XBee Arduino - Jérôme Abel

XBee Arduino
Jérôme Abel
Jan 21, 2013
Quand il s’agit de concevoir des systèmes embarqués, interactifs ou bien quand des objets doivent communiquer
entre eux, plusieurs solutions sont possibles. Nous explorerons ici le protocole Zigbee qui permet de communiquer
par ondes radio, c’est-à-dire sans fil. Je m’efforcerais dans un premier temps de présenter les caractéristiques de
ce protocole et d’éviter certaines confusions (partie 1). Ensuite je présenterais des cas pratiques avec et sans la
carte Arduino (parties 3 et 4). Pour en savoir plus sur la carte Arduino, vous pouvez consulter ma page Arduino.
À noter que ces cas pratiques ne concernent pour l’instant (01/2013) que la série 1 du module XBee.
Nous aborderons des domaines variés faisant appel à des notions plus ou moins avancées en réseaux informatiques. Loin d’être un obstacle, ce sera l’occasion d’apporter quelques éléments de compréhension dans
l’apprentissage classique des systèmes informatiques (partie 2).
N’hésitez pas à me faire part de vos remarques pour améliorer ce document, rectifier certaines erreurs sur la
page contact.
– PDF : xbee-arduino.pdf (4.7M0)
– SOURCES : ./ressources/xbee-arduino (images, textes, codes, schémas)
– URL : http ://jeromeabel.net/ressources/xbee-arduino
– LICENCE : GNU/GPLv3
1
Table des matières
1 Présentation du XBee
1.1 Applications . . . . . . . . . . . .
1.2 Pourquoi choisir le sans fil ? . . .
1.3 Xbee ou Zigbee ? . . . . . . . . .
1.4 ZigBee et 802.15 . . . . . . . . .
1.5 Séries 1 et 2 ? . . . . . . . . . . .
1.6 Antennes . . . . . . . . . . . . .
1.7 Communication avec l’ordinateur
1.8 Alimentation . . . . . . . . . . .
1.9 Matériel nécessaire . . . . . . . .
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2 Notions de réseaux
2.1 Protocoles de communication .
2.2 Communication série . . . . . .
2.2.1 Duplex / transceiver . .
2.2.2 Liaison série / parallèle
2.2.3 Synchrone / asynchrone
2.2.4 Baud / bits par seconde
2.2.5 Norme RS 232 . . . . .
2.3 Réseaux sans fils . . . . . . . .
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3 Configuration
3.1 Montage . . . . . . . .
3.2 Connaître son matériel
3.3 Terminal . . . . . . . .
3.4 Modes . . . . . . . . .
3.5 Commandes AT . . . .
3.6 Adressage . . . . . . .
3.7 Entrées / sorties . . .
3.8 Mode API . . . . . . .
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4 Montages
4.1 XBee > XBee . . . . . . . . . . . .
4.2 XBee > XBee/ordinateur . . . . .
4.3 XBee/Arduino > XBee/ordinateur
4.4 XBee/Arduino > XBee/Arduino .
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5 Ressources
5.1 Livres . . . . . . . . .
5.2 Manuels et références .
5.3 Téléchargements . . .
5.4 Sites . . . . . . . . . .
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2
1
Présentation du XBee
Les produits MaxStream XBee™ sont des modules de communication sans fil très populaires fabriqués par
l’entreprise Digi International. Ils ont été certifiés par la communauté industrielle ZigBee Alliance en 2006 après
le rachat de MaxStream par Digi International. La certification Zigbee se base sur le standard IEEE 802.15.4 qui
définit les fonctionnalités et spécifications des réseaux sans fil à dimension personnelle (Wireless Personal Area
Networks : WPANs). Nous verrons plus loin chacun des termes qui peuvent poser problème.
Les principales caractéristiques du XBee :
– fréquence porteuse : 2.4Ghz
– portées variées : assez faible pour les XBee 1 et 2 (10 - 100m), grande pour le XBee Pro (1000m)
– faible débit : 250kbps
– faible consommation : 3.3V @ 50mA
– entrées/sorties : 6 10-bit ADC input pins, 8 digital IO pins
– sécurité : communication fiable avec une clé de chiffrement de 128-bits
– faible coût : ˜ 25€
– simplicité d’utilisation : communication via le port série
– ensemble de commandes AT et API
– flexibilité du réseau : sa capacité à faire face à un nœud hors service ou à intégrer de nouveaux nœuds
rapidement
– grand nombre de nœuds dans le réseau : 65000
– topologies de réseaux variées : maillé, point à point, point à multipoint
1.1
Applications
Le ZigBee semble avoir été conçu pour réaliser ce qu’on appelle l’Internet des objets, un ensemble d’objets
communiquants voir "autonomes", une extension d’Internet aux objets physiques. La domotique est l’exemple le
plus parlant.
S’en entrer dans les détails car ce n’est pas le propos ici, la vision d’un monde où tout doit être connecté, du
frigo aux enfants, se rapproche pour ma part plus du cauchemar que du rêve. Les technologies de communication
sont aussi utilisées par des groupes mercantiles et cyniques qui ne cessent de faire reculer la démocratie. Voir à
ce propos le chapitre "Intrusion" page 53 de ma présentation sur la vie des objets.
Heureusement, des artistes s’approprient ces technologies et les utilisent à des fins plus poétiques.
3
Ici un couple d’oiseaux de papier communiquent ensemble. Quand l’un est manipulé, l’autre s’allume (Jie Qi
messenger).
Dans Robotics drums, des servo-moteurs contrôlés à distance tapent sur 18 percussions Darbukas pour créer
des rythmes inédits dans la ville.
4
Une autre application peut s’avérer très utile : programmer à distance une carte Arduino. En effet, d’habitude
on relie sa carte avec câble USB, mais comment faire quand la carte est située à trois mètres de hauteur comme
c’est le cas dans mon projet Chimères Orchestra ? La programmation à distance est donc la solution : programming
Arduino Wirelessly.
1.2
Pourquoi choisir le sans fil ?
À première vue, le sans fil présente bien des avantages. Il permet de ne pas encombrer un espace de travail,
d’équiper des appareils mouvants, de communiquer dans des endroits innacessibles. Cependant, il faut aussi
prendre en considération d’autres paramètres :
– La communication sans fil ne sera jamais aussi fiable qu’une communication filaire. Le signal peut être
déformé par d’autres ondes et par des obstacles.
– Par conséquent, commencez toujours à tester votre système avec une communication filaire.
– À moins de récupérer l’énergie des ondes électromagnétiques ambiantes (Free Energy), vous aurez toujours
besoin d’un fil pour alimenter votre module.
– L’environnement semble aujourd’hui saturé d’ondes électromagnétiques, on parle de pollution électromagnétique. Le XBee génère des radiations électromagnétiques alors pourquoi en rajouter ?
– La communication n’est pas 1-1 entre l’émetteur et le récepteur. En effet les ondes radio rayonnent en cercle
autour de l’émetteur. Seuls les appareils décryptant le bon protocole peuvent différencier les informations
provenant d’un module Zigbee, d’un module Bluetooth ou de routeurs Wi-Fi, pourtant tous modulés par
la même fréquence de 2,4Ghz.
5
Par exemple, l’artiste Benjamin Gaulon démontre dans son projet 2.4Ghz qu’il est possible de recevoir dans
l’espace public le signal des vidéos de surveillance sensé rester privé ...
Note : certains éléments de cette rubrique s’inspirent de la page 178 du livre Making Things Talk de Tom
Igoe.
1.3
Xbee ou Zigbee ?
Bee signifiant "abeille", le choix du nom donne l’image qu’il peut y avoir plusieurs petits modules connectés
ensemble comme une colonie d’abeilles. Au début, on peut confondre les termes XBee et ZigBee. En fait, comme
expliqué au début de l’article, le ZigBee est un protocole de communication qui s’appuie sur le travail du groupe
IEEE 802.15.4 et définit par le groupe de professionnels ZigBee Alliance. Le XBee est une marque, un produit
qui utilise le protocole ZigBee. Do you bien compris ?
6
Le XBee étant devenu populaire, sa forme si particulière est aujourd’hui reprise par des fabricants de puces
Bluetooth. Comme il existe beaucoup de shields arduinos et d’adaptateurs XBee, cela sera sans doute compatible
avec les puces Bluetooth.
1.4
ZigBee et 802.15
Dans cet image, on voit bien la répartition des rôles entre le standard 802.15 et le protocole ZigBee. Tout cela
est expliqué dans la partie 2 qui traite des réseaux, des protocoles et des couches du modèle OSI.
1.5
Séries 1 et 2 ?
Plusieurs produits XBee existent, ce qui peut créer quelques confusions. Il faut retenir qu’il y a deux catégories
de XBee : la série 1 et la série 2. Les modules de la série 1 ont souvent un "802.15.4" qui s’ajoutent à leurs noms.
7
Les modules de la série 2 sont disponibles en plusieurs versions : XBee ZNet 2.5 (obsolète), le ZB (l’actuel)
et le 2B (le plus récent). Vous avez aussi des XBee Pro, qui font la même chose, mais avec de plus grandes
capacités, notamment la portée qui semble pouvoir aller jusqu’à 1000 mètres ! Pour en savoir plus, télécharger le
tableau de comparaison des modules XBee : http ://www.digi.com/pdf/chart_xbee_rf_features.pdf.
Ce qu’il faut retenir :
– les modules des séries 1 et 2 ne sont pas compatibles entre eux ;
– la portée et la consommation sont sensiblement les mêmes ;
– le nombre d’entrées et sorties est différent et surtout la série 2 ne possède pas de sorties analogiques
PWM ;
– les topologies de réseaux possibles ne sont pas les mêmes. Avec la série 1, l’architecture est simple : point à
point (pair) ou multipoint (star). La série 2 permet en plus de créer des réseaux plus complexes :
maillés (mesh) ou en "arbre" (cluster tree).
8
1.6
Antennes
Vous aurez aussi à choisir le type d’antennes du module. En effet, les ondes radios ont besoin d’antennes pour
émettre et recevoir les signaux.
Ce qu’il faut retenir :
– wire : simple, radiations omnidirectionnelles ;
– chip : puce plate en céramique, petite, transportable (pas de risques de casser l’antenne), radiations cardioïdes (le signal est atténué dans certaines directions) ;
– U.FL : une antenne externe n’est pas toujours nécessaire ;
– RPSMA : plus gros que le connecteur U.FL, permet de placer son antenne à l’extérieur d’un boîtier.
1.7
Communication avec l’ordinateur
Pour établir une communication avec l’ordinateur, il y a deux options : l’assemblage de différents éléments
comme sur l’image ou le XBee USB Explorer. J’ai choisi la première option car un peu moins cher et plus flexible.
L’inconvénient est que ça nécessite un peu de soudure (3 minutes) et un petit montage sur plaque à essais. Bref,
cela revient au même.
La communication en direct sans passer par une Arduino vous permet de configurer rapidement votre XBee.
On verra plus loin dans les cas pratiques (partie 4) qu’on peut aussi configurer le module en le branchant à
l’Arduino. Donc se procurer un explorateur n’est pas indispensable, mais c’est à conseiller pour débuter car c’est
tout de même plus simple.
La communication entre l’ordinateur et le XBee se fait via une liaison série, que je détaille dans la partie 2.
9
1.8
Alimentation
L’alimentation doit être comprise entre 2,8V et 3,4V. Dans mes montages j’utilise l’alimentation stabilisée
3.3V. Dans d’autres exemples, il semblerait qu’assembler deux piles 1,5V ensemble soit suffisant.
Pour être plus autonome, on peut trouver des montages sur le Web avec le régulateur de tension LM7833
qui sort directement une tension de 3,3V ou bien avec le LM317 qui permettrait avec des valeurs de résistances
adaptées d’obtenir ce que l’on souhaite, mais je ne l’ai pas testé.
10
1.9
Matériel nécessaire
Vous trouverez une liste intéressante de magasins en ligne sur codelab.fr/177. Je vous conseille de prendre
tout dans le même magasin pour limiter les frais de transports et en France ou en Europe pour éviter les taxes
(TVA) qui ne sont pas incluses dans certains pays, je pense surtout aux magasins situés aux États-Unis. En gros,
essayez d’éviter Sparkfun.
Synthèse de ce dont nous aurons besoin :
– Modules XBee x 2 (au moins 2 pour créer une connection !) : série 1 ou 2, antennes filaire ou à puce
– XBee Explorer USB (Platine d’interface USB pour modules "XBEE") : en option si vous choisissez la carte
FT232
– Breakout Board for FT232RL USB to Serial (Module "FTDI Basic Breakout" - 3,3V)
– Câble mini-USB/USB
– Breakout board XBee x 2 (Platine d’interface pour modules "XBEE")
– 2mm XBee socket x 2
– Break away headers x 1
– Fils prédécoupés de prototypages x 1
– Plaques à essais x 2 (solderless boards)
– Potentiomètres 10K
– LEDs x 4 (n’importe lesquelles)
– Bouton poussoir x 1
– Résistances : 10K, 330 Ohms
– Coupleurs deux piles 1.5V x 2
– Breadboard Power Supply 5V/3.3V (si besoin)
– Connceteur embase jack/T pour pile 9V
– Pile 9V
– Piles 1.5V x 2
– Cartes Arduino x 2
– Xbee Shield (si besoin)
Exemple de réalisation pour voir comment tout s’articule :
11
12
2
Notions de réseaux
Comme l’ordinateur, Internet est une œuvre collective, composée de briques, d’astuces mathématiques, physiques et électroniques. Pour utiliser les réseaux informatiques de façon constructive, il faudrait connaître un
minimum leur fonctionnement. Rester sur la couche applicative, celle la plus proche de l’utilisateur ne nous
permet pas d’appréhender les concepts et les mots clés auxquels nous sommes confrontés quand nous devons
nous-même gérer notre propre réseau.
Je mettrais l’accent sur deux notions qui nous serviront directement à appréhender le XBee : les protocoles
et la communication série.
2.1
Protocoles de communication
Entre 1960 et 1964, l’idée géniale de commutation de paquets est formulée conjointement par Leonard Kleinrock, Donald Davies et Paul Baran.
Paul Baran part du constat qu’un réseau centralisé est vulnérable. Si un nœud tombe en panne, l’information n’arrivera pas à son destinataire. C’est l’époque de la guerre froide, ces questions sont stratégiques. Une
architecture distribuée avec des nœuds interconnectés parait la solution la plus flexible et la plus fiable.
13
Le message à envoyer est découpé en paquets (datagram). On leur ajoute généralement une étiquette composée
de son adresse, celle du récepteur et son ordre dans le message original. Il est envoyé par des chemins divers évitant
les congestions du réseau. Le destinataire remet ensuite le message dans l’ordre grâce aux étiquettes. On oppose
cette technique à la commutation de circuits utilisée par le réseau téléphonique qui bloque un circuit pour
une seule communication. Avec la commutation de paquets les ressources sont mutualisées, une ligne physique
achemine différents bouts de messages provenant de différents expéditeurs.
Le modèle Internet qui est une simplification du modèle OSI donne une cohérence à la construction et l’envoie
de messages. Il propose une architecture en couches, on parle aussi de pile (stack), définies et délimitées avec les
notions de service, de protocole et d’interface. Chaque couche effectue des tâches spécifiques (services) et doit
respecter certaines règles pour communiquer avec les couches inférieures et supérieures (protocole). Noter que le
"P" à la fin des acronymes HTTP, TCP, UDP, PPP, POP, IP, ICMP, FTP signifie bien "protocole". Cette notion
est donc centrale. On fait souvent une analogie avec les langages humains : dire "bonjour" pour commencer une
conversation ne se fait pas de la même façon selon les cultures, les protocoles sont différents. De même, je ne
serais peut-être pas sensible aux protocoles de séduction des koalas, ce qui serait regrettable tant cet animal a
l’air sympathique.
Le modèle OSI nous permet de ne plus confondre le Web et Internet : le Web, via le protocole HTTP,
14
est seulement une des nombreuses applications fonctionnant sur Internet, qui lui est un ensemble de réseaux
interconnectés.
Les protocoles peuvent être ouverts et devenir des standards. Ils sont alors décris dans des textes publics dont
nous avons accès et qui sont approuvés par des organismes de normalisation nationaux, internationaux ou privés.
L’intérêt est de poser un référentiel commun pour rendre le système ouvert, stable et modulaire. Vous verrez en
fouillant sur le Web, beaucoup d’acronymes concernant les documents et organismes. Il est intéressant d’avoir
une petite idée de ce que signifient les plus connus : RFC, IEN, ISO, ANSI, AFNOR, IETF, IEEE. Le protocole
UDP par exemple, est décrit dans la RFC 768 (Requests For Comments) datant de 1980 selon les mécanismes
définis par l’IETF. C’est une évidence, mais il y a bien des hommes et une histoire derrière ces protocoles.
Dans la construction d’un paquets, les données utiles, celles de l’utilisateur ou du processus sont entourées, on
dit encapsulées, par des informations gérées par les protocoles inférieures, comme les en-têtes (header). Celles-ci
répondent aux besoins de chaque protocole et identifie le paquet à travers le réseau.
15
Chaque en-tête a des champs spécifiques qui ont une taille précise mesurée en octets et qui sont codés. Par
exemple, dans l’en-tête IPv4, un champ codé sur 8 bits définit le protocole utilisé par la couche supérieure, la
couche transport. S’il s’agit d’un paquet UDP, ce champ est 00010001, soit 17 en décimal ou 0x11 en hexadécimal.
Une liste des nombres utilisés permet de déterminer le protocole. Ces champs peuvent être visualisés par des
programmes qui analysent les paquets ou "sniffers)" comme Wireshark.
Nous aurons besoin plus loin de connaître la composition de la trame ZigBee.
2.2
Communication série
Pour transmettre des données, il faut :
– coder les données (émetteur) pour qu’il y ait le moins de pertes possibles ;
– les acheminer via un support physique ;
– les décoder (récepteur) suivant les mêmes règles.
Au niveau physique, il s’agit surtout de l’envoi en série d’états électriques binaires (0 ou +5V par exemple).
Le signal numérique est converti en signal analogique par des modems et transporté sur des supports filaires
à base de cuivre ou de fibre optique, ou bien à travers le milieu aérien pour les transmissions non filaires. La
transmission numérique des données est un ensemble de techniques fascinantes, qui consiste à trouver la meilleure
solution pour transmettre les niveaux électriques représentant les bits.
2.2.1
Duplex / transceiver
La communication avec le module XBee s’établit par une communication série asynchrone. C’est très
pratique, il suffit de quatre fils : deux pour l’alimentation (la masse et le +), un pour la réception et un pour
l’émission. En effet le XBee permet de recevoir et d’émettre des données en même temps, on dit qu’il est full
duplex, contrairement à la radio FM qui envoient les informations dans un seul sens (simplex) et au talkie-walkie
qui ne permet pas à deux émetteurs de parler en même temps (half-simplex). On dit aussi que le XBee est un
transceiver qui est la contraction de TRANSmitter (émetteur) et de reCEIVER (récepteur).
16
2.2.2
Liaison série / parallèle
On distingue ensuite deux types de communications : série ou parallèle. La première nécessite moins de fils,
toutes les données sont envoyées à la suite les unes des autres sur le même fil. La seconde est aujourd’hui moins
utilisée du fait des perturbations dûes à la promiscuité des fils sur une nappe parallèle et aussi grâce à la rapidité
de traitement des ordinateurs actuels.
"Dans une liaison en série, les données sont envoyées bit par bit sur la voie de transmission.
Toutefois, étant donné que la plupart des processeurs traitent les informations de façon parallèle,
il s’agit de transformer des données arrivant de façon parallèle en données en série au niveau de
l’émetteur, et inversement au niveau du récepteur. Ces opérations sont réalisées grâce à un contrôleur de communication (la plupart du temps une puce UART, Universal Asynchronous Receiver
Transmitter). Il fonctionne grâce à un registre à décalage. Le registre de décalage permet, grâce
à une horloge, de décaler le registre (l’ensemble des données présentes en parallèle) d’une position
à gauche, puis d’émettre le bit de poids fort (celui le plus à gauche) et ainsi de suite." (source :
http ://www.commentcamarche.net/contents/transmission/transnum.php3)
"Serial : Used for communication between the Arduino board and a computer or other devices.
All Arduino boards have at least one serial port (also known as a UART or USART) : Serial. It
communicates on digital pins 0 (RX) and 1 (TX) as well as with the computer via USB. Thus, if
you use these functions, you cannot also use pins 0 and 1 for digital input or output." (source :
http ://arduino.cc/en/Reference/Serial)
17
"Toute l’astuce d’une liaison série asynchrone repose sur la forme des signaux envoyés ; signaux qui
permettent une synchronisation du récepteur sur chaque caractère reçu. Examinez la figure ci-dessus
qui représente la transmission asynchrone de l’octet 01010010 (caractère ASCII "R", valeur décimale
82). Au repos (idle) la ligne de transmission est à l’état logique haut. La transmission débute par le
passage à 0 de cette ligne pendant une période de l’horloge de transmission ce qui constitue le bit de
start (ce qui signifie début ou départ). Les bits du mot à transmettre sont ensuite envoyés derrière ce
bit de start comme dans une transmission série synchrone et, après le dernier bit utile, la ligne passe
à nouveau à l’état haut pendant une ou deux périodes d’horloge pour constituer ce que l’on appelle
le ou les bits de stop." (source : http ://www.tavernier-c.com/serie.htm)
2.2.3
Synchrone / asynchrone
On distingue encore deux modes de communication qui spécifie le type de synchronisation entre l’émetteur et
le récepteur : synchrone et asynchrone. Il faut en effet échantillonner le signal à la même cadence pour récupérer
les bits dans l’ordre qui constituront le message d’origine. Dans le mode asynchrone, il s’agit de se mettre d’accord
à la connexion sur une vitesse de transmission, la synchronisation se faisant ensuite par les bits de start et de
stop. Le mode synchrone dédie un fil pour la synchronisation, c’est le signal d’horloge (clock).
18
2.2.4
Baud / bits par seconde
La vitesse de transmission est mesurée en bauds qu’il ne faut pas confondre avec le débit binaire qui mesure
la quantité d’informations en bits par seconde bps. Le baud est le nombre de symboles transmis physiquement
par seconde, alors que le bit désigne une unité d’information. La confusion vient du fait qu’au début les modems
transmettaient seulement 1 bit par baud, le débit en bits par seconde était donc équivalent au nombre de bauds.
Aujourd’hui, il est souvent possible de transmettre plusieurs bits par symbole. La mesure en bps de la vitesse de
transmission est alors supérieure à la mesure en baud. La forumle est la suivante : bps = baud * number of bits
per baud.
Dans l’exemple ci-dessus, le nombre de symboles possible à un instant donné est de quatre : 00, 01, 10,
11. Ces symboles peuvent correspondre à des états électriques différents comme -5V, -3V, +3V, +5V ou à des
modulations d’amplitude, de fréquences ou de phases différentes. Le tout est de pouvoir distinguer au mieux les
symboles. Dans cet exemple, le débit en bauds est de 4 symboles par seconde, et 2 bits sont transmis par symbole.
Le débit binaire est donc le double du débit en bauds. 8 bps = 4 baud x 2 bits per baud.
La valeur 9600 bps est souvent utilisée. Elle reflète la limite (ancienne) de certains modems de ne transmettre
que 1200 baud et la technique communément utilisée de modulation. Cette modulation d’amplitude en quadrature
permet de coder 8 bits par baud en associant une modulation d’amplitude à une modulation de phase. 9600bps
= 1200 baud * 8 bits per baud. Pour Arduino, les débits possibles sont : 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400,
19
19200, 28800, 38400, 57600, or 115200 bps.
2.2.5
Norme RS 232
Cette norme est encore très souvent utilisée notamment au travers des puces FTDI qui équipent les anciennes
Arduinos et dans les cartes d’interface qui permettent de communiquer en série avec le module XBee. Les nouvelles
cartes Arduino Uno utilisent un ATmega328 à la place.
"Les signaux logiques aux niveaux TTL ou CMOS acceptent assez mal de voyager sur plus de
quelques centimètres car leurs formes se dégradent alors à un point tel que leur exploitation devient
impossible. Pour établir une liaison série sur une distance raisonnable, allant de quelques dizaines
de centimètres à plusieurs centaines de mètres, diverses normes ont donc vu le jour. Même si elle
commence à être quelque peu attaquée par la norme RS 422 ; la célèbre norme RS 232 a encore un bel
avenir devant elle vu sa présence quasi constante sur tous les équipements informatiques. Cette norme
RS 232, appelée aussi CCITT V24 ou encore V24 « tout court », est d’origine américaine et définit
deux choses : les niveaux électriques des signaux utilisés pour la transmission mais aussi un certain
nombre de lignes, autres que les lignes d’émission et de réception de données, ayant des fonctions de
contrôle. Cette norme est très précise et, théoriquement, il est possible de connecter directement et
sans problème deux équipements qui la respectent ; malheureusement ce n’est pas toujours le cas car
de nombreux appareils ne suivent qu’une partie de la norme. Au point de vue niveau, cette norme
est très simple : tout signal de niveau compris entre +3 et +25 volts est considéré comme étant au
niveau logique A alors que tout signal compris entre -3 et -25 volts est considéré comme étant au
niveau logique B. A et B sont quelconques et peuvent être 0 ou 1 selon que l’on travaille en logique
positive ou négative." (source : http ://www.tavernier-c.com/serie.htm)
2.3
Réseaux sans fils
Le standard IEEE 802.15.4 décrit les règles et fonctionnalités sur lequel se base le ZigBee mais pas uniquement.
Il fait partie d’un ensemble plus vaste, dont la racine est le groupe de travail 802.15 et encore plus en amont le
groupe 802 qui spécifie les standards des réseaux personnels sans fil (WPAN). Voyez ici, les différents groupes
concernés et leurs buts. Familiarisons-nous rapidement avec ces nombres à rallonge ...
Quand on aborde les réseaux sans fil, on est confronté au paramètre de portée, c’est-à-dire jusqu’à quelle
distance l’information peut-elle être transportée en bonne état. Des catégories de réseau ont ainsi été créées pour
différencier les zones géographiques : PAN, LAN, MAN, WAN. Cela ne concerne pas uniquement les réseaux sans
fils puisqu’un réseau Ethernet, très commun dans les entreprises ou les associations, peut être un PAN ou un
LAN.
20
Pour la transmission de données dans le milieu aérien, plusieurs options sont possibles. On utilise souvent des
ondes électromagnétiques dans le domaine radio utilisant des fréquences porteuses réservées selon les pays. Vous
verrez souvent les mêmes valeurs en France : 433Mhz et 2,4Ghz (comme le four micro-ondes).
Ne sont répertoriés ici que les systèmes utilisant les radio-fréquences. Il existe aussi des transmissions par
infra-rouges, qui sont directionnelles alors que les ondes radio sont omnidirectionnelles. Cela limite beaucoup
leur utilisation. Les infra-rouges sont aussi des ondes électromagnétiques mais leur fréquence est beaucoup plus
élevée. Elles n’utilisent donc pas d’antennes mais des émetteurs et récepteurs infra-rouges sous la forme de LEDs
le plus souvent. C’est le cas des télé-commandes de garage ou de télévision par exemple.
21
Vous pouvez utiliser n’importe quelle technique, cependant il faut prendre de soin de cerner les buts de votre
réseau sans fil et les contraintes des technologies disponibles : infra-rouge, 433Mhz, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee,
GPS, RFID et bien d’autres que je ne connais sûrement pas. Dites-vous qu’il existe des montages avec Arduino
pour toutes ces techniques.
Notes sur le 433Mhz
Les montages avec des dispositifs 433Mhz sont très économiques (˜8€), ils peuvent suffire dans certains cas.
La différence de taille avec une transmission Bluetooth, Wi-Fi ou ZigBee c’est que les données sont envoyées sans
contrôles, c’est-à-dire que l’on n’est pas sûr qu’elles soient arrivées correctement du fait des interférences, des
obstacles et de tout ce qui peut gêner les ondes. Si l’application n’est pas vitale, si quelques erreurs de temps
en temps sont acceptables par le système alors cette solution peut être pertinente. En revanche, si les données
sont critiques, reliées par exemple à un robot géant dans un lieu public ou à des appareils médicaux, cela n’est
pas envisageable. On préfèrera dans ce cas des transmissions contrôlées et sécurisées par un protocole comme le
Bluetooth, le Wi-Fi ou bien le ZigBee. Pour le 433Mhz, deux autres solutions sont tout de même possibles pour
contourner le problème : essayer de vérifier vous-même les erreurs dans votre programme mais cela demande une
bonne compétence en programmation ou le APC220 qui semble pouvoir fournir les vérifications demandées.
Exemples de montages Arduino / 433Mhz :
– http ://faitmain.org/janvier-2013/dispositifs.html
– http ://www.glacialwanderer.com/hobbyrobotics/ ?p=291
ZigBee/Bluetooth/Wi-Fi
22
Le schéma ci-dessus permet de comparer le ZigBee, le Bluetooth et le Wi-Fi en termes de portée et de
débits. Une courte vidéo présente les caractéristiques principales dans le choix des technologies sans fil :
http ://www.youtube.com/watch ?v=buV11ZPJ7MQ
23
3
Configuration
Une fois le matériel acheté comme indiqué dans la partie 1, il ne reste plus qu’à assembler notre premier
montage, à établir une connection avec l’ordinateur et connaître la syntaxe pour configurer le module XBee.
3.1
Montage
Souder l’adaptateur XBee, il permet juste d’avoir des contacteurs avec le bon espacement pour pouvoir
enfoncer le module dans une platine d’essais. Placer la carte FTDI. Connecter l’ensemble suivant le schéma.
3.2
Connaître son matériel
Sous Linux et Mac OSX, en ouvrant un Terminal, on peut taper quelques commandes pour savoir si le module
est bien reconnu par votre ordinateur : dmesg | tail , lsusb, ls /dev/tty*
24
Les réponses du terminal à ces commandes indiquent que l’adaptateur série est bien connecté à l’ordinateur,
vous voyez FTDI USB Serial Device ou FT232 USB-Serial, son identifiant est ttyUSB0.
3.3
Terminal
L’idée maintenant est de pouvoir envoyer des commandes au module et de recevoir ses retours. Pour cela
il faut utiliser un programme, appelé Terminal ou plus précisément émulateur de terminal. On l’utilise, dans
notre cas, pour communiquer en série avec le port ouvert par le contrôleur USB. Des spécifités existent entre les
systèmes d’exploitation que je ne peux répertorier (pour Windows : programme Putty et Xctu à télécharger).
Trois possibilités :
– dans le logiciel Arduino, il y a un moniteur série
– sur Linux, installer le logiciel screen pour avoir un utilitaire ultra simple : sudo apt-get install screen. Et
ensuite, vous avez accès au port série avec la commande : screen /dev/ttyUSB0 9600. Le logiciel screen
se connecte au port série de notre adaptateur FTDI. Si vous avez lu la partie concernant la communication
en série (partie 3), vous ne serez pas surpris de voir le chiffre 9600. En effet, comme il s’agit d’une communication asynchrone, il faut se mettre d’accord sur le débit en binaire (bits/seconde). Commandes utiles de
screen : Ctl-A ? : help et Ctl-A \ : quit (en tapant "y" pour "yes")
– Une autre solution, sans doute la meilleure, car très agréable à utiliser et multi-plateforme : télécharger le
programme de Tom Igoe
– xbeeSerialTerminal : http ://www.itp.nyu.edu/physcomp/uploads/xbeeSerialTerminal.zip
– ce programme est écrit avec le logiciel Processing (à télécharger aussi si vous ne l’avez pas). Ouvrez-le
avec et lancer-le ou mieux, exportez-le en une application java pour un confort d’utilisation optimale.
– il permet de visualiser les commandes et les retours les uns à la suite des autres, contrairement au
logiciel screen qui n’utilise qu’une seule ligne pour l’envoi et la réception, ce qui est une source de
confusion.
– faire attention, le programme ouvre par défaut le premier port série ouvert. Donc si deux modules
séries sont connectés (une Arduino en est un), seul un, que l’on ne peut pas choisir est accessible.
25
Voici un exemple de communication avec le programme de Tom Igoe.
3.4
Modes
Le XBee possède trois modes : TRANSPARENT, COMMAND et API. Le mode TRANSPARENT est
le mode par défaut à la mise en marche du module, celui qui reçoit et envoie les données. Le mode COMMAND
permet de configurer le module, ses entrées, ses sorties, son adresse, l’adresse de destination de ses messages, etc.
Le mode API est un peu plus compliqué et pour dire vrai, je n’ai pas encore pu l’expérimenter avec succès. Une
API (Application programming interface) est un terme bien connu en informatique. Il désigne une interface fournie
par un programme informatique, c’est-à-dire un ensemble de fonctions qui facilitent la programmation d’un côté
et qui de l’autre communique en langage binaire pour le XBee, sous forme de paquets. Je crois comprendre que
ce mode devient utile quand il s’agit de construire des messages au format XBee à partir d’un ordinateur ou d’un
microcontrôleur comme Arduino. Le mode API n’est possible qu’avec une connection locale en série et filaire
avec l’ordinateur ou la Arduino, pas entre modules XBee.
3.5
Commandes AT
MODE COMMAND Ouvrez le terminal choisi. Avant tout, il faut dire au XBee que l’on veut quitter le
mode TRANSPARENT pour entrer dans le mode COMMAND. Pour cela il faut prendre le coup de main, suivez
bien ces instructions à la lettre :
– Taper +++ et attendre 1 seconde sans appuyer sur aucune autres touches, le message OK devrait alors
s’afficher comme sur l’image du terminal juste en haut. Par ce OK, le XBee nous signale qu’il passe en
mode COMMAND et qu’il est prêt à recevoir les messages de configuration.
– Si vous attendez plus de 10 secondes sans appuyer sur une touche, le XBee revient en mode TRANSPARENT. Vous devez alors retaper +++ pour revenir en mode COMMAND.
COMMAND AT
Dans les télécommunications, l’ensemble de commandes Hayes est un langage de commandes
spécifiques développé pour le modem Hayes SmartModem 300 en 1981. Les commandes sont une série
de mots courts qui permettent de contrôler le modem avec un langage simple : composer un numéro de
téléphone, connaître l’état de la ligne, régler le volume sonore, etc. Ce jeu de commandes s’est ensuite
retrouvé dans tous les modems produits (sources : http ://fr.wikipedia.org/wiki/Commandes_Hayes,
http ://en.wikipedia.org/wiki/Hayes_command_set).
Pour avoir un aperçu rapide des commandes disponibles pour le XBee, télécharger le guide de référence des
commandes AT de Sparkfun
TEST La syntaxe est simple, il faut taper AT, puis le nom de la commande, les options si besoin et appuyer
sur la touche <Entrée>. Essayez donc ces commandes pour faire vos premiers tests :
– +++ (attendre OK)
26
– > OK
– ATMY1234 <Enter>
– > OK
– ATMY <Enter>
– > 1234
Vous avez défini ici l’adresse du module à 1234 (ATMY 1234) puis demander quelle était votre adresse
(ATMY).
3.6
Adressage
Pour tout XBee, il faut impérativement définir l’adresse du réseau ATID, son adresse personnelle ATMY
et si besoin, l’adresse de destination des paquets ATDL.
3.7
Entrées / sorties
27
Le XBee series 1 possède un certain nombre d’entrées et sorties. Les sorties analogiques sont PWM0 et PWM1.
Les entrées et sorties numériques sont DIO1, DIO2, DIO3, DIO4, DIO5, DIO6, DIO7 ("DIO" pour Digital Input
Output). Les entrées analogiques sont : AD1, AD2, AD3, AD4, AD5 ("AD" pour Analog Digital, l’échantillonnage
des tensions analogiques converties en numérique). Pour trouver la bonne commande AT, on peut se référer au
pages 12, 31, 39 et 43 du manuel (.pdf) ou à l’image ci-dessous.
Par exemple, si l’on veut configurer le XBee pour qu’il capte un bouton poussoir sur l’entrée numérique 1, il
faudrait écrire ATD1 3. D1 pour pin19 (DIO1, AD1) et 3 pour Digital Input.
Il faut savoir que les entrées fonctionnent par paire, c’est la notion de "line passing". L’entrée 0 du XBee#2
correspond à la sortie 0 du XBee#1. Comme il y a deux sorties 0 (PWM0, DIO0), alors si on veut avoir deux
sorties différentes il faut choisir une autre sortie DIO1 pour l’autre LED.
28
3.8
Mode API
En mode API, on peut reconstituer la trame ZigBee pour communiquer directement en binaire avec le module.
Voilà, ce que ça pourrait donner en langage Arduino, pris sur http ://www.faludi.com/classes/sociableobjects/code/XBee_A
Une autre solution, au lieu de reconstituer la trame, utiliser une bibliothèque spéciale :
– http ://code.google.com/p/xbee-api/wiki/WhyApiMode
– http ://www.instructables.com/id/Configuring-XBees-for-API-Mode/
– http ://rubenlaguna.com/wp/2009/03/12/example-of-xbee-api-frames/
D’autres infos :
– http ://domotique.benchi.fr/domotique/definition-des-trames-du-reseau-zigbee/
– http ://domotique.benchi.fr/domotique/zigbee-oem-rf-modules-trame-complete/
29
4
Montages
4.1
XBee > XBee
On peut faire un montage très simple, le montage direct entre deux modules XBee. Il met deux capteurs sur
le XBee#2, un bouton poussoir et un potentiomètre et deux actionneurs sur le XBee#1, deux LEDs. Le bouton
allume et éteint une LED en on/off (digital), le potentiomètre allume et éteint l’autre LED de façon progressive
(en PWM).
XBEE#2 : émetteur (INPUT)
XBEE#1 : receveur (OUTPUT)
30
Configuration
+++
ATRE
ATID
ATMY
ATDL
ATIR
ATIT
ATIU
ATIA
ATD0
ATP0
ATD1
ATD1
ATWR
ATCN
Sort du mode configuration
4.2
INPUT
OUTPUT
1111
1
0
14
5
1
2
3
1111
0
1
1
2
-
-
Restaure les paramètres par défaut
Adresse du réseau
Adresse du module dans le réseau
Adresse du destinataire dans le réseau
Taux d’échantillonnage 20ms (14 en hexadecimal) (p.43 du manuel
Nombre d’échantillon à effectuer avant l’envoi des données
I/O output enabled : autoriser émission des I/O sans passer par l’U
I/O input from address 1
POTENTIOMETRE : D0 pour pin20 (DIO0, AD0) et 2 pour ADC
LED : P0 pour PWM 0 et 2 pour PWM mode (p.31)
BOUTON : D1 pour pin19 (DIO1, AD1) et 3 pour Digital Input
LED : D1 pour pin19 (DIO1, AD1) et 4 pour Digital Out Low Sup
Écrit la nouvelle configuration dans la mémoire flash du module
4
XBee > XBee/ordinateur
31
Avec le même montage, on peut visualiser dans le terminal, les informations reçues par le XBee#1 avec le
convertisseur relier à l’ordinateur. Ces informations ne sont cependant pas tout à fait compréhensibles dans le
terminal, on ne voit pas de chiffres par exemple car il s’agit de paquet ZigBee.
4.3
XBee/Arduino > XBee/ordinateur
L’Arduino capte un bouton poussoir et envoie un message tout ou rien au XBee#1 pour allumer la LED.
Cette fois, on peut voir dans le terminal les informations de façon compréhénsible.
Montage émetteur
Code émetteur
Téléchargement : ./ressources/xbee-arduino/code/emetteur. Simplification du code de Robert Faludi.
32
4.4
XBee/Arduino > XBee/Arduino
Montage récepteur
L’émetteur est le même que précédemment, une Arduino avec un bouton poussoir et le XBee2.
33
Code récepteur
Téléchargement : ./ressources/xbee-arduino/code/recepteur. Simplification du code de Robert Faludi.
On configure tout d’abord le module XBee1 pour qu’il reçoive les données de l’autre XBee.
34
Et on récupère les données du port Série. Ce bout de code est un peu plus compliqué. Pour l’instant il ne
permet de recevoir qu’une donée à la fois.
Limites
En pratique, on voudrait avoir la possibilité d’envoyer plusieurs données différentes provenant de plusieurs
capteurs et d’actionner plusieurs sorties. Les méthodes présentées ici ne le font pas. Pour cela, deux options
semblent envisageable : construire des messages série plus compliqués avec un identifiant (comme ici) ou bien
utiliser l’API XBee pour Arduino.
35
5
Ressources
5.1
Livres
– Building Wireless Sensor Networks, de Robert Faludi. Cet ouvrage se consacre uniquement au XBee de la
série 2 pour la mise en place de réseaux maillés.
– Making Things Talk, de Tom Igoe : présente les communications Ethernet, infra-rouge, radio, XBee, GPS.
Attention, le XBee utilisé est de la série 1 et un seul montage XBee est disponible qui est décevant. Il faut
plutôt choisir ce livre pour le support d’informations concernant un ensemble de communications.
5.2
–
–
–
–
–
–
5.3
–
–
–
–
–
5.4
Manuels et références
Le manuel du XBee 802.15.4 (Series 1) : http ://ftp1.digi.com/support/documentation/90000982_B.pdf
Series 1 : http ://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-Datasheet.pdf
XBee Znet 2.5 (old Series 2) : http ://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-2.5-Manual.pdf
ZB (current Series 2) : http ://ftp1.digi.com/support/documentation/90000976_G.pdf
Guide de référence des commandes AT : http ://www.sparkfun.com/datasheets/Cellular%20Modules/AT_Commands_R
Comparaisons des modules : http ://www.digi.com/pdf/chart_xbee_rf_features.pdf
Téléchargements
XBee Serial Terminal (processing) : http ://www.itp.nyu.edu/physcomp/uploads/xbeeSerialTerminal.zip
Code Arduino : http ://www.faludi.com/classes/sociableobjects/code/XBee_Analog_Duplex_Sender.pde
Codes Arduino de mes exemples : http ://jeromeabel.net/files/ressources/xbee-arduino/code/
Schémas électroniques - Fritzing : http ://fritzing.org/
Schémas électroniques - Eagle : http ://www.cadsoftusa.com/download-eagle/ ?language=en
Sites
– Magasins d’électronique : http ://codelab.fr/177
– Quelques astuces pour bien choisir le XBee : XBee buying guide
– http ://www.faludi.com/projects/common-xbee-mistakes/
– http ://www.faludi.com/bwsn/xbee-level-shifting/
– http ://wiki.labomedia.org/index.php/Xbee
– http ://www.kobakant.at/DIY/ ?p=1215
– http ://bildr.org/2011/04/arduino-xbee-wireless/
– http ://itp.nyu.edu/physcomp/Tutorials/XbeeBasics
– http ://examples.digi.com/
– http ://www.csquad.org/tag/xbee/
– http ://iris.appert44.org/˜plegal/index.php/ZigBee-doc-travail
– http ://www.pobot.org/-Reseaux-ZigBee-.html
– http ://veille-techno.blogs.ec-nantes.fr/index.php/2012/01/06/wi-fi-bluetooth-zigbee-et-la-domotique/
– http ://fisherinnovation.com/simple-xbee-communication-with-arduino/
– http ://www.instructables.com/id/Configuring-XBees-for-API-Mode/
– http ://www.cooking-hacks.com/index.php/documentation/tutorials/arduino-xbee-shield
– http ://www.johnhenryshammer.com/WOW2/mainPage.php
– http ://djynet.net/ ?p=96
– http ://www.ucopia.com/uploads/newsletters/01/part3.htm
– http ://homewireless.org/wp/2010/05/antennas-part-1/
– http ://john.crouchley.com/blog/archives/750
– http ://domotique.benchi.fr/domotique/zigbee-2/
En savoir plus sur les réseaux :
– Liaisons série et parallèle
– Bauds et bps
– Transport de l’Information
– Notion de valence.
– http ://www.siteduzero.com/informatique/tutoriels/les-reseaux-de-zero
– http ://sebsauvage.net/comprendre/tcpip/
– http ://www.software-engineer-training.com/higher-layer-network-protocols/transmission-control-protocoltcp/
– http ://www.zeitoun.net/articles/les_protocoles_reseaux/start
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