Node autònom per la mesura de l'humitat i la temperatura del sòl

TREBALL DE FI DE CARRERA TÍTOL DEL TFC: Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl. TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica de Telecomunicació, especialitat Sistemes de Telecomunicació AUTOR: Joan Fité Sànchez DIRECTOR: Manel Gasulla Forner DATA: 13 de juliol de 2010 Títol: Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl. Autor: Joan Fité Sànchez Director: Manel Gasulla Forner Data: 13 de juliol de 2010 Resum El control del mediambient en entorns com el Campus del Baix Llobregat permeten fer l’ecosistema més sostenible. Amb aquesta línia de treball, en aquest projecte s’han implementat dos nodes autònoms per controlar l’humitat, la conductivitat elèctrica i la temperatura del sòl. El mínim consum i per tant el màxim temps de vida han sigut els punts claus i on hem dedicat més esforços en el treball. Aquest mínim consum no s’obté només amb la part de hardware referent als sensors, microcontrolador i el transceptor, sinó que també per l’eficiència en la programació. El treball l’hem estructurat en els blocs que formen un node autònom: el sensor, el microcontrolador, el transceptor i la font d’alimentació. Hem analitzat cada bloc des de la perspectiva de cada sensor. Un cop caracteritzats tots els blocs, els hem unit implementant cadascun dels nodes. La comunicació s’ha dut a terme a través de l’especificació Zigbee que garanteix un consum reduït i una fàcil implementació. Els nodes autònoms han sigut validats en una xarxa formada per ambdós nodes i el node central. En un futur seran implementats en la xarxa de sensors sense fils REALnet del Campus del Baix Llobregat. Title: Autonomus node for measuring soil moisture and temperature Author: Joan Fité Sànchez Director: Manel Gasulla Forner Date: July, 13th 2010 Overview The control of the environment in places such as the Campus of Baix Llobregat converts the ecosystem more sustainable. With this line of work, in this project two autonomous nodes has been implemented controlling the humidity, temperature and electrical conductivity of the soil. The minimum consumption and therefore the maximum life time have been the key points and where we have devoted more effort. The minimum consumption is obtained not only with the hardware part such as the sensor, the microcontroller and the transceiver, but also thanks to the programming efficiency. The work has been divided into the blocks that form an autonomous node: the sensor, the microcontroller, the transceiver and the power suply. We analyze each block from the perspective of each sensor. Once we have characterized all the blocks, we join all of them implementing each node. The communication is carried out through the Zigbee specification that ensures low consumption and easy implementation. The autonomous nodes have been validated in a network composed by both nodes and the central node. In the future they will be implemented in the wireless sensor network REALnet. DEDICATÒRIA Per aquelles persones que durant anys m’han ajudat a tirar endavant compartint hores i hores de treballs en grup i d’estudi, però sobretot a tu, Marina. ÍNDEX INTRODUCCIÓ .................................................................................................. 2 CAPÍTOL 1. SENSORS ..................................................................................... 3 1.1. Sensor EC-5 ................................................................................................................... 3 1.1.1. Especificacions ................................................................................................... 3 1.1.2. Caracterització del sensor ................................................................................... 4 1.1.3. Equacions de calibratge ...................................................................................... 4 1.1.4. Condicions d’ús ................................................................................................... 5 1.2. Sensor 5TE..................................................................................................................... 6 1.2.1. Especificacions ................................................................................................... 6 1.2.2. Comunicació ....................................................................................................... 8 1.2.3. Equacions de calibratge ...................................................................................... 9 1.2.3.1.Constant dielèctrica ............................................................................... 10 1.2.3.2.Conductivitat elèctrica............................................................................ 11 1.2.3.3.Temperatura .......................................................................................... 11 1.2.4. Condicions d’ús ................................................................................................. 12 CAPÍTOL 2. MICROCONTROLADOR............................................................. 13 2.1. Requisits ...................................................................................................................... 13 2.2. Elecció del microcontrolador ...................................................................................... 13 2.3. Programació ................................................................................................................ 14 2.3.1. Codi base ......................................................................................................... 14 2.3.2. Node autònom amb el sensor EC-5 ................................................................... 16 2.3.3. Node autònom amb el sensor 5TE .................................................................... 18 CAPÍTOL 3. TRANSCEPTOR ETRX2 ............................................................. 23 3.1. Protocol Zigbee i IEEE 802.15.4 .................................................................................. 23 3.2. Especificacions del transceptor ETRX2 ..................................................................... 24 3.3. Tipus de dispositius .................................................................................................... 25 3.4. Comandes AT .............................................................................................................. 25 3.5. Configuració ................................................................................................................ 26 CAPÍTOL 4. ALIMENTACIÓ DELS NODES .................................................... 31 4.1. Node amb el sensor EC-5 ............................................................................................ 31 4.1.1. Interruptor lògic ................................................................................................. 31 4.1.2. Estimació del consum de corrent promig ........................................................... 32 4.2. Node amb el sensor 5TE ............................................................................................. 33 4.2.1. Regulador DC-DC ............................................................................................. 34 4.2.2. Estimació del consum de corrent promig ........................................................... 35 4.3. Sistema d’alimentació ................................................................................................. 36 4.4. Temps de vida.............................................................................................................. 37 CAPÍTOL 5. IMPLEMENTACIÓ DELS NODES .............................................. 39 5.1. Esquemàtic del node amb el sensor EC-5 .................................................................. 39 5.2. Esquemàtic del node sensor 5TE ............................................................................... 40 5.3. Encapsulat dels nodes ................................................................................................ 42 5.4. Preu dels nodes ........................................................................................................... 42 5.5. Validació del sistema................................................................................................... 43 5.6. Interfície amb el usuari final ........................................................................................ 44 CAPÍTOL 6. CONCLUSIONS .......................................................................... 45 6.1. Objectius assolits ........................................................................................................ 45 6.2. Treball futur ................................................................................................................. 45 6.3. Impacte mediambiental ............................................................................................... 46 REFERÈNCIES ................................................................................................ 47 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 48 ANNEX A. SENSORS CAPACITIUS ............................................................... 49 ANNEX B. FULL D’ESPECIFICACIONS PRINCIPALS DEL PIC16F690 ...... 50 ANNEX C. PILA ZIGBEE I IEEE 802.15.4 ...................................................... 51 ANNEX D. FULL D’ESPECIFICACIONS PRINCIPALS DEL ETRX2............. 53 ANNEX E. COMANDES AT DEL ETRX2 ....................................................... 54 ANNEX F. CONFIGURACIONS DELS REGISTRES DEL ETRX2 ................ 56 ANNEX G. FULL D’ESPECIFICACIONS PRINCIPALS DE LES PILES ENERGIZER L91 ............................................................................................. 59 ANNEX H. CIRCUITS IMPRÈS DELS NODES .............................................. 60 ANNEX I. CLASSIFICACIÓ D’ENCAPSULATS SEGONS LA NORMATIVA IP ......................................................................................................................... 61 ANNEX J. PREU DETALLAT DELS NODES ................................................. 62 ÍNDEX DE FIGURES Fig. 1. 1 Connector jack estèreo de 3.5mm ....................................................... 4 Fig. 1. 2 Gràfica de l’ humitat segons el voltatge de sortida del sensor per diferents tipus de sòls. ................................................................................. 5 Fig. 1. 3 Volum mínim de substrat exigible per una correcta mesura................. 6 Fig. 1. 4 Components del sensor 5TE ................................................................ 7 Fig. 1. 5 Trama que envia el sensor 5TE ........................................................... 8 Fig. 1. 6 Exemple de transmissió en una mesura. ............................................. 9 Fig. 1. 7 Transmissió de dades del sensor 5TE en el laboratori. ....................... 9 Fig. 1. 8 Gràfica de l’humitat segons el valor rebut del sensor per diferents tipus de sòls. ...................................................................................................... 11 Fig. 2. 1 Diagrama de flux del codi base .......................................................... 15 Fig. 2. 2 Temps d’estabilitació de la sortida del sensor al ser alimentat. ......... 17 Fig. 2. 3 Trama d’informació enviada al mòdul ETRX2 .................................... 17 Fig. 2. 4 Diagrama de flux del node amb el sensor EC-5 ................................. 18 Fig. 2. 5 Trames d’informació enviades al mòdul ETRX2. ............................... 20 Fig. 2. 6 Diagrama de flux del node amb el sensor 5TE. ................................. 20 Fig. 2. 7 Diagrama de flux de l’ interrupció del port UART del node amb el sensor 5TE. ............................................................................................... 21 Fig. 3. 1 Format de comanda AT ..................................................................... 25 Fig. 3. 2 Comanda AT per transmetre en mode broadcast. ............................. 25 Fig. 3. 3 Comanda AT per enviar dades al dispositiu sink ............................... 26 Fig. 4. 1 Diagrama de blocs del node amb el sensor EC-5. ............................. 31 Fig. 4. 2 Diagrama de blocs del node amb el sensor 5TE................................ 33 Fig. 4. 3 Esquemàtic MAX1795 per obtenir una tensió ajustable ..................... 34 Fig. 4. 4 Comparativa del temps de vida entre una pila de liti i una alcalina. ... 36 Fig. 5. 1 Diagrama de blocs d’un node sensor. ................................................ 39 Fig. 5. 2 Circuit del node amb el sensor EC-5 .................................................. 40 Fig. 5. 3 Esquemàtic del node amb el sensor 5TE ........................................... 41 Fig. 5. 4 Protecció interna del pin RB5 del PIC16F690 .................................... 41 Fig. 5. 5 Encapsulat i nodes integrats a dins el encapsulat. ............................ 42 Fig. 5. 6 ETRX2 USB stick ............................................................................... 43 Fig. 5. 7 Diagrama de la xarxa de validació del sistema .................................. 43 Fig. 5. 8 Interfície amb l’usuari final feta en LabView ....................................... 44 Fig. C. 1 Pila de protocol de l’estàndard IEEE 802.15.4 i de l’especificació Zigbee. ...................................................................................................... 51 Fig. H. 1 Circuit imprès del node amb el sensor EC-5 ..................................... 60 Fig. H. 2 Circuit imprès del node amb el sensor 5TE ....................................... 60 Fig. J. 1 Preu detallat del node amb el sensor EC-5 ........................................ 62 Fig. J. 2 Preu detallat del node amb el sensor 5TE ......................................... 63 ÍNDEX DE TAULES Taula 1. 1 Principals especificacions del sensor EC-5. ...................................... 3 Taula 1. 2 Principals especificacions del sensor 5TE. ....................................... 7 Taula 2. 1 Comparativa de models dels microcontroladors de Microchip. ....... 14 Taula 3. 1 Principals especificacions del mòdul Zigbee ETRX2 ...................... 24 Taula 3. 2 Consum del mòdul ETRX2 en cada estat. ...................................... 29 Taula 4. 1 Funcionament d’un transistor MOSFET P ....................................... 32 Taula 4. 2 Característiques elèctriques del conjunt EC-5, PIC16F690, ETRX2 i MOSFET FDN304P................................................................................... 32 Taula 4. 3 Consum de corrent del node amb el sensor EC-5 en funció del temps entre mesures. ................................................................................ 33 Taula 4. 4 Característiques elèctriques del conjunt 5TE, PIC16F690, ETRX2 i MAX1795. ................................................................................................. 35 Taula 4. 5 Consum de corrent promig del node amb el sensor 5TE en funció del temps entre mesures. ................................................................................ 36 Taula 4. 6 Corrent promig i temps de vida del node amb el sensor EC-5, segons el període de lectures. .................................................................. 37 Taula 4. 7 Corrent promig i temps de vida del node amb el sensor 5TE, segons el període de lectures. ............................................................................... 37 Taula 5. 1 Preu final dels nodes ....................................................................... 43 8 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 1.2.2. Comunicació Quan s’hi aplica una tensió adient al terminal d’alimentació, el sensor comença a realitzar les mesures. Aquestes són transmeses de forma asíncrona com un string de caràcters ASCII a 1200 baud amb 8 bits de dades, sense paritat i un bit de parada. Els nivells de tensió són TTL de 0 a 3.6 V.Per tornar a realitzar una mesura s’ha de deixar d’alimentar el sensor i tornar-l’hi a aplicar de nou la tensió d’alimentació. El sensor té l’opció d’utilitzar el protocol de comunicació SDI-12, el qual s’ha descartat ja que el sensor ha d’estar contínuament alimentat, cosa que provocaria un alt consum. La cadena de caràcters que el sensor envia està formada per les tres mesures separades per espais, l’ informació dels sensor i la validació de la lectura, tal i com es pot apreciar en la Fig. 1. 5. D4 D3 D2 D1 <20> E4 E3 E2 E1 <20> T4 T3 T2 T1 <0D> z Checksum <0D> <0A> Fig. 1. 5 Trama que envia el sensor 5TE On - D4 a D1 són els 4 bytes per transmetre el valor de la constant dielèctrica, sent D4 el més significatiu. - <20> representa l’espai. - E4 a E1 són els 4 bytes per transmetre la conductivitat elèctrica, sent E4 el més significatiu. - T4 a T1 són els 4 bytes per transmetre la temperatura, sent T4 el més significatiu - <0D> és el retorn de línia ocupant un byte. - z indica el tipus de sensor, ocupant un byte: z pel model 5TE i x pel 5TM. - Checksum és la comprovació de si la mesura és vàlida i s’envia com un caràcter ocupant un byte. - <0A> indica el final de línia ocupant un byte. Sensors 9 En la Fig. 1. 6 podem veure un exemple dels caràcters que s’envien al realitzar una mesura. En l’exemple, G és el caràcter del checksum en que aplicant un algoritme amb les mesures del sensor es pot saber si la mesura és vàlida. L’algoritme de comprovació no l’hem implementat en el microcontrolador per les limitacions de recursos del microcontrolador escollit (capítol 2). Fig. 1. 6 Exemple de transmissió en una mesura. La figura Fig. 1. 7 mostra una captura d’oscil·loscopi realitzada en el laboratori on es pot apreciar la senyal del sensor i la senyal d’alimentació que es desactiva un cop completada la transmissió. Veiem que hi ha un retard d’uns 15 ms entre que s’alimenta el sensor i aquest comença a enviar les dades, quan en realitat el fabricant indica que hi ha un retard típic de 40 ms. Comprovem que el temps de mesura que especifica el fabricant de 150 ms concorda aproximadament amb els resultats pràctics (148 ms). Fig. 1. 7 Transmissió de dades del sensor 5TE en el laboratori. 1.2.3. Equacions de calibratge El sensor 5TE, tal com succeeix amb l’EC-5, té varies equacions de calibració per l’obtenció de l’humitat segons el tipus de sòl on està situat. També s’ha d’aplicar conversions en la conductivitat elèctrica i la temperatura, malgrat que són independents del tipus de sòl. Alimentació Transmissió de caràcters 10 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 1.2.3.1. Constant dielèctrica La constant dielèctrica K del sòl ve donada per: (1. 4) On xa és el valor númeric que rebem del sensor referent a la constant dielèctrica. El rang és de 1,12 (56/12) que correspon a l’aire fins a 81,88 (4094/50) que correspon a l’aigua. A través de les següents equacions podem convertir la constant dielèctrica en humitat.  Substrat mineral: (1. 5)  Substrat per testos: (1. 6)  Substrat rocós: (1. 7) La Fig. 1. 8 mostra la gràfica de l’humitat segons el tipus de substrat utilitzant les equacions anteriors, especificades pel fabricant. Sensors 11 Fig. 1. 8 Gràfica de l’humitat segons el valor rebut del sensor per diferents tipus de sòls. 1.2.3.2. Conductivitat elèctrica La conductivitat elèctrica σ (mS/cm) ve donada per: (1. 8) . On ec és el valor númeric que rebem del sensor referent a la conductivitat elèctrica. El marge de sortida de σ és de 0 a 102,2. 1.2.3.3. Temperatura La temperatura T (ºC) ve donada per: (1. 9) On t és el valor númeric referent a la temperatura que s’obté del sensor. El marge de T és de -40 ºC a 62,2 ºC. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 50 250 450 650 850 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 2650 2850 3050 3250 3450 3650 3850 4050 Humtitat(%) Lectura del sensor Humitat segons el tipus de substrat. Substrat mineral Substrat per testos Substat rocós 12 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 1.2.4. Condicions d’ús Abans d’instal·lar el sensor és important evitar les següents situacions:  El sensor no pot estar a prop d’ objectes metàl·lics ja que aquests poden influir al seu camp electromagnètic.  Un subsòl mal compactat amb moltes bosses d’aire o per contra excessivament compactat provocarà canvis en les lectures.  No s’ha de forçar el sensor en substrats densos ja que les puntes es podrien trencar.  El sensor pot estar posicionat tant verticalment com horitzontalment. Microcontrolador 13 CAPÍTOL 2. MICROCONTROLADOR El node autònom que dissenyem ha d’estar controlat tot el temps per un dispositiu que executi les ordres corresponents en cada moment i es aquí on entra en joc el microcontrolador. Explicarem els requisits que ha de complir el microcontrolador que desprès triarem. Primer de tot, comentarem el diagrama de flux comú dels dos nodes, on seguidament descriurem l’específic de cada node. 2.1. Requisits Per garantir el funcionament òptim del node, el microcontrolador ha de complir amb els criteris de:  Baix consum: Es vol reduir al màxim el consum en el node per tal que tingui un llarg temps de vida alimentat a piles.  Estat mode sleep: Necessitem que executi mesures cada cert instant de temps, però no de forma contínua. La resta de temps ha d’estar en mode sleep per estalviar consum.  Timer / Watchdog: Aquest bloc permetrà despertar el microcontrolador de l’estat sleep executant una interrupció de forma periòdica.  Port UART: El microcontrolador ha de controlar el transceptor i llegir les dades del sensor 5TE que utilitza una comunicació sèrie.  Conversor A/D1: El sensor EC-5 té com a sortida una tensió analògica que l’haurem de digitalitzar.  Baix preu. 2.2. Elecció del microcontrolador Per l’elecció d’un microcontrolador es va decidir utilitzar un del fabricant Microchip ja que són dispositius barats, hi ha molts exemples de programes disponibles i ja l’havíem treballat durant els estudis a l’EPSC. En la Taula 2. 1. mostrem una llista de dispositius que compleixen els criteris esmentats anteriorment. 1 Un conversor analògic-digital converteix una tensió analògica en un valor digital. 14 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl Model Rang de Tensió (V) Nº pins Bits AD Sleep Mode WDT Timer1 Osc Tipus comunicació I/O PIC16LF722/723/726 [1.8,3.6] 28 8 20nA 500nA 600nA a 31KHz AUSART 25 PIC16LF1933/36/38 [1.8,3.6] 28 10 60nA 500nA 600nA a 31KHz USART 25 PIC18LF13K22/14K22 [1.8,3.6] 20 10 34nA 460 nA 650nA a 31KHz EUSART 18 PIC18F23/24/25/26K20 [1.8,3.6] 28 10 100nA 800nA 800nA a 31KHz EUSART 25 PIC16F631/77/85/87/89/90 [2,5.5] 20 10 50nA 1uA 11uA a 31 KHz EUSART 18 Taula 2. 1 Comparativa de models dels microcontroladors de Microchip. Vam decidir finalment que el model ideal seria el PIC16F690 ja que complia les especificacions necessàries exposades i era el més barat i fàcil d’obtenir. Per veure informació més detallada consultar l’ annex B i la del fabricant [1]. 2.3. Programació El dispositiu de gamma mitja té només un conjunt de 35 instruccions de programació en ensamblador, cosa que el converteix en un microcontrolador fàcil i ràpid de programar. Tot i així, en el nostre cas hem triat l’opció de programar-lo en C ja que disposem de múltiples llibreries que ens facilitaran la feina de programació. 2.3.1. Codi base Encara que implementarem dos nodes autònoms cadascun amb un sensor amb característiques diferents a l’altre, el codi base serà el mateix, l’únic que variarà serà el mètode d’adquisició de les dades. La Fig. 2. 1 mostra el diagrama de flux d’aquest codi base en que hi ha la configuració inicial on s’inicialitzen tots els ports i blocs a utilitzar per desprès entrar en un bucle. En ell efectuem l’ adquisició de dades, ja sigui amb el conversor A/D pel sensor EC-5 o el port UART pel sensor 5TE. Un cop adquirides les dades, les comunicarem al transceptor qui les enviarà al node Microcontrolador 15 central de la xarxa. Finalment, adormirem el microcontrolador i el transceptor durant un temps preestablert minimitzant el consum. Explicarem els blocs CONFIGURACIÓ INICIAL i SLEEP, que són comuns pels dos nodes sensors. El bloc ADQUISICIÓ DE DADES (emmarcat en línia discontinua) i el bloc TRANSMISSIÓ DADES MÒDUL ETRX2, diferents per cada node, seran comentats en els apartats 2.3.2 i 2.3.3. CONFIGURACIÓ INICIAL SLEEP TRANSMISSIÓ DADES MÒDUL ETRX2 ADQUISICIÓ DE DADES ADQUISICIÓ DE DADES Fig. 2. 1 Diagrama de flux del codi base CONFIGURACIÓ INICIAL: En aquest bloc es realitzen totes les configuracions del microcontrolador:  Oscil·lador: Configurat a 125KHz utilitzant l’oscil·lador intern. Aquesta freqüència és la mínima que garanteix la recepció, a través del port UART, de la senyal digital del sensor 5TE. També és la mínima en que treballa el transceptor que utilitzem, tal i com es veurà en el capítol 3. 16 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl  Watchdog: Habilitat i configurat perquè executi una interrupció segons el temps preestablert, en el nostre cas de 10 min 40 segons, el màxim que permet el microcontrolador  Interrupció Timer0: Habilitem l’ interrupció del Timer0 que és el registre on es troba el Watchdog.  PORT UART2: La transmissió de dades cap al transceptor es fa a través del pin RB7, configurat com el pin de transmissió del port UART. Aquest està configurat a una velocitat de 1200 baud, 8 bits, sense paritat i amb 1 bit de parada.  Registre AD (només EC-5): Utilitzem com a tensió de referència del conversor A/D la pròpia tensió d’alimentació del microcontrolador. Com que la sortida del sensor està en relació a la tensió d’alimentació, que és la mateixa que la del microcontrolador, el codi digital resultant no variarà amb la tensió de la bateria.  Interrupció UART (només 5TE): Habilitem l’interrupció UART per detectar quan es reben dades. SLEEP: Canviarem l’estat del transceptor, reduint el consum, a través de les interrupcions IRQ0 i IRQ1 del transceptor. Aquestes interrupcions (capítol 3) són activades a nivell alt (1 lògic) per 2 pins digitals I/O del microcontrolador. Reduit el consum del transceptor, executarem la funció sleep, que canviarà també l’estat del microcontrolador al mode de mínim consum. 2.3.2. Node autònom amb el sensor EC-5 El diagrama de flux del node autònom amb el sensor EC-5, veure Fig. 2. 4, segueix l’estructura del codi base on els passos emmarcats en línia discontinua indiquen el bloc d’adquisició de dades. Explicarem el bloc ADQUISICIÓ DE DADES i TRANSMISSIÓ DADES AL MÒDUL ETRX2. ADQUISICIÓ DE DADES:  SENSOR ON: Alimentem el sensor, que amb la configuració del hardware que tenim, veure capítol 4, s’activa a nivell baix a través de la sortida digital RC7 del microcontrolador. 2 UART és l’acrònim de Universal Asynchronous Receiver Transmitter, que és un protocol de transmissió de dades digitals amb nivells TTL. Microcontrolador 17  DELAY TEMPS_ESPERA: Efectuem un retard de TEMPS_ESPERA (en milisegons), que és el temps que tarda entre que s’alimenta el sensor i s’estabilitza la tensió de sortida. Aquest temps mesurat en el laboratori (Fig. 2. 2) era de 930 µs, però vam decidir deixar una marge de seguretat fins a 2ms. Fig. 2. 2 Temps d’estabilitació de la sortida del sensor al ser alimentat.  LECTURA AD, SENSOR OFF i PROMIG MOSTRES: Un cop s’ha produït el retard, efectuem MOSTRES lectures de la tensió de sortida del sensor, a través del conversor AD. MOSTRES és una constant de valor 10, que indica el número de mostres que prenem per desprès fer un promig d’elles. El motiu d’aquest promig és la variabilitat del senyal. Abans de realitzar el promig deixem d’alimentar el sensor per minimitzar el temps actiu. TRANSMISSIÓ DE DADES MÒDUL ETRX2: En aquest bloc és on enviem pel port UART les dades al mòdul transceptor. L’informació és enviada mitjançant comandes AT al node de la forma especificada en la figura Fig. 2. 3. Fig. 2. 3 Trama d’informació enviada al mòdul ETRX2 On XXXX és el promig de les lectures del conversor A/D. D’aquesta manera la trama queda composta per la comanda AT en el primer camp, el nom del sensor en el segon i en el tercer el promig. at + scast: EC5: XXXX 24 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl  Metodes d’acces al canal: CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance)3.  Baix consum energetic.  Gran densitat de nodes per xarxa.  Radi d’abast: des d’1 metre fins a 500 metres segons l’entorn. 3.2. Especificacions del transceptor ETRX2 El mòdul ETRX2 de Telegesis esta basat en el xip EM250 [4], fabricat per Ember, que integra un microcontrolador i un transceptor. L’EM250 compleix amb les característiques que volem que tingui la nostra xarxa: econòmica, ampliable i robusta. Els mòduls de Telegesis permeten ser programats de forma senzilla a través de comandes AT; com a contrapartida tenim un control limitat sobre les funcionalitat internes del dispositiu tot i que suficients per la tasca a complir. El firmware R212 esta basat en la pila EmberZNet2. En la Taula 3. 1 es poden apreciar les principals especificacions del mòdul especificades pel fabricant, per informació més detallada veure l’annex D i [5]. Taula 3. 1 Principals especificacions del mòdul Zigbee ETRX2 Alimentació 2.1-3.6 V Temperatura -40ºC a +85ºC Mides 37,5 x 20,5 x 3,2 mm Antena RF 3 models disponibles:  Antena ceràmica integrada  Connector coaxial Hirose UFL  Port pad 50Ω Interfície comunicació  UART amb accés directe a la memòria (DMA).  Opcionalment I2C i SPI Actualització de firmware Via RS232 o per aire (protegit per contrasenya). Modes de funcionament SED (Sleep end device) MED (Moving end device) SINK (Coordinador xarxa) Consum Diferents modes de consum des de 0,7µA a 9mA sense transmetre dades. En la transmissió i recepció de dades el consum és de 36 mA. 3 Analitza el medi per saber si existeix presència de portadora en els moments que s’ocupa el canal. D’aquesta manera s’eviten colisions. Transceptor ETRX2 25 3.3. Tipus de dispositius La pila EmberZnet en la que treballa el transceptor ETRX2 defineix tres nous objectes no definits en l’especificació Zigbee:  MED (Moving End Device): És un dispositiu final (RFD) mòbil que es desunirà de la xarxa quan perdi connexió amb els nodes i s’unirà a qualsevol altre xarxa permesa.  SED (Sleepy End Device): És un dispositiu final (RFD) que no es desunirà de la xarxa quan perdi connexió amb els nodes. Aquest dispositiu desactiva certs mòduls de la seva arquitectura per tal de rebaixar el seu consum. Aquest és el tipus de dispositiu que implementarem en el nostre node ja que estarà connectat permanement a una xarxa determinada i no anirà connectant-se a altres xarxes zigbee.  SINK: És el dispositiu que realitza les funcions de magatzem de dades. Aquesta funció només la pot exercir un dispositiu FFD. 3.4. Comandes AT El transceptor és controlat per un microcontrolador amb una sèrie d’instruccions AT [6] que fan que gent no experta en comunicacions sense fils pugui implementar un sistema de forma ràpida. En la figura Fig. 3. 1 podem veure el format de comanda AT, on FUNCIÓ és una de les funcions predefinides en el microcontrolador del transceptor. AT + FUNCIÓ Fig. 3. 1 Format de comanda AT Així per exemple si volem transmetre un missatge en broadcast (comunicació a tots els nodes de la xarxa), utilitzarem la comanda de la figura Fig. 3. 2, on si nn és 1 transmet la informació <data> als veïns directes i si es 0 a tota la xarxa. A l’annex E es pot veure el llistat de comandes AT. AT + BCAST:nn,<data> Fig. 3. 2 Comanda AT per transmetre en mode broadcast. En el nostre cas volem transmetre la informació des del node fins al coordinador o central també anomenat sink i no a tota la xarxa. Llavors, utilitzarem la funció SCATST de la figura Fig. 3. 3 on <data>, amb format de caràcters, conté les mesures dels sensors processades pel microcontrolador. 26 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl AT + SCAST:<data> Fig. 3. 3 Comanda AT per enviar dades al dispositiu sink 3.5. Configuració El dispositiu es configura a través de diversos registres. A continuació descriurem els més importants, deixant la descripció completa i la seva configuració per l’annex F. S00 Channel Mask Configura la mascara de canal representada en 16 bits als canals disponibles en Zigbee que van del 11 al 26. En el nostre cas l’hem configurat amb el valor 18 (12 en hexadecimal). S00=0012 (node sensor) S00=0012 (node coordinador) S01 Preferred Pan ID Permet preestablir la identitat de la xarxa PAN a que es connectarà per defecte. La nostra xarxa ha estat configurada des del coordinador amb el número 18 com a identitat (12 en hexadecimal). Per defecte aquest registre està configurat com a FFFF que significa que no té cap xarxa preferida. S00=0012 (node sensor) S00=0012 (node coordinador) S06 Main Function Defineix el comportament del dispositiu dins la PAN i la forma d’unir-se aquesta. Aquest és un registre de 16 bits amb les següents característiques:  Bit F: Bit reservat.  Bit E: Si val 1 el registre de lectura remot no espera ACK4.  Bit D: Si val 1 les comandes UCAST i SCAST esperen ACK.  Bit C: Si val 0 (configuració de fàbrica) accepta automàticament un canal.  Bit B: Quan és 1 no permet que s’uneixi a la xarxa.  Bit A: En 1 el dispositiu queda configurat com a Moving End Device (MED) i en 0 (configuració de fàbrica) com a Sleep End Device (SED).  Bit 9: Si és 1 el dispositiu queda configurat com un End Device.  Bit 8: El dispositiu és un SINK en el cas que valgui 1. 4 Missatge que confirma que la transmissió de dades s’ha produït correctament. Transceptor ETRX2 27  Bit 7: Si val 1 al escriure al registre S03 tindrà efecte immediat.  Bit 6: Si val 1 mostra un RSSI5 quan s’executen les funcions AT+SN, AT+REMSN i AT+PING.  Bit 5: Al valer 1 s’inclou el valor de tensió Vcc en les transmissions de dades.  Bit 4: Si és 1 quan el dispositiu s’intenta connectar a la xarxa utilitza la clau del registre S03.  Bit 3: Si val 1 (configuració de fàbrica) permet la connexió de forma insegura mitjançant un node local.  Bit 2: En 1 permet la connexió de forma segura mitjançant un node local.  Bit 1: Al prendre el valor 1 (configuració de fàbrica) permet la connexió insegura a través d’un Trust Centre.  Bit 0: Si val 1 permet la connexió segura a través d’un Trust Centre. El node sensor queda configurat com a End Device del tipus SED i permet la connexió insegura a través d’un Trust Centre. S06=0202 (0000 0010 0000 0010) (node sensor) Per altre banda, el node coordinador queda configurat com a Sink i també permet la connexió insegura a través d’un Trust Centre. S06=0102 (0000 0001 0000 0010) (node coordinador) S0B Uart Setup Defineix la velocitat del port UART del dispositiu ETRX2. Aquest disposa d’un ampli ventall de velocitats des de 1200 baud fins a 115200. Per tal de disminuir el consum i per coherència amb la velocitat que utilitza el sensor 5TE triem la velocitat de 1200 baud i 8 bits d’informació,sense paritat i un bit de parada que és la configuració per defecte. En el cas del node coordinador prenem el valor de 9600 ja que aquest va connectat a l’ordinador. Els valors que pot prendre són:  00: 1200 baud  01: 2400 baud  02: 4800 baud  03: 9600 baud  04: 14400 baud  05: 19200 baud (configuració de fàbrica)  06: 28800 baud  07: 38400 baud  08: 50000 baud  09: 57600 baud  0A: 76800 baud  0B: 100000 baud  0C: 115200 baud 5 Receive Signal Strength Indication: Utilitzat per indicar la força del senyal rebut normalment en xarxes WIFI. Quan més alt és el valor amb més força arriba la senyal. 28 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl S0B=00 (node sensor) S0B=03 (node coordinador) S15 Inmediate functionality at IRQ0 Descriu l’acció immediata a l’interrupció de IRQ0 (Pin 15 del ETRX2). Aquesta s’activarà a través d’una sortida digital del microcontrolador (capítol 2).Si està configurat com a 0 l’interrupció està desactivada. En cas contrari el valor del registre fa executar la funció preestablerta corresponent de les 58 possibles en la pila EmberZnet. El node sensor efectuarà la funció 0004, al produir-se l’interrupció, que canviarà al mode de consum més baix (estat 3 de la Taula 3. 2). S15=0004 (node sensor) En el node coordinador desactivem l’interrupció. S15=0000 (node coordinador) L’interrupció s’activa per flanc de pujada, com l’hem configurat més endavant en el registre S2E. S16 Inmediate functionality at IRQ1 Com succeix en el registre S15, descriu l’acció immediata a l’interrupció de IRQ1 (Pin 16 del ETRX2). Si està configurat com a 0 l’interrupció està desactivada. En cas contrari el valor del registre fa executar la funció preestablerta corresponent de les 58 possibles en la pila EmberZnet. Triem la funció 0001 per al node sensor, que canviarà al mode en plenes funcionalitats amb consum major (estat 0 de la Taula 3. 2).. S16=0001 (node sensor) En el node coordinador desactivem l’interrupció. S16=0000 (node coordinador) L’interrupció s’activa també per flanc de pujada, com l’hem configurat més endavant en el registre S2E. S29 Power Mode Defineix l’estat de consum en que es troba el transceptor en el moment actual. En la Taula 3. 2 podem veure el consum en cada estat, així com també el mode de funcionament de cada part del transceptor (MCU, Radio i Timers). Transceptor ETRX2 29 Taula 3. 2 Consum del mòdul ETRX2 en cada estat. Mode MED, SED MCU Radio Timers I 0 Despert Dormit Definit per l’usuari 9 mA 1 En espera Dormit Definit per l’usuari 4,5 mA 2 Dormit Dormit Definit per l’usuari 0,7 mA 3 Dormit Dormit Definit per l’usuari 0,7 uA Aquest registre és volàtil, és a dir, al retirar l’alimentació es borra el contingut. El registre s’inicialitza amb el registre S2A. En el nostre cas triem el mode 0, tot i que aquesta configuració anirà variant amb les interrupcions IRQ0 i IRQ1. S29=00 (node sensor) S29=00 (node coordinador) S2A Initial Power Mode Com en el registre S29,aquest registre també fa referència a l’estat de consum del mòdul. En aquest cas és un registre no volàtil que inicialitza el registre S29. Aquest registre no es modificarà davant les interrupcions IRQ0 i IRQ1, que només modifiquen el registre S29. Seguint la Taula 3. 2 prenem com a estat inicial el 0. S2A=00 (node sensor) S2A=00 (node coordinador) S2E Device Specific Defineix el comportament específic del dispositiu davant certs events com per exemple interrupcions externes. El valor del registre es representa amb 16 bits com a hexadecimal.  Bit F: Si val 1 el pin I/O3 queda definit com a PWM (pulse width modulation). En contra si val 0 (configuració de fàbrica) queda definit com un pin normal.  Bit E-D: Reservats.  Bit C: Al valer 1 el transmissor afegeix l’identitat de la PAN amb la funció AT+RDATAB. Configurat en fàbrica com a 0.  Bit B-9: Reservats.  Bit 7: Si està configurat com a 1 el pin I/O8 esdevé en el A/D36 del mòdul ETRX.  Bit 6: Si val 1 el pin I/O0 es pren com a referència del A/D. 6 A/D són les sigles que s’utilitzen per anomenar els conversors analògics digital. 30 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl  Bit 5: En 1 desperta el transceptor al rebre dades pel port UART.  Bit 4: Si és 1 activa el filtratge de possibles variacions en els pins IRQ degut a soroll o altres causes no desitjades. En anglès aquesta acció s’anomena debouncing.  Bit 3: Si val 1 l’interrupció IRQ1 es produeix en flanc de pujada.  Bit 2: Si val 1 (configuració de fàbrica) l’interrupció IRQ1 es produeix en flanc de baixada.  Bit 1: Si val 1 l’interrupció IRQ0 es produeix en flanc de pujada.  Bit 0: Si val 1 (configuració de fàbrica) l’interrupció IRQ0 es produeix en flanc de baixada. Configurem el node sensor amb les interrupcions IRQ1 i IRQ0 en flanc de pujada. S2E=000A (0000 0000 0000 1010) (node sensor) Deixem el node coordinador amb la configuració de fàbrica al no utilitzar les interrupcions. S2E=0005 (0000 0000 0000 0101) (node coordinador) Alimentació dels nodes 31 CAPÍTOL 4. ALIMENTACIÓ DELS NODES Els nodes que volem implementar han de garantir un llarg temps de vida alimentats a piles i això s’aconsegueix minimitzant el consum i fent una bona elecció del sistema d’alimentació. Un requisit del projecte era realitzar l’alimentació a piles. Degut a que cada node té necessitats energètiques diferents, explicarem l’alimentació, l’adaptació de la tensió d’alimentació procedent de les piles a cada element i estimarem el consum en cadascun d’ells. 4.1. Node amb el sensor EC-5 L’idea per allargar el temps de vida dels nostres nodes, és alimentar el sensor tant sols en el moment que volem adquirir les mesures i enviar-les al node central. És per això que descartarem l’opció de tenir el sensor EC-5 connectat directament a la font d’alimentació. Utilitzarem un interruptor lògic controlat pel microcontrolador per alimentar o no el sensor (Fig. 4. 1).Vam descartar alimentar directament el sensor des d’un dels pins del microcontrolador perquè la tensió del pin era menor a la tensió de referència del conversor A/D cosa que provocava lectures errònies. En aquest node no serà necessari adaptar els nivells de tensió del sensor ja que la sortida serà digitalitzada amb un conversor A/D integrat en el propi microcontrolador. SENSOR ALIMENTACIÓ Interruptor controlat pel microcontrolador PIC16F690 ETRX2 Lectura analògica del sensor Transmissió lectura digital Comunicació amb el node central RESET Fig. 4. 1 Diagrama de blocs del node amb el sensor EC-5. 4.1.1. Interruptor lògic Per implementar l’interruptor lògc, controlat pel microcontrolador, hem utilitzat el transistor MOSFET del tipus P FDN304P, que es comporta com un interruptor tancat a nivell baix. És a dir, perquè pugui circular corrent del drenador al sortidor, el voltatge de porta ha de ser un 0 lògic (0 V) com mostra la Taula 4. 32 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 1. Connectarem al sortidor (S) l’alimentació procedent de les piles i al drenador (D) al pin d’alimentació del sensor . Si volem alimentar el sensor, en la porta (G) ha de haver-hi un 0 lògic, procedent del pin I/O RC7 del microcontrolador. Taula 4. 1 Funcionament d’un transistor MOSFET P Esquemàtic VG Zona de treball Interruptor G D S “0” Saturació “1” Tall 4.1.2. Estimació del consum de corrent promig La Taula 4. 2 presenta les característiques elèctriques dels diferents components que formen el node sensor. Podem veure que el sistema d’alimentació ha d’entregar una tensió entre 2,5 V i 3,6V i una intensitat de 46,2 mA en estat actiu. Taula 4. 2 Característiques elèctriques del conjunt EC-5, PIC16F690, ETRX2 i MOSFET FDN304P. Component I SLEEP IAWAKE Tensió alimentació SENSOR EC-5 0A 10mA 2,5-3,6 V PIC16F690 1µA 200µA 2-5,5 V ETRX2 0,7µA 36mA 2,1-3,6V MOSFET FDN304P 0,1µA 1µA - GLOBAL 1,8µA 46,2mA 2,5 a 3,6 V Així doncs, si sabem que el temps que tarda el microcontrolador, a executar el codi d’adquisició de dades i enviar-les al node central és de 120ms, podem calcular el corrent promig: (4. 1) On tsleep és el temps que hi ha entre mesures. La Taula 4. 3 mostra com varia el consum en funció del temps d’espera entre mesures, de tal manera que com més gran és l’interval de mesura més petit serà el consum. Alimentació dels nodes 33 Taula 4. 3 Consum de corrent del node amb el sensor EC-5 en funció del temps entre mesures. Període de lectures Corrent promig (mA) 640 (10 min 40 seg) 0,010 320 (5 min 20 seg) 0,019 160 (2 min 40 seg) 0,036 80 (1 min 20 seg) 0,071 40 0,140 20 0,277 10 0,550 5 1,085 Com que les mesures que prenem no varien ràpidament, realitzarem lectures cada 640 segons (màxim temps permès pel watchdog) maximitzant el temps de vida del node. 4.2. Node amb el sensor 5TE En aquest node tenim diferents rangs de tensió en els elements que el composen. El microcontrolador i el mòdul ETRX2 poden ser alimentats directament de les piles, en canvi el sensor 5TE no ja que necessita 3,6V. Aquest fet ens comportarà a utilitzar un regulador DC-DC per tal d’elevar la tensió necessària pel sensor 5TE. També haurem d’adaptar la senyal de sortida del sensor 5TE de nivells TTL fins a 0 a 2,5V 7. Per l’adaptació de nivells de tensió utilitzarem la configuració hardware dels pins del propi PIC16F690. De no fer aquesta adaptació de nivells faríem malbé el port UART del microcontrolador de tal manera que no podríem adquirir les dades. La Fig. 4. 2 mostra el diagrama de blocs del sensor 5TE on es pot veure la funció del regulador DC-DC i l’adaptació de nivells. SENSOR ALIMENTACIÓ REGULADOR DC-DC PIC16F690 ETRX2 Transmissió lectura digital Comunicació amb el node central RESET Lectura digital del sensor via UART Adaptació nivells de tensió [2,3] V 3.8 V 3.8 V 2.5 V Fig. 4. 2 Diagrama de blocs del node amb el sensor 5TE. 7 El voltatge el qual estan alimentats el microcontrolador i el ETRX2 no és fix ja que estan connectats a les bateries que es van descarregant poc a poc. Per tal de simplificar aquesta descàrrega prenem 2,5V com a voltatge constant. 40 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl respectivament, són els pins I/O que provoquen el canvi del mode de consum del ETRX2. Com a mesura de protecció contra interferències s’han introduït uns condensadors de 100nF entre la massa i la tensió d’alimentació del ETRX2 i del PIC16F690. Fig. 5. 2 Circuit del node amb el sensor EC-5 Tots els components estan detallats en la Fig. J. 1 de l’ annex J. En la Fig. H. 1 del annex H podem veure el circuit imprès d’aquest node sensor. 5.2. Esquemàtic del node sensor 5TE La figura Fig. 5. 3 mostra el circuit del node sensor 5TE amb tots els elements descrits en els capítols anteriors connectats. El reset té la mateixa configuració que en el node amb el sensor EC-5 actuant a nivell baix. Els pins 5 i 6 del microcontrolador, anomenats IRQ1 i IRQ0 respectivament, són els pins I/O que provoquen el canvi del mode de consum del ETRX2. Com en al node EC-5, el pin 10, anomenat TX_PIC, és el pin per on s’envien les dades al transceptor. El pin 12, anomenat RX_PIC, és el pin per on reben les dades procedents del sensor al microcontrolador. El pin 18 del microcontrolador, anomenat ALIMENTACIÓ_SENSOR, és el pin I/O que habilita l’alimentació al sensor. Implementació dels nodes 41 Fig. 5. 3 Esquemàtic del node amb el sensor 5TE La ressistència R8 (360K) que hi ha entre el sensor 5TE i el pin de recepció UART (pin 12) del microcontrolador, s’encarrega d’adaptar els nivells de tensió. El sensor 5TE entrega com a sortida una senyal digital amb nivells de tensió TTL . Abans que aquesta informació sigui processada cal adaptar-la al rang de tensió del microcontrolador, de 2,5 a 0 V. A la figura Fig. 5. 4 podem veure que el propi microcontrolador té un circuit de protecció en cadascun dels pins que té, inclòs el pin de recepció UART (RB5). Fig. 5. 4 Protecció interna del pin RB5 del PIC16F690 Perquè aquesta protecció interna funcioni perfectament la intensitat d’entrada al pin ha de ser menor a 20 mA, com indica el fabricant [1]. Per aquest motiu introduïm un resistència de 360 KΩ, entre el senyal de sortida del sensor i el pin d’entrada del microcontrolador, que provoca una intensitat de 10µA. D’aquesta manera la senyal en el microcontrolador té els nivells de tensió desitjats i es pot processar la informació sense problemes. Tots els components estan detallats en la Fig. J. 2 de l’annex J. En la Fig. H. 2 del annex H podem veure el circuit imprès d’aquest node sensor. 42 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 5.3. Encapsulat dels nodes El nostre node estarà situat a l’exterior i ha d’estar preparat per suportar diverses condicions climàtiques. Per tal d’escollir l’encapsulat adequat pel dispositiu que hem dissenyat cal respectar la norma UNE-20-324-93 que defineix els graus de protecció proporcionats pels encapsulats. Aquesta norma és la versió oficial de la norma europea EN 60529. La norma classifica els envoltants a través del tipus IP (Ingress Protection) definida a través de dos dígits que indiquen el grau de protecció de l’encapsulat. L’annex I especifica el significat d’aquests dos digitis així com també els valors que poden prendre. El nostre dispositiu ha d’estar protegit contra l’inserció de pols i d’aigua i en aquest sentit la nostra envoltant serà del rang IP66 o IP67. El encapsulat final que hem triat és de policarbonat IP67 del fabricant FIBOX [7] amb unes dimensions de 110 mm de longitud (H), 80 mm d’amplada (W) i 65 mm de profunditat. La figura Fig. 5. 5 es pot veure l’encapsulat original i l’encapsulat amb els nodes sensors implementats. a) FIBOX PC B 65 G b) Node final amb el sensor EC-5 c) Node final amb el sensor 5TE Fig. 5. 5 Encapsulat i nodes integrats a dins el encapsulat. 5.4. Preu dels nodes A part del temps de vida dels nodes, un altre factor molt important és el preu. La Taula 5. 1 mostra el preu final dels nodes. En l’annex J es pot veure el preu detallat component a component [8]. Implementació dels nodes 43 Taula 5. 1 Preu final dels nodes Producte Preu Node amb el sensor EC-5 169,21 € (78,26 € sense sensor EC-5) Node amb el sensor 5TE 373,62 € (90,57 € sense sensor 5TE) 5.5. Validació del sistema El sistema l’hem validat mitjançant una xarxa de proves formada pels dos nodes autònoms i un node central que rebia les dades. Com a node central hem utilitzat el dispositiu ETRX2 USB stick del fabricant Telegesis (Fig. 5. 6). Fig. 5. 6 ETRX2 USB stick La Fig. 5. 7 mostra el diagrama de la xarxa creada per validar el sistema, on els nodes autònoms realitzen les mesures i les envien al node central, que està connectat a l’ordinador a través del port USB. Fig. 5. 7 Diagrama de la xarxa de validació del sistema 44 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl 5.6. Interfície amb el usuari final En un inici vam validar el funcionament dels nodes amb el software Telegesis Terminal que mostrava les dades adquirides en una llista de comandes. Degut a la poca interactivat amb l’usuari vam decidir, tot i que no estava previst dins del projecte, personalitzar l’interfície final amb LabView. L’interfície desenvolupada, com mostra la figura ,conté 4 gràfiques per mostrar les dades adquirides: el codi AD del sensor EC-5 i la constant dielèctrica, conductivitat elèctrica i temperatura del sensor 5TE. Fig. 5. 8 Interfície amb l’usuari final feta en LabView Conclusions 45 CAPÍTOL 6. CONCLUSIONS 6.1. Objectius assolits L’objectiu del projecte ha sigut implementar dos node autònoms capaços de poder adquirir i transmetre les lectures efectuades pels sensors EC-5 i 5TE. Aquesta transmissió de dades s’ha portat a terme amb els mòduls Zigbee de Telegesis ETRX2 que garanteixen un baix consum seguint la filosofia de les xarxes de sensors sense fils (WSN). Un dels punts més importants del projecte ha sigut el consum dels nodes ja que han de ser dispositius remots amb un llarg temps de vida. En aquest sentit hem implementat un sistema amb un temps de vida de 5,82 i 2,5 anys pels sensor EC-5 i 5TE respectivament, prenent mesures cada 640 segons (10 minuts i 40 segons). Cada sensor entrega les dades de forma diferent de tal manera que s’ha hagut d’implementar l’adquisició per cadascun d’ells. El sensor EC-5 entrega una tensió analògica en funció de l’humitat del subsòl, mentrés el 5TE estableix una comunicació sèrie. Aquesta conté l’humitat del subsòl, la conductivat elèctrica i la temperatura. Un cop adquirides les dades, els nodes es comuniquen amb el node central on tota la informació es processada i es comunicada l’usuari final. El funcionament del sistema ha estat validat amb el software Telegesis Terminal del fabricant Telegesis i una aplicació en LabView que mostrava l’historial de les lectures en forma de gràfica. 6.2. Treball futur Actualment els nodes s’han provat en una petita xarxa WSN on hi ha els dos nodes sensor i un node central. En un futur, aquests nodes han de ser implementats a la xarxa REALnet que hi ha al Campus del Baix Llobregat a Castelldefels que permetrà visualitzar les dades amb l’ínterfície web d’aquesta xarxa. A banda de monitoritzar les dades adquirides es podria implementar un sistema que regués els arbres i plantes del campus en cas que l’humitat sigui menor a un cert llindar. Un altre línia de treball, seria implementar la bidireccionalitat en la xarxa. En el node amb el sensor EC-5 es podria utilitzar el pin de recepció del port UART ja que ara tant sols envia dades del node sensor al central. En el sensor 5TE no es podrà efectuar aquesta bidireccionalitat a través del port UART, ja que el sensor 5TE ocupa el pin de recepció de dades en el microcontrolador. Tot i així es podrien utilitzar altres protocols de comunicació per comunicar el microcontrolador i el transceptor. D’aquesta manera es podria controlar el 46 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl temps de mesura. Seria també interessant provocar el reset del microcontrolador de forma remota i controlar l’estat de les piles. També seria bo fer autosuficients els nodes sensor mitjançant plaques solars de tal manera que el temps de vida de 5,82 i 2,5 anys seria millorat. L’utilització d’un microcontrolador extern com el PIC16F690 es podria estalviar fent un ús a baix nivell del microcontrolador EM250 que integren els mòduls Zigbee ETRX2 de Telegesis. 6.3. Impacte mediambiental El Campus del Baix Llobregat disposa d’un entorn propici per l’ús de tecnologies que fagin més sostenible el medi. En el projecte s’ha implementat dos nodes que monitoritzen l’humitat del sòl cosa que permet optimitzar la quantitat d’aigua que s’utilitza per regar. El treball s’ha orientat en l’estalvi energètic minimitzant el més possible el consum amb piles AA de liti, molt més duradores que les alcalines. S’ha triat un encapsulat on la seva instal·lació sigui la menys complexa possible, així com un tamany reduït per tal de no causar un impacte visual en la fauna i flora de l’entorn. Gràcies a nodes sensors com aquests i els que hi han integrats a la xarxa REALnet es pot monitoritzar l’entorn fent estudis de comportament i millorar la situació ambiental. Referències 47 REFERÈNCIES [1] Datasheet del PIC16F690 URL:http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41262E.pdf [accés 04/10] [ 2 ] Xarxa de sensors sense fils per la monitorització ambiental de l’estany del Campus del Baix Llobregat, PFC (EPSC-UPC), Febrer 2007. URL: http://hdl.handle.net/2099.1/4053 [accés 05/10] [3] Banda de freqüències de l’estàndard Zigbee. URL:http://www.zigbee.org/imwp/idms/popups/pop_download.asp?conte ntID=11745 [accés 07/10] [4] Característiques EM250. URL: http://www.ember.com/pdf/120-0082-000_EM250_Datasheet.pdf [accés 07/10] [5] Característiques del mòdul ETRX2 de Telegesis URL: http://www.telegesis.com/products/test_page_1.htm [accés 06/10] [6] Comandes AT mòdul ETRX2 de Telegesis URL:http://www.telegesis.com/downloads/general/TG-ETRX-R212- Commands.pdf [accés 04/10] [7] Característiques FIBOX PC B 65 G. URL: http://es.farnell.com/fibox/pc-b-65-g/caja-policarbonato-ip67-tapa- gris/dp/1004114 [accés 07/10] [8] Distribuïdor Farnell URL: http://es.farnell.com/ [accés 07/10] [ 9 ] Tipler, Paul Allen; Mosca, Gene, “Energía electrostàtica y capacidad”, Cap. 24 en Física para la ciència y la tecnologia, Editorial Reverté, Barcelona, 2005, pp 699-713. 48 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl BIBLIOGRAFIA  García Breijo E., Compilador C CCS y simulador Proteus para microcontroladores PIC, Marcombo Ediciones Técnicas, Barcelona, 2009.  Valdes Perez F.E, Pallàs Areny R., Microcontrollers Fundamentals and Applications with PIC, CRC press, Boca Raton, 2009.  Alcubilla González R.,Pons Nin J., Bardés Llorensí D., Diseño digital Una perspectiva VLSI-CMOS, Edicions UPC, Barcelona, 2001. Annex 49 ANNEX A. SENSORS CAPACITIUS Un sensor capacitiu és un tipus de sensor elèctric que relaciona la magnitud a mesurar en funció de la variació de la capacitat d’un condensador. Michael Faraday9 va descobrir que quan l’espai entre dos conductors d’un condensador es veu ocupat per un dielèctric, la capacitat augmenta en un factor que és característic del dielèctric [9]. La raó d’aquest increment és que el camp elèctric entre les plaques del condensador es debilita per causa del dielèctric. Així per una nova carrega determinada sobre les plaques, la diferència de potencial es redueix i la relació Q/V s’incrementa. Considerem inicialment un condensador de plaques planes i paral·leles sense cap material dielèctric on la seva capacitat ve donada: (A. 1) On ε0 és la permitivitat dielèctrica del buit (8.85 pF/m), A és l’àrea de cada placa i d la distància entre elles. Si afegim un material dielèctric entre les seves plaques veiem que la nova capacitat C és: (A. 2) Sabem que càrrega (Q), capacitat (C) i tensió (V) estan relacionades tal que: (A. 3) D’aquesta forma la senyal física es converteix en una senyal elèctrica mesurable. 9 Físic i químic anglès que va estudiar l’electromagnetisme i l’electroquímica (Newington 22 de Setembre de 1791, Londres 25 d’Agost de 1867). És conegut principalment pel descobriment de l’ inducció magnètica i les lleis de l’electròlisi. 56 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl ANNEX F. CONFIGURACIONS DELS REGISTRES DEL ETRX2 A continuació es poden apreciar els registres configurats pel node sensor i el node coordinador. Comentar que només hem modificat els registres necessaris per complir la tasca desitjada, els altres els hem deixat tal i com venien de fàbrica. Registre Descripció Node sensor Node coordinador S00 Mascara de canals 0012 0012 S01 Identificador preferit de xarxa 0012 0012 S02 Potència de transmissió 0 0 S03 Contrasenya d’encriptació <hidden> <hidden> S04 Nom identificatiu del sensor definit per l’usuari SENSOR SINK S05 Contrasenya per l’informació de l’identitat. 0000 0000 S06 Funcions principals 0202 0102 S07 Funció extensa 1 0000 0000 S08 Funció extensa 2 0000 0000 S09 Contrasenya <hidden> <hidden> S0A Número de firmware 212X 212X S0B Configuració del UART 0000 0000 S0C Activació del Pullup. 0000 0000 S0D Direcció de l’informació en el mòdul I/O. 0FFC 0FFC S0E Configuració inicial de S0D FFFC FFFC S0F Buffer de sortida del mòdul I/O 00F0 00F0 S10 Configuració inicial de S0F 00F0 00F0 S11 Buffer d’entrada del I/O 00F3 00F3 S12 Lectura del A/D1 04B0 04B0 Annex 57 S13 Lectura del A/D2 04B0 04B0 S14 Lectura del A/D3 FFFF FFFF S15 Funcionalitat a l’interrupció IRQ0 0004 0000 S16 Funcionalitat a l’interrupció IRQ1 0001 0000 S17 Timer/Counter 0 0004 0004 S18 Funcionalitat del Timer/Counter 0 0011 0011 S19 Timer/Counter 1 00F0 00F0 S1A Funcionalitat del Timer/Counter 1 0013 0013 S1B Timer/Counter 2 00F0 00F0 S1C Funcionalitat del Timer/Counter 2 0014 0014 S1D Timer/Counter 3 00F0 00F0 S1E Funcionalitat del Timer/Counter 3 0016 0016 S1F Timer/Counter 4 0000 0000 S20 Funcionalitat del Timer/Counter 4 0000 0000 S21 Timer/Counter 5 0000 0000 S22 Funcionalitat del Timer/Counter 5 0000 0000 S23 Timer/Counter 6 0000 0000 S24 Funcionalitat del Timer/Counter 6 0000 0000 S25 Funcionalitat inicial del Timer/Counter 6 0000 0000 S26 Timer/Counter 7 0000 0000 S27 Funcionalitat del Timer/Counter 7 0000 0000 S28 Funcionalitat inicial del Timer/Counter 7 0000 0000 S29 Estat de consum 00 00 S2A Estat inicial de consum 00 00 S2B Conté el text A utilitzat per algunes de les funcions a elegir de les interrupcions BUTTON3 BUTTON3 S2C Conté el text B utilitzat per algunes de les funcions a elegir BUTTON4 BUTTON4 58 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl de les interrupcions S2D Conté l’identitat EU164 del pare en cas que l’unitat sigui SED o MED <n/a> <n/a> S2E Configuració específica del dispositiu. 000A 0005 S2F Operació en la funció especial pin1 3A98 3A98 S30 Configuració inicial de S2F 3A98 3A98 S31 Operació en la funció especial pin 2 1D4C 1D4C S32 Configuració inicial de S31 1DAC 1DAC S33 Voltatge d’alimentació (mV) 2573 3284 Annex 59 ANNEX G. FULL D’ESPECIFICACIONS PRINCIPALS DE LES PILES ENERGIZER L91 60 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl ANNEX H. CIRCUITS IMPRÈS DELS NODES Fig. H. 1 Circuit imprès del node amb el sensor EC-5 Fig. H. 2 Circuit imprès del node amb el sensor 5TE Annex 61 ANNEX I. CLASSIFICACIÓ D’ENCAPSULATS SEGONS LA NORMATIVA IP Primer digit (protecció contra sòlids) Segon dígit (protecció sobre líquids) IP0 Sense protecció Sense protecció IP1 Protegit contra objectes sòlids de més de 50mm Protegit contra degoteig vertical IP2 Protegit contra objectes sòlids de més de 12mm Protegit contra rajos d’aigua fins a 15º de la vertical IP3 Protegit contra objectes sòlids de més de 2.5mm Protegit contra ruixats d’aigua fins a 60º de la vertical IP4 Protegit contra objectes sòlids de més de 1mm. Protegit en totes direccions contra ruixats d’aigua IP5 Protegit contra una quantitat limitada de pols Protegit en totes direccions contra potents raigs d’aigua IP6 Totalment protegit contra el pols. Protegit en totes direccions contra onades del mar IP7 - Protegit sota inmersió fins a 1m IP8 - Protegit sota inmersió de més de 1m 62 Node autònom per la mesura de l’humitat i la temperatura del sòl ANNEX J. PREU DETALLAT DELS NODES Les figures Fig. J. 1 i Fig. J. 2 mostren el preu total dels nodes detallat component a component. El preu de tots els components són els del Distribuidor Farnell [9] a Juliol del 2010. Component Preu unitari Quantitat Preu EC-5 90,95 1 90,95 ETRX2 22,81 1 22,81 PIC16F690 2,55 1 2,55 R 10k 0,0125 1 0,0375 R 100 0,0125 1 0,0125 C 100nF 0,15 1 0,15 C 100nF SMD 0,15 2 0,3 Zocal 20 pins 0,26 1 0,26 Pulsador 0,61 1 0,61 Jack estèreo 0,682 1 0,682 Conector mascle polaritzat 0,5 1 0,5 Conectar femella polaritzat 0,5 1 0,5 Porta piles AA 3,04 1 3,04 Energizer L91 3,4425 2 6,885 FDN304P 0,62 1 0,62 FIBOX PC B 65 G 22,25 1 22,25 Separador 0,155 4 0,62 Visos 0,0161 4 0,0644 Antena ETRX2 16,39 1 16,39 TOTAL 169,21 Fig. J. 1 Preu detallat del node amb el sensor EC-5 Annex 63 Component Preu unitari Quantitat Preu 5TE 283,05 1 283,05 ETRX2 22,81 1 22,81 PIC16F690 2,55 1 2,55 R 10k 0,0125 1 0,0125 R 100 0,0125 1 0,0125 C 100nF 0,15 1 0,15 R 430K 0,0125 2 0,025 R 200K 0,0125 1 0,0125 R 300k 0,0125 1 0,0125 R 1M 0,0125 1 0,0125 C 47uF 0,15 2 0,3 L 20uH 3,78 1 3,78 R 360K 0,0125 1 0,0125 MAX1795 8,78 1 8,78 C 100nF SMD 0,15 2 0,3 Zocal 20 pins 0,26 1 0,26 Pulsador 0,61 1 0,61 Jack estèreo 0,682 1 0,682 Conector mascle polaritzat 0,5 1 0,5 Conectar femella polaritzat 0,5 1 0,5 Porta piles AA 3,04 1 3,04 Energizer L91 3,4425 2 6,885 FIBOX PC B 65 G 22,25 1 22,25 Separador 0,155 4 0,62 Visos 0,0161 4 0,0644 Antena ETRX2 16,39 1 16,39 TOTAL 373,62 Fig. J. 2 Preu detallat del node amb el sensor 5TE