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TESI DI LAUREA PRESSO ELCON ELETTRONICA
UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI TRIESTE DIPARTIMENTO 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 Relatore: Prof. Sergio Carrato Correlatore: Sr.Luaciano Generali Laureando: Benedito osvaldo Xona Anno Academico
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Obiettivi ed applicazioni
Obiettivo Realizzazione di un protocollo di comunicazione di un algoritmo di routing per WSN Non standard e proprietario Applicazione Mediche
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Requisiti necessari Ridotte dimensioni Basso consumo energetico
Basso costo Utilizzo di bande non Lincenziate Scalabilità, Flessibilità Certeza dato ricevuto
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WSN e le tecnologie di comunicazione
802.11/Wi-fi /Bluetooth /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 Dimensione Medie Piccole Molto piccole
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Topologie di Rete Rete a Stella Rete Mesh Rete ad Albero
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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
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Formato dei pacchetti Ogni tecnologia di rete ha un proprio formato per i messaggi In ogni caso, un messaggio contiene: Dati utili Informazione di controllo SRC [2] DST TYPE [5] RSSI [1] SYNCH HOP LP IndNd [4] PAYLOAD [127] CRC
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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
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Struttura dei Frame Frame 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
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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
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Struttura dei Frame Frame di controllo
generato dai nodi al primo inserimento in rete, ogni volta che vuole comunicare con altri nodi Nel campo DST l’indirizzo è in Broadcast SRC DST BROAD RSSI LP PAYLOAD CRC
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Nodo Sensore Sensore MCU Ricetrasmettitore Memoria Alimentazione
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Schema Elettrico
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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 V
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R8C/27 e CC2520 CC2520 Permette comunicazione in banda ISM che va da 2400 a 2483,3 MHz Bassa tensione che varia da 1,8 a 3,8 V Bit rate 250 Kbit/s Modilazione DSSS Ridotto consumo energetico RX: 18 Ma, TX: 33 mA e sleep mode 1uA Potenza di trasmissione programmabile in 32 livelli Elevata sensibilità in ricezione(-98dBm)
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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
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Algoritmo di Routing
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Inizializzazione di un Nodo Sensore
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Nodo in trasmissione Prenota il canale Controlla se è un nodo interno
Se NdX=NdInt; Regola PALL, e comunica con il CM Attende l’ack Qualora non è un nodo interno Trasmette il frame di controllo ed attende l’Ack di conferma Se il N°risp<1 riprova incrementando PALL=PALL+3 Se il N°risp>=1, legge l’RSSI dei vari nodi
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Nodo in trasmissione Se RSSI<50% ritrasmette incrementando PALL
Se RSSI>=50% seleziona i nodi Controlla il campo SYNCH Se SYNCH=1 , comunica con il NdF Attende l’Ack Se SYNCH=0, comunica con i nodi selezionati cioè NdE Se entro Dmax l’Ack non arriva ritrasmette il pacchetto
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Nodi in ricezione Quando un nodo riceve un frame controlla il campo type. Se Type=Data, ritrasmette il messaggio Se Type=FR; trasmette l’Ack al CM Se 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=BROAD Legge RSSI Regola PALL e invia l’Ack
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Timer Dopo le operazioni elencate il nodo controlla:
se ci sono portanti in zona oppure altre operazioni da eseguire Se si esegue le oprazioni necessarie Se non ci sono attiva il timer Entra in standy-by e attende TO=3TFR Dopo TO si sveglia e trasmette un frame Broad
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Durata Nodo Senza il Timer Con il Timer,
MCU+ 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
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Capo Maglia in Tramissione
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Capo Maglia in Ricezione
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Grazie per l’attenzione
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