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]
Sito 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
868/915
802.11
802.15.1
WirelessUSB
802.15.4
UWB
NFC
Frequenza
800-900 nm
433 MHz
868/915 MHz
2.4/5 GHz
2.4 GHz
2.4 GHz
868-902
MHz, 2.4GHz
3.1-10.6 GHz
Connessione
Induttiva
(13.56MHz)
Data Rate
20k-16Mbps
0.3kbps
11-54 Mbps
1 Mbps
62.5 kbps
20-250 kbps
100-500
Mbps
106-424 kbps
Area
1-9m (LOS)
10m
50-100m
10m
~ 50m
10-100m
<10m
~20cm
Topologia di
rete
Punto a punto
Punto a
punto
Stella
Stella
Stella
Stella,
albero,mesh
Punto a punto
Punto a punto
Complessità
Semplice
Semplice
Alta
Medio/Alta
Semplice
Media
Media
Semplice
Consumi
Molto 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
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
Consumo
802.11g
802.11b
802.11
WPAN
802.15.1
802.15.3
802.15.4
802.11b
802.11g
802.15.4
928
WirelessUSB
MC13191
Data rate
902
Chipcon 2500
WLAN
802.15.1
(Bluetooth)
802.15.4
(ZigBee)
Complessità
802.11a
2400
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802.11a
2483.5
5725
5875
MHz
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t (TDMA)
Convegno Sensori Wireless
Interferenza con altre RF source
Codice (CDMA)
– Nella stessa area possono parlare
Time




Coppie in tempi diversi
Freq.




Coppie su differenti canali

Coppie con differenti codici
Code
salto
salto
canale
1 2 3 4 5 N
fRF
fch
– Strategie in caso di “sottospazio” occupato
De-Spreading
Spreading
Unspread
Interferenza
CSMA/CA

 Continuo a cambiare canale (FHSS)

FHSS
DSSS
 Ascolto prima di parlare (CSMA/CA)




Correlazione
 Spreading dei dati (DSSS)
Caratteristiche dei codici PN
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1
0
0
1
ERRORE!
1
1
0
0
OK!
1
0
1
1
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Convegno Sensori Wireless
Data rate (DSSS)
Codice
Data bit
5
1
0
0
1
Code
0
1
1 1 0 1 1 0 0 1
Chip
Simbolo
Chiprate = Channel bandwidth
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
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Convegno Sensori Wireless
Scelta dell’antenna
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-)
Sensore
ADC
c
Tx/Rx
Alimentazione
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 = GP; (P al trasmettitore)
G
Osservazioni:
Più è elevata la f  più piccola è l’antenna
I connettori per le antenne sono costosi
Il design delle antenne è molto critico
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Convegno Sensori Wireless
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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Convegno Sensori Wireless
Batterie
Zinco
Carbone
Alkaline
Litio
Nickel - Cadmio
Nickel 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
 Resistenza interna bassa per sopportare i transitori del transceiver
 Scarica naturale critica per regolatori lineari
 Condensatori con basso ESR (Equivalent Series Resistance)
NO!
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SI!
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Convegno Sensori Wireless
34mm 
26mm 
‘C’
‘D’
44.5 mm
45 mm
50 mm
61mm
50 mm
Batterie
(14,5mm )
(10.5mm )
(26.2 x 17.5 mm)
‘AA’
‘AAA’
‘9V’
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
—
—
Alto
Ricaricabile, leggera, tossica
Alessandra Flammini, Università di Brescia
(0.8Ah)
—
—
—
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Convegno
sensori
wireless
Convegno Sensori
Wireless
Alimentazione a batteria
Componenti utilizzati per aumentare l’utilizzo delle batterie
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
Attenzione alle correnti di perdita
Alessandra
FORTRONIC
Flammini,
Electronic
Università
Forum di
- Padova
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Convegno Sensori Wireless
– Legata al tipo di applicazione:
 Pressione, umidità, temperatura, … Bus di sistema
 Prossimità, movimento, strain
 Biochimici,luce …
Elettronica
d’interfaccia
Bus sensori
Interfaccia sensore
Elettronica di controllo
Sensori
– 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)
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Convegno Sensori Wireless
Interfaccia sensore
– Vantaggi SoC
 dimensioni minime
 ottimizzazione risorse
 configurabilità
– Microcontrollori che integrano A/D e
circuiti programmabili analogici
(PSoC by Cypress)
Alessandra Flammini, Università di Brescia
• 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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Convegno Sensori Wireless
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!
Corrente
Attivo
Riposo
Tempo
• Sistemi di clocking e tempi di start up
Seriali
Clock
secondario
Clock
principale
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Prescaler
periferiche
Timers
ADC
Prescaler
CPU
CPU
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Convegno Sensori Wireless
802.15.4 o ZigBee?
Caratteristiche:





2 MHz
5 MHz
2.4 GHz
2.4835 GHz
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?)
Sol. ZigBee
Sol. IEEE802.15.4
P31
… P1
APP Utente
APS
NWK Utente
ZB NWK
802.15.4 MAC
802.15.4 MAC
PHY
802.15.4 PHY
802.15.4 PHY
RF Transceiver
RF Transceiver
RF Transceiver
Sol. Proprietaria
MAC
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ZDO
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Convegno Sensori Wireless
I vantaggi dello standard
(ZigBee – 802.15.4)
PAN
COORDINATOR
– Molteplici architetture di rete
 Stella
 Peer to Peer
 Albero
FFD
Router
– Nodi a diversa complessità:
RFD
Master/slave
 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
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Peer to Peer
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Convegno Sensori Wireless
I vantaggi dello std
(ZigBee - 802.15.4)
Contention Access Period
(CAP)
Contention Free Period
(CFP)
15.24ms * 2n; 0  n  14
Network beacon
– Modalità Beacon:




Contention period
CAP?  Slotted CSMA-CA
CFP?  TDMA (applicazioni isocrone)
Beacon generati dal coordinatore
Sincronizzazione
Garanteed time slot
RF:MC13192
µC: MC08HCSGT60
– No Beacon:
 CSMA/CA simile 802.11
 Trasmissione diretta (sensore coordinatore)
e indiretta (coordinatore sensore)
 Importante! Basso duty cycle
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Convegno Sensori Wireless
Conclusioni
Idea
Prototipo/demo
Prodotto
http://www.moteiv.com
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