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Dipartimento di Elettronica per l’Automazione, Università di Brescia,

SENSORI WIRELESS : DALL’IDEA AL PRODOTTO. Dipartimento di Elettronica per l’Automazione, Università di Brescia, Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy) Tel: +39-030-3715627 fax: +39-030-380014 e-mail: flammini@ing.unibs.it Sito Web: http://www.ing.unibs.it/~wsnlab/.

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Presentation Transcript

  1. SENSORI WIRELESS : DALL’IDEA AL PRODOTTO Dipartimento di Elettronica per l’Automazione, Università di Brescia, Via Branze 38 - 25123 Brescia (Italy) Tel: +39-030-3715627 fax: +39-030-380014 e-mail: flammini@ing.unibs.it Sito Web: http://www.ing.unibs.it/~wsnlab/ Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 1

  2. Sensori Wireless: dall'idea al prodotto • Architettura? • Punto a punto • Stella • Rete più complessa • Problematiche legate all’applicazione • Tempo scansione sensori • Coordinatore/sensori come sono alimentati? • Dimensioni sensore • Area (estensione, numero nodi, interferenza) Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 2

  3. Tecnologie a confronto Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 3

  4. 802.11a 802.11g 802.11b 802.11 WLAN 802.15.1 (Bluetooth) 802.15.4 (ZigBee) WPAN 802.15.1 802.15.3 802.15.4 802.11b 802.11g 802.15.4 802.11a 902 928 2400 2483.5 5725 5875 MHz • Tecnologie a 2.4GHz (2.4  2.4835GHz) • ISM libera in tutto il mondo • Disponibilità di soluzioni • Spazio canali (velocità, molte coppie che comunicano contemporaneamente nella stessa area) Soluzioni standard Soluzioni proprietarie Chipcon 2500 Consumo Complessità WirelessUSB MC13191 Data rate Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 4

  5. 1 1 0 0 1 0 1 1 5 5 3 1 1 N 2 4 5 2 ERRORE! OK! • Interferenza con altre RF source • Nella stessa area possono parlare • Coppie in tempi diversi • Coppie su differenti canali • Coppie con differenti codici t (TDMA) Codice (CDMA) Canale (FDMA) salto salto canale fRF fch • Strategie in caso di “sottospazio” occupato • Ascolto prima di parlare (CSMA/CA) • Continuo a cambiare canale (FHSS) • Spreading dei dati (DSSS) Caratteristiche dei codici PN De-Spreading Spreading Unspread Interferenza Correlazione 1 0 0 1 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 5

  6. 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 Data rate (DSSS) Codice Data bit Code 5 Chip Simbolo Chiprate = Channel bandwidth • Canale largo  Transfer rate elevati (WiFi), poche coppie insieme • Code a pochi chip  Transfer rate elevati, rumore (tip. 32) • Molti data bit per code  Transfer rate elevati, complessità, rumore Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 6

  7. G • Scelta dell’antenna • Antenna  potenza irradiata P • P: max. 100mW, peak 10mW/MHz • A quale distanza d arriva il mio segnale • P ~ dn (2 < n < 4 –antenne scarse-) Antenna Sensore ADC c Tx/Rx Alimentazione Alcuni parametri: • Efficienza  = Pr / (Pr + Pd) (potenza irradiata Pr, dissipata Pd); antenna piccola  Rr bassa! • Guadagno G (diagrammi): irradiamento nello spazio (, perdite, direttività) • Potenza effettiva irradiata dall’antenna EIRP = GP; (P al trasmettitore) • Osservazioni: • Più è elevata la f  più piccola è l’antenna • I connettori per le antenne sono costosi • Il design delle antenne è molto critico Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 7

  8. Antenna • Tipologie: • Chip antenna: dimensioni ridotte  bassa efficienza e costi elevati • PCB antenna: • Single ended  Adattamento (Baluns transformer) • PIFA, Meander, ... • Differenziali  dipolo dimensioni maggiori Simulatori (es. ANSOFT) Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 8

  9. Batterie • Resistenza interna bassa per sopportare i transitori del transceiver • Scarica naturale critica per regolatori lineari • Condensatori con basso ESR (Equivalent Series Resistance) NO!SI! Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 9

  10. 61mm 50 mm 50 mm 44.5 mm 45 mm 34mm  26mm  (14,5mm ) (10.5mm ) (26.2 x 17.5 mm) ‘C’ ‘D’ ‘AA’ ‘AAA’ ‘9V’ Batterie Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 10

  11. Convegno sensori wireless Alimentazione a batteria Componenti utilizzati per aumentare l’utilizzo delle batterie Attenzione alle correnti di perdita Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 11 FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 11

  12. Interfaccia sensore • Legata al tipo di applicazione: • Pressione, umidità, temperatura, … • Prossimità, movimento, strain • Biochimici,luce … • Sensore alimentato solo durante la misura (tempo di stabilizzazione?) • Conversione AD interna al µC general purpose (power-down mode) • Amplificatori operazionali: • Alimentati solo durante la misura • Ultra low-power rail-to-rail (~10µA) • Futuro? SoC (System on Chip) Sensori Elettronica d’interfaccia Bus di sistema Elettronica di controllo Bus sensori Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 12

  13. Interfaccia sensore • Vantaggi SoC • dimensioni minime • ottimizzazione risorse • configurabilità • Microcontrollori che integrano A/D e circuiti programmabili analogici (PSoC by Cypress) • A/D Converters • 8-bit Successive Approximation • 8-bit Delta Sigma • 11-bit Delta Sigma • 12-bit Incremental • 7-13 bit Variable Incremental • Dual input 7-13 bit Variable Incremental • Tri input 7-13 bit Variable Incremental • D/A Converters • 6, 8, and 9-bit • 6 and 8-bit multiplying • Filters • 2-pole Low-pass filter • 2-pole Band-pass filter • Amplifiers • Programmable Gain Amplifier • Instrumentation Amplifier • Inverting Amplifier • Programmable Threshold Comparator Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 13

  14. Microcontrollore • Il consumo medio di corrente determina la durata delle batterie • Modalità RUN solo quando necessario • Modalità di sleep e meccanismi di wake up • Quante istruzioni vengono eseguite in un certo tempo ?  Velocità, Architettura! • Sistemi di clocking e tempi di start up Attivo Corrente Riposo Tempo Prescaler periferiche Seriali Clock secondario Timers ADC Prescaler CPU Clock principale CPU Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 14

  15. 2 MHz 5 MHz 2 . 4 GHz 2 . 4835 GHz • 802.15.4 o ZigBee? Caratteristiche: • Data rates: 250 kb/s (10 bytes = 40µs + ~200µs fisso) • Consumi: ~30mA (Tx/Rx), ~3mA (µC attivo -ms-),~10µA (Sleep) • 1Ah: 1 anno = 8760h a 110µA medi (efficienza 100%) • TTx/Rx~1ms, TµC on~10ms Toff > 0.6s • Peso del protocollo: TTx/Rx, TµC on (Interferenze?) Sol. ZigBee … P1 Sol. IEEE802.15.4 P31 ZDO APP Utente APS Sol. Proprietaria NWK Utente ZB NWK 802.15.4 MAC 802.15.4 MAC MAC 802.15.4 PHY 802.15.4 PHY PHY RF Transceiver RF Transceiver RF Transceiver Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 15

  16. I vantaggi dello standard • (ZigBee – 802.15.4) • Molteplici architetture di rete • Stella • Peer to Peer • Albero • Nodi a diversa complessità: • FFD: può essere PAN coordinator, tutte le funzionalità implementate (37KB) ZigBee? Anche Router! • RFD: non implementa tutte le funzionalità (18KB), dispositivo SLAVE, può parlare solo con FFD PAN COORDINATOR FFD Router RFD Master/slave Peer to Peer Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 16

  17. Contention Access Period (CAP) Contention Free Period (CFP) 15.24ms * 2n; 0  n  14 • I vantaggi dello std • (ZigBee - 802.15.4) • Modalità Beacon: • CAP?  Slotted CSMA-CA • CFP?  TDMA (applicazioni isocrone) • Beacon generati dal coordinatore • Sincronizzazione • No Beacon: • CSMA/CA simile 802.11 • Trasmissione diretta (sensore coordinatore) e indiretta (coordinatore sensore) • Importante! Basso duty cycle Network beacon Contention period Garanteed time slot RF:MC13192 µC: MC08HCSGT60 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 17

  18. Conclusioni Idea Prototipo/demo Prodotto http://www.moteiv.com Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 18

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