Interfaccia WUSB per smart sensor

Progetto e Realizzazione di Interfaccia WirelessUSB

per Sensore Potenziometrico

Progetto e Realizzazione di Interfaccia WirelessUSB

per Sensore Potenziometrico

A.A. 2006/2007A.A. 2006/2007

Università degli Studi di BresciaDipartimento di Elettronica per l’Automazione

Università degli Studi di BresciaDipartimento di Elettronica per l’Automazione

Studente:Piccinelli Mario 48993 Corso di laurea: Ing. dell’Informazione

Studente:Piccinelli Mario 48993 Corso di laurea: Ing. dell’Informazione

Relatore: Prof.ssa Alessandra Flammini

Correlatore:Dott. Ing. Emiliano Sisinni

Relatore: Prof.ssa Alessandra Flammini

Correlatore:Dott. Ing. Emiliano Sisinni

Realizzare una rete di sensori adatta ad applicazioni in cui le reti tradizionali cablate sono inefficienti.Realizzare una rete di sensori adatta ad applicazioni in cui le reti tradizionali cablate sono inefficienti.

2 of 142 of 14Sensori Potenziometrici WirelessUSBSensori Potenziometrici WirelessUSB

Le ProblematicheLe Problematiche

Possibili esempi:Possibili esempi:

Analisi di elementi strutturali durante prove meccaniche

Analisi di elementi strutturali durante prove meccaniche

Controllo in tempo reale di strutture complesse

Controllo in tempo reale di strutture complesse

Mario PiccinelliMario Piccinelli

Gli obiettiviGli obiettivi

• Basso costo (< 20$)• Alimentazione autonoma

• Modesto datarate (poche decide di KB/s)• Discreta densità di nodi (decine per metro quadro)• Controllo correttezza trasmissione• Range limitato (poche decine di metri)• Bassi consumi (< 5 mA)

• Basso costo (< 20$)• Alimentazione autonoma

• Modesto datarate (poche decide di KB/s)• Discreta densità di nodi (decine per metro quadro)• Controllo correttezza trasmissione• Range limitato (poche decine di metri)• Bassi consumi (< 5 mA)

3 of 143 of 14

Le caratteristiche richieste sono:Le caratteristiche richieste sono:

Sensori Potenziometrici WirelessUSBSensori Potenziometrici WirelessUSBMario PiccinelliMario Piccinelli

La reteLa rete

• N nodi wireless indipendenti “plug&play” con alimentazione autonoma

• Un nodo centrale connesso a un calcolatore.

• N nodi wireless indipendenti “plug&play” con alimentazione autonoma

• Un nodo centrale connesso a un calcolatore.

4 of 144 of 14

Realizzazione di una rete N:1 composta da:Realizzazione di una rete N:1 composta da:

SensoreSensore

NodoNodo

SensoreSensore

NodoNodo

SensoreSensore

NodoNodo

ComputerComputerHostHost

ComputerComputerHostHost

RicevitoreRicevitoreRicevitoreRicevitore


La tecnologia trasmissivaLa tecnologia trasmissiva

• Banda ISM 2.4 - 2.48 GHz• Range da 10m (LS) a 50m (LR)• Datarate massimo ~60Kbit/s• Multiplazione di canale

– CDMA (code division)– FDMA (frequency division)– 78 canali x 49 codici = 3822 coppie di

dispositivi• Codifica a correzione d’errore• Sistema compatto e a basso costo

• Banda ISM 2.4 - 2.48 GHz• Range da 10m (LS) a 50m (LR)• Datarate massimo ~60Kbit/s• Multiplazione di canale

– CDMA (code division)– FDMA (frequency division)– 78 canali x 49 codici = 3822 coppie di

dispositivi• Codifica a correzione d’errore• Sistema compatto e a basso costo

5 of 145 of 14

WirelessUSB (Cypress)WirelessUSB (Cypress)


Il Sensore realizzato (1)Il Sensore realizzato (1)

6 of 146 of 14

Sensore(potenziometro)

Sensore(potenziometro)

TransceiverWUSB

TransceiverWUSB

Parteanalogica

Parteanalogica

PartedigitaleParte

digitale

Cypress PSOCCypress PSOC

AntennaAntennaAlimentatore

+batterie

Alimentatore+

batterie


Il Sensore realizzato (2)Il Sensore realizzato (2)

7 of 147 of 14

FronteFronte Retro (modulo radio)Retro (modulo radio)


Il Sensore: alimentazioneIl Sensore: alimentazione

8 of 148 of 14



MCP1252 (charge pump)

Ingresso: 2 pile AA (3 2.4 V)Uscita: 3.3 V (max 120 mA)Rendimento: 80%

3.3V

Il Sensore: microcontrolloreIl Sensore: microcontrollore

9 of 149 of 14



Cypress PSOC CY8C27143(Programmable System On Chip)

Core a 8 bitArchitettura HarwardFrequenza operativa 24 MHz

Memoria:160 KB flash256 B SRAM

Periferiche:12 blocchi analogici10 blocchi digitali

Sezione analogica

Controller convertitore AD Interfaccia serialeCodec WUSB

Generatore numeri casuali

Sezione Digitale

Il Sensore: radio e antennaIl Sensore: radio e antenna

10 of 1410 of 14



Transceiver WUSBCYWUSB6934 LS

Interfaccia seriale SPIcon il microcontrollore

Antenna PCB

Il Protocollo realizzatoIl Protocollo realizzato

11 of 1411 of 14

Power OnPower OnPower OnPower On

BindBindBindBind

DataDataDataData

SleepSleepSleepSleep


Power ON

Inizializzazione del microcontrollore e di tutte le componenti del sistema.

Bind

Riconoscimento del nodo da parte dell’hub. Scambio di informazioni riguardo la connessione.

Data

Misurazione del valore del sensore e trasmissione all’hub. Attesa dell’ACK.

Sleep

Attesa in modalità di risparmio energetico.

Collaudo sistemaCollaudo sistema

12 of 1412 of 14

Bind requestBind requestHub Bind responseHub Bind responseSensor AckSensor AckSensor dataSensor dataHub AcknowledgeHub AcknowledgeVerifica del funzionamento del sistema mediante sniffer WirelessUSB

Handshake e successiva trasmissione

Verifica del funzionamento del sistema mediante sniffer WirelessUSB

Handshake e successiva trasmissione


Risultati: consumiRisultati: consumi

Sensori Potenziometrici WirelessUSBSensori Potenziometrici WirelessUSBMario PiccinelliMario Piccinelli 13 of 1413 of 14

Sleep Misura TX

tt

ii 10 uA10 uA≈≈TcTc

10 uA10 uA≈≈TcTc

5 mA5 mA1 ms1 ms5 mA5 mA1 ms1 ms

70 mA70 mA5 ms5 ms

70 mA70 mA5 ms5 ms

RX

50 mA50 mA5 ms5 ms

50 mA50 mA5 ms5 ms

Icc,mean = 2,4mA @ Tc = 250ms

Icc,mean = 0,13mA @ Tc = 5s

2 pile AA2000 mAh

Vita dispositivo: circa 1 mese

Vita dispositivo: circa 1 anno

Durata batterie:

C · · Vin

Icc,mean · Vout=

2000 mAh · 80% · 2,4 V

Icc,mean · 3,3 V=

L [h] =

Risultati: utilizzo HWRisultati: utilizzo HW

Le risorse del microcontrollore non sono completamente sfruttate dall’implementazione attuale, c’è spazio per future espansioni.

Le risorse del microcontrollore non sono completamente sfruttate dall’implementazione attuale, c’è spazio per future espansioni.

Spazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili)Spazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili)

Memoria: sfruttata all’ 80% (circa 50 B disponibili)Memoria: sfruttata all’ 80% (circa 50 B disponibili)

Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili)Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili)

Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili)Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili)

Possibilità di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitali o su bus.Possibilità di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitali o su bus.

risorsedisponibili

Sensori Potenziometrici WirelessUSBSensori Potenziometrici WirelessUSBMario PiccinelliMario Piccinelli 14 of 1414 of 14

Risultati: costo sistemaRisultati: costo sistema

PSOC CY8C27143: 2.25 euroCharge Pump MCP1252: 0.89 euroTransceiver CYWUSB6934: 5,26 euroOscillatore quarzo: 3 euro circa PCB e componenti passivi: 5 euro circa

Totale: 15 euro per ciascun nodo

(i prezzi sono calcolati per volumi di produzione superiori i 100 pezzi. E’ escluso il costo del sensore e delle batterie.)

PSOC CY8C27143: 2.25 euroCharge Pump MCP1252: 0.89 euroTransceiver CYWUSB6934: 5,26 euroOscillatore quarzo: 3 euro circa PCB e componenti passivi: 5 euro circa

Totale: 15 euro per ciascun nodo

(i prezzi sono calcolati per volumi di produzione superiori i 100 pezzi. E’ escluso il costo del sensore e delle batterie.)

15 of 1415 of 14Sensori Potenziometrici WirelessUSBSensori Potenziometrici WirelessUSBMario PiccinelliMario Piccinelli

Interfaccia WUSB per smart sensor

Technology

Transcript of Interfaccia WUSB per smart sensor