Il documento descrive un progetto di realizzazione di un'interfaccia wireless USB per sensori potenziometrici, con l'obiettivo di creare una rete di sensori a basso costo e consumi limitati. Viene presentata la tecnologia wireless USB utilizzata, le specifiche del sensore realizzato e i risultati ottenuti riguardanti il consumo energetico e le risorse hardware disponibili. Il costo totale per nodo è stimato intorno ai 15 euro, escludendo il prezzo del sensore e delle batterie.

1. Università degli Studi di Brescia
Dipartimento di Elettronica per l’Automazione
Progetto e Realizzazione di
Interfaccia WirelessUSB
per Sensore Potenziometrico
Studente: Relatore:
Piccinelli Mario 48993 Prof.ssa Alessandra Flammini
Corso di laurea: Correlatore:
Ing. dell’Informazione Dott. Ing. Emiliano Sisinni
A.A. 2006/2007

2. Le Problematiche
Realizzare una rete di sensori adatta ad applicazioni
in cui le reti tradizionali cablate sono inefficienti.
Possibili esempi:
Analisi di elementi strutturali Controllo in tempo reale di
durante prove meccaniche strutture complesse
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3. Gli obiettivi
Le caratteristiche richieste sono:
• Basso costo (< 20$)
• Alimentazione autonoma
• Modesto datarate (poche decide di KB/s)
• Discreta densità di nodi (decine per metro
quadro)
• Controllo correttezza trasmissione
• Range limitato (poche decine di metri)
• Bassi consumi (< 5 mA)
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4. La rete
Realizzazione di una rete N:1 composta da:
• N nodi wireless Sensore
indipendenti Nodo
“plug&play” con
alimentazione Sensore Ricevitore
autonoma Nodo
• Un nodo centrale Computer
Sensore
connesso a un Host
calcolatore. Nodo
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5. La tecnologia trasmissiva
WirelessUSB (Cypress)
• Banda ISM 2.4 - 2.48 GHz
• Range da 10m (LS) a 50m (LR)
• Datarate massimo ~60Kbit/s
• Multiplazione di canale
– CDMA (code division)
– FDMA (frequency division)
– 78 canali x 49 codici = 3822 coppie di
dispositivi
• Codifica a correzione d’errore
• Sistema compatto e a basso costo
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6. Il Sensore realizzato (1)
Cypress PSOC
Sensore Parte Parte
(potenziometro) analogica digitale
Alimentatore
Transceiver
+ Antenna
WUSB
batterie
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7. Il Sensore realizzato (2)
Fronte Retro (modulo radio)
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8. Il Sensore: alimentazione
3.3V
MCP1252 (charge pump)
Ingresso: 2 pile AA (3  2.4 V)
Uscita: 3.3 V (max 120 mA)
Rendimento: 80%
Fronte Retro (modulo radio)
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9. Il Sensore: microcontrollore
Controller convertitore AD Interfaccia seriale
Codec WUSB
Cypress PSOC CY8C27143
(Programmable System On Chip)
Core a 8 bit
Architettura Harward
Generatore numeri casuali Frequenza operativa 24 MHz
Memoria:
160 KB flash
256 B SRAM
Periferiche:
12 blocchi analogici
Fronte 10 blocchi digitali Retro (modulo radio)
Sezione analogica
Sezione Digitale
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10. Il Sensore: radio e antenna
Interfaccia seriale SPI
con il microcontrollore
Fronte
Transceiver WUSB
Retro (modulo radio)
CYWUSB6934 LS
Antenna PCB
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11. Il Protocollo realizzato
Power On Power ON
Bind
Inizializzazione del
Riconoscimento del
Bind microcontrolloredell’hub.
nodo da parte e di
Data
tutte le componenti del
Scambio di informazioni
sistema. la connessione.
Misurazione del valore
riguardo
Data
del sensore e
Sleep
trasmissione all’hub.
Sleep Attesa dell’ACK.
Attesa in modalità di
risparmio energetico.
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12. Collaudo sistema
Bind request
Hub Bind response
Sensor Ack
Sensor data
Hub Acknowledge
Verifica del
funzionamento del
sistema mediante
sniffer WirelessUSB
Handshake e
successiva
trasmissione
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13. Risultati: consumi
70 mA
5 ms 50 mA Durata batterie:
5 ms
i 10 uA 5 mA C ·  · Vin
≈Tc 1 ms L [h] = =
Icc,mean · Vout
2000 mAh · 80% · 2,4 V
t =
Icc,mean · 3,3 V
Sleep Misura TX RX
Icc,mean = 2,4mA @ Tc = 250ms 2 pile AA Vita dispositivo: circa 1 mese
Icc,mean = 0,13mA @ Tc = 5s 2000 mAh Vita dispositivo: circa 1 anno
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14. Risultati: utilizzo HW
Le risorse del microcontrollore non sono completamente
sfruttate dall’implementazione attuale, c’è spazio per future
espansioni.
risorse
Spazio codice: sfruttato al 50% (circa 80 KB disponibili) disponibili
Memoria: sfruttata all’ 80% (circa 50 B disponibili)
Blocchi analogici: sfruttati al 30% (8 blocchi disponibili)
Blocchi digitali: sfruttati al 70% (3 blocchi disponibili)
Possibilità di interfaccia con ulteriori sensori analogici, digitali
o su bus.
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15. Risultati: costo sistema
PSOC CY8C27143: 2.25 euro
Charge Pump MCP1252: 0.89 euro
Transceiver CYWUSB6934: 5,26 euro
Oscillatore quarzo: 3 euro circa
PCB e componenti passivi: 5 euro circa
Totale: 15 euro per ciascun nodo
(i prezzi sono calcolati per volumi di produzione superiori i 100 pezzi.
E’ escluso il costo del sensore e delle batterie.)
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