UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI TRIESTE
DIPARTIMENTO 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
MEDICHE
TESI DI LAUREA PRESSO ELCON ELETTRONICA
Relatore:
Prof. Sergio Carrato
Correlatore:
Sr.Luaciano Generali
Laureando:
Benedito osvaldo Xona
Anno Academico 2011-2012
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 RSSI
[5]
[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
Memoria
MCU
Alimentazione
Ricetrasmettitore
Schema Elettrico
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
