Convegno Sensori Wireless Alessandra Flammini, Università di BresciaFORTRONIC Electronic Forum -...

Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 1

Convegno Sensori Wireless

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: [email protected] Web: http://www.ing.unibs.it/~wsnlab/



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)



Tecnologie a confronto IR RF 433

868/915802.11 802.15.1 WirelessUSB 802.15.4 UWB NFC

Frequenza 800-900 nm433 MHz

868/915 MHz2.4/5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz

868-902 MHz, 2.4GHz

3.1-10.6 GHzConnessione

Induttiva (13.56MHz)

Data Rate 20k-16Mbps 0.3kbps 11-54 Mbps 1 Mbps 62.5 kbps 20-250 kbps100-500

Mbps106-424 kbps

Area 1-9m (LOS) 10m 50-100m 10m ~ 50m 10-100m <10m ~20cm

Topologia di rete

Punto a puntoPunto a punto

Stella Stella StellaStella,

albero,meshPunto a punto Punto a punto

Complessità Semplice Semplice Alta Medio/Alta Semplice Media Media Semplice

ConsumiMolto bassi

(10mW, dipende dalla distanza)

Bassi(~200mW)

Alti~1W

Medi~300mW

Bassi~200mW

Bassi~100mW

Bassi~100mW

Bassi

Applicazioni

Remote control, trasmissione dati a corto

raggio

Controllo remoto

Wireless LAN

Cable replacing

Periferiche PC

Automazione e controllo

Trasmissione segnali a

banda larga

Trasmissione dati a corto

raggio



802.15.4(ZigBee)

802.15.1(Bluetooth)

WPAN

802.11a

802.11g

802.11b

802.11

WLAN

Data rate

Co

mp

les

sitàC

on

su

mo

802.15.4

802.15.1802.15.3802.15.4

802.11b802.11g 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

WirelessUSB

MC13191



1 1 0 0

Codice (CDMA)

t (T

DM

A)

Canal

e (F

DMA)

fRF

31 4 N221

saltosaltocanale

fch

UnspreadSpreading InterferenzaDe-Spreading

1 0 0 1

1 0 1 1

Correlazione

OK!

– 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

Time

Freq.

Code

Interferenza con altre RF source

– Nella stessa area possono parlare

Coppie in tempi diversi

Coppie su differenti canali

Coppie con differenti codici

CSMA/CA

FHSS

DSSS

555

ERRORE!



Codice

5Data bit Code

Simbolo

Chip

Chiprate = Channel bandwidth

01 1 0 1 1 10

Data rate (DSSS)

IEEE 802.15.4 8 bit 2 code32 = 64 chip @ 2Mchip/s = 32µs; 32kbyte/s

WirelessUSB 8 bit 4 code32 = 128 chip @ 1Mchip/s = 128µs; 8kbyte/s

– 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

0 1 0 101



Alimentazione

ADC c Tx/RxSensore

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-)

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 = GP; (P al trasmettitore)

Antenna

Osservazioni:Più è elevata la f più piccola è l’antennaI connettori per le antenne sono costosiIl design delle antenne è molto critico

G



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)



Zinco Carbone

Alkaline Litio Nickel - CadmioNickel Metallo Idrato (NiMH)

Ioni di Litio

Tensione nominale [V] 1,5 1,5 3 1,2 1,2 3,6

Resistenza interna Media Bassa Bassa Molto bassa Molto bassa Molto bassa

Capacità (AA) [mAh] 60-1800 2200 2100 600-1100 1300-2300 800-1000

Ricaricabili? No (NO) No Si Si Si

Scarica naturale Lenta Lenta Molto Lenta Veloce Veloce (30% /mese) Veloce (20% / mese)

Costo (AA, $) 1 1 3 2 2 3

Note Vecchie Diffuse Tossiche Vecchie Diffuse Leggere, tossiche

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!



34mm 26mm (14,5mm ) (10.5mm ) (26.2 x 17.5 mm)

61m

m

50 m

m

50 m

m

45 m

m

44.5

mm

‘D’ ‘C’ ‘AA’ ‘AAA’ ‘9V’

Batterie

PC Phone D C AA AAA 9V COSTO NOTE

Alkaline

(1.5V)— — 17Ah 7.8Ah 2.2.Ah 1Ah 0.6Ah Basso Non ricaricabile

NiMH

(1.2V)— — 6.5Ah 2.8Ah 2.0Ah 0.7Ah

—Medio Ricaricabile, non tossica

Ioni Litio

(3.6V)2Ah 0.7Ah

— —(0.8Ah)

— —Alto Ricaricabile, leggera, tossica



FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 11

LDO: regolatori a bassa caduta di tensione (Es..

Pochi componenti (condensatori di bypass)

Alte correnti di uscita, basso rumore

Basso costo, bassa efficienza

Bassa efficienza

Vin > Vout

Charge pump (Es..

Necessitano di pochi componenti (inductorless)

Buona efficienza, costo Medio

Vin > Vout oppure Vout < Vin

Rumore medio

Vout multiplo di Vin

Basse correnti di uscita (<20mA)

Step up / Step down converter (Buck boost)

Alta efficienza, alto costo

Medie correnti di uscita

Vin > Vout oppure Vout < Vin

Criticità dell’induttore (layout)

Rumore elevato

Componenti utilizzati per aumentare l’utilizzo delle batterie

Alimentazione a batteria

Convegno sensori wireless

Attenzione alle correnti di perdita



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

Bu

s se

nso

ri

Ele

ttro

nic

a d

i co

ntr

ollo

Bus di sistema



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



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

Riposo

Attivo

Tempo

Co

rren

te

Prescalerperiferiche

Seriali

Timers

ADC

PrescalerCPU

CPUClock

principale

Clocksecondario



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?)

APS

P31…

ZDOP1

802.15.4 PHY

RF Transceiver

PHY

MAC

802.15.4 PHY

802.15.4 MAC

RF Transceiver RF Transceiver

802.15.4 MAC

Sol. Proprietaria

Sol. IEEE802.15.4

NWK Utente

APP Utente

Sol. ZigBee

ZB NWK

5 MHz

2.4 GHz 2.4835 GHz

2 MHz



Master/slave

FFD

Router

RFD

PANCOORDINATORI 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 Peer to Peer



Network beacon

Contention Access Period(CAP)

Contention Free Period(CFP)

15.24ms * 2n; 0 n 14

Contention period

Garanteed time slot

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

RF:MC13192µC: MC08HCSGT60



Conclusioni

Idea

Prototipo/demo

Prodotto

http://www.moteiv.com

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