Post on 21-Jul-2015
Diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas
Autor: Anderson Manuel Rocha Tutores: Dr. Sunil Lalchand KhemchandaniD. Dailos Ramos Valido
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
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
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
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
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
Índice
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
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
Modelado de las pistas
A = 1.6939 y W/d = 1.5769 sustituyendo d,
w = 2.523mm
Diseño del WUR en una PCB
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
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
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
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.
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
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
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
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
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
Consumo de corriente
Medidas
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
Potencia transmitida en función de la distancia
Medidas
Distancia (metros) Potencia de la señal wake-up (dBm)
0 -40
2,5 -20,03
5 -13,56
15 -5,47
32 2,6
40 10,54
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Po
ten
cia
Tra
nsm
itid
a (d
Bm
)
Distancia (metros)
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
Nodo de sensor inalámbrico con un WUR pasivo capaz dedespertarse con una OOK y un patrón.
Se han aprovechado las características de propagación deseñales en alta frecuencia (868 MHz) y el bajo consumoproporcionado por las circuiterías de baja frecuencia (125 kHz).
Para evitar falsos wake-up se ha usado un receptor wake-upAS3933 conectado al WUR.
Se usa el microcontrolador de Texas Instruments MSP430diseñado para aplicaciones de ultra bajo consumo y bajo coste.
Con el WUR y AS3933 añadido un nodo estándarIEEE802.15.4, la vida de la batería puede aumentar de 3 años a 8años.
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).
Conclusiones
• Introducción
• Objetivo
• Implementación del WUR
• Diseño del WUR en una PCB
• Implementación del módulo digital
• Medidas
• Conclusiones
• Líneas futuras
Índice
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
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