksum (per il controllo degli errori)