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