Sensori
Sensori Wireless:
Wireless: da
da WiFi
WiFi ee BlueTooth
BlueTooth
verso
verso
Zigbee
Zigbee ee ii nuovi
nuovi Standard
Standard emergenti
emergenti
P. Ferrari, A. Flammini, D. Marioli, E. Sisinni, A. Taroni
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://bsing.ing.unibs.it/~label/
GMEE 2002
Sensori Wireless
… idea …
Cosa è cambiato?
GMEE 2004
Sensori Wireless
… realtà …
Sommario
Introduzione, Problematiche, Tecnologie disponibili e future, Risultati sperimentali
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1
Tecnologie Wireless
WAN
Global
Satellite
MAN
LAN / PAN
Urban
Macro Cell (20-50 km)
Suburban
In-building
Micro Cell (≈1 km)
Pico Cell (1-10 m)
Il wireless si è affacciato al mondo dei consumatori con la telefonia mobile:
GSM (9.6kbaud) Î GPRS (40kbaud, Internet) Î UMTS (~Mbaud, video)
Sono tecnologie adatte ai sensori?
Diffusa, basso costo HW
Costo “chiamata”, consumi (>1W)
SISTEMI O SENSORI COMPLESSI
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2
Reti a 2.4GHz: perché?
Trasmissioni Wireless
MEZZO TRASMISSIVO CONDIVISO
Il suo utilizzo deve essere regolamentato dall’autorità competente
BANDA ISM (Industrial, Scientific, Medicine): regione dello spettro “libera”
27 / 433
MHz
868 / 915
MHz
2.4 ÷ 2.4835 GHz
Unica banda libera in tutto il mondo
5.0
GHz
Slot
Occorre comunque SEPARARE le differenti connessioni:
SLOT
Î porzione di tempo nel quale la comunicazione avviene
CANALE Î porzione di spettro (Δf) nel quale la comun. avviene
CODICE Î codice numerico usato per codificare i dati
Canale
(codice = N bit per trasmettere M bit, M<<N)
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Codice
3
Protocolli e topologie di reti wireless
Tipica rete di sensori: - topologia a stella - protocollo master slave
Wireless Î nuovi problemi:
- più reti (di sensori e non) devono coesistere nello stesso raggio d’azione
- il numero e la localizzazione dei nodi è variabile e non nota a priori
- il protocollo master-slave implica che lo slave sia sempre in ricezione (+ consumi)
- ...
NUOVI PROTOCOLLI E NUOVE TOPOLOGIE DI RETE
PROTOCOLLI con “RX OFF”, PROTOCOLLI di autoassociazione,…
STELLA
ALBERO
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MAGLIA (MESH)
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4
Reti di sensori wireless: problemi
EMC
- altri sistemi e/o infrastrutture influiscono sulla rete wireless
- la rete wireless di sensori influisce (HW) su altri sistemi (wireless e non)
- la rete wireless influisce sull’uomo (danno biologico)
(Normativa: Max 1W/m2 nella banda 3MHz-3GHz. Max 10mW/MHz ISM 2.4GHz)
-
Raggio d’azione
Spesso è un problema di antenna (+potenza Î +distanza Î +consumi)
Grande raggio d’azione Î tanti nodi Î topologie e protocolli complessi
Come si stima il raggio d’azione in un ambiente a partire da misure “a vuoto”?
Come si misura il raggio d’azione in un ambiente?
Coesistenza
Tecnologie
— —
Reti
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METODOLOGIA
METROLOGIA
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5
Reti di sensori wireless: problemi
1.
SENSORE
Alimentazione
Dati
2.
SENSORE
Dati
Consumo
1. Presenza alimentazione o ricarica frequente (batterie per ~ ore)
2. Batteria o alimentaz. RF (RFID) Î Protocolli “energy saving” Î “DUTY-CYCLE”
Il sensore si sveglia/è svegliato, invia dati/eventi, si riaddormenta (Tc > 100ms)
METODOLOGIA
Velocità
METROLOGIA
- Bus di campo: Tc ~ 10 ms Î No duty-cycle Î 1.
- Bit-rate (noto) spesso scorrelato da latenza e jitter (da misurare!!!)
Sicurezza
- Affidabilità della connessione (+potenza Î +sicurezza Î +consumo)
- Controllo correttezza del trasferimento
(protocollo -CRC, ACK,...-, +controllo Î +tempo ON Î +consumo )
- Sicurezza da intrusioni volontarie
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6
Reti di sensori wireless: settori di applicazione e problemi
Possibili settori di applicazione dei sensori wireless
Consumer Domotica Ambientale Processo Automazione
Consumo
+
+
+
+
~
Velocità
~
-
-
~
+
Raggio azione
-
~
+
~
~
EMC
+
+
+
+
+
Sicurezza
~
+
~
+
+
Standardizzazione
+
~
~
-
-
Coesistenza
+
+
+
~
~
Costo
+
+
~
+
+
Consumer: PC, telefonia, automotive
Domotica: allarmi, condizionamento, sensori di gas, wellness,..
Ambientale: telerilevamento distribuito (inquinanti, irrigazione,...)
Settore industriale: controllo di processo e automazione
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tempo
7
Reti wireless di sensori: tecnologie a confronto
Proprietario
IrDA
WiFi
BT
ZigBee
WUSB
Banda
433 MHz
IR
2.4GHz
2.4GHz
2.4GHz
2.4GHz
Max
Data Rate
0.3kbps
4Mbps
11Mbps
1Mbps
250kbps
62.5kbps
Area
10m
2m
≈ km
10m
100 m
10 – 100m
Consumi
200mW
10mW
1W
250mW
100mW
200mW
Low Power
STBY
NO
SI
NO
NO
SI
SI
Modulazione
ASK, FSK
RZ
4PPM
DSSS
FHSS
DSSS
DSSS
MAC
??
TDMA
CSMA
TDMA
CSMA
CDMA
FDMA
# Nodi
??
1/8
32/∞
1/8/∞
65k
3871
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8
Soluzioni “alternative”
Sensore
Sistema di
data logging
Vcc
RS232
RX
μC+TX
Banda
Bandalibera
liberaISM
ISM@
@433MHz
433MHz
¾Single-chip
μC+RF
ASK
¾Single-chip μC+RF ASKTX:
TX:
rfFPIC12C509AF
rfFPIC12C509AF
¾Ricevitore
¾RicevitoreASK
ASKesterno
esterno
¾Copertura
¾Copertura88mm
¾Full
¾Fullduplex
duplex300
300bits/s,
bits/s,Latenza
Latenza50
50ms
ms
¾Basso
consumo
<
200mW
(TX)
¾Basso consumo < 200mW (TX)
150mW
150mW(STBY)
(STBY)
¾Basso
¾Bassocosto
costo<<15$
15$
¾Codice
¾Codice<<11kByte
kByte
Infrarosso
Infrarosso(IrDA)
(IrDA)
¾Controller
IrDA:
¾Controller IrDA:MCP2150
MCP2150
Modulo
Vantaggi
¾Basso costo
¾Alta disponibilità
Svantaggi
¾Immunità ai disturbi
¾Codifica proprietaria
¾Transfer rate “basso”
Vantaggi
Gruppo
OTTICO
(Gestione
(Gestionedell’intero
dell’interostack
stack(IrDA+IrCom))
(IrDA+IrCom))
¾μC:
¾μC:PIC18LF452
PIC18LF452
¾IrDA
¾IrDA1.2:
1.2:115kbaud
115kbaud
¾Bassissimo
¾Bassissimoconsumo
consumo (20mW
(20mW(TX))
(TX))
¾Basso
costo
<
10$
¾Basso costo < 10$
¾Codice
¾Codice<<11kByte
kByte
¾Basso costo
¾Alta disponibilità
Svantaggi
¾Copertura ridotta
¾Necessità del LoS
APPLICAZIONE TIPICA: TELECOMANDI
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Sensori Wireless Ethernet 802.11b
Vantaggi
¾Veloce, Buona distanza di TX
¾Diffusa e “affidabile”
¾Naturalmente integrata con Internet
¾Rapida evoluzione (IEEE802.11g)
Svantaggi
¾Dissipativa
¾Costosa
¾Dimensioni
Occupazione
OccupazioneCodice:
Codice:15
15kByte
kByte(UDP,
(UDP,2byte)
2byte)
Prestazioni
Prestazionimisurate
misurate(master-slave)
(master-slave)
¾Tempistiche
¾Tempistiche
TTTx(1)
= 2TUDP,PCMCIA+TORINOCO
Tx(1) = 2TUDP,PCMCIA+TORINOCO
~~4.0+1.8
4.0+1.8==5.9ms
5.9ms
TTc(1)~11.5ms,
(1)~11.5ms,TTc(2)~18.6ms
(2)~18.6ms
c
Caratteristiche
Caratteristiche
¾Orinoco
¾OrinocoSilver
Silvercard
card
¾μC
¾μCPIC18F452,
PIC18F452,CPLD
CPLDCY37K128
CY37K128(PCMCIA)
(PCMCIA)
c
¾Distanza
¾Distanzaoperativa
operativad:d:d,max=60m
d,max=60m
TTTx aumenta
con d, RSSI diminuisce,
Tx aumenta con d, RSSI diminuisce,
sensibile
sensibileagli
agliostacoli
ostacolimetallici
metallici
→
d,lim
~
40m
→ d,lim ~ 40m
¾Potenza:
¾Potenza:1.9W
1.9W(scheda),
(scheda),0.9W
0.9W(WiFi)
(WiFi)
Applicazioni commerciali attualmente disponibili
¾Moduli condizionamento (Es. Ipsil)
¾Videocamere, sistemi di allarme (videosorveglianza civile e ambientale)
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Sensori Bluetooth
Vantaggi
¾Veloce, diffusa (telefonia), compatta
¾Costo contenuto, internet
Sensore
…..
Sensore
Occupazione
OccupazioneCodice:
Codice:13
13kByte
kByte
Ethernet/Internet
Ethernet
Peripheral
Svantaggi
¾Dissipativa, difficile duty-cycle
Piconet
Caratteristiche
Caratteristiche
¾Ericsson
¾EricssonROK101007
ROK101007(classe
(classe3),
3),UART
UART115.2kbps
115.2kbps
¾μC
PIC18F452,
Ethernet
device
CS8900
(10baseT)
¾μC PIC18F452, Ethernet device CS8900 (10baseT)
Prestazioni
Prestazionimisurate
misurate(Piconet)
(Piconet)
9Tempistiche
(L2CAP,
9Tempistiche (L2CAP,DH1
DH1-11byte-)
-11byte-)
TTTx(1)=2T
UART+TROK~1.9+2.9=4.8ms
Tx(1)=2TUART+TROK~1.9+2.9=4.8ms
TTc(1)~12ms,
(1)~12ms,TTc(2)~16ms,
(2)~16ms,TTc(3)~20ms
(3)~20ms
c
c
c
9Distanza
9Distanzaoperativa
operativad:d:d,max=9.6
d,max=9.6
TTTx aumenta
con d, RSSI diminuisce,
Tx aumenta con d, RSSI diminuisce,
sensibile
sensibileagli
agliostacoli
ostacolimetallici
metallici
→
d,lim
~
3m
→ d,lim ~ 3m
9Potenza:
9Potenza:95mW
95mW(NC),
(NC),245mW
245mW(Tx)
(Tx)
11batteria
batteriaNi-MH
Ni-MHda
da1.2V
1.2V600mAh:
600mAh:
durata
4h
e
10minuti
durata 4h e 10minuti
Applicazioni commerciali attualmente disponibili
9Moduli per sensori 4-20mA, 0-5V (Wilcoxon, Oceana Sensor, Rowing)
9Moduli RX-TX con supporto TEDS 1451.2 (Crossbow)
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Tecnologie emergenti: WUSB
Stack
Probabilità di riconoscimento
USB
Function
TX
Preamble
PN-Code
Banda Base:
Device
Inverse PN-Code
Time
0
1
Max
RF Transceiver
WUSB
Base Band
SOGLIA
Dato = 1
Match Count
RX
Time
Center count
Dato = 0
SOGLIA
Min
HW flessibile
¾Canale e Codice/soglia impostabile dall’utente
Resistenza alle interferenze (Banda ISM)
BT channels
Wi-Fi channel #1
BT:
sovrapposizion
e limitata nel
tempo (625μs)
Wi-Fi channel #13
WUSB
2400
2401
2402
2403
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2477
2478
2479
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WiFi:
sfrutto lo spazio
tra un canale e
l’altro
2480 F [MHz]
12
Tecnologie emergenti: WUSB
Dispositivi periferici: bassa latenza, basso transfer rate
OTTIMIZZAZIONE CONSUMI tramite bassissimo duty-cycle (TON << TOFF)
Sensore
uC
CY
SPI
Svantaggi
¾NON STD
(Attualmente)
Vantaggi
¾Costo e consumi bassi
¾Resistenza interferenze
¾Canali indipendenti
66mA
57mA
Occupazione
Occupazionecodice:
codice:
¾HUB:
13
kByte
¾HUB: 13 kByte Device:
Device:88kByte
kByte
Prestazioni
Prestazionimisurate
misurate(preliminari)
(preliminari)
¾Tempistiche
¾Tempistiche(Protocollo
(Protocolloproprietario)
proprietario)
TTSBY Î
T
~
3ms
ON
SBY Î TON ~ 3ms
TTTx+T
+TIDLE+T
+TACK ~~0.67+0.36+0.7=1.73ms
0.67+0.36+0.7=1.73ms
WUSB Cypress ≠ WUSB Intel
Caratteristiche
Caratteristiche
¾CYWUSB6934
¾CYWUSB6934(Low
(LowRange)
Range)
¾μC
PSoC
CY8C26643
¾μC PSoC CY8C26643
Tx
IDLE
ACK
¾I
~ μA, IIDLE ~ 2.1mA
¾IOFF
OFF ~ μA, IIDLE ~ 2.1mA
ITX,RX
ON ~~28.5mA,
I
28.5mA,ITX
I ~~66mA,
66mA,IRX
I ~~57mA
57mA
TX,RX ON
TX
RX
¾Se
¾SeD=0.2%
D=0.2%ee11byte
bytepayload
payloadcon
con11batteria
batteriaNi-MH
Ni-MH
da
da1.2V
1.2V600mAh:
600mAh:durata
durata6000h
6000h
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Tecnologie emergenti: ZigBee
Trasmissioni “Beacon” e “Beacon Less”
Nodi a diversa complessità
Contention Access Period
CAP
GTS
Granted Time Slot
Beacon
Coordinatore PAN (FFD)
Sol. ZigBee
Dispositivo FFD
Dispositivo RFD
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
Sol. Proprietaria
MAC
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ZDO
RF Transceiver
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Tecnologie emergenti: ZigBee
Dispositivi periferici: bassa latenza, basso transfer rate
OTTIMIZZAZIONE CONSUMI tramite bassissimo duty-cycle (TON << TOFF)
Sensore
Vantaggi
¾Costi e consumi bassi
¾Prestazioni
uC
MC
Svantaggi
¾Disponibilità
SPI
35mA
30mA
Occupazione
Occupazionecodice:
codice:
¾Sol.
¾Sol.Proprietaria:
Proprietaria:3.5
3.5kByte
kByte
ZB-FFD:
ZB-FFD:50
50kByte
kByte
Prestazioni
Prestazionimisurate
misurate(preliminari)
(preliminari)
¾Tempistiche
¾Tempistiche(~
(~IEEE802.15.4)
IEEE802.15.4)
TTSBY Î
T
~
7ms
ON
SBY Î TON ~ 7ms
TTTx+T
+TACK ~~1.1+1.5=2.6ms
1.1+1.5=2.6ms
Tx
Caratteristiche
Caratteristiche
¾MC13192
¾MC13192
¾μC
¾μCMC08HCSGT60
MC08HCSGT60
ACK
~ μA IIDLE ~ 1mA
¾I
¾IOFF
OFF ~ μA IIDLE ~ 1mA
ITX,RX
~ 20mA, ITX ~ 30mA, IRX ~ 35mA
ITX,RXON
ON ~ 20mA, ITX ~ 30mA, IRX ~ 35mA
¾Se
¾SeD=0.2%
D=0.2%ee22byte
bytepayload
payloadcon
con11batteria
batteriaNi-MH
Ni-MH
da
1.2V
600mAh:
durata
15000h
da 1.2V 600mAh: durata 15000h
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Conclusioni
RETI DI SENSORI WIRELESS
¾ Fattori chiave: COSTI e CONSUMI (2002, idea Î 2004, realtà)
¾ Scenario
- GSM/GPRS/UMTS: costi, consumi, sensori molto complessi (videosorv.)
- Soluzioni “alternative” al 2.4GHz: efficienti, sensori molto semplici
- BT, WiFi: veloci (Tc~10ms), Internet, si possono abbassare i costi, batterie ~ ore
- ZigBee: soluzioni “quasi-standard” Î batterie ~ anni, stack ZigBee?
- WUSB: soluzione Cypress “furba” Î batterie ~ anni, solo rete a stella
METODOLOGIE DI STIMA DI CONSUMI, RAGGIO D’AZIONE,…?
METODOLOGIE DI MISURA (LATENZA, DUTY CYCLE,…)?
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