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UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI TRIESTEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA
CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ELETTRONICA
CURRICULUM TELECOMUNICAZIONE
PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE E
ALGORITMO DI ROUTING PER UNA RETE DI
SENSORI WIRELESS CON APPLICAZIONI
MEDICHETESI DI LAUREA PRESSO ELCON ELETTRONICA
Anno Academico 2011-2012
Laureando:
Benedito osvaldo Xona
Relatore:
Prof. Sergio Carrato
Correlatore:
Sr.Luaciano Generali
Obiettivi ed applicazioni
• Obiettivo
� Realizzazione di un protocollo di comunicazione
di un algoritmo di routing per WSN
� Non standard e proprietario
• Applicazione
� Mediche
Requisiti necessari
• Ridotte dimensioni
• Basso consumo energetico
• Basso costo
• Utilizzo di bande non Lincenziate
• Scalabilità, Flessibilità
• Certeza dato ricevuto
WSN e le tecnologie di comunicazione
802.11/Wi-fi 802.15.1/Bluetooth 802.15.4/Zigbee
Copertura(single-hop) 100m 10m 10-100m
Troughput(Mbps) 2-30 1-2 0.25
Consumo energetico Medio Basso Molto basso
Autonomia Minuti/ore Diverse ore/giorni Giorni /anni
Bit Rate 2.1Mbit/s 11/54Mbit/s 250Kbit/s
Sicurezza Bassa Media Alta
Costo Alto Medio Basso
Dimensione Medie Piccole Molto piccole
Topologie di Rete
�Rete a Stella
�Rete Mesh
�Rete ad Albero
La nostra applicazione
• Useremo la topologia di tipo Mesh/Albero
• I nodi sono suddivisi in
� Capo Maglia (Nodo Base)
� Nodi Interni
� Nodi di Frontiera
� Nodi Mobili
Formato dei pacchetti
• Ogni tecnologia di rete ha un proprio formato per i
messaggi
• In ogni caso, un messaggio contiene:
�Dati utili
�Informazione di controllo
SRC
[2]
DST
[2]
TYPE
[5]
RSSI
[1]
SYNCH
[1]
HOP
[1]
LP
[1]
IndNd
[4]
PAYLOAD
[127]
CRC
[1]
Struttura dei Frame
• Il protocollo definisce 4 tipi di frame:
�Frame di Faro
• Generato dal coordinatore della rete per trasmettere il
segnale di faro ai nodi
• L’indirizzo DST è in Broadcast
SRC DST FR RSSI LP CRC
Struttura dei Frame
�Frame di Acknowledgment
• generato dal capo maglia e dai nodi una volta ricevuto
un paccheto.
• I nodi memorizzano una coppia dei vari pacchetti
ricevuti e la rimuovono soltanto dopo aver ricevuto
l’ACK.
• ACK può assumere il valore 1 o 0
SRC DST ACK RSSI HOP LP IndNd CRC
Struttura dei Frame
�Frame dei Dati
• Genetaro dai nodi ogni volta che devono
trasmettere i dati rilevati.
SRC DST DATA RSSI SYNCH HOP LP IndNd PAYLOAD CRC
Struttura dei Frame
�Frame di controllo
�generato dai nodi al primo inserimento in rete,
ogni volta che vuole comunicare con altri nodi
�Nel campo DST l’indirizzo è in Broadcast
SRC DST BROAD RSSI LP PAYLOAD CRC
Nodo Sensore
Sensore
MCUMemoria Ricetrasmettitore
Alimentazione
Sch
em
a E
lett
rico
R8C/27 e CC2520
• R8C/27�Elevata velocità di
elaborazione(20MHz di clock interno)
�Consumo energetico �Typ. 10 mA (VCC = 5.0 V, f(XIN) =
20 MHz)
�Typ. 6 mA (VCC = 3.0 V, f(XIN) = 10 MHz)
�Typ. 2.0 µA (VCC = 3.0 V, wait mode (f(XCIN) = 32 kHz)
�Typ. 0.7 µA (VCC = 3.0 V, stop mode)
�Tensione variabile 3.0-5.5 V
R8C/27 e CC2520
• CC2520
�Permette comunicazione in banda ISM che va da 2400 a 2483,3 MHz
�Bassa tensione che varia da 1,8 a 3,8 V
�Bit rate 250 Kbit/s
�Modilazione DSSS
�Ridotto consumo energetico
�RX: 18 Ma, TX: 33 mA e sleep mode 1uA
�Potenza di trasmissione programmabile in 32 livelli
�Elevata sensibilità in ricezione(-98dBm)
R8C/27 e CC2520
• Ha dei tempi di accensione molto veloci
• Insieme di Hardware per�Gestione e trattamento dei frame
dati
�Crittografia dei dati e autenticazione(AES)
�Disponibilità del canale(CCA)
� Indicazione qualità collegamento(RSSI/LQI)
�Gestire frame ACK e tempo d’attesa
Algoritmo di Routing
Inizializzazione di un Nodo Sensore
Nodo in trasmissione
• Prenota il canale
• Controlla se è un nodo interno
�Se NdX=NdInt;
�Regola PALL, e comunica con il CM
�Attende l’ack
�Qualora non è un nodo interno
�Trasmette il frame di controllo ed attende l’Ack di
conferma
�Se il N°risp<1 riprova incrementando PALL=PALL+3
�Se il N°risp>=1, legge l’RSSI dei vari nodi
Nodo in trasmissione
�Se RSSI<50% ritrasmette incrementando PALL
�Se RSSI>=50% seleziona i nodi
�Controlla il campo SYNCH
�Se SYNCH=1 , comunica con il NdF
�Attende l’Ack
�Se SYNCH=0, comunica con i nodi selezionati cioè NdE
�Attende l’Ack
�Se entro Dmax l’Ack non arriva ritrasmette il
pacchetto
Nodi in ricezione
• Quando un nodo riceve un frame controlla il campo type.�Se Type=Data, ritrasmette il messaggio
�Se Type=FR; trasmette l’Ack al CM
�Se Type=ACK, controlla il campo IndNd�Se IndNdDST=DST&&HOP=0; controlla Ack
� Se Ack=1 ok;
� Se Ack=0 non ok; ritrasmette il pacchetto.
�Se non verificata IndNdDST=DST&&HOP=0 �Controlla in memoria l’indirizzo del NextNd
�Ritrasmette a quest’ultimo e cancella frame
�Se Type=BROAD�Legge RSSI
�Regola PALL e invia l’Ack
Timer
• Dopo le operazioni elencate il nodo controlla:
�se ci sono portanti in zona oppure altre operazioni
da eseguire
�Se si esegue le oprazioni necessarie
�Se non ci sono attiva il timer
�Entra in standy-by e attende TO=3TFR
�Dopo TO si sveglia e trasmette un frame Broad
Durata Nodo
• Senza il Timer
�MCU+ RADIO ON in TX (-18dBm) ; consumo
corrente = 22,2 mA.
�Batteria di 3000mAh; Durata del nodo= 135 ore
• Con il Timer,
�Durata del nodo≈3778 ore
Capo Maglia in Tramissione
Capo Maglia in Ricezione
Grazie per l’attenzione