Diseño de un circuito Wake-up para redes de sensores inalámbricas
1. Diseño de un circuito wake-up para redes de
sensores inalámbricas
Autor: Anderson Manuel Rocha Tutores: Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
D. Dailos Ramos Valido
2. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
3. Red de sensores inalámbrica o wireless sensor network (WSN)
Introducción
4. Aplicaciones
• Eficiencia energética
• Entornos de alta seguridad
• Control ambiental
• Medicina
• Domótica
Requisitos para la implementación de una WSN
• Bajo costo
• Tamaño pequeño
• Bajo consumo
Introducción
5. Categoría de las redes de sensores inalámbricas
• Esquema síncrono
• Esquema asíncrono
• Esquema pseudo-asíncrono
Consideraciones de diseño
• Buena integración del sistema
• Entorno de red
• Optimización de la potencia activa
Introducción
6. Clasificación de los receptores wake-up
Introducción
Fuente de
energía
Pasiva
Activa
Tipo de señal
wake-up
Radio
Acústica
Canal wake-up
Compartido
Independiente
•Canal único
•Canal múltiple
Especificación
del nodo destino
Identity-Based
Range-Based
7. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
Índice
10. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
18. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
19. Diseño de la PCB
Características del sustrato FR4-370hr de Isola
• H: Espesor del sustrato = 1.5 mm
• Er: Constante relativa del sustrato = 5.65
• Mur: Permeabilidad relativa = 1
• Cond: Conductividad del conductor = 5.81e7
• T: Espesor del conductor = 0.001 in
• TanD: Pérdidas del dieléctrico = 0.016
• Rough: Rugosidad del conductor = 1.8 µm
Diseño del WUR en una PCB
20. Modelado de las pistas
A = 1.6939 y W/d = 1.5769 sustituyendo d,
w = 2.523mm
Diseño del WUR en una PCB
26. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
32. Descripción general del AS3933
• Rango de frecuencia de la portadora entre 15-150 kHz
• Alimentación con 2.4 a 3 V
• Generador con cristal de 32 kHz
• Activación por medio de 3 canales receptores ASK
• Activación mediante codificación Manchester (16 bits o 32 bits)
programable
• Sensibilidad de activación de 80 µVrms
• Consumo de los 3 canales en modo escucha de 1.7 µA
• Velocidad de datos ajustable de 0.5 a 4 kbps
• Interfaz periférica serie (SPI) bidireccional
Implementación del módulo digital
34. Protocolo wake-up
• Solo detección de frecuencia
• Detección de patrón individual
• Detección de patrón doble
Configuración del tiempo de espera
Implementación del módulo digital
R7<7> R7<6> R7<5> Tiempo de espera (ms)
0 0 0 0
0 0 1 50
0 1 0 100
0 1 1 150
1 0 0 200
1 0 1 250
1 1 0 300
1 1 1 350
35. Wake-up con detección de frecuencia y de patrón
Implementación del modulo digital
36. Interfaz SPI
Implementación del módulo digital
CS Entrada digital CMOS Selección de chip.
SIN Entrada digital CMOS Entrada de datos en serie para la escritura de
registros, los datos a transmitir y / o escribir
direcciones para seleccionar registro legible.
SOUT Salida digital CMOS Salida de datos en serie o para leer el valor de los
registros seleccionados.
SCLK Entrada digital CMOS Reloj para la lectura y escritura datos en serie.
37. Estructura de los comandos SPI
Implementación del módulo digital
Modo Dirección /Comando directo Dato
B15 B14 B13 ..….. B8 B7 …… B0
B15 B14 Modo
0 0 Escritura
0 1 Lectura
1 0 No permitido
1 1 Comando directo
39. Lectura de datos
Implementación del módulo digital
40. Transceptor C1101 de Texas Instruments
Descripción general
• Bajo consumo
• Bajo costo
• Opera en la banda ISM de 868 MHz
• Compatible con la modulación OOK
• Tasa de datos configurable hasta 600 kbps
• Interfaz periférica serie (SPI)
• Compatible con el MSP430
Implementación del módulo digital
41. Switch de antena ADG918 de Analog Devices
Descripción general
• Alto aislamiento
• Bajas pérdidas de inserción
• Bajo consumo de potencia
Implementación del módulo digital
Control Camino
0 RF2 a RF common
1 RF1 a RF common
42. Prueba del kit AS3933 con el MSP430
Implementación del módulo digital
43. WUR conectado al AS3933 y el MSP430
Implementación del módulo digital
44. Flujo de programa
Implementación del módulo digital
Configuración de los puertos y del USCI
en modo SPI
Escritura sobre R0
Escritura sobre R1
Escritura sobre R4
Escritura sobre R7
Configuración de la UART
Mensaje fin de programación
AS3933
Habilitar interrupción
MCU en modo bajo consumo
¿Flag de
interrupción?
MCU activo (enciende LED )
Comando directo Clear_wake-up
No
Sí
46. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
54. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
55. Nodo de sensor inalámbrico con un WUR pasivo capaz de
despertarse con una OOK y un patrón.
Se han aprovechado las características de propagación de
señales en alta frecuencia (868 MHz) y el bajo consumo
proporcionado por las circuiterías de baja frecuencia (125 kHz).
Para evitar falsos wake-up se ha usado un receptor wake-up
AS3933 conectado al WUR.
Se usa el microcontrolador de Texas Instruments MSP430
diseñado para aplicaciones de ultra bajo consumo y bajo coste.
Con el WUR y AS3933 añadido un nodo estándar IEEE802.15.4,
la vida de la batería puede aumentar de 3 años a 8 años.
Conclusiones
56. Se logra mantener el transceptor de radio apagado y encenderlo solo
en caso que sea necesario.
Se logra un consumo de corriente de 3 µA en modo dormido y 15 mA
en modo recepción.
Se han usado varias herramientas de software tales como, ADS,
Altium, CodeComposer, Matlab y diferentes aparatos para las
medidas, como el E4440A, el E4438C, el E8257D y el 3458A, todos de
Agilent.
El trabajo realizado se enmarca dentro del proyecto CERES BACO:
Circuitos Electrónicos para Redes de inalámbricas Sensoriales Ultra
Bajo Consumo (TEC2011-28724-C03-02).
Conclusiones
57. • Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
58. Integrar una antena en una PCB.
Mejorar la adaptación de impedancias del WUR.
Integrar el transceptor, el microcontrolador y el AS3933 en un
solo chip.
Líneas futuras
59. Presupuesto
Descripción Gastos
(€)
Costes de recursos humanos 270,46
Costes de ingeniería 20089,44
Costes de amortización 1385,70
Costes del prototipo 596,71
Otros costes 167,00
PRESUPUESTO FINAL 22.509,31
TOTAL (IGIC 7%) 24.084,96
60. Diseño de un circuito wake-up para redes de
sensores inalámbricas
Autor: Anderson Manuel Rocha Tutores: Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
D. Dailos Ramos Valido