SENSORI WIRELESS : DALL’IDEA AL PRODOTTO 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: flammini@ing.unibs.it Sito Web: http://www.ing.unibs.it/~wsnlab/ Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 1

Sensori Wireless: dall'idea al prodotto 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) Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 2

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 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 ~ 50m 10-100m <10m ~20cm Topologia di rete Punto a punto Stella Stella, albero,mesh Complessità Semplice Alta Medio/Alta Media Consumi Molto bassi (10mW, dipende dalla distanza) Bassi (~200mW) Alti ~1W Medi ~300mW ~200mW ~100mW 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 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 3

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 802.11a 802.11g 802.11b 802.11 WLAN Chipcon 2500 Consumo Complessità WirelessUSB 802.15.4 (ZigBee) 802.15.1 (Bluetooth) WPAN MC13191 802.15.4 802.15.1 802.15.3 802.11b 802.11g 802.11a 902 928 2400 2483.5 5725 5875 MHz Data rate Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 4

Interferenza con altre RF source Nella stessa area possono parlare Coppie in tempi diversi Coppie su differenti canali Coppie con differenti codici t (TDMA) Codice (CDMA) Canale (FDMA) Time  Freq. Code salto salto canale 1 1 2 2 3 4 5 5 5 N fRF fch 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 De-Spreading Unspread Spreading Interferenza CSMA/CA  FHSS DSSS Correlazione 1 ERRORE! 1 1 OK! 1 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 5

Data rate (DSSS) Codice Data bit Code 5 1 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 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 6

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-) Antenna 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 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 7

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) Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 8

Nickel Metallo Idrato (NiMH) Batterie Zinco Carbone Alkaline Litio Nickel - Cadmio Nickel Metallo Idrato (NiMH) Ioni di Litio Tensione nominale [V] 1,5 3 1,2 3,6 Resistenza interna Media Bassa Molto bassa Capacità (AA) [mAh] 60-1800 2200 2100 600-1100 1300-2300 800-1000 Ricaricabili? No (NO) Si Scarica naturale Lenta Molto Lenta Veloce Veloce (30% /mese) Veloce (20% / mese) Costo (AA, $) 1 2 Note Vecchie Diffuse Tossiche 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! SI! Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 9

Batterie ‘D’ ‘C’ ‘AA’ ‘AAA’ ‘9V’ 34mm  26mm  (14,5mm ) (10.5mm ) (26.2 x 17.5 mm) 61mm 50 mm 45 mm 44.5 mm ‘D’ ‘C’ ‘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 (0.8Ah) Alto Ricaricabile, leggera, tossica Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 10

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 Criticità dell’induttore (layout) Rumore elevato Attenzione alle correnti di perdita FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 11 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 11

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 Bus di sistema Elettronica di controllo Bus sensori Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 12

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 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 13

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 Attivo Corrente Riposo Tempo Prescaler periferiche Seriali Clock secondario Timers ADC Prescaler CPU Clock principale CPU Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 14

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?) 5 MHz 2 . 4 GHz 4835 2 MHz Sol. ZigBee … Sol. IEEE802.15.4 P31 P1 ZDO APP Utente APS Sol. Proprietaria NWK Utente ZB NWK 802.15.4 MAC 802.15.4 MAC MAC PHY 802.15.4 PHY 802.15.4 PHY RF Transceiver RF Transceiver RF Transceiver Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 15

I 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 PAN COORDINATOR FFD Router RFD Master/slave Peer to Peer Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 16

Contention Access Period Contention Free Period 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 Contention Access Period (CAP) Contention Free Period (CFP) 15.24ms * 2n; 0  n  14 Network beacon Contention period Garanteed time slot RF:MC13192 µC: MC08HCSGT60 Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 17

Conclusioni Idea Prototipo/demo Prodotto http://www.moteiv.com Alessandra Flammini, Università di Brescia FORTRONIC Electronic Forum - Padova 21/04/2005 18