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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. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 3. Introducción Red de sensores inalámbrica o wireless sensor network (WSN)
- 4. Introducción Aplicaciones • • • • • Eficiencia energética Entornos de alta seguridad Control ambiental Medicina Domótica Requisitos para la implementación de una WSN • • • Bajo costo Tamaño pequeño Bajo consumo
- 5. Introducción 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
- 6. Introducción Clasificación de los receptores wake-up Fuente de energía Pasiva Tipo de señal wake-up Radio Canal wake-up Especificación del nodo destino Compartido Identity-Based Independiente Activa Acústica •Canal único •Canal múltiple Range-Based
- 7. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones
- 8. Objetivo
- 9. Objetivo Soluciones para el diseño del WUR
- 10. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 12. Implementación del WUR Generación de la señal wake-up en ADS
- 13. Implementación del WUR Diodos Schottky HSMS-285x de Avago
- 14. Implementación del WUR Circuito con diodos rectificadores y filtro RC
- 15. Implementación del WUR Adaptación de impedancias
- 16. Implementación del WUR Tensión mínima de portadora para sensibilidad de 80 µVrms
- 18. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 19. Diseño del WUR en una PCB 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
- 20. Diseño del WUR en una PCB Modelado de las pistas A = 1.6939 y W/d = 1.5769 sustituyendo d, w = 2.523mm
- 21. Diseño del WUR en una PCB
- 22. Diseño del WUR en una PCB Modelado de las pistas en ADS
- 23. Diseño del WUR en una PCB Diseño de la PCB con Altium
- 24. Diseño del WUR en una PCB
- 25. Diseño del WUR en una PCB WUR en una PCB
- 26. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 27. Implementación del módulo digital
- 28. Implementación del módulo digital Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments Descripción general
- 29. Implementación del módulo digital Sistema de reloj flexible Ultra-bajo consumo
- 30. Implementación del módulo digital Herramientas de software del MSP430
- 31. Implementación del módulo digital Arquitectura AS3933 de AMS
- 32. Implementación del módulo digital 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
- 33. Implementación del módulo digital Kit AS3933
- 34. Implementación del módulo digital Protocolo wake-up • Solo detección de frecuencia • Detección de patrón individual • Detección de patrón doble Configuración del tiempo de espera 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. Implementación del modulo digital Wake-up con detección de frecuencia y de patrón
- 36. Implementación del módulo digital Interfaz SPI 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. Implementación del módulo digital Estructura de los comandos SPI Modo B15 B14 Dirección /Comando directo Dato B13 ..….. B8 B7 …… B0 B15 B14 Modo 0 0 Escritura 0 1 Lectura 1 0 No permitido 1 1 Comando directo
- 38. Implementación del módulo digital Escritura de datos
- 39. Implementación del módulo digital Lectura de datos
- 40. Implementación del módulo digital 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
- 41. Implementación del módulo digital Switch de antena ADG918 de Analog Devices Descripción general • Alto aislamiento • Bajas pérdidas de inserción • Bajo consumo de potencia Control Camino 0 RF2 a RF common 1 RF1 a RF common
- 42. Implementación del módulo digital Prueba del kit AS3933 con el MSP430
- 43. Implementación del módulo digital WUR conectado al AS3933 y el MSP430
- 44. Implementación del módulo digital Flujo de programa Configuración de los puertos y del USCI en modo SPI Configuración de la UART Escritura sobre R0 Mensaje fin de programación AS3933 Escritura sobre R1 Habilitar interrupción Escritura sobre R4 MCU en modo bajo consumo Escritura sobre R7 Comando directo Clear_wake-up Sí ¿Flag de interrupción? MCU activo (enciende LED ) No
- 45. Implementación del módulo digital Prototipo
- 46. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 50. Medidas Consumo de corriente AS3933 LaunchPad MSP430 Total 5.62 µA 94 µA 99.62 µA AS3933 LaunchPad MSP430 Total 7.57 µA 1.98 mA 1.9875 mA AS3933 MSP430 CC1101 ADG918 Total 1.7 µA 0.1 µA 200 nA 1 µA 3 µA AS3933 MSP430 CC1101 ADG918 Total 1.7 µA 340 µA 15 mA (*) 1 µA 15.3427 mA
- 51. Medidas Distancia de la señal wake-up
- 52. Medidas Potencia transmitida en función de la distancia Potencia de la señal wake-up (dBm) 0 -40 2,5 -20,03 5 -13,56 15 -5,47 32 2,6 40 Potencia Transmitida (dBm) Distancia (metros) 10,54 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 0 5 10 15 20 25 Distancia (metros) 30 35 40
- 53. Medidas Tiempo de vida de la batería T a n o d o Tint
- 54. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 55. Conclusiones 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.
- 56. Conclusiones 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).
- 57. Índice • Introducción • Objetivo • Implementación del WUR • Diseño del WUR en una PCB • Implementación del módulo digital • Medidas • Conclusiones • Líneas futuras
- 58. Líneas futuras 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.
- 59. Presupuesto Descripción Gastos (€) Costes de recursos humanos Costes de ingeniería Costes de amortización 270,46 20089,44 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