diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas

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

Red de sensores inalámbrica o wireless sensor network (WSN)

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

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




• Medidas

• Conclusiones

Índice

Objetivo

Soluciones para el diseño del WUR

Objetivo

• Introducción

• Objetivo




• Medidas

• Conclusiones

• Líneas futuras

Índice

Implementación del WUR

Generación de la señal wake-up en ADS


Diodos Schottky HSMS-285x de Avago


Circuito con diodos rectificadores y filtro RC


Adaptación de impedancias


Tensión mínima de portadora para sensibilidad de 80 µVrms


• Introducción

• Objetivo




• 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


Modelado de las pistas en ADS


Diseño de la PCB con Altium


WUR en una PCB


• Introducción

• Objetivo




• Medidas

• Conclusiones

• Líneas futuras

Índice

Implementación del módulo digital

Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments

Descripción general


Sistema de reloj flexible


Ultra-bajo consumo

Herramientas de software del MSP430


Arquitectura AS3933 de AMS


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


Kit AS3933


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

Wake-up con detección de frecuencia y de patrón

Implementación del modulo 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.

Estructura de los comandos SPI


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

Escritura de datos


Lectura de datos


Transceptor C1101 de Texas Instruments


• 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


Switch de antena ADG918 de Analog Devices


• Alto aislamiento

• Bajas pérdidas de inserción

• Bajo consumo de potencia


Control Camino

0 RF2 a RF common

1 RF1 a RF common

Prueba del kit AS3933 con el MSP430


WUR conectado al AS3933 y el MSP430


Flujo de programa


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

Prototipo


• Introducción

• Objetivo




• Medidas

• Conclusiones

• Líneas futuras

Índice

Sensibilidad del WUR

Medidas

Adaptación de

impedancias

Medidas

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

Distancia de la señal wake-up

Medidas

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)

Tiempo de vida de la batería

Medidas

Tint

Tanodo

• Introducción

• Objetivo




• 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




• 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

Diseño de un circuito wake-up para redes de sensores inalámbricas

Autor: Anderson Manuel Rocha Tutores: Dr. Sunil Lalchand KhemchandaniD. Dailos Ramos Valido

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