Rede de Sensores Moveis

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1 Rede de Sensores Moveis Instituto Nacional de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto Relatório intermédio do estágio curricular 2007/2008 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e Computadores Tiago Sousa Orientadores: Doutor Ireneu Dias Doutor Sérgio Mendonça Doutor Armindo Lage Abril 2008

2 1. Escolha dos componentes dos circuitos A família de microcontroladores MSP430 da Texas Instruments irá equipar as estacões móveis. Estes microcontroladores além de apresentarem um consumo ultra-baixo, são também um dispositivo de 16Bit RISC (Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções). Usam um relógio com frequência até 8MHz e tem um consumo por instrução muito baixo de 250uA por instrução. Estas características torna-os ideais para utilizações em aplicações portáteis, de baixo consumo. Este microcontrolador é um produto já bastante desenvolvido, existindo por isso muita informação e uma boa gama de periféricos (AD, DAC, UART, SPI ) disponíveis. O MSP430, utiliza uma arquitectura Von Neuman, fazendo com que cada instrução gaste de 1 a 4 bytes, e a sua execução dure 1 a 6 ciclos de relógio. A versão do microcontrolador que vou usar é a MSP430F449. Uso esta versão pois tem disponível 8 entradas analógicas (resolução de 12 bits), porta serie, e 60kbytes de memória flash interna. Este microcontrolador será responsável por controlar toda a operação das unidades móveis. A ele serão ligados todos os sensores dos sistemas e a unidade de rádio frequência. Como os sensores a utilizar já estavam definidos, fiz uma pesquisa no mercado para seleccionar os componentes que vou utilizar. Para a escolha tive em consideração os seguintes critérios: Consumo Energético; Preço; Sensibilidade a grandeza a medir; Facilidade de montagem. 2 P á g i n a

3 Deste modo, optei por escolher os seguintes sensores que melhor preenchiam os critérios acima referidos: Nome SHT71 TSL2561 MMA7261QT Temperatura/humidade Sensores luminosos Acelerómetro Descrição Saída digital Comunicação digital Possibilidade de Tempo de resposta 5s via protocolo I2C seleccionar Erro: 16 bit aceleração - sht11 humidade ±3%, Baixo consumo de (2.5g/3.3g/6.7g/10 temperatura ±0,4º potência (0,75mW) g) Alimentação 3V Baixo consume de Corrente consumida corrente: 0,5 ma 0,6mA Modo Sleep 3 ua Tempo de resposta: Baixa tensão de - Definição máxima operação 2.2 V (65535 niveis)>178ms 3.6 V -definição mínima (5047 niveis)=13,7ms Dimensão 7.42 x 4.88 x 2.5 mm 2.60 x 3.80 mm 6mm x 6mm x 1.45mm Tabela 1- Descrição dos sensores TLE4990 Sensor magnético Alimentação de 4,5 a 5,5 V Saída analógica Compensação de temperatura Medida entre - 200mT e 200mT ou entre 0 e 400mT Corrente de 3,5 a 5,5 ma 5,56x3,37 mm O emissor/receptor RF também foi seleccionado. Entre os vários integrados encontrados a escolha recaiu no ERx00TRS-02 pois apresenta as seguintes características: Alimentação 5V (min 2,5V) Corrente consumida - Transmissão: 25mA -recepção: 21 ma -sleep: 120 µa Input/output pins 0-3,3V Frequência de emissão: MHz( 9 canais disponíveis) - 869,85 MHz MHz Impedância da antena 50Ω Sensibilidade -102dBm Potência da onda emitida variável - de 0,0625mW a 3,1 mw Comunicação com microcontrolador via porta serie Montagem simples Antena, ANT 433MR Dimensão 38x14x4 mm 3 P á g i n a

4 Pretende-se que esta unidade móvel seja a mais autónoma possível, para que se possa libertá-la num local específico, não sendo necessário verificar o seu estado de funcionamento com grande frequência. Os principais factores limitantes do período total de funcionamento da unidade são o espaço disponível em memória e os recursos energéticos. Então, para aumentar a longevidade destas unidades, deve-se optimizar os factores que condicionam o seu funcionamento. Devido à importância que estes factores têm no desempenho final das unidades móveis, fiz um estudo que compara os consumos energéticos e os gastos de memória para cada opção encontrada no mercado. Na tabela 2, mostra-se os recursos de memória necessários para gravar os valores lidos pelos sensores para posterior determinação da memória total necessária. Número de Tipo sensor Espaço em Número amostras/dia memória dados leitura Humidade 200 Digital (12 bit) 16 bit 1 Temperatura 200 Digital (14 bit) 16 bit 1 Campo 200 Analógico (12 16 bit 1 magnético bit) Corrente 100 Analógico (12 16 bit 1 bit) Aceleração 400 Analógico (12 16 bit 3 bit) Luminosidade 200 Digital (16 bit) 16 bit 2 Tabela 2 - Memória necessário para cada sensor de por 4 P á g i n a

5 Por cada valor guardado é também necessário referir a indicação temporal da leitura. Esta indicação será feita por um byte, que guarda a diferença entre a hora da leitura anterior e a actual medida. Se a unidade móvel estiver a fazer medidas durante 7 dias ininterruptamente, com a frequência indicada anteriormente, a memória consumida por cada sensor é o mostrado no gráfico 1: Gasto de memória dos sensores Byte Gráfico 1 - Comparação da memória ocupada por cada sensor Como podemos observar no gráfico 1, o gasto total de memória é 47600bytes. Sabendo que a memória disponível para guardar estes dados é de 60kbytes, ainda ficamos com uma margem de segurança bastante grande. Diminuindo o número de amostras por dia de cada sensor pode-se ainda aumentar o tempo de funcionamento do sistema. 5 P á g i n a

6 Foi também efectuado um estudo ao consumo energético total do sistema. No Gráfico 2 está ilustrado o consumoo energético de cada sensor: Unidade Sensores Corrente ma Potência mw Gráfico 2 - Corrente e potência consumida por cada sensor Na tabela seguinte é apresentada o esquema de trabalho de uma unidade móvel, utilizado para determinar o seu consumo energético total. O tempo de funcionamento é de 200 horas. Tempo funcionamento em horas Emissor/receptor RF Emissão Recepção Inactivo Humidade/Temperatura Em medição Inactivo Luminosidade Activo 10 Inactivo 190 Campo magnético Activo 10 Acelerómetro Activo 80 Inactivo 120 Microcontrolador Activo Inactivo Tabela 3 - Tempo de funcionamento dos sensores 6 P á g i n a

7 No Gráfico 3 é apresentado os consumos do conjunto de sensores, da unidade de rádio frequência e do microcontrolador. Comparação de consumos Correntee ma Potência mw Sensores RF Microcontrolador Gráfico 3 - Comparação dos consumos dos vários sistemas O consumo total do sistema é 5,9mA/h, 28,64mW/h. É de notar que a unidade que consome mais energia é a unidade de rádio frequência, logo o funcionamento desta deve ser optimizado. Os valores determinados para o consumo total de energia são apenas indicativos, sendo sempre possível aumentar a longevidade de funcionamentoo das unidades, reduzindo a frequência de aquisição de dados por exemplo, como já referido anteriormente. 2. Arquitectura do microcontrolador O programa que vai ser instalado no microcontrolador de cada unidade móvel será constituído por vários controladores. Haverá um controlador por cada sensor instalado, responsável por efectuar a medida das grandezas pretendidas, e outro responsável pelo controlo das comunicações. Existe também o controlador da unidade móvel, responsável por iniciar as leituras que pode ser configurado pelo utilizador a partir da estação base (número de leituras, frequência de aquisição...). A vantagem desta arquitectura é que permite a futura expansão do sistema, a facilidade de troca do tipo de sensores utilizado e a possibilidade de uma fácil reprogramação da estação móvel. 7 P á g i n a

8 No seguinte esquema é ilustrado de uma maneira simplificada o modo como as estações móveis são configuradas. Ilustração 1 - Estrutura do software das estações móveis O controlador de cada sensor funcionará como um driver do sensor, e será responsável apenas por ler o valor na saída do sensor, e enviá-lo para o controlador da estação. Esta estação é responsável por determinar quando as medidas devem ser feitas. É apenas possível realizar uma medida de cada vez, pois esta não aceita medidas simultâneas de sensores. Existe depois uma unidade de comunicação que está sempre a escutar os dados que estão a ser transmitidos na rede e no caso de receber alguma mensagem que lhe é destinada, responde ao comando enviado. É possível realizar leituras de dois modos diferentes: 1- Ciclicamente é efectuada uma medida em que o intervalo de tempo é definido pelo utilizador; 2- Quando o valor de um sensor ultrapassa um determinado limite, configurado pelo utilizador, este passa a ser lido continuamente durante um curto período de tempo. 8 P á g i n a

9 O modo de utilização dos sensores é inteiramente controlado pelo utilizador. O microcontrolador usado tem a capacidade de se colocar num estado de baixo consumo que só volta a efectuar operações após ocorrer uma interrupção. Numa tentativa de minimizar o consumo do sistema, optei por todas as rotinas serem iniciadas por uma interrupção (usando o timer, Interrupção da porta serie ). A estação base será constituída por um computador e um receptor ERx00TRS-02. Será desenvolvido uma aplicação de software compatível com ambiente Windows e Linux, que é capaz de enviar os comandos de configuração, pedidos de leitura e analisar e organizar os dados enviados pelas estações base. É também capaz de efectuar um pequeno estudo estatístico dos dados recebidos. Ilustração 2 - Estrutura de software da estação base 2.1. Memória: Para guardar os dados em memória, antes de serem enviados para a estação base, encontrei dois tipos de estruturas que se poderiam aplicar nesta situação: o buffer circular e a memória dinâmica. Num buffer circular é criado um vector, com um tamanho definido e dois apontadores. Um apontador indica o último valor escrito enquanto que o outro, o último valor lido. Para ler a memória deve-se percorrer todas as posições entre o último valor lido e o último valor escrito. Quando um dos apontadores atinge o último valor do vector, este salta para o início do vector. Quando o apontador do último Ilustração 3 - Esquema de um buffer circular 9 P á g i n a

10 valor escrito atinge o apontador do último valor lido, significa que a memória atingiu o seu limite. Na memória dinâmica, o tamanho dos vectores não é definido. Cada vez que se pretende escrever algo, é necessário reservar um bloco de memória e só depois registar os dados. Estes poderão não estar organizados de forma sequencial, mas dispersos por toda a memória. Deste modo, o espaço ocupado pelos apontadores dos locais da memória não e desprezável e atrasa o acesso à memória Comunicações: A estação base é a responsável por gerir todas as comunicações. Quando pretende comunicar com uma estação móvel, ela envia o endereço desta na primeira trama. A esta mensagem, apenas a estacão com o endereço enviado responde, estando todas as outras à espera do final da comunicação. Só a partir deste momento é que as estações móveis podem voltar a comunicar. Em caso de emergência, uma unidade móvel pode enviar informações para a base, mas só no caso do meio estar disponível. Para cada trama enviada é feito um controlo da veracidade dos dados recebidos, de modo a evitar erros na comunicação. Este controlo é feito calculado um XOR (ou exclusivo) a todos os bytes enviados naquela trama. Símbolo Significado # Inicio comunicação/trama <Endereço> Numeração das bases(decimal) <Comando> R Reset C - Configurações E Pedido de leituras V Verificar estado de funcionamento <Dados> Aqui são colocados os dados que sejam necessários para a realização do comando CRC XOR de todos os bytes enviados até agora! Fim da trama % Fim da comunicação (apenas enviado pela base) Tabela 4 - Códigos usado nas comunicações Após a recepção de uma trama é verificada a veracidade da informação recebida através do CRC. A estação que enviou a trama é informada se esta foi bem ou mal recebida. Uma estação móvel só comunica com a base em caso de falha de energia. No caso de haver conflito no envio da ligação, a estação com mais baixo endereço é a que tem maior prioridade e inicia logo de seguida o reenvio da trama, enquanto as outras aguardam algum tempo, dependendo do número do endereço que possuem. 10 P á g i n a

11 3. Aplicação gráfica A aplicação gráfica, desenvolvida usando o programa de edição Lazarus e compatível com sistema operativo Windows ou Linux, foi desenvolvida para criar uma interacção fácil com os utilizadores do sistema. Esta aplicação ainda se encontra em desenvolvimento. A janela principal tem a forma da figura seguinte: Ilustração 4- Janela Principal do software da estação base Carregando nos botões com o nome dos sensores são dados todos os valores armazenados em memória na unidade móvel seleccionada. No botão enviar todos os dados são pedidos todos os dados guardados em memória. No botão Estado Unidade o microcontrolador envia a tensão de alimentação e a corrente, que está a ser alimentado nesse momento. No botão Reset reinicia a unidade móvel seleccionada. No menu superior, abre-se as janelas de configuração de todos os sensores, no menu Configurações, e uma janela onde serão apresentados os resultados no menu Gráficos. 11 P á g i n a

12 Janela de configuração dos sensores: Ilustração 5 - Janela de configurações do software da estação base Mais tarde esta aplicação permitirá apresentar um tratamento estatístico dos dados recebidos, e guardá-los em ficheiros que mais tarde podem ser abertos noutras aplicações com maior poder computacional. Assim, é possível fazer uma análise mais profunda. 4. Bbliografia 1- MMA7261QT, Ver 3, 09/2007 Freescale Semiconductor; 2- Hal 401 Linear Hall Effect Sensor IC, 07/2002, Micronas; 3- SHT1x/SHT7x Relative Humidity & Temperature Sensor System, 2007, Sensirion; 4- TSL2560, TSL2561 Light-to-digital Converter, 12/2005, TAOS; 5- ERx00-02 Series Data Sheet(Rev 2.4), 03/2006, LPRS; 6- SLAU056G,2007, Texas Instruments; 7- SLAS334F, 05/2007, Texas Instruments. 12 P á g i n a