Sviluppo di applicazioni Python con ZigBee

In questa ultima lezione della guida al protocollo ZigBee useremo il transceiver USB CC2531 prodotto da Texas Instruments (TI) e ampiamente utilizzato in applicazioni IoT grazie alla sua semplicità e basso costo. Vedremo come configurare l'ambiente di sviluppo, flashare il firmware necessario e, successivamente, come comunicare con il dongle utilizzando Python e la libreria pySerial. Questa lezione ci permetterà di creare e gestire in modo efficiente una rete Zigbee personalizzata per le nostre applicazioni.

Configurazione dell'ambiente di sviluppo

Per iniziare a sviluppare con il CC2531, scarichiamo l'SDK di Texas Instruments, chiamato Z-Stack SDK, dal loro sito, al seguente indirizzo: https://www.ti.com/tool/Z-STACK#downloads. Assicuriamoci di scaricare l'ultima versione compatibile con il CC2531. Il pacchetto contiene tutti gli strumenti necessari per lo sviluppo di reti Zigbee, inclusi esempi di codice, librerie e documentazione. Lo Z-Stack SDK richiede inoltre l'ambiente di sviluppo integrato di Texas Instruments, chiamato Code Composer Studio (CCStudio). Il download si trova in fondo alla stessa pagina. Selezioniamo la versione per il nostro sistema operativo (Windows, macOS o Linux) e scarichiamolo. Durante l'installazione, è importante selezionare i componenti necessari per la famiglia di dispositivi CC253x e le librerie Zigbee.

Flash del Firmware Zigbee

Il dongle CC2531 può fungere sia da Coordinatore che da Router. Prima di poterlo utilizzare, quindi, dobbiamo flashare il firmware appropriato per configurarlo nel ruolo desiderato. Questo processo è cruciale, poiché il firmware determina la funzione del dispositivo all'interno della rete Zigbee. Per eseguire il flash del firmware sul CC2531 possiamo utilizzare diversi strumenti ma il metodo più comune e semplice prevede l'uso del CC Debugger, un programmatore hardware specifico per i dispositivi Texas Instruments.

Sfortunatamente, se non flashiamo il CC2531, questo rimane in uno stato predefinito e non avrà le funzionalità necessarie per comunicare con altri dispositivi Zigbee. Il CC2531, in pratica, non può essere utilizzato senza il firmware Zigbee caricato, a meno che non venga acquistato già pre-flashato. In commercio esistono dongle CC2531 pre-programmati, configurati come Coordinatori Zigbee, pronti all'uso. In questo caso, possiamo utilizzarli direttamente, senza bisogno di flashare manualmente il firmware.

Per approfondire questa tecnica, la guida offerta dalla Texas Instruments è abbastanza esaustiva Link. C'è da dire, però, che anche se il metodo più comune prevede l'uso del CC Debugger di Texas Instruments, possiamo comunque flashare il CC2531 utilizzando un Raspberry Pi tramite la sua porta GPIO e con alcuni strumenti software specifici. Questa guida è facilmente raggiungibile qui.

Comunicazione Zigbee con Python

Supponiamo di aver configurato il dongle CC2531 come Coordinatore Zigbee. Possiamo iniziare a comunicare con esso utilizzando comandi seriali o API, a seconda delle esigenze della nostra applicazione. Uno dei modi più semplici per interfacciarci con il dongle CC2531 è utilizzare Python insieme alla libreria pySerial che ci permette di leggere e scrivere dati sulla porta seriale in modo molto semplice. Questa soluzione è particolarmente utile se stiamo sviluppando un'applicazione personalizzata per controllare la rete Zigbee o se vogliamo automatizzare l'interazione con i dispositivi Zigbee.

Per iniziare a utilizzare pySerial, dobbiamo prima installare la libreria. Se non l'abbiamo già installata, possiamo farlo facilmente tramite pip, il gestore di pacchetti di Python:

pip install pyserial

Questa libreria ci permette di aprire la porta seriale alla quale è collegato il CC2531, inviare comandi e leggere le risposte direttamente dal coordinatore Zigbee.

Esempio di Comunicazione con pySerial

Dopo aver individuato la porta seriale corretta (COMx), possiamo iniziare a scrivere un semplice script in Python per comunicare con il coordinatore. Ecco un esempio di come possiamo aprire la porta seriale e inviare un comando:

import serial
import time
# Configurazione della porta seriale
ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=1)  # Usare '/dev/ttyUSB0' su Linux/macOS
# Funzione per inviare un comando al coordinatore Zigbee
def send_command(command):
    ser.write(command)
    time.sleep(0.5)
    response = ser.read(ser.inWaiting())  # Leggi la risposta dalla porta seriale
    return response
# Comando da inviare (esempio: comando per avviare la rete Zigbee)
command = b'\x01\x02\x03'  # Questo è un esempio, sostituirlo con il comando specifico
response = send_command(command)
print("Risposta dal Coordinatore:", response)
# Chiudiamo la porta seriale
ser.close()

In questo esempio, stiamo aprendo la porta seriale alla velocità di 115200 baud (una velocità comune per dispositivi seriali Zigbee), inviamo un comando al coordinatore e leggiamo la risposta. Il comando inviato è rappresentato come una stringa di byte (b'\x01\x02\x03'), ma può essere sostituito con il comando specifico che vogliamo inviare al coordinatore per gestire la rete.

Interpretazione delle risposte in una rete Zigbee

La comunicazione con il CC2531 potrebbe restituire dati in formato binario o esadecimale, quindi dovremo spesso interpretare le risposte e convertirle in un formato leggibile. Per esempio, possiamo decodificare i byte ricevuti e trasformarli in un formato esadecimale o ASCII per comprendere meglio i messaggi. Questo ci permette di visualizzare lo stato della rete, ricevere dati dai dispositivi connessi, o ottenere conferme di comandi eseguiti.

# Convertiamo la risposta in esadecimale
hex_response = response.hex()
print("Risposta in formato esadecimale:", hex_response)

Esempi di utilizzo

Con questa interfaccia e la combinazione di Python e pySerial, possiamo eseguire una serie di operazioni molto utili per gestire e controllare la nostra rete Zigbee in modo dinamico e personalizzato.

• Avviare la rete Zigbee: una delle prime operazioni che possiamo compiere è inviare il comando che permette al Coordinatore di iniziare a gestire la rete. Una volta attivata, la rete diventa operativa e può iniziare ad accogliere altri dispositivi Zigbee, come End Devices o Router, permettendo loro di connettersi e comunicare tra loro.
• Monitorare la rete: una volta che i dispositivi sono connessi, possiamo monitorare lo stato della rete in tempo reale. Questo significa che possiamo ricevere continuamente messaggi dai dispositivi finali o dai router, come dati sensoriali (ad esempio temperatura, umidità o movimento) o messaggi di stato che ci informano su eventuali problemi o aggiornamenti nella rete. Questo monitoraggio ci consente di avere un controllo completo sulla rete e di reagire immediatamente a eventuali anomalie o richieste.
• Gestire i dispositivi: con questa interfaccia possiamo anche inviare comandi specifici per aggiungere nuovi dispositivi alla rete Zigbee, rimuoverli quando non sono più necessari o modificarne le impostazioni, come la frequenza di invio dei dati o il comportamento di routing. Questa capacità di gestione ci permette di avere una rete sempre efficiente e adattabile alle nostre esigenze, garantendo una configurazione flessibile e scalabile.

Conclusioni

In questa lezione abbiamo scoperto che il dongle CC2531, una volta configurato a dovere, ci offre numerose possibilità per la gestione delle reti Zigbee. Utilizzando strumenti accessibili come Python e librerie come pySerial, abbiamo visto che è possibile interfacciarsi facilmente con il dispositivo per inviare comandi, ricevere dati e monitorare lo stato della rete. Inoltre, abbiamo visto come la flessibilità di poter utilizzare dispositivi come Raspberry Pi per flashare il firmware ci offra soluzioni alternative qualora non dovessimo avere a disposizione il CC Debugger. Questa opzione ci rende più indipendenti e ci permette di evitare costi aggiuntivi, continuando a sviluppare in modo creativo e senza interruzioni.