SISTEMI WIRELESS AUTONOMI LOW POWER.

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1 SISTEMI WIRELESS AUTONOMI LOW POWER Turin, May 30 th 2012

2 Introducing ISMB L Istituto Superiore Mario Boella (ISMB) è un centro di ricerca applicata e di innovazione focalizzato sulle Tecnologie dell Informazione e della Comunicazione (ICT). Fondato nell anno 2000 da Compagnia di San Paolo e Politecnico di Torino, oggi ISMB si avvale delle competenze tecnologiche e di processo di circa 150 ricercatori operanti in stretta cooperazione con il mondo dell impresa, dell accademia e della Pubblica Amministrazione. L Istituto opera secondo il modello della gestione della conoscenza, cioè interviene non solo nella creazione dell innovazione, ma ne segue anche la fase implementativa e la successiva evoluzione. La Compagnia di San Paolo è una tra le più importanti fondazioni private in Europa. 30/05/2012 ISMB Copyright

3 WSN Wireless Sensor Networks 30/05/2012 ISMB Copyright

4 WSN Wireless Sensor Network Con il termine WSN si indica un sistema distribuito composto da una rete di due o più elementi attivi (nodi) in grado di rilevare grandezze fisiche di interesse (tramite sensori) e di trasmetterle attraverso un canale wireless a un punto di raccolta e di gestione dati (nodo concentratore). I dati acquisiti possono essere trasmessi as-they-are oppure essere pre elaborati in loco (compressione, processing). Applicazioni tipiche:!analisi e raccolta dati in tempo reale!correlazione tra grandezze fisiche di natura differente!monitoraggio predittivo 30/05/2012 ISMB Copyright

5 WSN Wireless Sensor Network Alcune tipiche architetture di WSN punto a punto multi hop stella mesh 30/05/2012 ISMB Copyright

6 WSN Wireless Sensor Network )0:0#',4050# )0:0#+0)+,)5'(50',# 6!"# $%# &'()*+,-.,'# $%# &'()*+,-.,'#!"# 6 /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# 30/05/2012 ISMB Copyright

7 Il sensore Wireless Sensor Network 6 6 $%# $%#!"# &'()*+,-.,'# &'()*+,-.,'#!"!"# /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# Il Sensore 30/05/2012 ISMB Copyright

8 Il sensore Wireless Sensor Network Descrizione di un generico sensore in termini di schema a blocchi *,)*0'# = </%# >?"# al uc Descrizione di un sensore in termini di componenti discreti Grazie alle moderne tecnologie di produzione di dispositivi su silicio, è possibile integrare i differenti moduli in un unico dispositivo MEMS (Micro Electro Mechanical System). 30/05/2012 ISMB Copyright

9 Il sensore Wireless Sensor Network MPU System in Package (SiP) che integra:!sensore a nove assi (Accelerometer + Gyro + Compass)!Digital Motion Processor (DMP) per il processing in tempo reale dei segnali provenienti dai tre differenti sensori!interfaccia digitale standard I 2 C = + + Grazie all interfaccia I 2 C è possibile integrare il sensore con la maggior parte dei dispositivi di processing (microcontrollori, DSP, ) 4x4x1mm LGA package Q /05/2012 ISMB Copyright

10 Il sensore Wireless Sensor Network MPU Tramite bus I 2 C è inoltre possibile variare i parametri dei sensori integrati (guadagno, frequenza di campionamento), adattandone la risposta in funzione delle differenti condizioni dinamiche. Full Scale Range Gyro Accel. Compass Digital Output LogicSupply Voltage Operating Supply Voltage Package Size ( /sec) (g) µt (V) (V +/-5%) (mm) ±250 ±2 1.8V±5% ±500 ±4 or VDD ±1200 I²C ±1000 ±8 ±2000 ±16 2.4V to 3.46V 4x4x1mm Molteplici campi di applicazione:!smartphone!videocamere!sistemi di navigazione!augmented reality 30/05/2012 ISMB Copyright

11 Il sensore Wireless Sensor Network Gruppo ottico integrato 30/05/2012 ISMB Copyright

12 Il sensore Wireless Sensor Network /01,'#*CDDEA# #F#()(E03# '(!$)$*(#$+$ #F#:-3-5(E#,(-$)$*(#$+$ /01,'#',GC-',4,)5# #F#*5():9A# '*$01$ 21/$&)345$ HC5DC5#I0'4(5*# 21/$,#)345$ 67+"''$ 289:!:;"""$ 2(J-4C4#-4(3,#5'()*I,'#'(5,# #F#K=>#LMNOJNPOQ# *#$=>?$ #F#"R%#LSTUJUPPQ# *#$=>?$ #F#VK=>#LSUOJUNOQ#!#$=>?$ #F#V"R%#LWXMJWNNQ#!#$=>?$ /-J,E#*-B,#,(-:$0.$%$,(-:$0.$ R4(3,#(',(#,,"&$0.$%$&!,$0.$ /(+Y(3,#:-4,)*-0)# 30/05/2012 ISMB Copyright

13 Il sensore Wireless Sensor Network /01,'#*CDDEA# #F#()(E03# '(!$)$*(#$+$ #F#:-3-5(E#,(-$)$*(#$+$ /01,'#',GC-',4,)5# #F#*5():9A# '*$01$ 21/$&)345$ HC5DC5#I0'4(5*# 21/$,#)345$ 67+"''$ 289:!:;"""$ 2(J-4C4#-4(3,#5'()*I,'#'(5,# #F#K=>#LMNOJNPOQ# *#$=>?$ #F#"R%#LSTUJUPPQ# *#$=>?$ Compatibile con i tradizionali processi SMT #F#VK=>#LSUOJUNOQ#!#$=>?$ (Surface Mount Technology) #F#V"R%#LWXMJWNNQ#!#$=>?$ /'-+,#8',(Y# 7)-5#/'-+,# [J5,):,:#/'-+,# /-J,E#*-B,#,(-:$0.$%$,(-:$0.$,$ WO\OO#76?#,#(##$7AB$ R4(3,#(',(#,,"&$0.$%$&!,$0.$ ':$ "(@"$7AB$,'*(:#$7AB$ /(+Y(3,#:-4,)*-0)# UPUX#J#SWZW#J#UNMM#C4#,##$ "(,!$7AB$ ",!(##$7AB$ 30/05/2012 ISMB Copyright

14 Data management e transceiver RF Wireless Sensor Network 6!"# $%# &'()*+,-.,'# $%# &'()*+,-.,'#!"# 6 /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# Unità di Data Management e Transceiver RF 30/05/2012 ISMB Copyright

15 Data management e transceiver RF Wireless Sensor Network CC SoC (System on Chip) 8-bit 8051 MCU core 256k/8k Flash/RAM 2.4GHz IEEE , ZigBee, RC4CE 6mm 6mm QFN40 Package 30/05/2012 ISMB Copyright

16 Data management e transceiver RF Wireless Sensor Network CC CPU core On board memory SoC (System on Chip) 8-bit 8051 MCU core 256k/8k Flash/RAM memory - 2.4GHz IEEE , ZigBee, RC4CE 6mm 6mm QFN40 Package Analog peripherals: - Analog Comparator - 12-bit!" ADC RF Transceiver Digital peripherals - USART - Timer 30/05/2012 ISMB Copyright

17 Data management e transceiver RF Wireless Sensor Network Caratteristiche elettriche (da datasheet) 30/05/2012 ISMB Copyright

18 Data management e transceiver RF Wireless Sensor Network Caratteristiche elettriche (da datasheet) CPU: ~ 9 ma RX : ~30 ma TX : ~ 40 ma Deep Sleep: ~ 1 µa P ~ 50 ma x 3 V = 150 mw 30/05/2012 ISMB Copyright

19 L antenna Wireless Sensor Network 6!"# $%# &'()*+,-.,'# $%# &'()*+,-.,'#!"# 6 /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# L antenna 30/05/2012 ISMB Copyright

20 L antenna Wireless Sensor Network 30/05/2012 ISMB Copyright

21 L antenna Wireless Sensor Network PCB IFA antenna guadagno 3.3 db (nel piano XZ) bassi costi di produzione PCB area estesa (~ 26x7 mm 2 ) 30/05/2012 ISMB Copyright

22 L antenna Wireless Sensor Network Chip antenna guadagno 0 dbi bassi costi di produzione compatibile con i processi SMT PCB area ridotta (~7x3x2 mm 3 ) 30/05/2012 ISMB Copyright

23 Wireless is everywhere 30/05/2012 ISMB Copyright

24 Wireless is everywhere Internet of Things Smartphone e Tablet PC Sistemi anti intrusione Sistemi domotici per la casa Sistemi per il monitoraggio industriale 30/05/2012 ISMB Copyright

25 Wireless is everywhere Internet of Things 30/05/2012 ISMB Copyright

27 Wireless is everywhere Internet of Things COMUNICAZIONE WIRELESS! ALIMENTAZIONE CABLATA" 30/05/2012 ISMB Copyright

29 Wireless is everywhere Internet of Things COMUNICZIONE WIRELESS! ALTI COSTI DI MANUTENZIONE" 30/05/2012 ISMB Copyright

30 Wireless is everywhere Internet of Things Soluzioni possibili?! Batterie ad elevata capacità! Batterie a bassa autoscarica (leakage current)! Utilizzo di dispositivi very-low-power! Design del FW di controllo ottimizzato:! disattivazione delle periferiche, se non utilizzate! alte frequenze di clock + low power modes + interrupt! attivazione del front end RF per il solo periodo di tempo necessario 30/05/2012 ISMB Copyright

31 EH Energy Harvesting 30/05/2012 ISMB Copyright

32 Power! is everywhere Energy Harvesting L energy harvesting è la disciplina che studia tecnologie, metodi e dispositivi in grado di raccogliere l energia comunemente presente nell ambiente e convertirla in energia elettrica. sorgenti di energia presenti nell ambiente e relativa potenza estraibile Micropower energy harvesting (Solid-State Electronics, 30/05/2012 ISMB Copyright

33 Power! is everywhere Energy Harvesting 6!"# $%# &'()*+,-.,'# $%# &'()*+,-.,'#!"# 6 /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# 30/05/2012 ISMB Copyright

34 Power! is everywhere Energy Harvesting 6!"# $%# &'()*+,-.,'# $%# &'()*+,-.,'#!"# 6 /01,'#2()(3,4,)5# 768#9'-:3,# ;# /01,'#4()(3,4,)5# []#/01,'# "0):-@0)-)3# []# 60C'+,# 30/05/2012 ISMB Copyright

35 Generatori termoelettrici Energy Harvesting I TEG (Thermo Electric Generator) sono dispositivi che sfruttano l effetto Seebeck per trasformare un gradiente termico in energia elettrica. Le prime sperimentazioni risalgono al diciannovesimo secolo, periodo in cui vennero realizzati i primi TEG in grado di produrre tensioni pari a qualche centinaio di millivolt. Questi dispositivi erano caratterizzati da dimensioni ragguardevoli. Le moderne tecnologie consentono di realizzare dispositivi a effetto Peltier-Seebeck di dimensioni altamente ridotte. Laser a stato solido con dispositivo TEC (Termo Electric Cooler) integrato Termopila di Clamond (1874) Frigoriferi da campeggio Celle di Peltier per il raffreddamento delle CPU 30/05/2012 ISMB Copyright

36 TEG a semiconduttore Energy Harvesting Applicando una differenza di potenziale al dispositivo, le cariche elettriche migrano dal semiconduttore drogato p al semiconduttore drogato n. Il gradiente di temperatura tra le due giunzioni aumenta proporzionalmente in funzione della tensione applicata ai capi del dispositivo (effetto Peltier). Il dispositivo si comporta quindi come pompa di calore. Effetto Peltier Effetto Seebeck Viceversa, nel caso in cui le giunzioni vengano portate differenti temperature, viene indotto nel dispositivo uno spostamento di cariche elettriche dal semiconduttore drogato p al semiconduttore drogato n (effetto Seebeck). Il dispositivo si comporta in questo caso come harvester termoelettrico. 30/05/2012 ISMB Copyright

37 TEG Micropelt Energy Harvesting Thermoelectric Energy Harvesters I termogeneratori Micropelt sono composti da coppie di giunzioni a semiconduttore con drogaggio rispettivamente di tipo p e di tipo n. La forza elettromotrice (f.e.m.) generata è direttamente proporzionale al numero di coppie di giunzioni (N), al gradiente termico tra il lato caldo e il lato freddo (!T) e al coefficiente di Seebeck ("). f.e.m. = N x!t x # Wafer di semiconduttore utilizzati per la costruzione dei termogeneratori MEMS Micropelt a film sottile 30/05/2012 ISMB Copyright

38 TEG Micropelt Energy Harvesting Thermoelectric Energy Harvesters MPG-D751 TGP-751 Compatibile con i tradizionali processi SMT (Surface Mount Technology) 30/05/2012 ISMB Copyright

39 Prove sperimentali 30/05/2012 ISMB Copyright

40 TEG su impianto di scarico Prove sperimentali Una possibile applicazione della tecnologia illustrata riguarda il recupero energetico dell energia termica presente sull impianto di scarico di un veicolo a combustione interna. L attività di ricerca è stata svolta in collaborazione con Santer Reply S.p.A. all interno del progetto Piattaforma Tecnologica Innovativa per l Internet of Things, finanziato dalla Regione Piemonte. Immagine agli infrarossi dell impianto di scarico (marmitta) di un veicolo a combustione interna 30/05/2012 ISMB Copyright

41 TEG su impianto di scarico Prove sperimentali Produttore Micropelt Modello MPG-D751 Dimensioni massime 4'248 µm x 3'364 µm x 1'090 µm Numero di giunzioni 540 Resistenza termica (per Tamb = 85 C) 12.5 K/W Resistenza elettrica (per Tamb = 23 C) 300 C Tensione di Seebeck a (per Tamb = 23 C) 140 mv/k Thermoelectric Energy Harvesters Micropelt MPG-D751 caratterizzazione preliminare P = 20 mw R = 300 C!T = 50 C Potenza Impedenza di carico Gradiente termico 30/05/2012 ISMB Copyright

42 Prototipo Prove sperimentali PoC per Energy Harvesting termoelettrico e vibrazionale Dispositivo montato su marmitta 30/05/2012 ISMB Copyright

43 Prototipo Prove sperimentali Integrazione del sistema di misura a bordo veicolo 30/05/2012 ISMB Copyright

44 Risultati Prove sperimentali Mappa del percorso ibrido (urbano ed extra-urbano) seguito durante il test 30/05/2012 ISMB Copyright

45 Risultati Prove sperimentali Moti convettivi forzati Flusso termico maggiore Velocità del veicolo Tensione a vuoto disponibile ai capi del TEG Potenza massima erogata Potenza media erogata Tensione a vuoto massima disponibile Tensione a vuoto media disponibile 5.2 mw 1.5 mw 2.6 V 1.3 V Potenza e tensione massime misurate Potenza generata dal TEG 30/05/2012 ISMB Copyright

46 Risultati Prove sperimentali Moti convettivi forzati Flusso termico maggiore Velocità del veicolo Tensione a vuoto disponibile ai capi del TEG Potenza massima erogata Potenza media erogata Tensione a vuoto massima disponibile Tensione a vuoto media disponibile 5.2 mw 1.5 mw 2.6 V 1.3 V Potenza e tensione massime misurate 5 mw < 150 mw Potenza generata dal TEG 30/05/2012 ISMB Copyright

47 Risultati Prove sperimentali J # J E necessario che l energia prodotta dall harvester risulti maggiore dell energia richiesta dal sistema. Scrittura di power efficient code Elementi di accumulo low-leakage Antenne a guadagno elevato MPPT (Maximum Power Point Tracker) Consumi tipici di un nodo sensore wireless (*) Ottimizzazione dei consumi nel design dell intero sistema (dall harvester allo stadio RF) (*) I grafici di corrente possono essere considerati equivalenti ai grafici di potenza, a meno di un fattore moltiplicativo e considerando la tensione costante enl tempo 30/05/2012 ISMB Copyright