Taller: Breu introducció al muntatge d’una

xarxa de sensors sense fils

(WSN: Wireless Sensor Network)

http://digsys.upc.eduFrancesc J. Robert, E-CAT, EEL

Muntatges

• Configuració dels nodes XBee

• Xat entre dos nodes

• Sensors amb Arduino: Mesura de temperatura i humitat relativa

• Actuador amb Raspberry Pi. Visualitzador LCD

• Transmissió de missatges ASCII des d’un sensor Arduino

• Timbre sense fil

• Termòmetre amb sensor XBee analògic i comunicació per paquets API

Configuracions de la xarxa https://osdn.net/projects/ttssh2/releases/

Xarxes ZigBee- Adreça particular de cada node sensor (per enviar missatges). Cadascun dels

nodes té una adreça completa d’identificació de 64 bits. I dintre d’una xarxa, cada mòdul té una adreça de 16 bits (PAN – Personal Area Network address)

- Tots els elements de la xarxa han de compartir el mateix canal de radio (Channels)

- Software XCTU per configurar els mòduls radio. També es pot realitzar la comunicació a través del port sèrie RS232 (Tera Term)

La nostra xarxa de demostració des del programa XCTU

WSN_1

WSN_2

WSN_3

Channel CPAN = 8088Address = ABC4

Address = ABC1

Address = ABC2

Address = ABC3

Coordinator

Coordinator

Escanejat de la xarxa per identificar els mòduls connectats

Comandaments de configuració dels dispositius

Comunicació radio bidireccional punt a punt entre mòduls

Configuració: Adreces creuades i mode transparent

Targeta d’experimentació amb microcontroladors: Arduino (enllaç)

Protoboard i kit de sensors (enllaç)

Biblioteques específiques per cada classe de sensor o interfície

Muntatge de node sensor WSN_1: Mesura de temperatura i humitat relativa amb Arduino

Dibuixeu els vostres esquemes en Fritzing

Sensor DHT11

Més informacióOrganitzeu el programa

Muntatge de node sensor WSN_1: 1) Simulació en Proteus del sistema abans d’experimentar en el laboratori

https://www.labcenter.com/

Muntatge de node sensor WSN_1: 2. Laboratori. Depuració (debugging) del programa i prototipatge

Muntatge de node sensor WSN_1: Visualització LCD amb Raspberry Pi (enllaç)

Podem programar la Raspberry Pi en Python (programa) usant les biblioteques de funcions per fer la interfície amb el maquinari, en aquest cas, el bus I2C.

Compte: Fixeu-vos en primer lloc amb els circuits electrònics (datasheets). El visualitzador LCD (5 V) està connectat mitjançant un adaptador de tensió de 3.3 V (Raspberry Pi) a 5 V

Muntatge de node sensor WSN_2: Interruptor i LED amb Arduino i XBee

Recepció al PC o a la Raspberry Pi mitjançant un port sèrie (PuTTY o Tera Term)

Muntatge de node sensor WSN_3: Timbre accionat a través de radio XBee.

Transmissor (configurat com coordinador/encaminador)

Receptor (configurat com encaminador (router)

Polsador

Timbre

Ambdós dispositius XBee funcionen en mode transparent (API deshabilitat: no envien paquets binaris, sinó els caràcters ASCII)

Muntatge de node sensor WSN_1: XBee com a node sensor. Captura de temperatura

Muntatge de node sensor WSN_1: Configuració del WSN_1

Muntatge de node sensor WSN_1: Recepció en mode de paquets de dades API (Application Programming Interface)

Muntatge de node sensor WSN_1: Recepció en mode de paquets de dades API Arduino per al processament de dades de temperatura.

Activitats per complementar el taller d’introducció:

• Repliqueu els muntatges començant pel més senzill i un a un en

seqüència. Estudiar els sensors i els muntatges.

• Estudiar el programari Arduino / Raspberry Pi associat als muntatges

intentant analitzar la seqüència d’operacions realitzades.

• Proposar modificacions als circuits i als programes

Bibliografia d’interès seguida per extreure i adaptar els exemples del taller:

• Bell, C., Beginning Sensor Networks with Arduino and Raspberry Pi, Apress, 2013

• Faludi, R., Building Wireless Sensor Networks, O’Reilly, 2011

• Kooijman M. , Building Wireless Sensor Networks Using Arduino, Packt

Publishing, 2015

Materials semblants es poden descarregar a http://digsys.upc.es/rpi/ (P17 – XBee)

Algunes idees avançades per si en teniu més interès:

• Classificació i cerca d’informació: dispositius Zigbee, llenguatges de programació (C, Python, ino,

Processing, etc.) , targetes per muntar i organitzar xarxes de sensors (Arduino, Raspberry Pi, Intel

Galileo, etc. )

• Construcció d’una xarxa completa amb coordinador, encaminadors (routers) i nodes sensors (end

nodes) en paquets de dades en mode API.

• Xarxa en malla (mesh). Per mantenir la xarxa connectada encara que hi hagi algun node caigut.

• Sensors adormits (mode sleep) per estalviar energia i alimentació amb bateries, o bé:

• Captació d’energia per alimentar els WSN autònomament (energy harvesting).

• Nodes sensors amb el mínim consum d’energia (microprocessadors extreme low-power).

• Encriptació de dades radio, seguretat de la informació.

• Programari de processament i tractament de dades (per exemple LabView).

• Interfícies web per a la monitorització i control de la xarxa de sensors i representació de dades.

• Estudi de nous estàndards de xarxes de smart sensors (per exemple LoRa per la IoT).

Exemple d’un node sensor actiu/adormit (sleep mode)

- VCC = 3 V

- Corrent consumit en actiu pel circuit: 524 A

- Corrent consumit en mode adormit pel circuit: 7.5 A (C = 100 nA)

MicrochipPIC18F87K22

MicrochipPIC16LF1947

Idea de la captació d’energia per a l’alimentació de sensors autònoms

- M. T. Penella, and M. Gasulla, Powering autonomous sensors : an integral approach with focus on solar and RF energy harvesting. Dordrecht : Springer, 2011.

- M. Gasulla, J. Jordana, F. J. Robert, and J. Berenguer, “Analysis of the optimum gain of a high-pass L-matching network for rectennas,” Sensors (Switzerland), vol. 17, no. 8, 2017.

Energia captada: - Solar- Tèrmica- Radiofreqüèn

cia- Acústica- Vibració, etc.

Exemple de captació d’energia electromagnètica de radio freqüència (banda de 868 MHz)

Gasulla, M.; Robert, F.J.; Jordana, J.; Ripoll-Vercellone, E.; Berenguer, J.; Reverter, F. A High-Efficiency RF Harvester with Maximum Power Point Tracking. Proceedings 2018, 2, 1049.