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Diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas
Autor: Anderson Manuel RochaTutores: Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
D. Dailos Ramos Valido
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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Red de sensores inalámbrica o wireless sensor network (WSN)
Introducción
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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
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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
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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
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones
Índice
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Objetivo
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Soluciones para el diseño del WUR
Objetivo
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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Implementación del WUR
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Generación de la señal wake-up en ADS
Implementación del WUR
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Diodos Schottky HSMS-285x de Avago
Implementación del WUR
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Circuito con diodos rectificadores y filtro RC
Implementación del WUR
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Adaptación de impedancias
Implementación del WUR
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Tensión mínima de portadora para sensibilidad de 80 µVrms
Implementación del WUR
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Implementación del WUR
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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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
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Modelado de las pistas
A = 1.6939 y W/d = 1.5769 sustituyendo d, w = 2.523mm
Diseño del WUR en una PCB
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Diseño del WUR en una PCB
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Modelado de las pistas en ADS
Diseño del WUR en una PCB
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Diseño de la PCB con Altium
Diseño del WUR en una PCB
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Diseño del WUR en una PCB
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WUR en una PCB
Diseño del WUR en una PCB
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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Implementación del módulo digital
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Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments
Descripción general
Implementación del módulo digital
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Sistema de reloj flexible
Implementación del módulo digital
Ultra-bajo consumo
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Herramientas de software del MSP430
Implementación del módulo digital
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Arquitectura AS3933 de AMS
Implementación del módulo digital
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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
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Kit AS3933
Implementación del módulo digital
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Protocolo wake-up• Solo detección de frecuencia• Detección de patrón individual• Detección de patrón doble
Configuración del tiempo de espera
Implementación del módulo digital
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Wake-up con detección de frecuencia y de patrón
Implementación del modulo digital
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Interfaz SPI
Implementación del módulo digital
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Estructura de los comandos SPI
Implementación del módulo digital
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Escritura de datos
Implementación del módulo digital
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Lectura de datos
Implementación del módulo digital
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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
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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 common1 RF1 a RF common
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Prueba del kit AS3933 con el MSP430
Implementación del módulo digital
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WUR conectado al AS3933 y el MSP430
Implementación del módulo digital
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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 interrupció
n?
MCU activo (enciende LED )
Comando directo Clear_wake-up
No
Sí
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Prototipo
Implementación del módulo digital
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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Sensibilidad del WUR
Medidas
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Sensibilidad del WUR
Medidas
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Adaptación de impedancias
Medidas
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Consumo de corriente
Medidas
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Distancia de la señal wake-up
Medidas
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Potencia transmitida en función de la distancia
Medidas
0 5 10 15 20 25 30 35 40-40-35-30-25-20-15-10-505
1015
Distancia (metros)
Pote
ncia
Tra
nsm
itida
(d
Bm)
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Tiempo de vida de la batería
Medidas
Tint
Tanodo
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Índice
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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
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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
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• Introducción • Objetivo • Implementación del WUR• Diseño del WUR en una PCB• Implementación del módulo digital • Medidas• Conclusiones• Líneas futuras
Índice
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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
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Presupuesto
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Diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas
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