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 MEDICHE

TESI DI LAUREA PRESSO ELCON ELETTRONICA

Anno Academico 2011-2012

Laureando:Benedito osvaldo Xona

Relatore:Prof. Sergio CarratoCorrelatore: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 utiliInformazione 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 FrameFrame 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 controllogenerato dai nodi al primo inserimento in rete,

ogni volta che vuole comunicare con altri nodiNel campo DST l’indirizzo è in Broadcast

SRC DST BROAD RSSI LP PAYLOAD CRC

Nodo Sensore

Sensore

MCUMemoria Ricetrasmettitore

Alimentazione

Sche

ma

Elett

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

• CC2520Permette comunicazione in banda ISM che va da 2400 a

2483,3 MHzBassa tensione che varia da 1,8 a 3,8 VBit rate 250 Kbit/sModilazione DSSS Ridotto consumo energetico

RX: 18 Ma, TX: 33 mA e sleep mode 1uAPotenza di trasmissione programmabile in 32 livelliElevata 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 CMAttende l’ack

Qualora non è un nodo internoTrasmette il frame di controllo ed attende l’Ack di

confermaSe il N°risp<1 riprova incrementando PALL=PALL+3Se il N°risp>=1, legge l’RSSI dei vari nodi

Nodo in trasmissioneSe RSSI<50% ritrasmette incrementando PALLSe RSSI>=50% seleziona i nodi

Controlla il campo SYNCH Se SYNCH=1 , comunica con il NdF

Attende l’AckSe 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 messaggioSe Type=FR; trasmette l’Ack al CMSe 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=BROADLegge 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 necessarieSe non ci sono attiva il timerEntra in standy-by e attende TO=3TFRDopo TO si sveglia e trasmette un frame Broad

Durata Nodo

• Senza il TimerMCU+ 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