UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI TRIESTEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ELETTRONICA

CURRICULUM TELECOMUNICAZIONE

PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE E

ALGORITMO DI ROUTING PER UNA RETE DI

SENSORI WIRELESS CON APPLICAZIONI

MEDICHETESI DI LAUREA PRESSO ELCON ELETTRONICA

Anno Academico 2011-2012

Laureando:

Benedito osvaldo Xona

Relatore:

Prof. Sergio Carrato

Correlatore:

Sr.Luaciano Generali

Obiettivi ed applicazioni

• Obiettivo

� Realizzazione di un protocollo di comunicazione

di un algoritmo di routing per WSN

� Non standard e proprietario

• Applicazione

� Mediche

Requisiti necessari

• Ridotte dimensioni

• Basso consumo energetico

• Basso costo

• Utilizzo di bande non Lincenziate

• Scalabilità, Flessibilità

• Certeza dato ricevuto

WSN e le tecnologie di comunicazione

802.11/Wi-fi 802.15.1/Bluetooth 802.15.4/Zigbee

Copertura(single-hop) 100m 10m 10-100m

Troughput(Mbps) 2-30 1-2 0.25

Consumo energetico Medio Basso Molto basso

Autonomia Minuti/ore Diverse ore/giorni Giorni /anni

Bit Rate 2.1Mbit/s 11/54Mbit/s 250Kbit/s

Sicurezza Bassa Media Alta

Costo Alto Medio Basso

Dimensione Medie Piccole Molto piccole

Topologie di Rete

�Rete a Stella

�Rete Mesh

�Rete ad Albero

La nostra applicazione

• Useremo la topologia di tipo Mesh/Albero

• I nodi sono suddivisi in

� Capo Maglia (Nodo Base)

� Nodi Interni

� Nodi di Frontiera

� Nodi Mobili

Formato dei pacchetti

• Ogni tecnologia di rete ha un proprio formato per i

messaggi

• In ogni caso, un messaggio contiene:

�Dati utili

�Informazione di controllo

SRC

[2]

DST

[2]

TYPE

[5]

RSSI

[1]

SYNCH

[1]

HOP

[1]

LP

[1]

IndNd

[4]

PAYLOAD

[127]

CRC

[1]

Struttura dei Frame

• Il protocollo definisce 4 tipi di frame:

�Frame di Faro

• Generato dal coordinatore della rete per trasmettere il

segnale di faro ai nodi

• L’indirizzo DST è in Broadcast

SRC DST FR RSSI LP CRC

Struttura dei Frame

�Frame di Acknowledgment

• generato dal capo maglia e dai nodi una volta ricevuto

un paccheto.

• I nodi memorizzano una coppia dei vari pacchetti

ricevuti e la rimuovono soltanto dopo aver ricevuto

l’ACK.

• ACK può assumere il valore 1 o 0

SRC DST ACK RSSI HOP LP IndNd CRC

Struttura dei Frame

�Frame dei Dati

• Genetaro dai nodi ogni volta che devono

trasmettere i dati rilevati.

SRC DST DATA RSSI SYNCH HOP LP IndNd PAYLOAD CRC

Struttura dei Frame

�Frame di controllo

�generato dai nodi al primo inserimento in rete,

ogni volta che vuole comunicare con altri nodi

�Nel campo DST l’indirizzo è in Broadcast

SRC DST BROAD RSSI LP PAYLOAD CRC

Nodo Sensore

Sensore

MCUMemoria Ricetrasmettitore

Alimentazione

Sch

em

a E

lett

rico

R8C/27 e CC2520

• R8C/27�Elevata velocità di

elaborazione(20MHz di clock interno)

�Consumo energetico �Typ. 10 mA (VCC = 5.0 V, f(XIN) =

20 MHz)

�Typ. 6 mA (VCC = 3.0 V, f(XIN) = 10 MHz)

�Typ. 2.0 µA (VCC = 3.0 V, wait mode (f(XCIN) = 32 kHz)

�Typ. 0.7 µA (VCC = 3.0 V, stop mode)

�Tensione variabile 3.0-5.5 V

R8C/27 e CC2520

• CC2520

�Permette comunicazione in banda ISM che va da 2400 a 2483,3 MHz

�Bassa tensione che varia da 1,8 a 3,8 V

�Bit rate 250 Kbit/s

�Modilazione DSSS

�Ridotto consumo energetico

�RX: 18 Ma, TX: 33 mA e sleep mode 1uA

�Potenza di trasmissione programmabile in 32 livelli

�Elevata sensibilità in ricezione(-98dBm)

R8C/27 e CC2520

• Ha dei tempi di accensione molto veloci

• Insieme di Hardware per�Gestione e trattamento dei frame

dati

�Crittografia dei dati e autenticazione(AES)

�Disponibilità del canale(CCA)

� Indicazione qualità collegamento(RSSI/LQI)

�Gestire frame ACK e tempo d’attesa

Algoritmo di Routing

Inizializzazione di un Nodo Sensore

Nodo in trasmissione

• Prenota il canale

• Controlla se è un nodo interno

�Se NdX=NdInt;

�Regola PALL, e comunica con il CM

�Attende l’ack

�Qualora non è un nodo interno

�Trasmette il frame di controllo ed attende l’Ack di

conferma

�Se il N°risp<1 riprova incrementando PALL=PALL+3

�Se il N°risp>=1, legge l’RSSI dei vari nodi

Nodo in trasmissione

�Se RSSI<50% ritrasmette incrementando PALL

�Se RSSI>=50% seleziona i nodi

�Controlla il campo SYNCH

�Se SYNCH=1 , comunica con il NdF

�Attende l’Ack

�Se SYNCH=0, comunica con i nodi selezionati cioè NdE

�Attende l’Ack

�Se entro Dmax l’Ack non arriva ritrasmette il

pacchetto

Nodi in ricezione

• Quando un nodo riceve un frame controlla il campo type.�Se Type=Data, ritrasmette il messaggio

�Se Type=FR; trasmette l’Ack al CM

�Se Type=ACK, controlla il campo IndNd�Se IndNdDST=DST&&HOP=0; controlla Ack

� Se Ack=1 ok;

� Se Ack=0 non ok; ritrasmette il pacchetto.

�Se non verificata IndNdDST=DST&&HOP=0 �Controlla in memoria l’indirizzo del NextNd

�Ritrasmette a quest’ultimo e cancella frame

�Se Type=BROAD�Legge RSSI

�Regola PALL e invia l’Ack

Timer

• Dopo le operazioni elencate il nodo controlla:

�se ci sono portanti in zona oppure altre operazioni

da eseguire

�Se si esegue le oprazioni necessarie

�Se non ci sono attiva il timer

�Entra in standy-by e attende TO=3TFR

�Dopo TO si sveglia e trasmette un frame Broad

Durata Nodo

• Senza il Timer

�MCU+ RADIO ON in TX (-18dBm) ; consumo

corrente = 22,2 mA.

�Batteria di 3000mAh; Durata del nodo= 135 ore

• Con il Timer,

�Durata del nodo≈3778 ore

Capo Maglia in Tramissione

Capo Maglia in Ricezione

Grazie per l’attenzione