CoCo--simulazionesimulazione e e coco--ppgrogettoetto non ... fine...Tag-01 Tag-03 Tag-02 RID RID...

CoCo--simulazionesimulazione e e coco--progettoprogetto non non p gp glineare/elettromagnetico di sistemi lineare/elettromagnetico di sistemi

wireless non convenzionaliwireless non convenzionaliwireless non convenzionaliwireless non convenzionali

Dottorando:Dottorando: Ing. Nicola Arbizzani

TT Chi P f I Vi i Ri liTutor:Tutor: Chiar.mo Prof. Ing. Vittorio RizzoliProf. Ing. Alessandra CostanzoDott Ing Diego MasottiDott. Ing. Diego Masotti

DEIS

Università di BolognaUniversità di Bologna

Ing. Nicola Arbizzani 1

Università di BolognaUniversità di Bologna

Rilevamento grandezze fisiche e/o posizioni di Rilevamento grandezze fisiche e/o posizioni di TAG sfruttando i Diagrammi di RadiazioneTAG sfruttando i Diagrammi di RadiazioneTAG sfruttando i Diagrammi di RadiazioneTAG sfruttando i Diagrammi di Radiazione

Sistema di localizzazione di Tag attivi in ambienti indoor

L’alimentazione opportuna di due antenne uguali dislocate nello spazio crea un sistema trasmittente caratterizzato da un Diagramma di Radiazione, a sua volta nascente dal prodotto tra il diagramma di radiazione della singola antenna e il fattore complesso di composizione (o fattore di schiera) Il secondo termine sarà determinante per i risultati che seguiranno(o fattore di schiera). Il secondo termine sarà determinante per i risultati che seguiranno.

necomposizio di complesso Fattore

1

0

ˆexp,n

kkkk rLjF

MM

o FFffFrr

,,,, ,,,,,

Radiazione di FunzioneElettrico Campo

oEE

Tale relazione può essere usata principalmente per:a) Creare un opportuno campo elettromagnetico, le cui misure potranno fornire determinate


informazioni (misure di distanze, etc…)b) Misurare i segnali generati da altre sorgenti per capirne la direzione di provenienza

Array di due elementi posti sull’asse ZArray di due elementi posti sull’asse Z LLe antenne sono poste sull’asse z a distanza L/2 dall’origine.Il fattore complesso di composizione sarà:

yˆˆ LL y

xz L

1100

10

ˆˆ2

expˆˆ2

exp,

;2

;2

rkLjrkLjF

kLLkLL

z

2L

2L

Ipotizziamo 2 condizioni: alimentazione IN FASE

;cosˆˆ;0;1 1010 rk

coscos2cos2

2cos2cos2

expcos2

exp,

;cos;0;1 1010

LLLjLjF

rk

A

e alimentazione IN CONTRO-FASE

;cosˆˆ;;0;1 1010 rk

cossin2cos2sin2

cos2

expcos2

expcos2

expcos2

exp,

LjLj

LjLjLjLjFB


cossin2cos2

sin2 jj

Ricerca del minimo e del massimo:Ricerca del minimo e del massimo:M l R dM l R dMonopulse RadarMonopulse Radar

Alimentando le antenne con segnali sia in fase che in controfase, si ottengono due diagrammi di radiazione ( e ∆,rispettivamente) ruotati di 90° l’uno rispetto all’altro: la direzione di massimo dell’uno coincide con quella di minimo dell’altro

rispettivamente) ruotati di 90 l uno rispetto all altro: la direzione di massimo dell uno coincide con quella di minimo dell altro.La ripida discesa del diagramma ∆ in corrispondenza del minimo consentirà un’elevata selettività (più di ). La combinazionedelle due informazioni permetterà la localizzazione dei TAG. I diagrammi finali sono frutto del prodotto tra diagramma delsingolo elemento e fattore di schiera.

01

0,1 11

cosLcos2,AF

0,1 00

Rat Race

180,1 11

0,1 00

11

cosLsin2 jF


cossin2, jFB

Monopulse RadarMonopulse RadarDesign and test of a smart-space interaction deviceDesign and test of a smart-space interaction devicecombining RFID and electromagnetic interferometry

Smart Objects ForIntelligent Applications

A

B1C

B2

Computer Vision based smartifier

Short range RFIDgestural recognizer

RFID enabled remotely

GOR

Identifying and Discoveringobjects by EM interference

VOR

RIDCO-OPERATING SMARTIFIERSCO OPERATING SMARTIFIERS

• different interaction models for same functionality

• same interaction model for different functionalities

INTERACTION ENSAMBLEScollection of interaction devices that create a consistent


The system is patent pending

finteraction

Monopulse Radar Monopulse Radar -- Primo prototipoPrimo prototipoProgetto e realizzazione dell’array di antenne:o Sono state scelte due antenne patch operanti a 2.45GHz limitata back radiationo L’array è stato progettato su un substrato sottile (635m) e denso (r=6.15) denominato

Taconic RF-60 dimensioni contenute dell’arrayo La distanza degli elementi dell’array (L) è stata progettata per ottenere la massima

mono-axialrotating engine

PDAo La distanza degli elementi dell array (L) è stata progettata per ottenere la massimadirettività D [L = 0.68 (≈80mm)]

L

Descrizione del RID:o Due low-cost transceivers @ 2.45GHz (TI CC2500)

D i t ll i (MSP430) Lo Due microcontrollori (MSP430)o Un rat-race coupler, dove le porte Somma () e Differenza (∆) sono

connesse ai transceiverso Due antenne connesse alle porte in fase del rat-race x

y

A1 A2

x

Misure e condizioni di comunicazione:o Le misure della potenza ricevuta vegono effettuate dai TAG per

mezzo del’RSSI (Received Signal Strength Indicator) implementato all’interno dei CC2500

o La modulazione usata e l’MSK con banda di 250KHz e frequenza

30

6090

120

150

180 0-30-20-10-3

x

d

xz

dual-element

2.45 GHz

=0º plane

in-phase ports

o La modulazione usata e l MSK, con banda di 250KHz e frequenza portante di 2.41GHz.

210

240270

300

330

(º) (º) x (cm) x (cm) d (m) D (dB)

antenna

rat-race coupler

2.45 GHz Transceivers

Button

in-phase ports

port port

2.45 GHz Transceivers

p p

-port-port to A1to A2


( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )24 6 155 37 3.5 10

MSP430LEDS

Button

MSP430

Prestazioni del sistemaUn profondo zero del diagramma ∆ garantisce alta risoluzione

Monopulse Radar: Monopulse Radar: Fasi OperativeSelection DetectionSelection

Tag-01

Tag-03

Tag-02

Detection

RIDRID

RID

Facility userMaintenance

operator

RID

Implementazione della fase “Selection” nel RID e time-tableImplementazione della fase Selection nel RID e time tabletag objects tagsPDA

start measure

radio ON

tag

initializing and

radio wake‐ up

initializing and

radio wake‐ up0.5 s EDTXEDTX iiRSdBii ;),(log10),(

command: wake up setRX mode

command: send your name

active tags name

command: measure + burst

burst

burst

measure and store and

1.5 s

EDEDTXTX

EDTXEDTX

EDTXEDTX

NiNiiiRSdBii,,2,1 ;,,2,1

;),(log10),(

measure + burst

store and

RSSI vectors

RSSI vectors transmissionRSSI vectors transmission

and RSSI2 s

EDEDTXTX

dBiidBiiiiMPR )()()(


dBiidBiiiiMPR EDTXEDTXEDTX ),(),(),(

Monopulse RadarMonopulse RadarCase #1Case #1Case #1Case #1

2 -10

0

d

13

4#1#2#3#4 -50

-40

-30

-20

Nor

mal

ize

1 0 50 100 150 200 250

-10

0

ized

-30

-20

0 50 100 150 200 250

Nor

mal

i

o Il RID inizia la scansione puntando il TAG #2 e ruota simmetricamente, rispetto la posizione iniziale, inviando

-20

-10

0

MPR

rispetto la posizione iniziale, inviando 250 burst dalle porte e ∆ contemporaneamente

o La selezione successiva avviene con

-50

-40

-30

0 50 100 150 200 250N

orm

lized

M

la scelta del TAG caratterizzato dal massimo più vicino alla posizione centrale


N °of bursts

Monopulse RadarMonopulse RadarCase #2Case #2Case #2Case #2

-10

0

d

#1#2#3#4

1

23 4-40

-30

-20

10

Nor

mal

ize

2

o Il RID inizia la scansione puntando il

0 50 100 150 200 250

-10

0

ized

o Il RID inizia la scansione puntando il TAG#2 e ruota simmetricamente, rispetto la posizione iniziale, inviando 250 dalle porte e ∆ contemporaneamente

-40

-30

-20

0 50 100 150 200 250

Nor

mal

i

porte e ∆ contemporaneamenteo La selezione successiva avviene con la

scelta del TAG caratterizzato dal massimo più vicino alla posizione

-20

-10

0

orm

aliz

ed

MPR massimo più vicino alla posizione

centraleo In questo caso il RID seleziona

correttamente il TAG#2 rispetto agli altri -50

-40

-30

0 50 100 150 200 250

N °of bursts

No


p gTAG.

Monopulse Radar: Monopulse Radar: valutazioni sul primo prototipovalutazioni sul primo prototipo

VANTAGGI

• Ha permesso di valutare il corretto funzionamento della tecnica “Monopulse Radar” con i sensori low-cost in nostro possesso

SVANTAGGI

• Movimento meccanico incertezza sull’orientamento del Rid

• Trasmissione dei burst da parte del Rid e misura dell’RSSI da parte dei TAG, i it i i d i d ti l RID t l b i i d tcon successiva ritrasmissione dei dati al RID troppe elaborazioni da parte

dei TAG

Monopulse RadarMonopulse RadarS d t ti


Secondo prototipo

Monopulse RadarMonopulse Radar - Secondo prototipopp p p


Monopulse RadarMonopulse Radar -- Secondo prototipoRispetto al prototipo precedente sono stati inseriti due Phase-shifter per variare contemporaneamente i fattori complessi di composizione di e .

11 ,1

Rat

00 ,1Phase shifter

Race 180,1 11

Phase shifter

00 ,1

)cos(exp)cos(exp

)cos(exp)cos(exp,;ˆ

2;ˆ

2 10LjLjF

LjLjFkLLkLL

A


)cos(exp)cos(exp, jjFB

Monopulse RadarMonopulse RadarBlocchi funzionali

o La rotazione meccanica viene sostituita dalla schiera elettronica

o Nello schema sono visibili i phase-shifter, responsabili del controllo della direzione di puntamento


Monopulse RadarMonopulse Radar - Effetto della variazione di faseIl puntamento del diagramma di radiazione dipende dalla

variazione di fase prodotta dai phase-shifter


Monopulse RadarMonopulse Radar – Misure degli effetti della variazione di fase


Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoAntennaAntenna


Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoRat RaceRat Race


Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoBalun & AdapterBalun & Adapter


Monopulse RadarMonopulse Radar – Progetto Parte Digitale


Monopulse RadarMonopulse Radar – Flowchart funzionaleSelectionSelection

• L’RSSI viene misurato dal RID

• I TAG invianoI TAG inviano solamente il loro ID


MisureMisure – Scenario statico e ∆ in funzione della posizione dei TAG

I diagrammi sono stati ottenuti tramite un simulatore elettromagnetico, e pubblicati nel

1015202530

V/m

) p p p p

giugno 2011

-15-10

-505

10

E (d

BV

-180 -120 -60 0 60 120 180

15202530

m)

10°

Array pointingdirection: (p,p)

15-10

-505

10

E (d

BV/m p=10°

p=30° p=-40°

20304050

)

-15-180 -120 -60 0 60 120 180

RID

-40-30-20-10

010

MPR

(dB)

tt∆ pattern

=0º plane

RID


-50-180 -120 -60 0 60 120 180

PS shift (°)

pattern

MisureMisure – Scenario statico

Una volta realizzato il prototipo sono state eseguite le prime misure, confermando g psperimentalmente quanto precedentemente ipotizzato.

Array pointingdirection: (p,p)

p=10°

p=30° p=-40°

RID


MisureMisure – Scenario dinamico (Tag in movimento)

RID

TAG #3TAG #4

TAG #6TAG #5

RID posto a 150 [cm] dal pianoTAG distanti 15 [cm] tra di loro

TAG #2

TAG #3

Direzione movimento

dei TAG

TAG distanti 15 [cm] tra di loroTempo totale scansione: 500 [ms]Velocità traslazione: 0.5 [m/s]

Corretta individuazione della sequenza

TAG #1


Corretta individuazione della sequenza dei TAG e del primo TAG puntato

MisureMisure – Selettività

TAG#1

Caso 1: L = 1 [m]C 2 L 2 [ ]

0.5cm

TAG#1Caso 2: L = 2 [m]Caso 3: L = 3 [m]

RID

L20cm0cm

PDA

0.5cm

TAG#2


MisureMisure – Selettività

100

120

140

t)

80

100

t)

40

60

80

tanz

a ri

leva

ta (p

t

20

40

60

tanz

a ri

leva

ta (p

t

1 [ ] 2 [ ]

0

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Dis

t

Distanza tra i Tag (cm)

-20

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Dist


1 [m] 2 [m]

50

60

20

30

40

za r

ileva

ta (p

t)

0

10

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Dis

tanz

3 [m]



Sviluppi futuriSviluppi futuri TAG passivi Miglioramento algoritmi decisionali Versione RID 2.1: sostituzione Phase-shifter commerciali

con versione distribuita (in fase di misure)


GrazieGrazieGrazieGrazie


RID Ver. 2.0RID Ver. 2.0

Riferimenti:

1) “Merging RFID, visual and gesture recognition technologies to generate and manage smart environments” -Alessandra Costanzo, Sara Bartolini, Luca Benini, Luigi Di Stefano, Elisabetta Farella, Alessandro Franchi, Diego Masotti, Sandra Mattarozzi, Bojan Milosevic, Valerio Nannini and Tullio Salmon Cinotti - Conference: RFID-TA 2011, 15 16 settembre Sitges (Barcellona)15-16 settembre, Sitges (Barcellona)

Pubblicazioni:

1) “Design and test of a smart-space interaction device combining RFID and electromagnetic interferometry ” -C t A B t li i S A bi i N M tti D Ci tti T S M t i E Mi S i Di t (MTT)Costanzo, A.; Bartolini, S.; Arbizzani, N.; Masotti, D.; Cinotti, T. S.; Montanari, E.; Microwave Symposium Digest (MTT), 2011 IEEE MTT-S International -Digital Object Identifier: 10.1109/MWSYM.2011.5973268 - Publication Year: 2011 , Page(s): 1

2) “RID: Remotely Identify and Detect hidden objects for smart-space-based maintenance optimization” - M. Del Prete, N. Arbizzani, D. Masotti and A. Costanzo; Second Artemis Technology Conference (Bologna), Sept. 2011, pp. 1-, , ; gy ( g ), p , pp3.

3) “A Microwave Sensor System Based on Reverse Modelling of the Array Factor” - A. Costanzo, D. Masotti. N. Arbizzani, and V. Rizzoli; Proceedings of the 6th European Conference on Antennas and Propagation 2012 (Prague), March 2012 (invited paper)

4) “Detection of closely-spaced objects by a low-cost reader at 2 45 GHz” - N Arbizzani M Del Prete A Costanzo4) Detection of closely-spaced objects by a low-cost reader at 2.45 GHz - N. Arbizzani, M. Del Prete, A. Costanzo, and D. Masotti; 2012 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (Montreal), June 2012 (Under review)


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