Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee

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1 Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee Tesi di Laurea in Trasmissione Numerica Tommaso Sinico Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Ingegneria e Architettura Gruppo Telecomunicazioni 17 Marzo, 2014 U D

2 SCOPO DELLA TESI Scopo di questo lavoro di tesi è di caratterizzare dal punto di vista energetico un dispositivo ZigBee Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

3 STRUTTURA DELLA TESI Tesi multidisciplinare: Elettronica Telecomunicazioni Lavoro svolto: Stato dell arte WSN e protocolli Analisi e progettazione circuito di misura Programmazione dispositivi Misure di consumo Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

4 IL PROTOCOLLO ZIGBEE Pregi Affidabilità Stabilità Consumo Caratteristiche Banda 2,4GHz Data rate 250Kbps Portata 100m Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

5 PERCHÈ NON BASTA ? Il livello Network: Gestisce il meccanismo di indirizzamento Implementa diversi algoritmi di routing Fornisce i servizi di sicurezza Il livello Application: Gestisce il binding Cura gli application profile (e.g. Home Automation) Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

6 PROGRAMMAZIONE DISPOSITIVI In una WSN identifichiamo almeno due tipi di dispositivi: Un coordinator forma la rete, accentra i dati (ZC) Più end devices nodo sensore, basso consumo (ZED) Schema delle operazioni svolte: Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

7 HARDWARE - MC13213-SRB DI FREESCALE Possibilità di effettuare una misura di consumo tramite test point, ma necessaria una modifica hardware = misura corrente di alimentazione Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

8 SCHEMA A BLOCCHI CIRCUITO DI MISURA Oscilloscopio Sistema di Acquisizione Dati (SAD) Ottengo v o [n], discretizzazione di v O (t) Ricavo una discretizzazione di i s (t): i S [n] = v O[n] A R S Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

9 ESEMPIO DI TRASMISSIONE Generato segnale di trigger per individuare l intervallo di trasmissione T ON Calcolo della corrente media all interno di T ON a partire dai campioni acquisiti Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

10 RISULTATI - ANALISI DEI DATI I parametri modificati nei test sono stati: Il contenuto del payload La lunghezza del payload La distanza tra i dispositivi Lo sleep interval Necessario eseguire un analisi statistica dei dati Per ogni acquisizione si è calcolata la media aritmetica di: Campioni relativi alla corrente di trasmissione Campioni relativi alla corrente di sleep Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

11 RISULTATI - ANALISI DEI DATI Per ogni configurazione si sono effettuate 20 acquisizioni ottenendo il campione statistico x = (I M 1,..., I M 20 ) Numerosità campionaria < 30 = legge t-student: t = X n µ S n 2 n Fornisce il seguente intervallo di fiducia per la media µ: ( 2 Xn S n t n 1, α 2 n, Xn + t n 1, α 2 S n 2 n ) Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

12 MODIFICA DEL CONTENUTO DEL PAYLOAD Payload fisso 3byte ( ) Corrente media: IS = 8, 365 ± 0, 085mA Finestra temporale: TON = 30, 223 ± 0, 409ms Payload variabile 3byte Corrente media: IS = 8, 252 ± 0, 146mA Finestra temporale: TON = 30, 224 ± 0, 044ms Conclusioni La differenza è minima Probabilmente perchè la modulazione è la O-QPSK Test successivi con contenuto payload costante Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

13 MODIFICA DELLA LUNGHEZZA DEL PAYLOAD Lunghezza payload (byte) Corrente media (ma) Finestra temporale (ms) 1 8, 92 ± 0, , 32 ± 0, , 01 ± , 29 ± 0, , 57 ± 0, , 89 ± 0, , 58 ± 0, , 58 ± 0, , 29 ± 0, , 24 ± 0, , 79 ± 0, , 13 ± 0, 503 corrente [ma] corrente media intervallo di fiducia tempo [ms] finestra temporale intervallo di fiducia lunghezza payload [byte] lunghezza payload [byte] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

14 DISTANZA - TEST INDOOR CON RITRASMISSIONE Multipath e path loss = perdita pacchetti = ritrasmissioni Ritrasmissioni = aumento di T ON e corrente media corrente media intervallo di fiducia finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] tempo [ms] distanza [m] distanza [m] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

15 COMUNICAZIONE CON RITRASMISSIONE Esempio di ritrasmissione singola, due pacchetti inviati in totale 4 2 misura trigger tensione [V] tempo [ms] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

16 DISTANZA - TEST INDOOR SENZA RITRASMISSIONE Acquisite 20 comunicazioni senza ritrasmissione Corrente media e T ON costanti corrente [ma] corrente media intervallo di fiducia distanza [m] tempo [ms] finestra temporale intervallo di fiducia distanza [m] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

17 DISTANZA - TEST OUTDOOR CON RITRASMISSIONE Condizioni simili al campo aperto Distanza massima tra i dispositivi 67m corrente media intervallo di fiducia finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] tempo [ms] distanza [m] distanza [m] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

18 MODIFICA DELLO SLEEP INTERVAL Media aritmetica su un periodo: I = I MT ON + I OFF T OFF T ON + T OFF Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

19 MODIFICA DELLO SLEEP INTERVAL T OFF (s) Duty cycle (%) Corrente media (µa) Finestra temporale (ms) 1 2,73 245, 05 ± 6, 89 28, 02 ± 0, ,39 126, 61 ± 4, 01 28, 36 ± 0, ,57 51, 18 ± 1, 32 28, 59 ± 0, ,28 24, 61 ± 0, 62 27, 80 ± 0, ,09 8, 62 ± 0, 25 28, 52 ± 0, ,05 4, 26 ± 0, 13 28, 10 ± 0, ,02 2, 14 ± 0, 05 28, 16 ± 0, corrente media intervallo di fiducia finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] tempo [ms] sleep interval [s] sleep interval [s] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

20 SLEEP INTERVAL OTTIMALE Esiste un valore dello sleep interval oltre il quale si ha un risparmio trascurabile di corrente? Curve fitting non lineare modello iperbolico Calcolo della derivata di y y = c x a + b Fissate delle soglie a cui corrispondono valori di sleep interval Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

21 SLEEP INTERVAL OTTIMALE corrente media fitting intervallo di confidenza corrente [ma] sleep interval [s] Soglia (ma/s) Sleep interval ottimale (s) Corrente media (µa) 0,001 1,55 161,1 0,01 5,03 50,9 0,1 16,05 16,1 Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

22 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Conclusioni: Misurato il consumo di un modulo RF ZigBee in diverse condizioni Sviluppi futuri: Testare differenti modalità low power Separare MCU e transceiver RF Confrontare diverso hardware Esaminare altri protocolli per WSN Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo, / 23

23 Grazie a tutti per l attenzione!

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