Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee
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- Marcello Salerno
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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
![Ricavo una discretizzazione di i s (t): i S [n] = v O[n] A R S Tommaso](/docs-images/47/15631627/images/page_8.jpg "Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17")
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
![[ma] 12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 9 corrente media intervallo di fiducia tempo [ms] 33 32 31 30 29 28 finestra temporale intervallo di fiducia 8.](/docs-images/47/15631627/images/page_13.jpg "5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 lunghezza payload [byte] 27 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 lunghezza payload [byte] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un")
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
![5 corrente media intervallo di fiducia 32 31 finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] 10 9.](/docs-images/47/15631627/images/page_14.jpg "5 9 tempo [ms] 30 29 28 27 8.")
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
![-4-6 -30-20 -10 0 10 20 30 40 tempo [ms] Tommaso Sinico](/docs-images/47/15631627/images/page_15.jpg "Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo,")
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
![85 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 distanza [m] tempo [ms] 29 28.5 28 27.](/docs-images/47/15631627/images/page_16.jpg "5 finestra temporale intervallo di fiducia 27 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 distanza [m] Tommaso Sinico")
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
![8 corrente media intervallo di fiducia 34 33 finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] 9.6 9.](/docs-images/47/15631627/images/page_17.jpg "4 9.2 9 8.8 tempo [ms] 32 31 30 29 8.6 28 8.")
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
![05 28, 16 ± 0, 39 0.3 0.25 corrente media intervallo di fiducia 29.5 29 finestra temporale intervallo di fiducia corrente [ma] 0.2 0.15 0.1 tempo [ms] 28.5 28 0.05 27.](/docs-images/47/15631627/images/page_19.jpg "5 0 0 20 40 60 80 100 120 sleep interval [s] 27 0 20 40 60 80 100 120 sleep interval [s] Tommaso Sinico Caratterizzazione energetica di un nodo sensore ZigBee 17 Marzo,")
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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