研究ノート長野県工技センター研報 No.9, p.e13-e17 (2014) XBee( シリーズ 1) 用 1:n 通信プロトコルの開発 * 浜淳 * 1 Development of Point-to-Multipoint Protocol for XBee (Series1) Atsush

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まなおとじま
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1 研究ノート長野県工技センター研報 No.9, p (2014) XBee( シリーズ 1) 用 1:n 通信プロトコルの開発 * 浜淳 * 1 Development of Point-to-Multipoint Protocol for XBee (Series1) Atsushi HAMA XBeeは技術基準適合証明を受けた2.4GHz 帯無線データ通信用モジュールであり, 無線免許の不要な, 手軽に使える無線モジュールである XBeeはシリーズ1とシリーズ2があるが, その内のシリーズ1を用い,OSI モデルのネットワーク層からアプリケーション層までをカバーする通信プロトコルを開発し, 独自の1:nネットワークを構築したので報告するキーワード : 技術基準適合証明, 無線免許, 通信プロトコル, 無線モジュール, ネットワーク 1 はじめに通信秘匿性の重要度, 設備コスト, 通信速度などの条件が折り合えば, 無線通信はとても便利な手法である現在では無線局免許の必要が無い微弱無線や, 技術基準適合証明を取得しているモジュールが多数市場にあり, ニーズに合わせて選択可能である XBee も技術基準適合証明を取得した製品のひとつで, アンテナ, 高周波回路, 信号処理回路など, 無線通信に必要なハードウェアが全て実装された,2.4GHz 帯無線データ通信用モジュールである良く聞かれる名称に ZigBee があるが, これは ZigBee Alliance という民間団体が策定している規格の名称である元々は, ホームオートメーションへの応用を念頭に考案された表 1 に XBee の仕様を示す XBee にはシリーズ 1 とシリーズ 2 がある 1)2) シリーズ 1 は I に準拠し,Point to Point と呼ばれる 1:1 の通信, または Point to Multi Point と呼ばれる 1:n の通信が可能である I は, 図 1 に示すように ZigBee の OSI モデルの中の物理層と MAC 層に相当している 1:n 通信ではひとつのコーディネータ ( 親機 ) と複数のエンドデバイス ( 子機 ) でネットワークを構成するコーディネータはネットワーク内に必ずひとつ必要であるまた, エンドデバイスは各種センサ値を収集し送信するためのモジュールである各モジュール間の距離は無線到達距離である 1 ホップ以内に制限されるエンドデバイス間で通信する場合にはコーディネータを介して行うシリーズ 2 は I 上に ZigBee プロトコルスタックを搭載し, クラスタツリーやメッシュと呼ばれるネットワーク通信形態にも対応しているコーディネータとエンドデバイスに加え, ルー * 受託研究の一部 * 1 情報システム部項目シリーズ 1 シリーズ 2 通常版 PRO 版通常版 PRO 版供給電圧 (V) 2.8~ ~ ~3.4 送信電流 (ma)(@3.3v) 受信電流 (ma)(@3.3v) IDL 電流 (ma)(@3.3v) 送信出力 (mw) 受信感度 (dbm) 通信距離 (m)( 屋内 ) ( 屋外 ) 表 1 XBee の仕様 RF データ転送レート (kbps) 250 タ ( 中継器 ) が通信に介在するためホップ数が増えても通信可能である特に, メッシュは自動的に通信ルートを再構成する機能があるため, 堅牢な通信網が構築可能であるシリーズ 1 とシリーズ 2 を比較すると, シリーズ 2 の方が ZigBee プロトコルスタックを実装し, 更に低消費サポートトポロジ 1:1, 1:n :1, 1:n メッシュチャネル数アプリケーション層アプリケーションサポートサブ層ネットワーク層 MAC 層物理層図 1 ZigBee の OSI モデル ZigBee Alliance かベンダーが規定 I で規定 ZigBee Alliance で規定

2 表 2 XBee シリーズ 1 API の種類 API フレーム名称 TX(Transmit) Request: 64-bit address TX(Transmit) Request: 16-bit address コマンド ID 0x00 0x01 解説相手先アドレスを 64 ビットで指定しする相手先アドレスを 16 ビットで指定しする API フォーマット Start Delimiter Byte 1 Length Bytes 2-3 Frame Data Bytes 4-n Byte n+1 0x7 MSB LSB API-specific Structure Check sum AT Command 0x08 自ノードに AT コマンドを発行する AT コマンドモードでの操作を API モードから実行する AT Command-Queue Parameter Value 0x09 AT コマンドの発行を一旦止める実行はコマンド ID:0x08 の発行か "AC" コマンドの実行まで保留される Remote Command Request 0x17 相手先に AT コマンドを発行する TX Request 16-bit address 64-bit Address 0x80 相手先アドレス 64 ビットによるデータの受信 0x01 16-bit Address 0x81 相手先アドレス 16 ビットによるデータの受信 Byte 5 Bytes 6-7 Byte 8 Byte(s) 9-n 64-bit Address IO 0x82 相手先アドレス 64 ビットによる,Xbee 入出力の状態をデータとして受信 Frame ID Destination Address Options RF Data 16-bit Address IO AT Command Response TX(Transmit) Status Modem Status Remote Command Response 0x83 0x88 0x89 0x8A 0x97 相手先アドレス 16 ビットによる,Xbee 入出力の状態をデータとして受信 AT コマンド応答コマンド ID:0x08 からの応答になるコマンド ID:0x00 あるいは 0x01 で行った送信に対するステータスの返信リセットからの復帰, ネットワークに参加したなど, 状態が変化した時に Xbee から送られてくる相手からのリモート AT コマンドに対する応答 RX Packet 16-bit address 0x81 Bytes 5-6 Byte 7 Byte 8 Byte(s) 9-n Source Address RSSI Options RF Data 電力を実現しているため, 使われる頻度が高いと思われる今回, 受託契約先企業が保有する在庫の有効利用を目的にXBeeシリーズ1 通常版 ( チップアンテナ ) を用い, 1:nネットワークを構築する事になった XBeeシリーズ1 では1:n 通信は可能だと謳ってはいるが, 実際の通信プロトコルが提供されているわけではないそこで,OSIモデルでネットワーク層からアプリケーション層までをカバーする,1:n 通信に対応したプロトコルを開発した 2 開発 2.1 API を利用利用した通信方法 XBeeを用いて1:n 通信を行うには,XBeeが提供する API(Application Programming Interface) モードを用いる必要がある 3) XBeeシリーズ1では表 2に示す13 種類のAPI フレームをサポートしているこの内背景が白色の 4つの APIを用い, 通信プロトコルを開発する各エンドデバイスの指定やデータ通信に用いるのはTX Requestフレーム (ID 0x01) である Rx Packet(ID 0x81),TX Status(ID 0x89) とModem Status(ID 0x8A) の各フレームはXBeeが自動的に発行するフレームである APIフォーマットと, 使用する各 APIコマンドのフレーム構造を図 2に示す APIフォーマットはスタートデリミタ (1バイト), フレームデータ長 (2バイト), フレームデータ及びチェックサム (1バイト) で構成される TX Status Modem Status 0x89 Byte 5 Bytes 6 Frame ID Status Byte 5 0x8A 図 2 API フレーム構造スタートデリミタの値は0x7 固定であるフレームデータはAPIフレーム毎に構造が定義されている TX Requestは用フレームである Frame ID に0 以外の値を設定すると, 送信が無事に行われたかどうかをTX Statusフレームで確認できる Destination Address には, 通信相手先アドレスを指定する Optionsには0を設定する RF Dataは実際に送信するデータの領域で, 最大 100バイトである

3 ホストサーバコーディネータエンドデバイスマイコン DIN DOUT RTS XBee CTS 時間要求要求測定エラー発生, 再送信要求図 3 マイコンと XBee の接続データ再送信 C : コーディネータ : エンドデバイス図 5 各端末間の状態遷移 RX Packet はデータ受信用フレームである XBee が生成する Source Address には送信元のアドレスが入る RSSI には受信感度を示す値が入る RF Data には最大 100 バイトのデータが入る TX Status は送信結果のステータスを示すフレームである XBee が生成する Status が 0 ならば送信成功である Modem Status はリセット情報, ネットワーク情報などを伝えるフレームである XBee が生成する XBee モジュールの制御やデータの送受信は, 全て UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 経由で行う図 3 に示すように, 使用する信号線は DOUT, DIN の 2 本であるまた,API 通信を行う場合, ハードウェアフロー制御用信号の DTR,RTS はどちらも GND にする必要がある UART の通信速度は 250kbps まで可能である 2.2 設計仕様ホストサーバ設計仕様は以下のとおりである (1)1:n ネットワーク対応の仕組み C LAN 図 4 システム構成図 4 のシステム構成とするコーディネータとエンドデバイスはそれぞれマイコンで制御するそのうちコーディネータを制御するマイコンには Web サーバ機能を持たせる LAN 上のホストサーバ (Windows PC) からコーディネータに要求が発生すると, コーディネータは各エンドデバイスに通信許可を与える指定されたエンドデバイスは, 測定したデータをコーディネータに送信する収集したデータはホストサーバにあるデータベース (XAMPP) に保存するなお, 各エンドデバイスの通信許可は同時に1 台しか与えない仕組みとする (2) データ再送要求の実装通信エラーが発生した場合の再送処理に対応したプロトコルを実装する図 5はホストサーバ, コーディネータ, エンドデバイス3 者間の状態遷移を示している図中の点線で示しているのが再送要求と再送である実線で示しているのはエラーがない場合の処理であるホストサーバはシステム全体の時間を管理し, 一定時間経過毎にコーディネータにを要求するコーディネータは順番に各エンドデバイスを指定する指定されたエンドデバイスは送信に必要なデータを収集し, 結果をコーディネータに送信するコーディネータは受信したデータを HTTPプロトコルに変換しサーバへ送信する 4)5) (3) タイムアウト機能の実装コーディネータとエンドデバイス双方が同時に受信待ち状態となった場合, その状態が続くと通信は途絶してしまうその回避策としてタイムアウト機能を用意する 2.3 XBee のコンフィグレーション XBeeのコンフィグレーションを行うには,ZigBee Allianceメンバーであるディジインターナショナル社が無償提供しているX-CTUというターミナルソフトウェアを用いる主な設定箇所は以下の通りである (1) アドレスコーディネータは0 番地, エンドデバイスは1~255 番地に割り当てることとした (2) コーディネータ / エンドデバイスの選択 (3)APIコマンド動作の許可 (4) ボーレート設定 9,600bpsとした 3 結果通信環境の悪い屋内において,6m 程度離したコーディネータ, エンドデバイス両者間に障害 ( 高さ970mmのスチール製ロッカー ) を挟んだ状態で,1:1 通信,1:n 通信を行える事を確認した再送要求やタイムアウト機能も

1 API コマンド待ちデータ受信 4 2 モデムステータス測定 5 3 送信ステータスチェック図 8 エンドデバイス側回路 6 図 6 エンドデバイス側状態遷移図ホストサーバからの指示待ちエンドポイント指定 3 送信ステータスチェック正常に動作した実際の使用環境である屋外では全く問題なく使用可能と推測できるエンドデバイス, コーディネータの各プロトコルは,

1 エンドデバイスの状態遷移図図 6 はエンドデバイスの状態遷移図である各状態の説明は以下のとおりである状態 1: アイドル状態且つ命令待ち状態状態 2:XBee が生成した Modem Status コマンドを受信し, 状態 1 に戻る 1 2 4 一定時間以上経過モデムステータス API コマンド待ちデータ受信 5 図 7 コーディネータ側状態遷移図サーバへ転送図 9

4 1 API コマンド待ちデータ受信 4 2 モデムステータス測定 5 3 送信ステータスチェック図 8 エンドデバイス側回路 6 図 6 エンドデバイス側状態遷移図ホストサーバからの指示待ちエンドポイント指定 3 送信ステータスチェック正常に動作した実際の使用環境である屋外では全く問題なく使用可能と推測できるエンドデバイス, コーディネータの各プロトコルは, それぞれ状態遷移に基づいた設計を行った各状態遷移図を図 6, 図 7 に示す図中, エラーがない場合の状態遷移を実線で, エラーが発生した場合の状態遷移を点線で示しているまた, 図中の英数字は各状態を示しているまた, エンドデバイス, コーディネータ各回路を図 8, 図 9 に示す 3.1 エンドデバイスの状態遷移図図 6 はエンドデバイスの状態遷移図である各状態の説明は以下のとおりである状態 1: アイドル状態且つ命令待ち状態状態 2:XBee が生成した Modem Status コマンドを受信し, 状態 1 に戻る一定時間以上経過モデムステータス API コマンド待ちデータ受信 5 図 7 コーディネータ側状態遷移図サーバへ転送図 9 コーディネータ側回路状態 3:XBeeが生成したTX Statusコマンドを受信するエラーがある場合は状態 6に, 無ければ状態 1に戻る状態 4: コーディネータからのデータを受け取るエラーが無ければ状態 5に移行し, エラーが発生した場合は状態 1に戻る状態 5: コーディネータに送信するデータを生成し状態 6に移行する状態 6: コーディネータにデータを送信し状態 1に戻る 3.2 コーディネータの状態遷移図図 7はコーディネータの状態遷移図である LAN 上のホストサーバから指示があるまで, コーディネータを制御するマイコンはWebサーバとしての処理を行っている各状態の説明は以下のとおりである状態 1: エンドデバイスを指定し状態 2に移行する TX Requestフレーム内のRF Dataでエンドデバイスのアドレス1~255(1 バイト ) を指定することで, アプリケーション層からも通信エラーが発生しているかどうかの判断を可能とした現状では50 台程度のエンドデバイスの接続を想定している状態 2: エンドデバイスからの反応待ち状態一定時間経過してもAPIコマンドを受信しなかった場合には状態 1に戻すタイムアウト機能が働く状態 3:XBeeが生成したTX Statusコマンドを受信し, エラーがあれば状態 1に, エラーが無ければ状態 2に戻す状態 4:.XBeeが生成したModem Statusコマンドを受信し, 状態 2に戻す状態 5: エンドポイントからのデータを受信するエラーが無ければ無線通信に関する状態を抜けホストサーバにデータを送信するエラーが発生した場合には状態

5 に制御を戻す 4 おわりに通信プロトコルはC 言語で開発しているので, 移植性には全く問題が無い実際, 今回の開発では, エンドデバイス制御用マイコンにはPIC( 図 8), コーディネータ制御用マイコンはAVR( 図 9) を採用しているが, 共通のドライバソースである今後, このシステムで高速のデータ通信を行った場合の, 実用となる通信速度の上限を見極める予定である参考文献 1) 渡辺明禎. 定番無線モジュールXBeeの基礎知識. トランジスタ技術 12 月号 p ) 濱原和明. 多点センサで計測制御するならこれ! XBee. トランジスタ技術 9 月号 p ) XBee /XBee-PRO RF Modules Product Manual v1. xx Protocol.Digi International Inc ) 浜淳, 下平隆. 太陽光発電の高度利用に関する研究. 長野県工技センター研報 No.6 p ) 浜淳, 下平隆. 太陽光発電の高度利用に関する研究 ( 第 2 報 ). 長野県工技センター研報 No.7 p

論文番号分 2-2 平成 24 年度全国情報技術教育研究会第 41 回全国大会 ( 新潟大会 ) Xbee を活用した無線通信の研究期日平成 24 年 8 月 9 日 ( 木 )~10 日 ( 金 ) 場所長岡市シティホールプラザアオーレ長岡香川県立三豊工業高等学校電子科本行

論文番号分 2-2 平成 24 年度全国情報技術教育研究会第 41 回全国大会 ( 新潟大会 ) Xbee を活用した無線通信の研究期日平成 24 年 8 月 9 日 ( 木 )~10 日 ( 金 ) 場所長岡市シティホールプラザアオーレ長岡香川県立三豊工業高等学校電子科本行論文番号 2012- 分 2-2 平成 24 年度全国情報技術教育研究会第 41 回全国大会 ( 新潟大会 ) Xbee を活用した無線通信の研究期日平成 24 年 8 月 9 日 ( 木 )~10 日 ( 金 ) 場所長岡市シティホールプラザアオーレ長岡香川県立三豊工業高等学校電子科本行圭介 Xbee を活用した無線通信の研究香川県立三豊工業高等学校電子科本行圭介 1 はじめに現在様々な電子機器に無線通信機能が搭載されており

研究ノート 長野県工技センター研報 No.9, p.e13-e17 (2014) XBee( シリーズ 1) 用 1:n 通信プロトコルの開発 * 浜淳 * 1 Development of Point-to-Multipoint Protocol for XBee (Series1) Atsush

研究ノート長野県工技センター研報 No.9, p.e13-e17 (2014) XBee( シリーズ 1) 用 1:n 通信プロトコルの開発 * 浜淳 * 1 Development of Point-to-Multipoint Protocol for XBee (Series1) Atsush