cost compactness determinism mobility security safety

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1 WIRELESS: SMART, USEFUL OR NEED? Wired cost compactness determinism mobility Wireless batteries cables maintenance batteries Internet? security safety Power harvesting and new low-power devices encourage wireless solutions but not for real-time applications Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 1 EMI

2 WSN for sensors and industry Today Technologies: WWAN WMAN IEEE Wireless Regional Area Network (white spaces in TV) IEEE WiMax IEEE Mobile Broadband Wireless Access Courtesy ZigBee Alliance WLAN WPAN ZigBee Bluetooth WiFi a c UWB Data Rate (Mbps) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 2

3 Wireless Sensor Networks (WSN) for industry WAN MAN LAN / PAN BAN Global Urban Suburban In-building Satellite Macro Cell (20-50 km) Micro Cell ( 1 km) Pico Cell (1-10 m) BAN: Body PAN: Personal LAN: Local MAN: Metropolitan WAN: Wide Area Network Wireless technologies business depends on cell phones and internet GSM (9.6kbaud) GPRS (40kbaud, Internet) UMTS (~Mbaud, video) LTE Widespread, low-cost Cost of services, power (>1W) SENSORS, INDUSTRY LAN/PAN/BAN (WiFi, Bluetooth, ZigBee,...) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 3

4 Confronto Tecnologie wireless comuni nel campo della strumentazione IR RF / Wireless- USB UWB NFC Frequenza nm 433 MHz 868/915 MHz 2.4/5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz MHz, 2.4GHz GHz Connessione Induttiva (13.56MHz) Data Rate 20k-16Mbps 0.3kbps Mbps 1 Mbps 62.5 kbps kbps Mbps kbps Area 1-9m (LOS) 10m m 10m ~ 50m m <10m ~20cm Topologia di rete Punto a punto Punto a punto Stella Stella Stella Stella, albero,mesh Punto a punto Punto a punto Complessità Semplice Semplice Alta Medio/Alta Semplice Media Media Semplice Consumi Molto bassi (10mW, dipende dalla distanza) Bassi (~200mW) Alti ~1W Medi ~300mW Bassi ~200mW Bassi ~100mW Bassi ~100mW Bassi Applicazioni Remote control, trasmissione dati a corto raggio Controllo remoto Wireless LAN Cable replacing Periferiche PC Automazione e controllo Trasmissione segnali a banda larga Trasmissione dati a corto raggio Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 4

5 L offerta è vasta ma Reti molto diffuse a livello consumer non vanno generalmente bene per le applicazioni con sensori Ad esempio: Reti wireless per sensori e controllo Wi-Fi, b/g/n Rete che privilegia un alto transfer rate medio Problemi di coesistenza: difficile separare due reti che operano nella stessa zona Interfaccia dal costo/consumo medio/alto (protocollo complesso) Bluetooth, Copertura limitata Numero di nodi ridotto Protocollo complesso Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 5

6 THE IDEAL WIRELESS SENSOR NETWORK Mobile, self-powered, miniaturized and synchronized sensors Shared and real-time information localization of sensors and other nodes self-organization of the network (plug&play) self-organization of the best path for each transmission low, fixed and known transmission time High noise immunity (zero packet error rate) Coexistence with other RF sources and obviously ultra low-cost nodes Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (Unkomprimiert) benötigt. Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 6

7 WIRELESS COMMUNICATIONS: MICROWAVE WHICH WIRELESS FREQUENCY RANGE? MICROWAVE LF Low Frequency MF Medium Freq. HF High Freq. VHF Very High Freq. UHF Ultra High Freq. SHF Super High Freq. EHF Extra High Freq. UV Ultra Violet Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 7

8 WIRELESS COMMUNICATIONS: WHICH FREQUENCY? Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 8

9 WIRELESS COMMUNICATIONS: WHICH FREQUENCY? From 433/900MHz to 2.4GHz Typical ISM Band ISM (Industrial, scientific, medicine) is license free Global market Sharing the frequencies with: Laptop (WiFi) Cell phones (Bluetooth) Audio and games (Bluetooth, WiFi) Frequency MHz MHz MHz Note MHz Europe MHz USA GHz WLAN/WPAN GHz WLAN GHz Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 9

10 WIRELESS SIGNAL PROPAGATION: a lot of problems Straight line propagation Signal power decades as 1/d 2 in vacuum (in practice as 1/d c with 2 c 5) Attenuation (earth, water, walls, iron, but also frequency, antenna) Reflection Diffusion Multi-path fading Refraction Fast fading (mobile sensors modify paths) Slow fading (mobile sensors modify distance between them) Non-line-of-sight path LOS pulses Multipath pulses Line-ofsight path signal at receiver Jochen Schiller, FU Berlin Problem: the received signal is not the same that has been transmitted Distance estimation based on RSSI (Received Strength Signal Indicator) does not work Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 10

11 Propagazione radio Caratteristiche della propagazione radio Propagazione in linea retta La potenza del segnale è proporzionale a 1/d c nel vuoto (c=2..5 in pratica) Consumo di energia proporzionale a d² nel vuoto Proprietà riferite alla frequenza VLF, LF, MF: seguono la curvatura del globo, passano attraverso gli edifici HF, VHF: assorbiti dalla terra, riflessi dalla ionosfera (100/500 km) >100 MHz:non passano attraverso i muri. Possibilità di messa a fuoco >8GHz: assorbiti dalla pioggia Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 11

12 Sorgenti di distorsione Ricezione del segnale Attenuazione Riflessione rifrazione (rimbalzi sulle superfici e penetrazione) Diffrazione (fenomeni ondulatori causati da bordi netti) Scattering (riflessioni multiple su superfici rugose) Doppler (shift nelle frequenze dovuto a sorgenti in movimento) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 12

13 Propagazione radio Interferenza tra lo stesso segnale Fading dovuto ai cammini multipli Causato dalle riflessioni, dalla diffrazione e dalla diffusione Il segnala arriva al ricevitore percorrendo cammini multipli ciascuno con una fase differente La differenza di fase causa interferenza (costruttiva o distruttiva) La diversità d antenna può essere utile: Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 13

14 Propagazione radio Interferenza tra lo stesso segnale Fading dovuto ai nodi che si muovono Fast Fading: dovuto al modificarsi dei cammini possibili tra ricevitore e trasmettitore Slow fading: è una variazione della potenza ricevuta dovuta all effetto di ombreggiamento (shadowing) degli ostacoli presenti nell ambiente Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 14

15 Ricezione del segnale Attenuazione e guadagno delle antenne L attenuazione dipende dalla frequenza Equazione di Friis nel vuoto Distance: R Wavelength: λ P r : power at receive antenna P t : power at transmit antenna G t : transmit antenna gain G r : receive antenna gain Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 15

16 Potenza al ricevitore SINR = S I + N Propagazione radio La potenza al ricevitore è pari alla potenza trasmessa moltiplicata per la perdita (path-loss) path loss ~ 1/r β β [2,5] Signal to Interference + Noise Ratio = SINR S = potenza ricevuta da un particolare trasmettitore I = potenza ricevuta da altri trasmettitori N = altri segnali interferenti (es. rumore) Affinché sia possibile riconoscere un segnale valido T hreshold Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 16

17 Ricezione del segnale Distorsione dovuta al multi path A causa della riflessione e dello scattering il segnale arriva al ricevitore anche con percorsi più lunghi rispetto alla comunicazione a vista Gli effetti dipendono fortemente dalla frequenza Non-line-of-sight path Line-ofsight path LOS pulses multipath pulses Cambia il tempo di propagazione a seconda del cammino Fast fading signal at receiver Jochen Schiller, FU Berlin Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 17

18 Ricezione del segnale Esempi di multi path Jochen Schiller, FU Berlin Non basta la formula di attenuazione quadratica Colori chiari = potenza maggiore Formula approssimata (X è variabile casuale gaussiana media 0, varianza σ 2 ) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 18

19 Ricezione del segnale Problemi al ricevitore causati da Shift di frequenza della portante tra trasmettitore e ricevitore (temperatura invecchiamento etc.) Sincronizzazione di simbolo: quando inizia o finisce un simbolo? Sincronizzazione di frame: quando inizia o finisce un blocco di dati? Problema principale: il segnale ricevuto non è uguale al segnale trasmesso: C è incertezza sul simbolo ricevuto. Si modellizza descrivendo il wireless channel come un elemento stocastico. Esempio: modello di Gilbert-Elliot con almeno due stati del canale con valori di BER (Bit Error Rate) differenti good bad Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 19

20 Modelli del canale per reti di sensori wireless Semplificazioni per le reti di sensori Le reti di sensori hanno un range di trasmissione ridotto, quindi i ritardi di propagazione non sono molto differenti tra loro Fading indipendente dalla frequenza Esempi di misure γ path loss exponent Shadowing variance σ 2 Reference path loss at 1 m Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 20

21 Scelta dell antenna Antenna Antenna potenza irradiata P - P: max. 100mW, peak 10mW/MHz - A quale distanza d arriva il mio segnale (budget link)? -P ~ d n (2 < n < 4-5) - Antenna efficiente se la potenza al transceiver non va persa Sensore ADC μc Tx/Rx Alimentazione Osservazioni: Le dimensioni dell antenna sono proporzionali alla lunghezza d onda del segnale RF Più è elevata la f più piccola è l antenna A parità di f, antenna TX si comporta allo stesso modo in RX! I connettori per le antenne sono costosi Il design delle antenne è molto critico Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 21

22 Scelta dell antenna Un antenna si caratterizza tramite: Guadagno; l'antenna è un dispositivo passivo, che non aggiunge potenza al segnale; semplicemente reindirizza l energia che riceve dal trasmettitore; un antenna guadagna perché fornisce più energia in una direzione, e meno in tutte le altre. Direzione; forma del pattern di TX(RX); poiché il guadagno di una antenna direzionale aumenta, l'angolo di radiazione deve diminuire; il beamwidth viene misurato in gradi come ampiezza del lobo a 3dB Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 22

23 Scelta dell antenna Un antenna si caratterizza tramite: Polarizzazione; riferita alla direzione del campo elettrico; si riceve il massimo segnale quando la polarizzazione dell'antenna RX è identica a quella dell'antenna TX; se la differenza tra le due polarizzazioni è di 90 gradi si ha la massima perdita, pari a circa 20 decibel (cioè il 99% del segnale potenziale). Le antenne sono confrontate rispetto al dipolo isotropico. E un antenna ideale con un pattern di radiazione uniforme nelle 3D (simile ad una lampadina!); irradia cioè in tutte le direzioni e ha un guadagno di 1 (0 db) Attenzone: l antenna isotropica può peggiorare la coesistenza!!! Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 23

24 Scelta dell antenna Antenna Tipologie: Chip antenna: dimensioni ridotte bassa efficienza e costi elevati PCB antenna: Single ended Adattamento (Baluns transformer) PIFA, Meander,... Differenziali dipolo dimensioni maggiori Simulatori (es. ANSOFT) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 24

25 Modulazioni a radiofrequenza Amplitude Shift Keying (ASK) Frequency Shift Keying (FSK) Phase Shift Keying (PSK) Tanenbaum, Computer Networks Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 25

26 Condivisione del mezzo Tecniche di condivisione del mezzo Multiplexing nello spazio Reti in aree separate Antenne direttive Multiplexing nelle frequenze Canali differenti ai partecipanti Multiplazione di tempo Timeslot differenti ai vari nodi time (TDMA) Channel (FDMA) Code (CDMA) Si evita interferenza Ascoltando se è libero prima di parlare (LBT, CSMA/CA) Cambiando canale di frequenza (FHSS) Recuperando informazioni corrotte (DSSS) Comunicazione spread-spectrum Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Time Freq. Code CSMA/CA Multiplexing a divisione di codice FHSS DSSS Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 26

27 Modulazioni a spettro espanso Frequency hopping spread spectrum L idea chiave è cambiare la frequenza del segnale che si trasmette Sia trasmettitore che ricevitore devono sapere quale sarà la prossima frequenza utilizzata. La successione delle frequenze è anche chiamata sequenza (di solito pseudo casuale PN) Lo spettro utilizzato è quello occupato da tutte le frequenze toccate dalla sequenza. Slow e fast hopping: il cambiamento di canale può essere più o meno lento del segnale che viene trasmesso (per pkt o all interno del pkt!) Inventato da Hedy Lamarr, George Antheil Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 27

28 Modulazioni a spettro espanso Frequency hopping spread spectrum L idea chiave è cambiare la frequenza del segnale che si trasmette Consumo elevato durante il trigger Importanza della sincronizzazione Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 28

29 Modulazioni a spettro espanso Direct sequence spread spectrum (DSSS) Vengono definite delle N-sequenze (con elementi {-1, +1}) che codificano pochi simboli Esempio: 0 = (+1,+1,-1) e 1 = (-1, -1, +1) , , , NOTA: la sequenza è ortogonale e riconoscibile come errata La multiplazione di codice (CDMA) avviene con sequenze ortogonali DSSS è utilizzato da GPS, WLAN, UMTS, ZigBee, Wireless USB; Code IEEE , DSSS 8 bit 2 code 32 = 64 2Mchip/s = 32µs; 32kbyte/s 25 Data bit Code Symbol Chip Chip rate = Channel bandwidth Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 29

30 Code Division Multiple Access (CDMA) Code division multiple access Esempio con tre trasmettitori: Codice C A = (+1,+1,+1,+1) = 0 (-1,-1,-1,-1) = 1 Codice C B = (+1,+1,-1,-1) = 0 (-1,-1,+1,+1) = 1 Codice C C = (+1,-1,+1,-1) = 0 (-1,+1,-1,+1) = 1 A spedisce Bit 0, B spedisce Bit 1, C non trasmette -> (0,0,2,2) Ricevitore decodifica A: V C 1 = (0,0,2,2) (+1,+1,+1,+1) = 4/4 = 1 equals Bit 0 Ricevitore decodifica B: V C 2 = (0,0,2,2) (+1,+1,-1,-1) = -4/4 = -1 equals Bit 1 Ricevitore decodifica C: V C 3 = (0,0,2,2) (+1,-1,+1,-1) = 0 means: no signal. Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 30

31 Modulazioni a spettro espanso Vantaggi delle modulazioni a spettro espanso Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 31

32 Modulazioni a spettro espanso Vantaggi delle modulazioni a spettro espanso Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 32

33 Scelta del transceiver Conoscere il proprio hardware Un transceiver può essere in uno degli stati seguenti Trasmissione (transceiver ON) Ricezione (transceiver ON) Idle è pronto a entrare in ricezione ma non lo sta ancora facendo, probabilmente si possono fermare alcune sue funzionalità per risparmiare energia Sleep il transceiver è spento o per lo meno lo sono le parti che consumano di più. Non è possibile ricevere Serve del tempo e dell energia per uscire dallo stato di sleep! Il problema è la ricezione che consuma molto e non è certo quando bisogna accendere il ricevitore (CSMA e TDMA non sono ottimi) E possibile uscire dallo stato di sleep in modo comandato via radio? Sarebbe ottimo avere un ricevitore ausiliario a basso consumo che svegli il ricevitore principale nel caso ci sia un messaggio in arrivo (meccanismi di wake-up) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 33

34 Scelta del transceiver RFM TR1000 family 916 or 868 MHz 400 khz bandwidth Up to 115,2 kbps On/off keying or ASK Dynamically tuneable output power Maximum power about 1.4 mw Low power consumption Chipcon CC1000 Range 300 to 1000 MHz, programmable in 250 Hz steps FSK modulation Provides RSSI Chipcon CC 2400 Implements GHz, DSSS modem 250 kbps Higher power consumption than above transceivers Infineon TDA 525x family E.g., 5250: 868 MHz ASK or FSK modulation RSSI, highly efficient power amplifier Intelligent power down, selfpolling mechanism Excellent blocking performance RSSI = Receive Strength Signal Indicator Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 34

35 Fonti di energia Batterie L obiettivo è fornire energia con il più piccolo ingombro/costo/longevità Non è detto che sia sempre possibile ricaricare le batterie Opzioni Batterie primarie non ricaricabili Batterie secondarie ricaricabili, ma ha senso solo se accoppiate a una qualche forma di energy harvesting (moto, calore, EM,.. In ogni caso sono richieste Bassa autoscarica Lunga durata dei componenti (elettroliti, reagenti) Capacità sotto carico (bassa Rout) Capacità di ricaricarsi a bassa corrente Buon autorilassamento (ricombinazione elettroliti dopo forte picco di assorbimento) Stabilità di tensione per evitare i convertitori DC-DC Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 35

36 Batterie Zinco Carbone Alkaline Litio Nickel - Cadmio Nickel Metallo Idrato (NiMH) Ioni di Litio Tensione nominale [V] 1,5 1,5 3 1,2 1,2 3,6 Resistenza interna Media Bassa Bassa Molto bassa Molto bassa Molto bassa Capacità (AA) [mah] Ricaricabili? (Secondarie) No (NO) No Si Si Si Scarica naturale Lenta Lenta Molto Lenta Veloce Veloce (30% /mese) Veloce (20% / mese) Costo (AA, $) Note Vecchie Diffuse Tossiche Vecchie Diffuse Leggere, tossiche Resistenza interna bassa per sopportare i transitori del transceiver Scarica naturale critica per regolatori lineari Condensatori con basso ESR (Equivalent Series Resistance) NO! SI! Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 36

37 Batterie Batterie 61mm 50 mm 50 mm 45 mm 44.5 mm 34mm φ 26mm φ (14,5mm φ) (10.5mm φ) (26.2 x 17.5 mm) D C AA AAA 9V PC Phone D C AA AAA 9V COSTO NOTE Alkaline (1.5V) 17Ah 7.8Ah 2.2.Ah 1Ah 0.6Ah Basso Non ricaricabile NiMH (1.2V) 6.5Ah 2.8Ah 2.0Ah 0.7Ah Medio Ricaricabile, non tossica Ioni Litio (3.6V) 2Ah 0.7Ah (0.8Ah) Alto Ricaricabile, leggera, tossica 2AAA -> se il consumo medio è 1mA la durata è 1000h (41gg) E difficile valutare lo stato di carica di una batteria (Vcutoff~0,8V per NiMH a 1.2V) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 37

38 Batterie Ricaricabile 1.2V 2.3Ah NiMH NH15 by Energizer (BATR) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 E91 by Energizer (BAT1) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 MN1500 by Duracell (BAT2) Energizer - Vout [V] Energizer ricaricabile - Vout [V] Hours [h] Hours [h] Il profilo di scarica cambia tra batteria e batteria ricaricabile (consumo in duty cycle) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 38

39 Batterie Ricaricabile 1.2V 2.3Ah NiMH NH15 by Energizer (BATR) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 E91 by Energizer (BAT1) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 MN1500 by Duracell (BAT2) Energizer - Vout [V] Duracell - Vout [V] Hours [h] Hours [h] Il profilo di scarica cambia tra batteria e batteria (consumo in duty cycle) Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 39

40 Batterie Ricaricabile 1.2V 2.3Ah NiMH NH15 by Energizer (BATR) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 E91 by Energizer (BAT1) Alcalina 1.5V 2.85Ah Zn/MnO 2 MN1500 by Duracell (BAT2) Temp. = 23 C BAT2 BAT1 BATR Continuous disch., R=40Ω (V cut-off =0.8V) Pulsed discharge (D.c.=50%, T=1s), R=20Ω (V cut-off =0.8V) Pulsed discharge, R=20Ω (V cut-off =1.0V) Continuous disch., I=25mA (V cut-off =0.8V) Continuous disch., I=50mA (V cut-off =0.8V) 96.3 h 88.2 h 63.9 h 99.2 h 90.3 h 66.6 h 79.6 h 75.7 h 65.5 h h h 90.2 h 59.2 h 58.7 h 45.0 h Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 40

41 Circuiti di alimentazione Alimentazione a batteria Componenti utilizzati per aumentare l utilizzo delle batterie LDO: regolatori a bassa caduta di tensione (Es. TPS79433 by Texas) Pochi componenti (condensatori di bypass) Alte correnti di uscita, basso rumore Basso costo, bassa efficienza Bassa efficienza V in > V out Charge pump (Es. MCP1252 by Microchip) Necessitano di pochi componenti (inductorless) Buona efficienza, costo Medio V in > V out oppure V out < V in Rumore medio V out multiplo di V in Basse correnti di uscita (<20mA) Step up / Step down converter (Buck boost, Es. TPS61016 by Texas ) Alta efficienza, alto costo Medie correnti di uscita Criticità dell induttore (layout) Rumore elevato V in > V out oppure V out < V in Attenzione alle correnti di perdita Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 41

42 Low dropout regulator (LDO) - un FET di potenza e un amplificatore differenziale (amplificatore di errore). - VREF = riferimento stabile (bandgap) - Se Vout (monitorata attraverso ADJ) aumenta, l uscita dell amplificatore differenziale alimenta il FET che la riduce. Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 42

43 Step-up converter (boost) - Alimentatore a commutazione - Aumenta la tensione diminuisce la corrente - l elemento di accumulo è costituito da un capacitore o un induttore o una combinazione di entrambi Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 43

44 Circuiti di alimentazione I V0 Efficienza = η = I I V I I 0 =100mA, V 0 =3.3V LDO TPS76633 LDO TPS79433 STEP UP TPS61016 CHARGE P. MCP1252 V I [V] Eff. misurata 90% 90% 98% 70% Eff. attesa >90% >60% Transitorio per raggiungere il valore di corrente necessario alla trasmissione TPS76633 TPS79433 TPS61016 MCP µs 12 µs 1.2 µs 1.4 µs Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 44

45 Fonti di energia Come si possono ricaricare le batterie? Banale: usare un caricabatterie oppure recuperare energia dall ambiente Sorgenti di energia ambientali Luce celle solari tra 10 μw/cm 2 e 15 mw/cm 2 Gradienti di temperatura 80 μ W/cm 1 V da Δ=5K Vibrazioni tra 0.1 e μ W/cm 3 Variazione di pressione (piezo-elettrico) 330 μ W/cm 2 dal tacco di una scarpa Flusso di aria/liquidi (MEMS gas turbines) Nota: batteria ~1W/cm 3 Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 45

46 Fonti di energia Energia prodotta da batterie e fonti ambientali Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 46

47 Consumo di energia Dove va l energia? Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 47

48 Consumo di energia Obbiettivo numero 1: limitare i consumi Non tenere i nodi sempre attivi Se non c e niente da fare, passare subito in power save Quando bisogna farlo? E quando bisogna risvegliarsi? Modi tipici di funzionamento Microcontrollore: Active, idle, sleep Radio : Accender/spegnere il transmettitore/ricevitore Modalità di sleep multiple ( deep sleep ) Dipendono dall hardware TI MSP 430, e.g.: quattro sleep mode Atmel ATMega: sei modalità Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 48

49 Unità centrale Consumo di energia Microcontroller TI MSP MHz, 3V): Fully operation 1.2 mw Deepest sleep mode 0.3 μw svegliato solo da interrupt esterni Atmel ATMega Operational mode: 15 mw active, 6 mw idle Sleep mode: 75 μw La memoria FLASH è critica La RAM consuma quantità di energia trascurabili Scrivere e leggere nella FLASH è dispendioso esempio: FLASH on Mica motes Reading: 1.1 nah per byte Writing: 83.3 nah per byte Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 49

50 Consumo di energia Unità centrale: Microcontrollore Risparmio energetico: spegnere tutto quello che non serve! I moderni uc offrono modalità di Stop con consumi molto differenti tra di loro! Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 50

51 Consumo di energia Unità centrale: Microcontrollore Il consumo medio di corrente determina la durata delle batterie Modalità RUN solo quando necessario Attivo Modalità di sleep e meccanismi di wake up Corrente Quante istruzioni vengono eseguite in un certo tempo? Velocità, Architettura! Riposo Tempo Sistemi di clocking e tempi di start up Clock secondario Prescaler periferiche Seriali Timers ADC Clock principale Prescaler CPU CPU Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 51

52 Consumo di energia Unità centrale: Microcontrollore Funzionamento a basso duty-cycle Quello che conta è il consumo medio! Icc TX Mode Corrente Media = Σ(Ti x Icc(i))/Ttot RX Mode (Handshake) T1 1uA sleep mode between packets Idle Mode durante la stabilizzazione del clk! Time Ttot Icc sale durante settling della radio Sistemi e Strumenti per l Automazione: Sensori Intelligenti e bus di campo, Alessandra Flammini, Università di Brescia, Embedded Systems and Smart Sensors Group 52