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
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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
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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
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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
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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
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( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )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 )()()(
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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
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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
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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
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Secondo prototipo
Monopulse RadarMonopulse Radar - Secondo prototipopp p p
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Monopulse RadarMonopulse Radar - Secondo prototipopp p p
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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
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)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
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Monopulse RadarMonopulse Radar - Effetto della variazione di faseIl puntamento del diagramma di radiazione dipende dalla
variazione di fase prodotta dai phase-shifter
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Monopulse RadarMonopulse Radar – Misure degli effetti della variazione di fase
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Monopulse RadarMonopulse Radar – Misure degli effetti della variazione di fase
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoAntennaAntenna
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoAntennaAntenna
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoAntennaAntenna
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoRat RaceRat Race
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoRat RaceRat Race
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoRat RaceRat Race
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Monopulse RadarMonopulse Radar – ProgettoBalun & AdapterBalun & Adapter
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Monopulse RadarMonopulse Radar – Progetto Parte Digitale
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Monopulse RadarMonopulse Radar – Flowchart funzionaleSelectionSelection
• L’RSSI viene misurato dal RID
• I TAG invianoI TAG inviano solamente il loro ID
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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
Ing. Nicola Arbizzani 27
-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
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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
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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
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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
Distanza tra i Tag (cm)
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]
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Distanza tra i Tag (cm)
Sviluppi futuriSviluppi futuri TAG passivi Miglioramento algoritmi decisionali Versione RID 2.1: sostituzione Phase-shifter commerciali
con versione distribuita (in fase di misure)
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GrazieGrazieGrazieGrazie
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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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