Diseño electrónico de un nodo flexible para la implementación de redes inalámbricas de monitoreo
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(2) DISEÑO ELECTRÓNICO DE UN NODO FLEXIBLE PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE REDES INALÁMBRICAS DE MONITOREO. MIGUEL URIBE ARANGO. Proyecto De Grado Para Optar Al Título De Ingeniero Electrónico. Director: Mauricio Guerrero Hurtado Ingeniero Electrónico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA BOGOTA, D.C. 2006 – I.
(3) IEL2-I-06-62. I AGRADECIMIENTOS. El autor agradece a: Mauricio Guerrero Hurtado, Ingeniero Electrónico, pues su apoyo y dedicación constantes formaron parte crucial en la culminación del presente proyecto. Julián Alberto Herrera Ingeniero Electrónico, por sus valiosos aportes durante toda la realización del proyecto. Luís Ignacio Lopera, Ingeniero Electrónico, director del Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, y a sus asistentes, por la colaboración brindada. Iván Uribe y Julieta Arango, mis padres, quienes fueron la piedra angular de mi proyecto de vida. Andrea Uribe Arango, mi hermana y mi amiga, quien me acompañó y siguió de cerca este proyecto. A mis compañeros y amigos Jesús Alberto Caro, Gonzalo Cardozo, Germán Torres y Jaime Ramírez, por todo su apoyo y la ayuda brindada durante el proyecto. Mariana Bejarano Ríos, pues con amor, siempre estuvo a mi lado brindándome apoyo y cariño..
(4) IEL2-I-06-62. II CONTENIDO. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................. 1 OBJETIVO GENERAL..................................................................................................................... 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................................... 3 1. REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES ................................................................................. 4 1.1 EVALUACIÓN DE UNA RED INALAMBRICA DE SENSORES1 .......................................... 5 1.2 ALGUNAS APLICACIONES ................................................................................................. 5 1.3 SENSORES .......................................................................................................................... 7 2. ARQUITECTURA BÁSICA DEL SISTEMA ............................................................................... 10 2.1 Diagrama de Bloques.......................................................................................................... 11 3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA, SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS ................................. 14 3.1 Núcleo ................................................................................................................................ 14 3.2 Sistema de Comunicación .................................................................................................. 16 3.2.1 Evaluación de Alternativas de Comunicación ............................................................. 16 3.2.2 El módulo de comunicación Xemics DP1203.............................................................. 18 3.2.3 Longitud de la Antena .................................................................................................. 20 3.2.4 Diseño del Módulo Programado de Comunicación ..................................................... 21 3.2.5 Escritura de Registros (Módulo de Comunicación) ..................................................... 25 3.3 Problema de Acople de Niveles Lógicos ............................................................................ 27 4. PROTOCOLO BÁSICO DE COMUNICACIÓN ......................................................................... 28 4.1 Formato de Trama............................................................................................................... 28 4.2 Procesos de la red .............................................................................................................. 29 4. FUNCIONES DEL SISTEMA Y PLAN DE PRUEBAS .............................................................. 30 4.1 Función Buscar Nodo.......................................................................................................... 30 4.2 Lectura de Sensores ........................................................................................................... 30 4.3 Función Filtro-ADC-DAC..................................................................................................... 30 5. ACOPLE DE LOS DISPOSITIVOS ........................................................................................... 32 5.1 Asignación De Pines PSoC-DP1203 .................................................................................. 32 5.2 Asignación de Pines del Núcleo (PSoC)............................................................................. 33 6. DISEÑO DEL NODO BÁSICO .................................................................................................. 34 7. ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA ...................................................................................... 35 7.1 Alimentación........................................................................................................................ 35 7.2 Consumo ............................................................................................................................. 36 7.2.1 Nodo Remoto (Consumo)............................................................................................ 36 7.2.2 Nodo Base (Consumo) ................................................................................................ 37 8. PROTOTIPO FINAL .................................................................................................................. 38 9. COSTOS.................................................................................................................................... 40 10. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS.................................................................................... 41.
(5) IEL2-I-06-62. III. 11. REFERENCIAS ....................................................................................................................... 42.
(6) IEL2-I-06-62. IV LISTA DE TABLAS. Tabla 1: Ejemplo de los requerimientos para dos aplicaciones específicas................................... 4 Tabla 2: Definición de pines y de conexiones entre el DP1203 y el Núcleo (PSoC). ................... 32 Tabla 3: Niveles de consumo del nodo remoto (sistema completo) en modo Normal.................. 36 Tabla 4: Niveles de consumo del nodo remoto (sistema completo) en modo ADC-Filtro. ........... 36 Tabla 5: Niveles de consumo del nodo base (sistema completo) en modo ADC-Filtro................ 37 Tabla 6: Costos por unidad del nodo básico, en dólares americanos .......................................... 40.
(7) IEL2-I-06-62. V LISTA DE FIGURAS. Figura 1: Arquitectura básica del sistema ..................................................................................... 10 Figura 2 Arquitectura del Sistema.. ............................................................................................... 11 Figura 3: Transceptor DP1203 ...................................................................................................... 18 Figura 4 Descripción Funcional DP1203....................................................................................... 19 Figura 5: Diagrama de Tiempo Escritura de los Registros de Configuración............................... 21 Figura 6: Diagrama de Tiempo de Lectura de los Registros de Configuración. ........................... 22 Figura 7: Diagrama de flujo del proceso de Transmisión Inalámbrica. ......................................... 24 Figura 8: Diagrama de flujo del proceso de Recepción Inalámbrica............................................. 25 Figura 9: Escritura del registro ADParam1.................................................................................... 26 Figura 10: Diagrama del Drive PULL DOWN del PSoC CY8C27443. .......................................... 27 Figura 11: Formato de trama del protocolo de comunicación....................................................... 28 Figura 12: Proceso de comunicación de la red. ............................................................................ 29 Figura 13: Diagrama del proceso Filtro.. ....................................................................................... 31 Figura 14: Asignación detallada de los Pines del Núcleo.. ........................................................... 33 Figura 15: Diseño del nodo básico.. .............................................................................................. 34 Figura 16: Batería Nokia BLC-2.: .................................................................................................. 35 Figura 17: Prototipo Final, Tarjeta de comunicación..................................................................... 38 Figura 18: Prototipo Final, Tarjeta del Núcleo……..…………………………………………………..38 Figura 19: Prototipo Final, Tarjeta de acople PC……..……………………………………………….39 Figura 20: Prototipo Final, Nodo base: montaje completo .....……………………………………….39.
(8) IEL2-I-06-62. VI. ANEXOS. ANEXO1: Hoja de Datos PSoC Cypress CY8C27443..................................................................A1 ANEXO2: Hoja de Datos XEMICS DP1203..................................................................................A6 ANEXO3: Circuitos Impresos y Dimensiones................................................................................A8 ANEXO4: Funciones de configuración del Nodo Básico.............................................................A11.
(9) IEL2-I-06-62. 1. INTRODUCCIÓN. Las redes de sensores han sido desarrolladas para diferentes aplicaciones, con un denominador común en cuanto a las tareas que pueden realizar, estas tareas son: Monitoreo de variables, Análisis y recolección de información para el control de sistemas. El elemento básico de una red de sensores se denomina nodo. Se puede definir como una Terminal de la red, con funciones determinadas para el tipo de red y con la habilidad de comunicarse con los otros nodos de acuerdo a un protocolo específico. Dado que existen diferentes tipos de redes, hay diversas características deseables de las mismas. Por ejemplo, en el caso de la red de monitoreo de Actividad Volcánica [2] en el volcán Tungurahua en Ecuador, el alcance del enlace con el nodo base, es de más de 9 Kilómetros, mientras que otros tipos de redes no requieren que el alcance sea tan alto. La aplicación más utilizada de una red inalámbrica de sensores, se encuentra en el monitoreo de variables en ambientes cuyos cambios ocurren a una frecuencia muy baja [1]. Como ejemplo ilustrativo, se puede crear una red inalámbrica de sensores para monitorear la temperatura en un sistema de bodegaje. La flexibilidad buscada sen concentra en: La plataforma diseñada puede ser reconfigurada para que a través de un puerto se puedan recolectar y procesar diferentes tipos de variables sin cambios en el hardware básico. A su vez, parámetros como el tiempo de muestreo podrán ser reconfigurados. Sobre la plataforma se podrán implementar diferentes protocolos de comunicación que optimicen el desempeño de la red. Con estas características, el nodo tiene la capacidad de adaptarse a diferentes condiciones determinadas por el tipo de aplicación específico Los principales objetivos del proyecto son: Diseñar y construir el prototipo de 1 nodo remoto flexible de bajo consumo de potencia y tamaño reducido para el monitoreo inalámbrico de variables. Diseñar y construir el prototipo de 1 nodo base fijo, capaz de comunicarse de manera bidireccional con el prototipo del nodo remoto. La comunicación entre el nodo remoto y el nodo base, debe realizar a una distancia mínima de 10 metros en interiores (es decir dentro de edificaciones). En este documento se presenta la descripción completa del proyecto, comenzando con la introducción de la teoría básica de las redes inalámbricas de sensores, la selección de tecnologías y la implementación del sistema..
(10) IEL2-I-06-62. 2. OBJETIVO GENERAL. Diseñar y construir el prototipo básico de un nodo flexible para la implementación de redes inalámbricas de monitoreo. A partir de este prototipo inicial, se podrá expandir la red mediante la construcción de otros nodos similares. Este nodo debe tener la capacidad de ser programado para comunicarse con protocolos de comunicación que mejoren el desempeño de la red. Además, debe tener la capacidad de medir y procesar diferentes variables para la respectiva aplicación que se le asignará a la red, sin ningún tipo de cambio en el Hardware del nodo básico..
(11) IEL2-I-06-62. 3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. A continuación se encuentra el alcance del proyecto definido en tres objetivos específicos básicos: -. Diseñar y construir el prototipo de un nodo remoto flexible de bajo consumo de potencia y tamaño reducido para el monitoreo inalámbrico de variables.. -. Diseñar y construir el prototipo de un nodo base fijo, capaz de comunicarse de manera bidireccional con el prototipo del nodo remoto.. -. La comunicación entre los nodos remotos y el nodo base,. debe realizar a una distancia. mínima de 10 metros en interiores (es decir dentro de edificaciones)..
(12) IEL2-I-06-62. 4. 1. REDES INALÁMBRICAS DE SENSORESI. Por lo general, una red inalámbrica de sensores, consta de un nodo Base y una serie de nodos remotos. Los nodos remotos se encargan de las diferentes funciones desde recopilación de información hasta el control de sistemas. Todas estas funciones las realizan de manera coordinada con el Nodo base, ya sea mediante una comunicación directa con este, o mediante una comunicación “Multi-Hop”, es decir la información se transmite a través de varios nodos hasta llegar al nodo baseII. Para condensar el concepto de una red inalámbrica de sensores, se debe pensar en la combinación de 3 elementos básicos que son: 1. Obtención de información (Sensores). 2. Manipulación y procesamiento (CPU o Microcontrolador) 3. Transmisión de la información. A partir de estos tres elementos mencionados se puede reconocer la arquitectura básica del nodo remoto para este proyecto, donde se acoplan sistemas Hardware que ejecutan cada una de estas tareas para finalmente utilizarlos en cada una de las aplicaciones que se mencionaran. Antes de crear un sistema complejo, es necesario partir de los diferentes requerimientos asociados a la aplicación final, pues estos pueden variar sustancialmente según se observa en la siguiente tabla: Aplicación 1: Monitoreo de variables médicas en el cuerpo humanoIII.. REQUERIMIENTO. Aplicación 2: Monitoreo de variables en un volcan.IV. ALTO RELATIVAMENTE BAJO No mayor a 1 KM para aplicaciones Decenas de kilómetros en hospitales. Mínimo Flexible Mínimo Alto Tabla 1: Ejemplo de los requerimientos para dos aplicaciones específicas. Miguel Uribe Arango, mayo 2 de 2006.. Sensibilidad al ruido Alcance de comunicación Tamaño Consumo de Potencia. la. En el ejemplo anterior, se ve que en la aplicación 2 los requerimientos con respecto a consumo de potencia y tamaño son más flexibles que en la aplicación 1 pues es necesario comprender que en los dispositivos para implantar en el cuerpo humano tienen una gran cantidad de restricciones con respecto a diseño exterior, consumo de potencia, y posibles factores que puedan incomodar al individuo que los utilice..
(13) IEL2-I-06-62. 5. Después de haber dimensionado claramente los requerimientos de la red, se puede iniciar el proceso de crear la arquitectura del sistema, empezando en un nivel alto de abstracción hasta llegar a un nivel bajo donde el punto clave son las diferentes características del hardware que compone la red. Gracias a su capacidad de comunicar la información de manera inalámbrica, este tipo de redes pueden realizar mediciones y operaciones (por ejemplo en control industrial) sin realizar modificaciones en el ambiente o espacio donde se utilizan.. 1.1 EVALUACIÓN DE UNA RED INALAMBRICA DE SENSORES1 Con el fin de evaluar una red inalámbrica de sensores, de definen la siguientes métricas. Los resultados de estas métricas deben ser evaluados de manera interrelacionada, pues de acuerdo a los requerimientos de la red y para mejorar su desempeño, es necesario sacrificar algunas de estas métricas. Autonomía: En la mayoría de las aplicaciones enfocadas al monitoreo de variables ambientales, y aplicaciones de seguridad se espera ubicar los nodos sin necesidad de realizar operaciones de mantenimiento durante largos periodos de tiempo. La principal limitación en la autonomía es la alimentación de la red. Por otro lado, la potencia consumida por cada nodo esta determinada en gran parte por el consumo de su radio de comunicación. Cobertura: Para ampliar la cobertura de la red, no necesariamente se debe aumentar el alcance de los enlaces entre nodos, pues esta se puede ampliar utilizando comunicación tipo Multi-hop entre los nodos. Sin embargo, los protocolos de comunicación Multi-hop pueden aumentar el consumo de potencia de los nodos, disminuyendo su autonomía. Costos y Despliegue: a la hora de aumentar el tamaño de la red, la primera limitante encontrada es el costo marginal de adherir un nodo a la misma. La segunda, es la capacidad de la red de reconfigurarse adaptándose a nuevas condiciones. Tiempo de respuesta: Dependiendo del tipo de aplicación, se determina un tiempo de respuesta de la red. Por ejemplo, en una red en la cual se monitorea el funcionamiento de máquinas, es necesario que el tiempo de respuesta a cualquier anormalidad sea mínimo. 1.2 ALGUNAS APLICACIONES1 De acuerdo a las características y especificaciones requeridas, pueden diseñarse redes inalámbricas de sensores para varias aplicaciones como las que mencionamos a continuación:. 1. Tomado de I.
(14) IEL2-I-06-62. •. 6. En diferentes investigaciones: En las universidades y laboratorios, se puede emplear este sistema para realizar diferentes investigaciones como: niveles de ruido en diferentes ambientes, luminosidad, humedad temperatura y calidad del aire.. •. Animales: Para estudiar el comportamiento en diferentes situaciones podemos adherir un nodo a cada animal para realizar el muestreo de. diferentes variables de interés como:. Posición, temperatura y nivel de luz. •. Biomédica: Dado el reducido tamaño y peso del dispositivo, se puede adaptar (con un circuito externo) a humanos con el fin de estudiar diferentes variables, tales como presión arterial en ambientes donde el individuo no pueda estar cableado.. •. Estudios de Ingeniería Civil: Adaptando al circuito sensores de movimientos sísmicos y tensión de materiales, se puede estudiar el comportamiento de las columnas estructural en edificios sin necesidad de realizar ningún tipo de cableado.. •. Agricultura: Se pueden utilizar estos nodos con el fin de medir variables como humedad, luz y temperatura en diferentes cultivos y buscar mejorar de esta manera la producción controlando estas variables (especialmente en cultivos de ambiente controlado como las flores).. •. Procesos industriales: Para monitorear y controlar las condiciones del bodegaje almacenamiento de diferentes productos.. o.
(15) IEL2-I-06-62. 7. 1.3 SENSORES2 Con el fin de medir el alcance del proyecto, es necesario organizar los diferentes tipos de sensores que se ofrecen en el mercado y ordenarlos de acuerdo a su aplicación, haciendo un completo análisis de sus principales características y su viabilidad de acople y utilización en la presente red inalámbrica de sensores.. 1. Estructuras y Obras Civiles En esta clase, se encuentran las diferentes aplicaciones que pueden relacionarse con la implementación de redes inalámbricas en la evaluación y monitoreo de variables que pueden ser de interés. Variable Medida: AceleraciónV Fabricante: Analog Devices Referencia: ADXL103 Tipo de Salida: Voltaje Resolución: 1000mV/g (g: Gravedad) Rangos: Desde +/- 1.7g Voltaje de Alimentación: 3V-6V Descripción: Sensor de Aceleración en dos ejes. Puede medir aceleración dinámica (Por ejemplo vibraciones) y estática(por ejemplo gravedad). Aplicaciones: Alarmas y detectores de movimiento, Frenos Electrónicos, Control de estabilidad de vehículos. Variable Medida: InclinaciónVI Fabricante: HLPlanarVII Referencia: NS-5/E Tipo de Salida: Voltaje Resolución: 1mV/0.01o Rangos: +/- 15o Tiempo de Respuesta: 3 Segundos Voltaje de Alimentación: 5V Descripción: Medidor de inclinación de un solo eje. Aplicaciones: Control nivel y alineación. Medida de ángulos.. 2. Tomado de I..
(16) IEL2-I-06-62. 8. Variable Medida: Torque estáticoVIII Fabricante: Sensor Technology Ltd Referencia: E100T Tipo de Salida: Voltaje Resolución: Lineal de acuerdo a la referencia. Rangos: 0.2-5000Nm dependiendo de la referencia. Voltaje de Alimentación: 5V Descripción: Medidor de torque estático con múltiples aplicaciones a nivel industrial.. 2. Biomédica Existe la necesidad de medir, procesar y transmitir múltiples variables en biomédica, a continuación se presentan algunos de los sensores para cada variable de interés: Variable Medida: TemperaturaIX Fabricante: Fairchild Semiconductor Referencia: FM20 Tipo de Salida: Voltaje Resolución: -11.27mV/1oC Rangos: (-55 - 130 Grados) (0,4V-Vfuente) Voltaje de Alimentación: 2.4V-6V Corriente: 0.009mA Descripción: Sensor lineal de temperatura con salida de voltaje inversamente proporcional a la temperatura medida. Se considera de consumo de potencia ultra-bajo. Variable Medida: Presión (Aplicaciones Médicas)X Fabricante: Intersema Referencia: MS-5536 Tipo de Salida: Serial con resolución de 16 Bits Resolución: 0.1mBar Rangos: -400mBar hasta 1000mBar Tiempo de respuesta: 35mSegundos Voltaje de Alimentación: 2.2 – 3.6 Voltios Descripción: Sensor de presión de alta resolución calibrado en la fábrica. Provee información de presión y temperatura a través de una interfaz serial de 3 cables. Ideal para aplicaciones médicas, presión de la sangre y HVAC. Incluye ADC de 15 bits de resolución. Vida útil: 12 meses..
(17) IEL2-I-06-62. 9. 3. Agricultura, Procesos Industriales y Domótica. Dado que las variables de interés en estos tres campos están altamente relacionadas, se presentan unidas en una sola categoría. Variable Medida: HumedadXI Fabricante: Honeywell. Referencia: HIH-3610 Tipo de Salida: Voltaje Resolución: (30.68mV) /%RH Tiempo de Respuesta: 15 segundos en Aire en movimiento lento. Rangos: (0 - 100% RH) (0.8V-4V) Voltaje de Alimentación: 4V – 5.8 V Corriente de Operación: Descripción: Sensor de humedad con salida de voltaje lineal. Variable Medida: Flujo de GasesXII Fabricante: Sensirion Referencia: ASF1400 Tipo de Salida: Digital SPI RS232 Resolución: 0.009sccm Rangos: 0.001sccm hasta 400sccm Voltaje de Alimentación: 7Voltios – 18Voltios Descripción: Mide el flujo bidireccional de gases en cuatro órdenes de magnitud. Tiene salida digital para interfaz SPI y RS-232. Variable Medida: Luz + ColorXIII Fabricante: Taos Referencia: TSLB257, TSLG257, TSLR257 Tipo de Salida: Voltaje Tiempo de Respuesta: 30uSegundos Resolución: 0.02V/LX Rangos: Depende del sensor seleccionado Voltaje de Alimentación: 2.7V-5.5V Descripción: Sensores que convierten Luz a voltaje y tienen filtros para color Azul, Verde y Rojo Respectivamente..
(18) IEL2-I-06-62. 10. 2. ARQUITECTURA BÁSICA DEL SISTEMA. La arquitectura de cada uno de los módulos consiste en 3 etapas básicas (Ver figura 1): 1. Adquisición de la señal (Adaptación). 2. Procesamiento. 3. Comunicaciones.. Nucleo: Procesamiento Control Protocolo. Módulo de Comunicación: TX-RX. Módulo Adicional Adquisición Acople con PC Actuadores Figura 1: Arquitectura básica del sistema. De acuerdo con el modelo de Hatley/PirbhaiXIV, se deben incluir los siguientes elementos en la arquitectura 1. Interfaz de Usuario. 2. Entrada. 3. Proceso y Control del sistema. 4. Salida. 5. Mantenimiento y autocomprobación..
(19) IEL2-I-06-62. 11. 2.1 Diagrama de Bloques En este punto se define el modelo arquitectural del prototipo en su más alto nivel. Después, se desciende a un nivel más bajo profundizando en las tareas y características de cada módulo específico.. Figura 2 Arquitectura del Sistema. A continuación se realiza una descripción más detallada de cada uno de los módulos:. INTERFAZ CON EL USUARIO. Este módulo le informa de manera visual al usuario el estado actual del nodo.. Permite al usuario programar el nodo con el fin de obtener un alto grado de precisión con los sensores o elementos de medición utilizados..
(20) IEL2-I-06-62. 12. Este módulo es el interruptor principal de encendido y apagado del Nodo.. MANTENIMIENTO Y AUTOCOMPROBACIÓN. Este módulo se encarga de verificar el correcto funcionamiento del nodo, cualquier anormalidad debe ser reportada.. En esta parte de la arquitectura, se encuentra el módulo de alimentación principal del sistema.. PROCESO Y CONTROL DEL SISTEMA. Es la parte de almacenamiento No-Volátil para almacenar una cantidad mínima de datos adquiridos y procesados por el nodo. Principalmente se utiliza para tener acceso a la información en casos no previstos en los que el nodo sufra un problema.. En este módulo se procesa toda la información adquirida. Es decir, si se mide una variable no Lineal, se encarga de procesarla y estandarizarla para ser enviada y almacenada.. Se programa directamente en el Núcleo del sistema. Se encarga de ofrecer todas las funciones de transmisión y recepción de datos con el dispositivo de comunicación. Por otro lado, también se encarga del protocolo básico de comunicación..
(21) IEL2-I-06-62. 13. Esté módulo contiene los sensores para las diferentes variables a ser medidas de acuerdo a la aplicación. Se acopla al módulo de procesamiento de datos y le envía a este las lecturas análogas o digitales de las diferentes variables medidas.. Esta es una entidad externa puesto que no pertenece directamente al nodo. Se trata de las variables que van a ser medidas por el dispositivo específicamente.. Este módulo se encarga de manejar toda la operación de los módulos. Todos los módulos internos del Nodo dependen directamente de. COMUNICACIÓN. Recibe órdenes del nodo base y también recibe información de otros nodos, la cual puede ser transmitida entre varios nodos a la hora de implementar protocolos de comunicación complejos.. Este es el módulo de transmisión del radio..
(22) IEL2-I-06-62. 14. 3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA, SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS Una vez definida la arquitectura del sistema, se procede a seleccionar los componentes para finalmente realizar la implementación del sistema. 3.1 NúcleoXV XVI El núcleo del sistema se puede definir como el elemento encargado de controlar todos los procesos del sistema incluyendo la adquisición de datos, el procesamiento y el manejo de las comunicaciones. Finalmente, el elemento escogido es el siguiente: Dispositivo: PSoC CY8C27443-24PI Fabricante: Cypress Semiconductor. Empaquetado: No Superficial 28 Pines Corriente Modo Normal: 3mA-5mA Corriente Modo Sleep: 3µA-5µA Bloques Análogos: 12 Bloques Digitales: 8 Memoria RAM: 256 Bytes Memoria FLASH: 16 KB Pines I/O Digitales: 24 Pines De Entradas Análogas: 12 (Ya incluidos en I/O Digitales). Pines De Salidas Análogas: 4 (Ya incluidos en I/O Digitales). Según el fabricante Cypress, el PSoC se define como un dispositivo de múltiples arreglos de señal mixta (Señales Análogas y Digitales) que incluyen un controlador dentro del mismo Circuito Integrado. Este microcontrolador se compone de una serie de bloques análogos y digitales, los cuales son programables para que cumplan una función específica, por ejemplo un contador de 8 bits requiere 1 bloque digital, mientras que si el contador es de 16 bits requiere 2 bloques digitales. Una de las características que hacen del PSoC un dispositivo muy atractivo es que su Sistema Análogo permite que se elimine la constante necesidad de acoplar periféricos, problema al que se enfrentan los Microcontroladores tradicionales los cuales por lo general solo poseen conversores análogos-digitales..
(23) IEL2-I-06-62. 15. Los bloques análogos permiten la manipulación de una gran variedad de señales análogas tanto de entrada como de salida (al exterior del PSoC) y también entre los bloques análogos vecinos. Por ejemplo se pueden conectar 3 bloque análogos de manera consecutiva así: (Amplificación) -> (Filtraje) -> (ADC) Los principales tipos de bloques análogos dentro del PSoC: Bloques de Tiempo Continuo (CT): Estos proveen funciones análogas en tiempo continuo. Tipo D, Condensador de CONMUTACION (SC): Estos proveen funciones análogas donde es necesario tener Capacitancias Conmutadas, tales como ADC incremental de 12 bits, ADC Delta Sigma de 11 bits, ADC de aproximaciones sucesivas hasta 6 bits..
(24) IEL2-I-06-62. 16. 3.2 Sistema de ComunicaciónXVII En el desarrollo del proyecto, se buscaba obtener un método eficaz y confiable para obtener la comunicación inalámbrica entre los nodos. Finalmente, se seleccionó el Radio Receptor-Trasmisor Xemics DP-1203. Este dispositivo trabaja específicamente en la banda 868MHz. Dependiendo del diseño de la antena, en el espacio libre, puede alcanzar rangos de hasta 500 metros en línea de visión. En el momento de la adquisición del dispositivo, solo existía en el inventario disponible la versión específica de frecuencia 868MHz, sin embargo existe una versión DP1203-915, el cual opera en la frecuencia de los 915MHz y es completamente compatible con la versión adquirida, solucionado la situación establecida por el Artículo 5 de la Resolución 000689XVIII de 2004 del Ministerio de Comunicaciones de Colombia, donde se estipula que la frecuencia de 868MHz no corresponde a ninguna de las bandas de frecuencia de libre utilización. Este dispositivo tiene características interesantes tales como su bajo consumo de potencia dependiendo de los diferentes modos de operación, Estos consumos son los siguientes: Modo Sleep: Típico:0.2µA Máximo:1.1µA Stand By:Típico: 0.8mA Máximo: 1.1mA Transmisión: Típico = 33mA Máximo : 45mA Recepción: Típico = 14mA Máximo : 17mA 3.2.1 Evaluación de Alternativas de Comunicación Finalmente, se define, que se van a utilizar dispositivos transmisores, receptores en radiofrecuencia, evaluando las diferentes alternativas. Dadas sus características llegamos a 2 dispositivos, que presentamos a continuación. En esta comparación se utiliza la siguiente nomenclatura: : Ventaja. : Desventaja. : Solución a la desventaja..
(25) IEL2-I-06-62. 17. XEMICS DP-12033. LAIPAC TRF-2.4 GHz4. •. •. Frecuencia de Operación: 868 MHz. Frecuencia de Operación: 2.4GHz. Tamaño: 30 x 17mm. Tamaño: 20.5 x 36.5 x 2.4mm. Voltaje: 2.4V – 3.3V. Voltaje: 2V – 3.6V. Precio por unidad: U.S. $17.0. Precio: U.S. $19.9. Antena NO Incorporada. Se solucionó este inconveniente acoplando una antena de tipo λ/4. Corriente en Modo Sleep: 0.2µA - 1.1µA Tx: 33 - 45mA Rx: 14 - 17mA. Antena Incorporada.. Corriente en Modo Sleep: 1µA Tx: 10.5mA Rx: 18mA. Finalmente, después de un estudio previo detallado de las hojas de datos y de una interacción previa con ambas empresas fabricantes, se seleccionó el dispositivo Xemics DP-1203.. 3. Documento dp1203c_433_datasheet.pdf descargado de http://www.xemics.com, recuperado el 12 de diciembre de 2005. 4 Información técnica tomada de http://www.laipac.com/easy_trf24_eng.htm, recuperado el 12 de diciembre de 2005..
(26) IEL2-I-06-62. 18. 3.2.2 El módulo de comunicación Xemics DP1203XIX El módulo de comunicación Xemics DP1203, se define como un Radio Receptor-Trasmisor (Transceptor) un mismo módulo. Este dispositivo trabaja específicamente en la banda 868MHz. Este módulo se basa en el Transceptor XE1203F de Xemics. Dependiendo del diseño de la antena, en el espacio libre, puede alcanzar rangos de hasta 500 metros en línea de visión. En la figura 2 se presenta el módulo sin la cubierta metálica:. Figura 3: Tomada del Documento dp1203c_433_datasheet.pdf (Página 1) descargado de http://www.xemics.com, recuperado el 12 de diciembre de 2005.
(27) IEL2-I-06-62. 19. Descripción Funcional: A continuación (Figura 3) se presenta el diagrama de bloques del fabricante:. Figura 4 Tomada del Documento dp1203c_433_datasheet.pdf (Página 6) descargado de http://www.xemics.com, recuperado el 12 de diciembre de 2005. El bloque U1 corresponde al circuito integrado de Xemics XE1203F, el cual es el Transceptor base del módulo.. Interfaz de Control Serial El módulo DP1203, tiene una interfaz de control sencilla, la cual funciona a partir de 3 cables así: SCK: Reloj proporcionado por el microcontrolador (En nuestro caso lo proporciona el PSoC CY8C27443. SI: También proporcionada por el microcontrolador, esta señal es la encargada de escribir el en módulo. SO: Esta señal es proporcionada por el módulo, es decir, debe ser leída por el microcontrolador. EN: Senal de activación, esta es proporcionada por el microcontrolador. Es activa baja..
(28) IEL2-I-06-62. 20. 3.2.3 Longitud de la Antena Dado que el dispositivo de comunicación DP1203 no posee una antena incorporada directamente en la fábrica, es necesario acoplar una antena a este. Finalmente, dados los requerimientos del proyecto y según la recomendación del fabricante se implementó una antena del tipo λ/4. Esta antena, según la recomendación del fabricante del DP1203, debe ir acoplada a través de un condensador de 33pF. A continuación se presenta de manera detallada el cálculo de la longitud de esta antena: c: Velocidad de la luz en el vacío= 3x108metros/segundo. f: Frecuencia de operación del dispositivo DP1203= 868x106 Hertz λ: Longitud de la onda. Factor de Corrección: Dado que en el cable de la antena, la velocidad de la luz es menor, siguiendo la recomendación del Ingeniero Julián Alberto Herrera, se aplicó un factor de corrección del 95%.. Tenemos que : c = λf m = λ (868 × 10 6 s −1 ) s ⎡ 8 m⎤ ⎢⎣3x10 s ⎥⎦ Despejamos para hallar λ : λ = (868 × 10 6 s −1 ) Finalmente tenemos :. Re emplazando :. 3x10 8. λ = 0.3456metros Ahora hallamos la longitud de la antena y aplicamos el factor de corrección ya mencionado : λ × (Factor de correccion ) 4 0.3456m Longitud de la Antena = × (0.95 ) 4 Longitud de la Antena = 8.2 cms Longitud de la Antena =.
(29) IEL2-I-06-62. 21. 3.2.4 Diseño del Módulo Programado de Comunicación En la Arquitectura del sistema, se encuentra un bloque llamado “Módulo Programado de comunicación” el cual tiene las siguientes tareas principales: 1. Configurar y verificar el funcionamiento del módulo DP1203. 1.1 Escribir en los registros de configuración. (Utilizando la función 3-Wire Interface5). 1.2 Leer los datos contenidos en los registros de configuración (Utilizando la función 3-Wire Interface). 2. Transmitir datos de manera Inalámbrica hacia otros nodos (Dependiendo del protocolo especificado). 3. Recibir datos de manera Inalámbrica desde otros nodos (Dependiendo del protocolo especificado).. TAREA 1.1: Escribir en los registros de configuración 1.1.1. Generar una señal de reloj con ciclo útil 50% de frecuencia máxima 1MHz (Excepto para leer la función de la potencia de la senal recibida RSSI, donde la frecuencia máxima es 1KHz).. 1.1.2. A continuación (Figura 4) se muestra con detalle el diagrama de tiempo:. Figura 5: Diagrama de Tiempo Escritura de los Registros de Configuración. Tomada de http://www.xemics.com, documento XE1203F_datasheet.pdf, recuperado el 15 de diciembre de 2005. Modificada por Miguel Uribe Arango el 22 de febrero de 2006.. Para ser utilizado de manera correcta, es necesario escribir en los registros de configuración del DP1203. 5. Ver Referencia VI.
(30) IEL2-I-06-62. 22. TAREA 1.2: Leer el contenido de los registros de configuración 1.2.1. Generar una señal de reloj con ciclo útil 50% de frecuencia máxima 1MHz (Excepto para leer la función de la potencia de la señal recibida RSSI, donde la frecuencia máxima es 1KHz).. 1.2.2. A continuación mostramos con detalle el diagrama de tiempo:. Figura 6: Diagrama de Tiempo de Lectura de los Registros de Configuración Tomada de http://www.xemics.com, documento XE1203F_datasheet.pdf, recuperado el 15 de diciembre de 2005. Modificada por Miguel Uribe Arango el 22 de febrero de 2006.. Con el fin de verificar el estado actual del dispositivo DP1203 y acceder a algunas de sus funciones, es necesario leer el contenido de algunos registros..
(31) IEL2-I-06-62. 23. TAREA 2: Transmitir de Manera Inalámbrica Para realizar la transmisión de datos de manera inalámbrica entre los nodos, se utilizó comunicación serial asíncrona mediante la utilización del bloque UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) contenido en el PSoC. Este bloque realiza comunicación serial siguiendo el formato de datos RS-232. Este formato, ocho (8) bits de datos, un (1) bit de inicio y un (1) bit de parada, además un (1) bit opcional de paridad6. En el siguiente diagrama de flujo (Figura 6) se presenta una descripción del proceso de la comunicación de datos de manera inalámbrica. 1. Durante el primer proceso se selecciona el modo de operación del DP1203, es decir el modo Transmisión. 2. El interruptor de la antena, se ubica en el modo de transmisión, mediante la definición de niveles lógicos en los pines RX=0, TX=1. 3. Se inicializa el módulo UART del PSoC para ingresar los datos de manera serial. 4. Se envía el byte de verificación. En este protocolo, la trama se compone de 2 octetos: Primero, un octeto de verificación y luego un octeto que contiene la información a enviar. Para mayor detalle referirse a la sección de Protocolo en el presente documento. 5. Se envía el byte con la información.. 6. Ver referencia V.
(32) IEL2-I-06-62. 24. Seleccionar Modo: Transmisión.. Antenna Switch: TX=1 RX=0. Inicializar el Módulo: UART. Enviar Byte de Verificación.. Enviar trama de Información Figura 7: Diagrama de flujo del proceso de Transmisión Inalámbrica.. TAREA 3: Recibir de Manera Inalámbrica Para completar esta tarea se opera de la misma manera que se describió en la tarea 2 mencionada en la presente página. Los pasos del proceso de recepción inalámbrica son 1. Durante el primer proceso se selecciona el modo de operación del DP1203, es decir el modo Recepción. 2. El interruptor de la antena, se ubica en el modo de recepción, mediante la definición de niveles lógicos en los pines RX=1, TX=0. 3. Se inicializa el módulo UART del PSoC para ingresar los datos de manera serial. 4. Se lee el byte recibido, si es el byte de verificación se procede al siguiente paso, de lo contrario se sigue recibiendo y verificando. 5. Se recibe y almacena el byte que contiene la información.
(33) IEL2-I-06-62. 25. Seleccionar Modo: Recepción.. Antenna Switch: TX=0 RX=1. Inicializar el Módulo: UART. Recibir y Leer Byte NO BYTE RECIBIDO = Byte de Verificación?. SI Recibir y Almacenar Byte de Información Figura 8: Diagrama de flujo del proceso de Recepción Inalámbrica.. 3.2.5 Escritura de Registros (Módulo de Comunicación) Como ya se mencionó anteriormente, la escritura de registros en módulo DP1203 se realiza de manera serial síncrona generando el reloj con el PSoC. A continuación se presenta (Figura 8) un diagrama de tiempo obtenido con el analizador lógico PHILIPS PM3580 en el laboratorio de ingeniería electrónica de la universidad. Para fin de ilustración solo se presenta la escritura de 1 registro..
(34) IEL2-I-06-62. 26. Las siguientes son las señales que se muestran en la gráfica: a: SCK reloj generado con el PWM de 50% de ciclo útil con el dispositivo PSoC. b: Señal de Enable (Habilitación de escritura) la tenemos = 0 siempre. c: Señal de SI (Serial Input) a través de la cual generamos los datos seriales de entrada para la configuración de los registros. Registro ADParam1: 01110 ---------------------------------------------------Bit_Preliminar[0]=0: Bit de Inicio SI=0 Bit_Preliminar[1]=0: RW=0 Para indicar escritura ---------------------------------------------------Direccion_Bit[4]=0: Address4 Direccion_Bit[3]=1: Address3 Direccion_Bit[2]=1: Address2 Direccion_Bit[1]=1: Address1 Direccion_Bit[0]=0: Address0 ---------------------------------------------------Contenido_Registro_Bit[7]=0: Data7 Size of reference pattern recognition Contenido_Registro_Bit[6]=0: Data6 00-> 8 bits Contenido_Registro_Bit[5]=1: Data5 Number of tolerated errors in recognition Contenido_Registro_Bit[5]=0: Data4 10 -> 2 Errores Contenido_Registro_Bit[3]=1: Data3 CLOCKOUT Frequency Contenido_Registro_Bit[2]=1: Data2 11-> 9.75MHz Contenido_Registro_Bit[1]=0: Data1 Inversion of RX data 0-> Disabled Contenido_Registro_Bit[0]=1: Data0 Baseband Filter Calibration 0->Enabled. Figura 9: Escritura del registro ADParam1. Obtenida por Miguel Uribe Arango con el Analizador Lógico PHILIPS PM3580, propiedad del laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad de los Andes. Abril 27 de 2006..
(35) IEL2-I-06-62. 27. 3.3 Problema de Acople de Niveles Lógicos Gracias a que los dos dispositivos operan en el rango de voltajes desde 3.3V hasta 3.6V, no existió ningún tipo de dificultad en el reconocimiento de los niveles lógicos altos. Sin embargo, el controlador o drive de los pines de salida seleccionado fue el sistema de Pull Down donde encontramos el siguiente esquema:. Figura 10: Diagrama del Drive PULL DOWN del PSoC CY8C27443.7 Según el fabricante8 este modo tiene la capacidad de configurar niveles de salida altos “1” fuertes, mientras que los niveles de salida bajos “0” son de tipo resistivo. Es por esta razón que algunos dispositivos no pueden adquirir de manera correcta un nivel lógico bajo “0”. En el caso específico de la interfaz del PSoC y el DP1203, se encontraron configuraciones del sistema que se realizaban de manera ALEATORIA debido a que en algunas ocasiones, los datos enviados en el proceso de configuración se leían de manera correcta y en otras no. Para Solucionar este problema de Aleatoriedad se ubicó una resistencia de 1KΩ entre la conexión del los pines del DP1203 y del PSoC y la tierra.. 7 Figura tomada de la presentación 06-GPIO.ppt tomada de http://oa-003.spu.edu/bolding/EE3280/PSoC/06-GPIO.ppt, Seattle Pacific University, mayo 14 de 2006. Modificada por Miguel Uribe Arango. 8. Ver referencia V página 63, tabla 6.3..
(36) IEL2-I-06-62. 28. 4. PROTOCOLO BÁSICO DE COMUNICACIÓN Según los objetivos planteados para este proyecto, se utilizará un protocolo de comunicación sencillo para realizar la comunicación bidireccional entre los dos nodos.. 4.1 Formato de Trama Dado que según se explicó, para la comunicación se utiliza el formato RS232 (se envían datos de 8 bits de longitud), la trama para este protocolo, consta de solamente dos octetos los cuales se envían de manera consecutiva (en un solo paquete) y tienen el siguiente formato de trama:. Figura 11: Formato de trama del protocolo de comunicación. Realizado por Miguel Uribe Arango.. OCTETO 1 Es el primer octeto que se envía. Siempre contiene el código del nodo remoto al cual se le quiere transmitir o desde el cual se está realizando la transmisión. El código asignado al nodo remoto de este proyecto fue 11001100.. OCTETO 2 Es enviado inmediatamente después del Octeto 1. Este octeto contiene la información u orden dependiendo del modo de operación según se explica...
(37) IEL2-I-06-62. 4.2 Procesos de la red En la figura 11 se encuentra el diagrama de comunicación de la red,. Figura 12: Proceso de comunicación de la red.. 29.
(38) IEL2-I-06-62. 30. 4. FUNCIONES DEL SISTEMA Y PLAN DE PRUEBAS. Para realizar una muestra del potencial de este sistema, se han desarrollado las siguientes funciones: 4.1 Función Buscar Nodo Después de realizar la inicialización del sistema, es necesario que el nodo base “tenga conocimiento” acerca de los nodos remotos que están disponibles en la red. Para esto, creamos se crea la operación Buscar Nodo, en la cual, el nodo base realiza varios intentos de obtención de información de los nodos remotos (los intentos son separados por la activación de un timer). En la figura 11, en la fase de establecimiento de la red, se observa como funciona este proceso: El nodo base envía un paquete de reconocimiento, en caso de no recibir respuesta del nodo remoto se genera un TIMEOUT y se continúa la verificación del siguiente nodo.. 4.2 Lectura de Sensores El nodo base, envía la orden al nodo remoto de reportar la lectura actual del sensor número 1 o el sensor número 2. Para simular los sensores, se utiliza una fuente de voltaje DC entre 0 y 3.3V. Estos datos son procesados en el núcleo con un conversor análogo digital ADC incremental. 4.3 Función Filtro-ADC-DAC En la función Filtro-ADC-DAC, en el nodo remoto se tiene una entrada análoga, a la cual se le aplica un filtro de tipo Pasa-Bajos con frecuencia de corte variable (6Hz y 12Hz), la cual puede ser cambiada de manera dinámica desde el ordenador. Después esta señal filtrada convierte a formato digital para ser transmitida. En el nodo base la señal digital recibida se convierte a señal análoga mediante el uso de un conversor Digital-a-Análogo DAC. En la figura 6 se detalla este proceso. En la figura 12 se explica este proceso de manera detallada..
(39) IEL2-I-06-62. Nodo Remoto. 31. Activar Filtro 1. Conversor Análogo-Digital 010110110100. Nodo Base. Receptor. 10110110. Conversor Digital-Análogo. Figura 13: Diagrama del proceso Filtro. Realizado por Miguel Uribe Arango.. 01011011. Transmisor.
(40) IEL2-I-06-62. 32. 5. ACOPLE DE LOS DISPOSITIVOS Después de describir en detalle el proceso de configuración del dispositivo de comunicación, la siguiente sección de este documento describe de manera específica el proceso de acople de los dispositivos, desde su asignación de pines.. 5.1 Asignación De Pines PSoC-DP1203 En la siguiente tabla se encuentra una breve descripción de los pines que se requieren en la interfaz con el módulo de comunicación DP1203.. Tabla 2: Definición de pines y de conexiones entre el DP1203 y el Núcleo (PSoC)..
(41) IEL2-I-06-62. 33. 5.2 Asignación de Pines del Núcleo (PSoC) Según se ha explicado a lo largo de este documento, uno de los componentes principales del nodo, es el núcleo, que para la implementación escogida será un PSoC CY8C27443. En la siguiente figura (Figura 13) se explica de manera detallada la asignación de la totalidad de los pines para el núcleo de acuerdo a las capacidades que este ofrece. Nomenclatura: AI: Entrada Análoga. AIO: Entrada Análoga/Salida Análoga.. Figura 14: Asignación detallada de los Pines del Núcleo. Tomada y Modificada de Referencia V página 25 por Miguel Uribe Arango. Enero 25 de 2006..
(42) IEL2-I-06-62. 34. 6. DISEÑO DEL NODO BÁSICO A partir de los objetivos propuestos, se espera que el diseño final del nodo sea flexible, es decir que además de tener la capacidad de realizar mediciones a diferentes tipos de variables, también debe tener la capacidad de ser nodo remoto o nodo base sin cambios significativos en la estructura básica del Hardware. En la siguiente figura (Figura 14) se observa que el nodo básico se compone de dos módulos: Módulo de Comunicación: Contiene el dispositivo DP1203, el circuito de acople de la antena. Además tiene un conector que para acoplar al módulo del núcleo. Módulo del Núcleo: Este módulo tiene como parte principal al componente PSoC, una pequeña interfaz con el usuario (Tipo LED), un conector hacia el módulo de comunicación y finalmente un conector para el módulo de medición, el cual contiene los diferentes sensores. Finalmente contiene la entrada de alimentación.. Figura 15: Diseño del nodo básico. Realizado por Miguel Uribe Arango..
(43) IEL2-I-06-62. 35. 7. ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA. Para dimensionar las posibles aplicaciones y perspectivas del proyecto es necesario conocer sus principales características. A continuación se presentan los datos más relevantes del sistema.. 7.1 Alimentación Buscando obtener la mayor autonomía del sistema sin afectar considerablemente su tamaño, para el nodo básico se realizó la siguiente selección de batería9: Marca: Nokia Peso: 28 Gramos Capacidad: 950mAh Tamaño: 53.1 x 38.4 x 7.2mm Voltaje: 3.6 Voltios Descripción: Batería Li-Ion de teléfono celular, recargable de alta duración.. Figura 16: Batería Nokia BLC-2. Tomado de: http://www.allmobileaccessories.co.uk/buy/product_noki a_blc-2.shtml recuperado el 10 de Mayo de 2006 por Miguel Uribe Arango.. Con esta batería, se espera una autonomía del nodo de aproximadamente de 468 horas (con transmisión y recepción cada 5 minutos en tiempos de máximo 3ms), dado que la velocidad utilizada de transmisión es 76800bps y se transmiten 8 octetos.. Información técnica tomada de http://www.allmobileaccessories.co.uk/buy/product_nokia_blc-2.shtml, recuperada el 10 de Mayo de 2006 por Miguel Uribe Arango.. 9.
(44) IEL2-I-06-62. 36. 7.2 Consumo En las diferentes condiciones de operación se obtuvieron los siguientes datos del consumo. Las mediciones se hicieron utilizando el Multímetro FLUKE179 propiedad del laboratorio de Ingeniería Electrónica, Universidad de Los Andes. Este instrumento tiene una función que en un rango de tiempo determinado encuentra el valor mínimo, máximo y promedio de una variable específica.. 7.2.1 Nodo Remoto (Consumo) Modo Normal (Tabla 3): El nodo remoto se encuentra esperando una orden del nodo base, en este momento no se encuentra realizando ningún tipo de transmisión ni procesamiento de señales análogas. El consumo máximo se presenta cuando efectivamente el nodo remoto está recibiendo, es decir, durante el intervalo de tiempo en el cual, el nodo base está enviando datos los cuales están siendo recibidos por el nodo remoto.. Tabla 3: Niveles de consumo del nodo remoto (sistema completo) en modo Normal.. Modo ADC-Filtro (Tabla 4): En este modo, el nodo remoto se encuentra haciendo las siguientes tareas: -. Filtro Pasa-Bajos encendido, filtrando la señal de entrada análoga.. -. Conversor Análogo-Digital ADC encendido, convirtiendo la señal filtrada para ser transmitida de manera digital.. -. Transmisor, enviando de manera continua los datos convertidos por el ADC.. Tabla 4: Niveles de consumo del nodo remoto (sistema completo) en modo ADC-Filtro..
(45) IEL2-I-06-62. 37. 7.2.2 Nodo Base (Consumo) Modo Normal: El nodo base se encuentra esperando una orden del ordenador al cual está conectado, en este momento no se encuentra realizando ningún tipo de transmisión. El consumo máximo se presenta cuando efectivamente el nodo báse está transmitiendo una orden al nodo Remoto. En esta medición no se incluyó el consumo independiente del circuito de conversión de niveles lógicos MAX-232, cual se encuentra entre 10Ma 15Ma. Tabla 5: Niveles de consumo del nodo base (sistema completo) en modo ADC-Filtro..
(46) IEL2-I-06-62. 38. 8. PROTOTIPO FINAL. Buscando que la portabilidad del sistema, el diseño final se dividió en tres tarjetas independientes. De esta manera si por ejemplo se desea cambiar el núcleo del sistema, cambia la tarjeta del núcleo y la nueva tarjeta se acopla a la tarjeta existente del módulo de comunicación: Tarjeta de comunicación (figura 17): Esta contiene el dispositivo DP1203. A través de un puerto de 20 pines, se conecta con la tarjeta del núcleo.. Figura 17: Prototipo Final, Tarjeta de comunicación. Tarjeta del Núcleo (Figura 18): En esta tarjeta contiene el dispositivo PSoC. Se conecta a través del puerto1 (20 pines) con la tarjeta de comunicación y a través del puerto2 (12 pines) con la tarjeta adicional. Estos 12 pines del puerto2 se pueden utilizar así: •. 12 entradas y/o salidas digitales.. •. 12 entradas Análogas.. •. 4 Salidas análogas. Figura 18: Prototipo Final, Tarjeta del Nucleo.
(47) IEL2-I-06-62. 39. Tarjeta Adicional (Figura 19): Esta tarjeta contiene en el caso del nodo Base, el circuito de acople para el computador. En el caso del nodo remoto, contiene los respectivos sensores o actuadores.. Figura 19: Prototipo Final, Tarjeta de acople del nodo base. En la figura 20 se observa el prototipo final con montaje completo del nodo base.. Figura 20: Prototipo Final, Nodo base: montaje completo..
(48) IEL2-I-06-62. 40. 9. COSTOS. Con el fin de estudiar la viabilidad de la creación de una red mucho más amplia, es necesario realizar un breve presupuesto de los elementos básicos. Los costos se presentan en dólares americanos, incluyendo el valor por unidad. (Estos valores no incluyen costos de envío).. Tabla 6: Costos por unidad del nodo básico, en dólares americanos.
(49) IEL2-I-06-62. 41. 10. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS Con el desarrollo de esta plataforma, diferentes grupos de investigación de la universidad tienen la base para desarrollar redes inalámbricas ajustándola a sus respectivas necesidades. Los prototipos desarrollados pueden servir como plataforma para la implementación y validación de protocolos de comunicación reprogramando el núcleo de este sistema. Se realizaron pruebas del enlace de la comunicación en distancias superiores a 15 metros en interiores. Estas pruebas entregaron resultados satisfactorios. Se implementó un protocolo sencillo de comunicación cuya trama consta de dos octetos, donde el primer octeto contiene la información del nodo remoto mientras que el segundo octeto contiene los datos. Gracias a la capacidad del Núcleo del Nodo de realizar la reconfiguración dinámica de todos sus bloques, el sistema es una herramienta flexible para ser utilizada en diferentes aplicaciones. Dada la portabilidad del sistema (3 tarjetas independientes acopladas), se pueden realizar mejoras, como por ejemplo la actualización del núcleo cambiar el dispositivo de comunicación..
(50) IEL2-I-06-62. 42. 11. REFERENCIAS I. Hill, Jason Lester (2003). System Architecture for Wireless Sensor Networks. Tomado de www.jlhlabs.com/jhill_cs/jhill_thesis.pdf Recuperado el 15 de diciembre de 2005. II. Introduction to Theory and Applications of Self Organizing Wireless Sensor Networks, Vijay Devabhaktuni and James Haslett. University of Calgary, Canadá. http://www2.enel.ucalgary.ca/People/Haslett/WCLM/CCHE/WebPage/VijayDevabhaktuni_Wireles s_Proceedings.doc. Recuperado el 5 de mayo de 2006 III. Technical Report TR-08-05, Division of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 2005. http://www.eecs.harvard.edu/˜mdw/proj/codeblue. Recuperado el 15 de noviembre de 2005. IV. Werner-Allen, Geoff., Welsh, Matt. Monitoring Volcanic Activity with a Wireless Sensor Network: Harvard University. www.eecs.harvard.edu/~mdw/ proj/volcano/tungurahua-report.pdf Recuperado el 16 de diciembre de 2005. V. Hoja de datos tomada de http://www.analog.com, recuperado el 15 de enero de 2006 por Miguel Uribe Arango. VI. Guía de Sensores tomada de http://www.sensorsportal.com/HTML/Sensor.htm, recuperado el 1 marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. VII. Información técnica tomada de http://www.disensors.com/HTML/pdf/NS-15E.pdf recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. VIII. Información técnica tomada http://www.sensors.co.uk/pdf/TSE2039R.pdf recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. IX. Información técnica tomada www.fairchild.com recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. X. Información técnica tomada www.intersema.ch/ recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. XI. Información técnica tomada de content.honeywell.com/sensing/ prodinfo/humiditymoisture/009012_2.pdf recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. XII. Información técnica tomada de http://www.sensirion.com/en/02_sensors/00_products.htm?cat=1&art=15 recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. XIII. Información técnica tomada de http://www.taosinc.com/ recuperado el 2 de marzo de 2006 por Miguel Uribe Arango. XIV. Modelado de Arquitectura (s.f) Documento tomado del curso Técnicas de Diseno Electrónico, Universidad de Los Andes http://sicua.uniandes.edu.co. Noviembre 20 de 2005. XV. Documento psoc_tm___technical_reference_manual__trm__10.pdf descargado de http://www.cypress.com, recuperado en Diciembre 12 de 2005 XVI. Documento DataSheet_CY8C27xxx.pdf: No. 38-12012 Rev. *G, contenido dentro de la documentación del PSoC Designer Versión 4.1. Enero 28 de 2006..
(51) IEL2-I-06-62. 43. XVII. Documento dp1203c_433_datasheet.pdf descargado de http://www.xemics.com, recuperado el 12 de diciembre de 2005. XVIII. Resolución Número 000689 de 28 de abril de 2004. Ministerio de Comunicaciones de Colombia: http://www.mincomunicaciones.gov.co/mincom/src/user_docs/Archivos/normatividad/2004/Resolu cion/R00689d2004.pdf.
(52) IEL2-I-06-62. A1. ANEXO 1 Hoja de Datos PSoC Cypress CY8C27443.
(53) IEL2-I-06-62. A2.
(54) IEL2-I-06-62. A3.
(55) IEL2-I-06-62. A4.
(56) IEL2-I-06-62. A5.
(57) IEL2-I-06-62. A6. ANEXO 2 Hoja de Datos XEMICS DP1203.
(58) IEL2-I-06-62. A7.
(59) IEL2-I-06-62. A8. ANEXO 3 Circuitos Impresos y Dimensiones Tarjeta del dispositivo de comunicación (Lado de cobre).
(60) IEL2-I-06-62. A9. Tarjeta del Núcleo (Lado de cobre, cara posterior).
(61) IEL2-I-06-62. A10. Tarjeta de acople con computador a través del puerto serial DB9(Lado de cobre, cara posterior).
(62) IEL2-I-06-62. A11. ANEXO 4 Funciones de Configuración del Nodo Básico void ConfigurarModulo()//Esta funcion se encarga de configurar el módulo de comunicacion. { //DIRECCION [MSB,...LSB]_Dato[MSB,...LSB] int Direccion_Dato[18]; int i; /////////////////////////////////////////////////////////////////// //ESCRITURA EN LOS REGISTROS TRANSMISOR /////////////////////////////////////////////////////////////////// //Registro RT_PARAM1 00001 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=0; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=0; //Address1 Direccion_Dato[6]=1; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=1; //Data7 Bit Synchronizer 0 ->Disabled Direccion_Dato[8]=0; //Data6 Barker Coder/Decoder 0 ->Disabled Direccion_Dato[9]=0; //Data5 RSSI Function 0 ->Disabled Direccion_Dato[10]=0;//Data4 RSSI Range 1 -> High Range Direccion_Dato[11]=1;//Data3 FEI Function 0 ->Disabled Direccion_Dato[12]=1;//Data2 Base Filter Bandwith BBWW 0 ->Disabled Direccion_Dato[13]=0;//Data1 Reference Frequency Source 0->Internal Crystal Oscilator Direccion_Dato[14]=1;//Data0 CLOCKOUT 1 -> Enabled //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion(); //***************************************************************************** //Registro RT_PARAM2 00010 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=0; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=1; //Address1 Direccion_Dato[6]=0; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=0; //Data7 Transmitter Pre-filter Rise/Fall Time 0->10% Direccion_Dato[8]=0; //Data6 Prefiltering in Transmitter 0->No Filtering Direccion_Dato[9]=0; //Data5 Transmitter Modulation 0->Enabled Direccion_Dato[10]=0;//Data4 I&Q Amplifiers 1-> Enabled Direccion_Dato[11]=1;//Data3 1-> Configuration set defined by the pin SWITCH is an input. Direccion_Dato[12]=0;//Data2 Pattern Recognition Function 0 ->Disabled Direccion_Dato[13]=1;//Data1 Frequency Band 10 -> 868MHz Direccion_Dato[14]=0;//Data0 //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion();.
(63) IEL2-I-06-62. //***************************************************************************** //Registro FSParam_Dev 00011 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=0; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=1; //Address1 Direccion_Dato[6]=1; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=0; //Data7 Direccion_Dato[8]=1; //Data6 Direccion_Dato[9]=1; //Data5 Direccion_Dato[10]=0;//Data4 Frequency Deviation Delta(f) Direccion_Dato[11]=0;//Data3 Direccion_Dato[12]=1;//Data2 Direccion_Dato[13]=0;//Data1 Direccion_Dato[14]=0;//Data0 //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion(); //***************************************************************************** //Registro SWParam_Freq_1 01000 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=1; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=0; //Address1 Direccion_Dato[6]=0; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=0; //Data7 Direccion_Dato[8]=0; //Data6 Direccion_Dato[9]=0; //Data5 Direccion_Dato[10]=0;//Data4 Direccion_Dato[11]=0;//Data3 Direccion_Dato[12]=0;//Data2 Direccion_Dato[13]=0;//Data1 Direccion_Dato[14]=0;//Data0 //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion(); //***************************************************************************** //CONFIGURACION MODO2 //******************* //Registro SWParam1 01001 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=1; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=0; //Address1 Direccion_Dato[6]=1; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=1; //Data7 Chip Mode: 10 Receiver Mode Direccion_Dato[8]=0; //Data6 Direccion_Dato[9]=1; //Data5 Transmitter OutputPower Configuration. A12.
(64) IEL2-I-06-62. Direccion_Dato[10]=1;//Data4 10-> 10dBm Direccion_Dato[11]=1;//Data3 Receiver Moder 0 Direccion_Dato[12]=1;//Data2 Reservado Direccion_Dato[13]=1;//Data1 Reservado Direccion_Dato[14]=1;//Data0 Reservado //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion();. A13. -> High Sensitivity. //***************************************************************************** //Registro ADParam1 01110 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=0; //Address4 Direccion_Dato[3]=1; //Address3 Direccion_Dato[4]=1; //Address2 Direccion_Dato[5]=1; //Address1 Direccion_Dato[6]=0; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=0; //Data7 Size of reference pattern recognition Direccion_Dato[8]=0; //Data6 00-> 8 bits Direccion_Dato[9]=1; //Data5 Number of tolerated errors in recognition Direccion_Dato[10]=0;//Data4 10 -> 2 Errores Direccion_Dato[11]=1;//Data3 CLOCKOUT Frequency Direccion_Dato[12]=1;//Data2 11-> 9.75MHz Direccion_Dato[13]=0;//Data1 Inversion of RX data 0-> Disabled Direccion_Dato[14]=1;//Data0 Baseband Filter Calibration 0->Enabled //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion(); //***************************************************************************** //Registro ADParam3 10001 Direccion_Dato[0]=0; //Bit de Inicio Direccion_Dato[1]=0; //RW=0 Para indicar escritura //---------------------------------------------------Direccion_Dato[2]=1; //Address4 Direccion_Dato[3]=0; //Address3 Direccion_Dato[4]=0; //Address2 Direccion_Dato[5]=0; //Address1 Direccion_Dato[6]=1; //Address0 //---------------------------------------------------Direccion_Dato[7]=1; //Data7 1-> Data=OUTPUT DataIN=INPUT Direccion_Dato[8]=0; //Data6 Treshold for Barker Mode Direccion_Dato[9]=0; //Data5 Direccion_Dato[10]=0;//Data4 Direccion_Dato[11]=0;//Data3 Direccion_Dato[12]=0;//Data2 Direccion_Dato[13]=0;//Data1 Direccion_Dato[14]=0;//Data0 6-0 //-------------------------------------------------Direccion_Dato[15]=1;//SI=1 Bit de parada 1 Direccion_Dato[16]=1;//SI=1 Bit de parada 2 Direccion_Dato[17]=1;//SI=1 Bit de parada 3 Transicion(); Transicion(); EscribirRegistro(Direccion_Dato); Transicion(); }.
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