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Ce document est tabli suite aux tests mens au cours de la ralisation du projet de Gestion dclairage dupylne Windela P12AB01 , par Sad LAKBAIDI & Sylvain THIERY, superviss par M. LAFFONT Jacques

POLYTECHCLERMONT FERRAND - DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE

Note dapplication La mise en veille des modules Xbee Srie 2

Auteur: LAKBAIDI Said

Tuteur technique : LAFFONT Jacques

Projet : P12AB01

Janvier 2012

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Dans cette note dapplication nous allons expliquer comment mettre en basseconsommation un module de communication ZigBee de type Xbee srie 2. Suivant deuxmthodes testes, et avant tout on mettra en vidences tous les registres et les paramtresncessaires pour tablir une communication ZigBee.

Introduction :

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I. Introduction aux modules Xbee Serie2

Les modules XBee serie 2 se prsentent sous la forme de

circuits tels que sur limage ct. Le circuit est quip de sa propreantenne planaire ou filaire ou dispose dune sortie antenne surconnecteur pour les applications ncessitant le dport de lantenne externe.

Les modules Xbee fabriqus par Maxtream (Digi) sont conus pour oprer avec le protocoleZigbee, une communication radio 2.4Ghz.

Ces modules utilisent des versions de firmwares qui peuvent tre mis jour partlchargement manuel depuis le site de Digi ou travers le logiciel X-CTU.

Les modules XBee Serie 2, en version normale ont une porte 30 100m en terraindcouvert. La version PRO d une puissance suprieure est destin couvrir des distancesde 100 1600m.

Les deux versions sont totalement compatibles. Et peuvent communiquer entre elles mais leplus judicieux serai dutiliser la mme version et pour une consommation minime il estconseill dutiliser les Xbee S2 version normale.

Porte intrieur : jusqu 30 m

Porte extrieur champs libre: jusqu 100m

Puissance dmission RF: 1 mW

Cou rant de repos: < 10 A

Frquence de fonctionnement: 2.4 GHz

Vitesse de transmission RF:250Kbps

Tension dalimentation entre 2,8 et 3, 4V

Il existe deux modes de fonctionnements du modules Xbee dabord, le mode AT qui utiliseles commandes AT pour configurer le module et l envoi ainsi que la rception se font defaon simple. Le deuxime mode se nomme mode API, ncessite de concevoir les trames envoyer par lutilisateur mme. Et pour des raisons de simplicit (temps de configuration ettaille du programme) nous avons adopt le mode AT pour la suite de cette notedapplication.

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Coordinateur :

Ce module assure les fonctions tel que l'authentification, linitiation de la communication, lascurit et l ajout des nuds au rseau ... sur le mme rseau on peut avoir quuncoordinateur. Ce dernier doit tre actif en permanence pour rpondre tout moment auxrequtes des autres lments du rseau. Il est donc aliment plein temps.

Les routeurs :

Ces modules sont indispensables pour tendre le rseau par acheminements des tramesdun module un autre . Ils permettent aussi aux autres modules de senregistrer sur lemme rseau, et non exclusivement chez le coordinateur, le nombre dlments du rseaupeu atteindre les 65536 modules.

Les End-Devices :

Cest des modules qui ont presque les mmes caractris tiques que les routeurs, sauf lafonction dacheminement de donnes, ils offrent la possibilit de mise en veille fin degagner en consommation. Cette fonction est surtout utilise en industrie pour des capteurs,qui livrent des informations par moment.

Une solution logicielle offerte par des Firmwares spciaux permet de rassembler les

fonctionnalits des routeurs et des end-devices en une seule configuration de module XbeeS2 a fin de pouvoir gagner davantage en consommation sur les routeurs en permettant deles mettre en veille occasionnellement. Mais cela exige une maitrise totale des temps deveille sur lensemble du rseau maill.

3. Les modes de fonctionnements des modules Xbee S2

Tout module xbee prconfigur fonctionne selon le schma ci-dessous :

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Pour la suite nous allons prciser la signification des paramtres essentiels configurer afindassurer une communication ZigBee basse consommation.

4. Les paramtres configurer:

Pour faire communiquer deux modules Xbee S2, il est ncessaire de configurer au moins les

paramtres suivants:

o PAN ID : Reprsente un identifiant qui va permettre au module de communiquerseulement avec les modules qui se trouvent sur le mme canal et qui portent lemme PAN ID, ainsi on empche les interfrences avec d'autres modules nonconcerns par la communication.

o CH : Contient le numro du canal utilis par les modules pour communiquer, c'est lecoordinateur qui fait un balayage des canaux de communication jusqu' trouver soncorrespondant (routeur/end-device).

o SH et SL : Contiennent les numros de srie usine des modules. Et qui reprsente

aussi leurs propres adresses.o DH et DL : Contiennent les parties hautes et basses des adresses des correspondants.

(pour une communication en broadcast il faut mettre DH=0x0000 et DL=0xFFFF)o PL : Power Level, dsigne la puissance du signal denvoi, (0= -7dBm, 1= -3dBm, 2= -

1dBm, 3= +1dBm, 4= +3dBm.)o PM : Power Mode, S'il est activ, le mode boost amliore la sensibilit de 1 dB et

puissance de sortie augmente de 2 dB.o BD : Spcifie le baud rate choisi pour la liaison srie .

0 : 1200 bps. 1 : 2400 bps 2 : 4800 bps 3 : 9600 bps

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4 : 19200 bps 5 : 38400 bps 6 : 57600 bps 7 : 115200 bps

o D7 : 1 a permet l'activation du contrle de flux sur CTS.

II. La mode veille:Pour augmenter la dure de vie des batteries, tout en conservant un rseau ZigBeefonctionnel et ractif, on configure les paramtres suivants :

SM : un paramtre qui dsigne le mode veille adopt

SM = 0 : Dsactive le mode veille. SM 1 : Pin Hebernate, lorsquune tension de 3,3v est fournie cette la broche

9, le module fini de recevoir ou de transmettre les donnes encours puis semet en veille et se rveille lorsquon applique une tension 0v cette broche 9.Le module consomme environ 10A en veille et le rveil prend 13 ms.

SM = 2 : Pin Doze, mise une veille du module de la mme faon que le pinhebernate, cette mthode garde le module partiellement veill ce quiexplique sa consommation lgrement suprieure 40A mais avec un tempsde rveil plus court (2 ms).

SM = 4 : Cyclic sleep, le module se met en veille rgulirement durant untemps dit SP (Sleep period) et se rveille au minimum pendant une dure ST(Time before sleep), durant ce mode de veille le module consomme environ50s et le rveil prend 2 ms. Ce mode est plutt adapt aux capteurs.

Les paramtres qui suivent sont surtout ddier au cyclic sleep ( sauf pour leSP sur les modules parents)

SP : Sleep cyclic period pour les routers/end devices , reprsente dure deveille pour le cyclic sleep, qui prend une valeur en hexadcimal compriseentre 0x20 et 0xAF0 quon multiplie par 10 ms pour donner la dure de veilleen millisecondes, donc cette dure au final sera comprise entre 320 ms et 28secondes.

Ce paramtre pour les coordinateurs et les routeurs parents, reprsente ladure pendant laquelle un parent doit garder le message en mmoire enattendant quil soit r clam par le module en veille. Pour viter les pertes dedonnes, SP (d u parent) SP du module en veille rgulier.

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ST : Time before sleep, reprsente le temps minimal avant de se remettre enveille en absence dactivit (envoi ou rception de donnes), on lappelle aussile temps de silence, sa valeur est comprise entre 0x01 (1 ms) et 0xFFFE (65s)

Ce tableau rsume les valeurs des paramtres principaux :

1. Exemples:

Dans cette partie on va faire la mise en veille dun module routeur Xbee S2 pendant99% du temps avec deux mthodes testes. Les modules communiquent en unicast avec uncoordinateur qui lui restera toujours aliment (fonctionnement en mode normal).

On prcisera les valeurs hexadcimales des paramtres essentiels quon configure laide deX-CTU (dans longlet Modem Configuration) ou avec les commandes AT travers unterminal.

a) Mthode 1 : Cyclic sleeping :

Configuration des modules :

Paramtre Coordinateur(valeurs en hexadcimal)

Routeur(valeurs en hexadcimal)

PAN ID 99 99

SH 13A200 13A200

SL 404A6F2B 40341287

DH 13A200 13A200

DL 40341287 404A6F2B

PL 4 0

PM 1 0

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BD 2 2

D7 1 1

SM NA 4

ST NA 32 (50 ms)

SP 3E8 (10 s) 1FE (4950 ms)

SN NA 1

Avec cette configuration on met on veille le routeur pendant 4,95 secondes et on le rveillependant 50 millisecondes, si aucune activit na tait dtecte sur le canal decommunication, le module se remet en veille. Si le coordinateur avait un message destin aurouteur, il le garde en mmoire pendant 10 secondes maximum en attendant que le routeurle rclame en fin de sa priode de veille. On a activ le contrle de flux CTS sur les deuxmodules de faon logicielle , pour viter lcrasement de donnes dans les buffers denvoi.

Une fois le module est configur pour se mettre en veille rgulirement, il devient difficile decommuniquer travers une liaison srie pour le reconfigurer par exemple, pour remdier

cela il est conseill dutiliser le logiciel X-CTU et passer par longlet Modem Configuration,qui va nous demander dappuyer sur le bout on Reset manuellement avant d excuternimporte quelle commande, un moyen pour forcer le modem se rveiller pour quonpuisse oprer normalement.

Mthode 2 : PIN Hebernate :

Configuration des modules :

Paramtre Coordinateur(valeurs en hexadcimal)

Routeur(valeurs en hexadcimal)

PAN ID 99 99

SH 13A200 13A200

SL 404A6F2B 40341287

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DH 13A200 13A200

DL 40341287 404A6F2B

PL 4 0

PM 1 0

BD 2 2

D7 1 1

SM NA 1

ST NA Paramtres non pris encompte quen cyclic sleep

SP 3E8 (10 s)

SN NA 1

Avec cette configuration on autorise la mise en veille du module routeur par la mise de la

broche 9 3,3 Volts. Et le rveil se fait en absence de cette tension sur la broche 9.

Donc la gestion des temps de veille et rveil se fait dans les programmes associs auxsystmes qui sollicitent ces modules (Micro contrleurs). Pour avoir un fonctionnement 99% du temps en veille on prend les mmes valeurs de veille que le mode prcdant, quisont de 4950 millisecondes en veille et 50 millisecondes de rveil.

On vite de mettre un temps de silence (ST time before sleep) infrieur 50 millisecondespour laisser le temps au module routeur de se mettre en route et demander au moduleparent sil a des donnes en mmoire qui lui sont destines.

Pour une suret de commun ication, on vite lenvoi des donnes critiques directement surles buffers denvoi du modem parent (coordinateur dans ce cas), donc on envoie unerequte douverture de port de communication de faon rptitive en attendant le rveil durouteur. Le schma suivant explique notre faon de faire.

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