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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/
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Convegno Sensori Wireless
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)
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Convegno Sensori Wireless
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
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Convegno Sensori Wireless
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
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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!
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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
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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
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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)
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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!
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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
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Convegno Sensori Wireless
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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
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Attenzione alle correnti di perdita
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Conclusioni
Idea
Prototipo/demo
Prodotto
http://www.moteiv.com