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Página para el glosario. M ME EM MO OR RI IA A D DE EL L P PR RO OY YE EC CT TO O Autor: José Olásolo Alonso Director: Nicolás Medrano Marqués Ponente: Julián Fernández Navajas Septiembre 2010 Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Ingeniería Superior de Telecomunicación Especialidad Electrónica Centro Politécnico Superior C/ María de Luna nº3 50018 Zaragoza España I IN NT TE ER RF FA AZ Z I IN NT TE EL LI IG GE EN NT TE E P PA AR RA A S SE EN NS SO OR RE ES S D DE E B BA AJ JO O C CO OS ST TE E E EN N A AP PL LI IC CA AC CI IO ON NE ES S P PO OR RT TÁ ÁT TI IL LE ES S P PA AR RA A I IN NT TE EL LI IG GE EN NC CI IA A A AM MB BI IE EN NT TA AL L Resumen Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 3 de 92 I IN NT TE ER RF FA AZ Z I IN NT TE EL LI IG GE EN NT TE E P PA AR RA A S SE EN NS SO OR RE ES S D DE E B BA AJ JO O C CO OS ST TE E E EN N A AP PL LI IC CA AC CI IO ON NE ES S P PO OR RT TÁ ÁT TI IL LE ES S P PA AR RA A I IN NT TE EL LI IG GE EN NC CI IA A A AM MB BI IE EN NT TA AL L R RE ES SU UM ME EN N El proyecto fin de carrera está enmarcado dentro del proyecto GA-LC-039/2008 del I3A, desarrollado por el GDE de la universidad de Zaragoza. En él se pretende diseñar y desarrollar una red inalámbrica de sensores para la prevención y detección temprana de incendios. La inteligencia ambiental es un concepto que cada vez se está convirtiendo en más relevante. Ésta involucra crear entornos que reaccionen ante cambios facilitando la interacción del ser humano con el medio. Por ello los sensores se convierten en parte fundamental de la inteligencia ambiental. El proyecto fin de carrera consiste en el diseño de un interfaz hardware para el acondicionamiento de diferentes tipos de sensores, compatible con las necesidades y restricciones de los nodos de una red sensorial inalámbrica y con el objetivo de ser integrado dentro de un nodo sensor de la red inalámbrica de sensores desarrollada por el GDE. El interfaz posee un microcontrolador que tiene una pequeña memoria donde se almacenen las características y propiedades relevantes del sensor, necesarias para su acondicionamiento, medida, calibración y en su caso compensación, formando un reducido datasheet electrónico. El microcontrolador se encarga de gestionar toda la electrónica del interfaz en función del tipo de sensor y además implementa las comunicaciones con el exterior siguiendo el protocolo I2C. El interfaz sigue con la filosofía plug&play en la conexión con el nodo sensor, minimizando la interacción del usuario. Una vez diseñado el interfaz se aplican diferentes tipos de sensores para demostrar la validez del mismo y se prueba su funcionamiento como parte del nodo de la red inalámbrica de sensores comprobando el correcto funcionamiento del sistema final. Í ÍN ND DI IC CE E Índice Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 7 de 92 MEMORIA 1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 11 1.1 INTRODUCCIÓN 11 1.2 ESTADO DEL ARTE 12 1.3 CONTEXTO 14 1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 14 1.5 OBJETIVOS 15 1.6 DOCUMENTACIÓN APORTADA 16 2 DISEÑO DEL INTERFAZ 17 2.1 DISEÑO HARDWARE 17 2.1.1 SENSOR DE TEMPERATURA : NTC 18 2.1.2 PLATAFORMA PARA LOS SENSORES 19 2.1.3 BLOQUE DE AMPLIFICACIÓN 22 2.1.4 CONVERSIÓN TENSIÓN FRECUENCIA 25 2.1.5 BLOQUE DE CONTROL 26 2.1.6 ALIMENTACIÓN 27 2.2 MICROCONTROLADOR Y SOFTWARE 28 2.2.1 PROTOCOLO DE COMUNICACIONES 29 2.2.2 ESTRUCTURA DE LAS MEMORIAS 31 2.2.3 COMANDOS 32 2.2.4 ESTRUCTURA DEL PROGRAMA 35 2.3 SENSORES APLICADOS 36 3 RED INALÁMBRICA DE SENSORES 39 3.1 INTRODUCCIÓN 39 3.2 ESTRUCTURA DEL NODO 40 3.3 TOPOLOGÍA DE LA RED 41 Índice Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 8 de 92 3.4 INTEGRACIÓN DEL INTERFAZ EN LA RED 42 4 RESULTADOS 45 4.1 ERRORES 45 4.2 CONSUMO 47 5 CONCLUSIONES 49 5.1 CONCLUSIONES DEL PROYECTO 49 5.2 PROPUESTAS DE MEJORA 50 5.3 CONSIDERACIONES PERSONALES 51 6 PLANIFICACIÓN TEMPORAL 53 7 BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES 55 8 ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS 57 ANEXO A. CÁLCULOS DE LA GANANCIA Y EL OFFSET 61 ANEXO B. DISTRIBUCIÓN DE LAS SEÑALES DE CONTROL DEL INTERFAZ 63 ANEXO C. PROTOCOLO I2C 71 ANEXO D. SENSORES APLICADOS 81 ANEXO E. TIPOS DE VARIABLES 89 ANEXO F: FORMATO DE LA TRAMA DE LA WSN 91 M ME EM MO OR RI IA A 1.Descripción del proyecto Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 16 de 92 1.6 DOCUMENTACIÓN APORTADA En este apartado se expone la documentación aportada en el proyecto fin de carrera. Está compuesta por dos bloques, la memoria y los anexos. La memoria es el documento principal en el que se describen desde los objetivos iniciales del proyecto hasta los resultados y las conclusiones, pasando por una explicación razonada de las tecnologías, componentes y herramientas utilizadas en el diseño del interfaz. La memoria está dividida en 8 partes:  Descripción del proyecto.  Diseño del interfaz.  Red inalámbrica de sensores.  Resultados.  Conclusiones.  Planificación temporal.  Referencias bibliográficas.  Acrónimos y abreviaturas. Los anexos sirven para complementar la información detallada en la memoria. El proyecto fin de carrera tiene 6 anexos:  Anexo A: Cálculos de la ganancia y el offset.  Anexo B: Distribución de las señales de control del interfaz.  Anexo C: Protocolo I2C.  Anexo D: Sensores aplicados.  Anexo E: Tipos de variables.  Anexo F: Formato de la trama WSN. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 17 de 92 2 2 D DI IS SE EÑ ÑO O D DE EL L I IN NT TE ER RF FA AZ Z Durante este apartado se presenta un análisis detallado del diseño del interfaz. Éste está compuesto por el diseño del sistema electrónico y la programación del microcontrolador. El apartado termina con un análisis de los sensores aplicados al interfaz cuyo funcionamiento ha sido testeado. 2.1 DISEÑO HARDWARE El diseño hardware consiste en la elección de todos los componentes electrónicos, tanto pasivos como activos, que formarán parte del interfaz. Durante este diseño se siguen una serie de pautas para cumplir con los objetivos marcados. Estas las podríamos resumir en:  Elegir componentes que hagan que el interfaz sea lo más genérico posible, es decir, compatible con el mayor número de sensores  Elegir componentes de bajo consumo.  Elegir componentes de bajo coste. En la mayoría de los casos no podemos optimizar los tres parámetros a la vez, por lo que se produce un compromiso que no es fácil de resolver. Figura 2: Diagrama de bloques del interfaz. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 18 de 92 En la figura 2 se observa el diagrama de bloques del hardware del interfaz. Durante los siguientes apartados se explica detalladamente la estructura de cada uno de los bloques. 2 2. .1 1. .1 1 S SE EN NS SO OR R D DE E T TE EM MP PE ER RA AT TU UR RA A : : N NT TC C Muchos sensores comerciales tienen fuertes dependencias con la temperatura, lo que hace necesario conocer cuál es la temperatura a la que se encuentra el sensor para poder tomar lecturas correctas de la magnitud física. Como el interfaz diseñado tiene que ser independiente y autónomo, se convierte en necesario integrar en el interfaz un sensor de temperatura. Este sensor permitirá establecer la temperatura a la que se realizan las medidas del resto de sensores para su posterior compensación térmica. Como sensor de temperatura se ha elegido una NTC (Negative Temperature Coefficient) por tener una curva de calibración conocida, un sencillo acondicionamiento y un bajo coste. Las NTC son termistores que presentan una dependencia negativa de la resistencia frente a la temperatura. Esto supone que experimentan disminuciones de resistencia con aumentos de la temperatura. La dependencia de la resistencia con la temperatura tiene un carácter exponencial que viene dado por la ecuación 1. (1) Donde B [ºK] es una constante se denomina temperatura característica, y T es la temperatura [ºK], Ri son los valores de resistencias [Ω] para la temperatura dada Ti. La NTC que se ha empleado, tiene como valor teórico, B=4300ºK, y una resistencia a temperatura ambiente(T=25ºC), R0=4,6kΩ. Este termistor tiene, por tanto, un rango de aplicación que cubre perfectamente los valores de temperatura típicos [-20ºC, 80ºC] de monitorización medioambiental. El circuito de acondicionamiento básico de cualquier NTC es un divisor resistivo. En un circuito electrónico no es posible tomar lecturas del valor de resistencia, con un divisor resistivo convertimos las variaciones de resistencia en variaciones de voltaje para su posterior tratamiento. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 19 de 92 Figura 3: Divisor resistivo, circuito de acondicionamiento de la NTC. Así la tensión de salida en función de la temperatura tiene la ecuación 2. (2) El objetivo es que en el rango de temperaturas en las que se va a obtener la respuesta, la dependencia sea lineal. Para ello tenemos que calcular el valor de la resistencia del divisor Rs de forma que el punto de inflexión se encuentre en la mitad del rango de temperaturas de medida(Tc). Así Rs se puede calcular con la ecuación 3. (3) Para los rangos típicos de temperatura de medida en una aplicación ambiental [-20ºC, 80ºC], Tc=30ºC, por lo que el valor de Rs es aproximadamente 2,7 kΩ. 2 2. .1 1. .2 2 P PL LA AT TA AF FO OR RM MA A P PA AR RA A L LO OS S S SE EN NS SO OR RE ES S La plataforma es el conjunto de entradas o pines que tiene el interfaz para poder conectar los sensores y a la electrónica básica de acondicionamiento[3]. El objetivo propuesto es que sea compatible para sensores resistivos, con salida en voltaje y con salida en intensidad. Además también debe ser compatible para sensores de intensidad o voltaje con salida diferencial, en los que la información está en la diferencia de esa magnitud eléctrica entre dos pines del sensor. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 20 de 92 El acondicionamiento básico de los sensores consistirá en convertir las variaciones de voltaje, intensidad o resistencia en variaciones de voltaje que posteriormente amplificaremos, convertiremos a frecuencia y enviaremos al exterior del interfaz: los sensores resistivos utilizan como acondicionamiento, como ya hemos visto, un divisor resistivo en el cual el valor de la resistencia del divisor dependerá de las características del propio sensor; los sensores con salida en intensidad se acondicionan con una resistencia en serie que convierte la intensidad en voltaje. Además normalmente los sensores con salida en intensidad necesitan ser alimentados. Por otro lado, los sensores con salida en voltaje no necesitan de una etapa de acondicionamiento específica, aunque habitualmente necesitan ser alimentados. Figura 4: Circuito de acondicionamiento básico de un sensor de intensidad Los sensores diferenciales con salida en intensidad necesitan un esquema como el propuesto para los de salida no diferencial, pero con dos ramas. La diferencia de voltaje entre estas se realiza en la etapa de amplificación con amplificadores diferenciales o amplificadores de instrumentación de igual manera que para los sensores diferenciales con salida en voltaje. En ocasiones se necesitan configuraciones especiales para acondicionar determinados sensores. Este es el caso de los puentes de weasthone que se utilizan para linealizar la respuesta de algunos sensores resistivos como por ejemplo galgas extensiométricas. La salida de los puentes de wheatstone es diferencial y la diferencia es calculada en las etapas de amplificación. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 21 de 92 Figura 5: Puente de Wheatstone. Con las consideraciones expuestas, la figura 6 muestra el diseño de la plataforma compatible tanto con sensores diferenciales como con no diferenciales, tanto resistivos como con salida en intensidad y en tensión, y con acondicionado mediante puente de Wheatstone. Figura 6: Esquemático de la plataforma En la figura 6 se observan los 5 pines (P1-P5) en los que se conectan los sensores. El sensor que se va a acondicionar se conecta adecuadamente a los terminales P1-P4. El pin P5, controlado por el bloque de control del interfaz, que veremos posteriormente, es una entrada digital que puede ser conectada a la entrada de control de que disponen algunos sensores analógicos comerciales para habilitar modos de bajo consumo. El 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 22 de 92 sexto pin (P6) es la salida del circuito de acondicionamiento de la NTC integrada en el interfaz (NTC1) que se emplea para compensación térmica. Los multiplexores digitales (MUX1-MUX4) escogidos son los ADG719 (multiplexor 2:1) y ADG704 (multiplexor 4:1) de Analog Devices. Estos dispositivos tienen la misión de seleccionar una de sus entradas como salida, atendiendo al tipo de operaciones requeridas por el sensor conectado. La salida es seleccionada por el bloque de control del interfaz a través de los correspondientes terminales de control. De esta forma se puede configurar el esquema de acondicionamiento deseado. Las resistencias de los puentes resistivos han sido implementadas mediante potenciómetros lineales programables digitalmente. Los potenciómetros elegidos son MAX5400 de Maxim, de 50 kΩ de valor nominal y 256 pasos, con un error en cero de aproximadamente 300 Ω. Estos potenciómetros son programados por el bloque de control para obtener los valores de resistencia necesarios en el acondicionamiento de cada sensor. Puede resultar sorprendente que en la plataforma haya una NTC entre el multiplexor 3 y GND (NTC2). Esto es debido a que forma parte del acondicionamiento del sensor de humedad que tiene características especiales y que se explicarán en el apartado 2.3.2. 2 2. .1 1. .3 3 B BL LO OQ QU UE E D DE E A AM MP PL LI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N Las señales de voltaje de salida de la plataforma pueden tener rangos de variación muy dispares dependiendo del sensor conectado. Si las variaciones son pequeñas, la resolución de nuestro sistema va a ser pequeña produciendo errores en las medidas considerables. Para mejorar la resolución se deben ajustar las variaciones de voltaje al máximo rango posible, entre la tensión de alimentación (VDD=3.3 V) y tierra (GND=0 V). Conociendo la relación entrada-salida del sensor, si conocemos el rango de variación física del sensor podemos conocer el rango de voltaje a la salida de la plataforma. De esta forma, si restamos primero el voltaje mínimo de salida del sensor (offset) a la salida de la plataforma y a continuación amplificamos por el valor 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 23 de 92 apropiado, podemos ajustar las variaciones de la tensión de salida del sensor acondicionado entre VDD y GND. Sabemos que algunos de los sensores tienen una salida diferencial, por lo que es necesario realizar una amplificación diferencial. Para ello típicamente se utilizan los amplificadores de instrumentación. La figura 7 representa el diagrama básico de un amplificador de instrumentación. Figura 7: Amplificador de Instrumentación. El voltaje de salida (ecuación 4) de un amplificador de instrumentación es proporcional a la diferencia de las tensiones en sus entradas y a la relación entre las resistencias R2 y R1 (figura 7). ( ) (4) Con un solo amplificador de instrumentación no es factible restar offset y hacer una amplificación diferencial. Podríamos pensar en utilizar una etapa restadora con un solo amplificador operacional, pero algunos sensores, como las LDR, pueden tener valores de impedancia de salida muy altos provocando desadaptaciones de impedancias. La mejor solución es utilizar dos amplificadores de instrumentación en serie, con el primero se resta el offset y con el segundo se realiza la amplificación. En la figura 8 se muestra el esquema completo del bloque amplificador. 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 24 de 92 Figura 8: Bloque de amplificación En el primer amplificador de instrumentación (AI1) se produce la resta del offset. Su entrada VIN- está conectada a un divisor resistivo con un potenciómetro programable (POT5). De esta forma, el bloque de control programa el valor de offset en función del sensor conectado. La entrada VIN+ del amplificador está conectada a un multiplexor 4:1 (MUX5) de forma que es posible la conexión con los terminales P1 y P2 de la plataforma y con la salida de la NTC (P6), para poder realizar medidas de la temperatura. Los valores de las resistencias R4 y R5 han sido escogidos para tener a la salida de AI1 ganancia unidad. El segundo amplificador de instrumentación (AI2) conforma la etapa de ganancia del sistema. Ésta viene determinada por la relación entre las resistencias R9 y POT6 de la etapa. Variando el valor de resistencia del potenciómetro programable (POT6) es posible modificar la ganancia desde el bloque de control. El multiplexor 4:1 (MUX6) permite seleccionar la señal de entrada a VIN- de entre las salidas P3 y P4 de la plataforma y un divisor resistivo, compuesto por R7 y R6, que proporciona un valor muy pequeño de tensión (aproximadamente 50 mV). Para los sensores que no son diferenciales la entrada VIN- en este segundo amplificador debería estar conectada a 0V, el nivel inferior del rango de tensión de alimentación. Sin embargo, debido a que los amplificadores de instrumentación empleados en este trabajo no son verdaderos amplificadores rail-to-rail en entrada (es decir, necesitan un voltaje mínimo en sus dos 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 25 de 92 entradas para trabajar correctamente), es preciso añadir un pequeño valor de tensión, que en este caso es aproximadamente 50 mV. Esto supone una limitación en el diseño, ya que para sensores no diferenciales el interfaz no podrá detectar valores inferiores a 50 mV que provengan de la plataforma. Sin embargo, debido al reducido valor de esta tensión mínima en estos amplificadores, su efecto se aprecia en muy pocos tipos de sensores y en un rango muy reducido de valores. En determinadas ocasiones puede interesar no restar offset a la señal del sensor. El multiplexor 2:1 (MUX9) posibilita conectar las salidas de la plataforma directamente con el segundo amplificador de instrumentación (AI2), evitando la etapa de resta de offset producida en el amplificador AI1. Los cálculos de la ganancia y el offset de los diferentes sensores se explica detalladamente en el anexo A. Para el diseño de esta etapa amplificadora se han empleado potenciómetros digitales MAX5401 de Maxim, de 100 kΩ de valor nominal, 256 pasos y un error de cero aproximado de 300 Ω. Los multiplexores son ADG719 y ADG704, los mismos empleados en la plataforma de conexionado de sensores (figura 6). Los amplificadores de instrumentación de este bloque son INA327 de Texas Instruments de bajo coste y bajo consumo. 2 2. .1 1. .4 4 C CO ON NV VE ER RS SI IÓ ÓN N T TE EN NS SI IÓ ÓN N F FR RE EC CU UE EN NC CI IA A A la salida del bloque de amplificación de la figura 8 tendremos una señal de tensión cuyo rango de valores se encuentra entre VDD y 0V. Esta señal analógica puede ser transmitida desde el interfaz de acondicionado al resto del nodo sensor mediante dos hilos, si bien presenta una serie de inconvenientes:  Los cables que unen el interfaz con el nodo de la red inalámbrica de sensores tienen pérdidas que, aunque son muy pequeñas, si la distancia del interfaz al nodo es considerable pueden ser no despreciables. Estas pérdidas supondrán 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 32 de 92 Toda esta información se guarda en la memoria del interfaz cuya estructura se observa en la figura 12. Los 16 primeros bytes conforman el datasheet electrónico de la NTC y los 22 siguientes bytes el del sensor. En el apartado 2.3 se detalla el contenido de ambos datasheets electrónicos. En las posiciones 38 a 49 de la memoria del interfaz se almacenan los valores de configuración de los potenciómetros digitales para el acondicionamiento de la NTC y del sensor. Los 6 primeros, del 38 al 43, contienen las palabras digitales de los potenciómetros para el acondicionamiento de la NTC. Los otros 6, del 44 al 49, guardan las palabras digitales para el acondicionamiento del sensor. Por último en los 9 bytes del 50 al 58, se guardan los valores de los 3 bytes del registro de desplazamiento para realizar una lectura de la NTC, del sensor y para poder entrar en modo de bajo consumo donde todos los dispositivos están desactivados. 2 2. .2 2. .3 3 C CO OM MA AN ND DO OS S El protocolo I2C implementado en el dispositivo que hace de maestro (el nodo sensor), tiene capacidad para realizar lecturas y escrituras en una determinada dirección de memoria del dispositivo esclavo (el interfaz). En nuestro sistema pretendemos que no sólo haya lecturas y escrituras de la memoria del interfaz, sino que éste entienda una serie de comandos como “configura el interfaz para realizar el acondicionamiento” o “dame la lectura del sensor”. Para ello existen dos posiciones en la memoria del interfaz en las que si el nodo escribe unos determinados valores, el interfaz lo interpreta y ejecuta una serie de órdenes. Estas posiciones son la 15 en la que el nodo escribe comandos para la configuración y lectura de la NTC y la 37 para los comandos referidos al sensor. En los apartados siguientes se describen todos los comandos implementados en el sistema. Comando Parámetros NTC Como ya se ha comentado, el interfaz tiene en la memoria del microcontrolador los parámetros necesarios para que, una vez el nodo obtenga del interfaz el valor de la lectura del sensor, pueda conocer el valor de la magnitud física. Para ello, el nodo 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 33 de 92 sensor debe disponer de la información necesaria para su traducción, almacenada en el datasheet incluido en el interfaz. El comando parámetros ntc transfiere desde el interfaz al nodo sensor los parámetros correspondientes a la NTC integrada. Este comando permite al nodo leer las posiciones 0 - 14 de la memoria del interfaz, donde se encuentra la información requerida. Comando Parámetros sensor Al igual que con la NTC, para que el nodo pueda interpretar las lecturas del sensor conectado al interfaz de acondicionado es necesario que éste transmita el correspondiente datasheet electrónico. El comando parámetros sensor permite al nodo obtener esta información, realizando lecturas de las posiciones 16-36 de la memoria del interfaz. Comando Configuración interfaz NTC La electrónica programable del interfaz está compuesta por registros, potenciómetros, multiplexores y el VFC. Los multiplexores y el VFC deben activarse cuando el nodo pida la lectura del sensor o de la NTC. Sin embargo antes es necesario haber programado los potenciómetros digitales para que las medidas sean correctas. El comando Configuración interfaz NTC programa los 6 potenciómetros digitales para el correcto acondicionamiento de la NTC. El nodo envía este comando escribiendo en la dirección de memoria 15 la palabra 0xFF. El microcontrolador es quien realiza la programación de los potenciómetros, para ello utiliza la información guardada en las posiciones 38-43 de la memoria del interfaz. El empleo de programación en serie permite utilizar la línea SCL proporcionada por el nodo como reloj para programar los potenciómetros, ahorrando así un pin en el microcontrolador. Comando Configuración interfaz sensor De la misma forma que con Configuración interfaz NTC, el comando Configuración interfaz sensor programa los 6 potenciómetros digitales para un correcto acondicionado del sensor conectado al interfaz. En este caso el nodo debe escribir en la dirección de memoria 37 la palabra digital 0xFF. Igual que en el caso de Configuración interfaz 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 34 de 92 NTC, la programación de los potenciómetros se realiza en serie, empleando las posiciones de memoria 44-49 para su programación. Comando Lectura NTC El nodo tiene que ser capaz de solicitar al interfaz una lectura de medida de la NTC. Para ello utiliza el comando Lectura NTC, que se implementa escribiendo en la posición 15 de la memoria del interfaz la palabra digital 0xAA. Una vez que el micro del interfaz reconoce el comando, configura el registro de desplazamiento con el contenido de la memoria en las posiciones 53-55. El registro de desplazamiento es el que se encarga de activar los multiplexores y amplificadores permitiendo tener un valor de voltaje correcto a la salida del bloque de amplificación. Después el microcontrolador envía la señal de referencia de 500 kHz al VFC, que genera la señal digital con la información en la frecuencia. Esta señal es enviada al nodo, por la línea SDAI, para la conversión frecuencia-palabra digital. Cuando la conversión ha terminado, el nodo contesta con un ACK al interfaz, el micro del interfaz lo reconoce y deja de generar la señal de referencia del VCO. Para terminar el micro vuelve a configurar el registro utilizando la información guardada en las posiciones de memoria 50-52, así se vuelve a desactivar los multiplexores y los amplificadores quedando el interfaz en modo bajo consumo. En la figura 13 se observa el diagrama de estados del microcontrolador durante la ejecución del comando lectura NTC. Figura 13:Diagrama de estados del comando lectura NTC. Comando Lectura sensor Igual que Lectura ntc, el comando Lectura sensor proporciona al nodo la señal digital con la información sobre el valor de la medida codificado en su la frecuencia. Este comando es ejecutado por el interfaz cuando el nodo escribe en la posición 37 de la memoria del interfaz la palabra digital 0xAA. El microcontrolador, como en el caso de Lectura ntc, configura el registro (pero ahora con el contenido de las posiciones 56-58), 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 35 de 92 activa el VFC y cuando el nodo termina la conversión contesta con ACK, desactiva el VFC y configura el registro para establecer el modo bajo consumo del interfaz. En la figura 14 se observa el diagrama de estados del microcontrolador durante la ejecución del comando lectura sensor. Figura 14: Diagrama de estados del comando lectura sensor. 2 2. .2 2. .4 4 E ES ST TR RU UC CT TU UR RA A D DE EL L P PR RO OG GR RA AM MA A El objetivo de este apartado es proporcionar una breve descripción del diagrama de flujo del software programado en el microcontrolador. Se pretende dar una visión global de la estructura del programa descrita en los apartados anteriores. Figura 15: Estructura del programa La figura 15 muestra la estructura del programa que se describe a continuación. Una vez se alimenta el interfaz, el microcontrolador del interfaz se activa entrando en el bucle 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 36 de 92 principal. En la primera iteración, el micro pasa directamente al estado de espera. El estado de espera es un modo de operación de bajo consumo donde el micro se “duerme” y toda la electrónica del interfaz está desactivada. Al recibir una condición de inicio del protocolo I2C el micro sale de ese estado y pasa al de comunicación I2C. En este estado el micro recibe una dirección de memoria y la operación que debe realizar, lectura o escritura, volviendo posteriormente al bucle principal. Si en las direcciones de memoria 15 o 37 se han escrito las palabras digitales 0xAA o 0xFF, desde el bucle principal se ejecutará el correspondiente comando: Lectura NTC, Lectura sensor, Configuración NTC, Configuración sensor. En caso contrario el micro vuelve al estado de espera hasta que se produzca una nueva comunicación I2C. 2.3 SENSORES APLICADOS El objetivo fundamental del proyecto fin de carrera es diseñar un interfaz que sea compatible con el mayor número posible de sensores. Los sensores reaccionan ante cambios en magnitudes físicas (temperatura, presión, humedad...), produciendo cambios en características que pueden ser detectadas en un circuito eléctrico (voltaje, intensidad, resistencia, inductancia y capacidad). Desde este punto de vista podemos clasificar los sensores en resistivos, capacitivos, inductivos, con salida en tensión o con salida en corriente. Los sensores capacitivos e inductivos necesitan condensadores y bobinas para ser acondicionados, pero con las tecnologías actuales no existen condensadores ni bobinas programables digitalmente, con valores apropiados para nuestra aplicación. Además los sensores inductivos suelen ser voluminosos, pesados y de consumo elevado, por lo que apenas se emplean en aplicaciones portátiles. Ello nos ha llevado a desarrollar un interfaz compatible con los tipos de sensores más comunes en este tipo de aplicaciones, descartando estos dos tipos de sensores. Así el objetivo es que el interfaz sea compatible con sensores resistivos, con salida en voltaje y con salida en corriente, independientemente de la extensión de las variaciones en la salida. Los sensores resistivos escogidos son una LDR (Light Dependent Resistor), un sensor de humedad y la NTC. La NTC sufre cambios relativamente pequeños en el valor de su resistencia, mientras que la LDR y el sensor de humedad sufren cambios grandes. Como sensores de salida en voltaje se han seleccionado un sensor Hall y un termopar. El 2.Diseño del interfaz Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 37 de 92 sensor Hall produce salidas en tensión relativamente altas, mientras que el termopar es un sensor diferencial con variaciones de tensión muy pequeñas. En cuanto a sensores de salida en intensidad se ha elegido un fotodiodo cuyas variaciones en la salida son muy pequeñas. No es sencillo encontrar sensores de intensidad que proporcionen valores altos de corriente, y carece de sentido en aplicaciones de baja potencia. En el anexo D se detallan las características principales de estos sensores, así como las variables guardadas en los datasheet electrónicos y los valores de ganancia y offset aplicados en cada sensor. Cada sensor tendrá su propio datasheet electrónico en el que se almacenarán variables como resistencias, temperatura, niveles de luz, coeficientes de polinomios de aproximación. Algunas de éstas serán variables enteras y otras reales y tendrán distintos rango de variación. Se han definido 4 tipos de variables(char, short, int, real) que manteniendo una precisión suficiente consiguen ahorrar espacio frente a la definición de estas variables en el lenguaje C. En el anexo E se explica los tipos y la definición de estas variables. 3.Red inalámbrica de sensores Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 39 de 92 3 3 R RE ED D I IN NA AL LÁ ÁM MB BR RI IC CA A D DE E S SE EN NS SO OR RE ES S En este apartado de la memoria se explica el concepto de red inalámbrica de sensores (Wireless Sensor Network, WSN), se citan las características básicas de la WSN para la detección temprana de incendios desarrollada en el Grupo de Diseño Electrónico y por último se detalla cómo se integra el interfaz diseñado dentro de los nodos de dicha red. 3.1 INTRODUCCIÓN Las WSN son un conjunto de nodos sensores que son capaces de obtener información del entorno y transmitirla mediante ondas electromagnéticas a otros nodos, de forma que la información llegue a una estación base donde pueda ser tratada y analizada. La principal característica de estas redes es que los nodos están distribuidos por el entorno, lo que conlleva que no tengan acceso a red eléctrica y por lo tanto tienen que ser alimentados por baterías. Así una de las principales pautas en el diseño de una WSN es un bajo consumo para maximizar la vida útil de las baterías. Actualmente las técnicas más utilizadas para la prevención y detección de incendios están basadas en imágenes de satélites meteorológicos o en la información obtenida por los puestos de guardas forestales. Estas técnicas no nos aportan información local, que puede ser relevante para prevenir y detectar los incendios forestales, algo que es factible con WSN. Las causas más comunes de incendios forestales son las tormentas eléctricas, el calor extremo y sequedad del suelo. Éstas pueden ser detectadas por sensores localizados dentro de los nodos de la red que midan localmente parámetros ambientales como humedad relativa, temperatura, luminosidad, humo, etc. Esta es la motivación que existe detrás del proyecto del GDE [6] para la implementación de una WSN para la detección temprana y prevención de incendios forestales. 3.Red inalámbrica de sensores Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 40 de 92 3.2 ESTRUCTURA DEL NODO Las WSN están formadas por un conjunto de nodos, que deben tener capacidad de poder obtener información de parámetros ambientales y de transmisión de esta información. Un nodo consta de los siguientes componentes:  Un microcontrolador, responsable de controlar y sincronizar la adquisición de los datos de todos los sensores, de preparar la información a enviar y de gestionar los recursos del nodo.  Un transceptor Xbee, que opera a 2,4 Ghz, cumpliendo el estándar 802.15.4.  Una fuente de alimentación compuesta de dos pilas AA que proporcionan 3 voltios.  Una antena tipo dipolo que proporciona una cobertura de alrededor de 100 metros.  Un conjunto de sensores con su adecuada electrónica de acondicionamiento. Entre ellos destacan sensores de humedad, presión, intensidad luminosa, humo, temperatura, etc. En la siguiente figura 16 se observa la PCB diseñada, en la que se distingue el microcontrolador, el transceptor y los conectores en donde se colocan los sensores. Figura 16: PCB del nodo sensor 3.Red inalámbrica de sensores Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 41 de 92 3.3 TOPOLOGÍA DE LA RED La red diseñada sigue con la filosofía de las redes de área personal inalámbricas y de baja tasa de transmisión de datos (LR-WPAN), especificadas por el estándar IEEE 802.15.4[7]. En el estándar se describe el nivel físico (PHY), el nivel de enlace y el control de acceso al medio (MAC). El estándar es abierto a dos topologías de red diferentes, redes en estrella y peer to peer. A su vez las redes peer to peer pueden tener topologías en malla o en árbol. Las redes en estrella tienen como ventaja su sencillez, bajo consumo y pequeña latencia de los mensajes, su principal desventaja es que sólo llegan a cubrir decenas de metros. Las redes peer to peer permiten cubrir distancias mayores (cercanas al kilómetro), pero el consumo y la latencia son mayores debido a las retrasmisiones en los nodos intermedios. La topología de red elegida es peer to peer en malla. Podemos distinguir 2 tipos de nodos: nodo coordinador y los nodos FFD( Full Functionality Device). El nodo coordinador es el que se encarga de recibir los datos del resto de nodos de la red, está conectado vía USB con el PC central desde donde se procesa toda la información. El resto de nodos son FDD, esto significa que tienen capacidad tanto para enviar los datos de sus sensores hacia la red como para la recepción y retransmisión de los datos de otro nodo, lo que permite que la información fluya a través de la red hasta llegar al nodo coordinador. Figura 17: Topología peer to peer en malla. Un parámetro fundamental en el diseño de una WSN es el ciclo de trabajo o duty cycle . El ciclo de trabajo es el porcentaje de tiempo que el nodo está activo respecto del total. 4.Resultados Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 48 de 92 La figura 18 muestra el consumo del interfaz durante el primer ciclo de trabajo, es decir, la primera vez que el nodo sensor se despierta y detecta el interfaz conectado. Las fases de este primer ciclo son: - Inicialmente el interfaz está en modo bajo consumo, donde la potencia disipada es aproximadamente 12 μW. - Después el interfaz envía los datasheet electrónicos de la NTC y del sensor. En esta fase sólo está activo el micro en el interfaz, provocando un consumo cercano a 4.5mW. - Posteriormente se ejecutan los comandos configuración interfaz NTC y lectura NTC para obtener la medida de la NTC. Durante el primero está activo el micro y los potenciómetros, consumiendo el interfaz cerca de 5.8 mW .Durante el segundo se activa toda la electrónica del interfaz, subiendo el consumo a los 20mW. - Por último se ejecutan los comandos configuración interfaz sensor y lectura sensor para obtener la medida del sensor. Como antes en el primero se programan los potenciómetros digitales y el vuelve a estar entorno a 5.8-5.9 mW. En el segundo se vuelve a activar toda la electrónica del interfaz alcanzándose un consumo de 19mW, al que hay que añadirle el consumo del sensor que se quiera colocar en el interfaz. Una vez que se ejecutan estos dos comandos el interfaz vuelve al modo bajo consumo. En el resto de ciclos de trabajo, el consumo del interfaz es aproximadamente el del primer ciclo, salvo que la segunda fase desaparece ya que no se vuelven a enviar los datasheet electrónicos. Una forma de comparar el consumo del nodo y el consumo del interfaz, es calcular el porcentaje de consumo del interfaz respecto al consumo total del nodo. Los datos del consumo del nodo fueron proporcionados por mis compañeros del GDE, así pude calcular que el consumo del interfaz supone el 2.25% del consumo del nodo. Si hacemos la comparación respecto a la duración de las baterías del nodo, conectar el interfaz supone una reducción de 8 días y 4 horas de autonomía. 5.Conclusiones Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 49 de 92 5 5 C CO ON NC CL LU US SI IO ON NE ES S 5.1 CONCLUSIONES DEL PROYECTO La inteligencia ambiental ha experimentado un gran desarrollo durante los últimos años, convirtiéndose, hoy en día, en un concepto de gran relevancia. Los sensores nos permiten medir magnitudes físicas del entorno, por lo que son el elemento básico de la inteligencia ambiental. Existen muchos tipos de sensores con esquemas de acondicionamiento diferentes, rangos de medida muy dispares, etc. Por todo esto es una buena aportación diseñar un interfaz compatible con diferentes tipos de sensores, que sea capaz de acondicionarlos, que posea sus características básicas y que se pueda conectar con una unidad de procesamiento externa(PC o nodo de WSN), creando smart sensors que minimicen la ayuda del usuario. El diseño del interfaz es compatible con sensores resistivos, con salida en voltaje y corriente. La plataforma nos permite seleccionar el esquema de acondicionamiento básico adecuado para el sensor colocado. Después la señal de salida de la plataforma pasa por el bloque de ganancia, donde se amplía su rango de variación a VDD-0v para mejorar la precisión del sistema. Posteriormente se realiza una conversión tensiónfrecuencia para eliminar las interferencias y los errores por pérdidas en los cables. Toda la electrónica del interfaz es controlada por un micro de bajo coste, que también se encarga de las comunicaciones del interfaz con el exterior mediante el protocolo I2C. El micro es capaz de entender y ejecutar 6 tipos de comandos que le llegan del exterior: parámetros NTC y parámetros sensor, con los que se transfiere el datasheet electrónico del sensor y de la NTC; configuración interfaz NTC y configuración interfaz sensor para programar los potenciómetros digitales; lectura NTC y lectura sensor para devolver la señal digital con la información de la medida en la frecuencia. 5.Conclusiones Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 50 de 92 Por último, el interfaz se ha integrado en un nodo de la WSN desarrollada por el GDE. Se ha comprobado el correcto funcionamiento con los siguientes sensores: hall, termopar, LDR, fotodiodo, humedad y NTC. Se han medido sus errores y el consumo del interfaz obteniendo una reducción de la autonomía del nodo de aproximadamente 8 días. 5.2 PROPUESTAS DE MEJORA Aunque el PFC ha tenido buenos resultados y se han cumplido los objetivos de diseño iniciales, a continuación expongo algunas propuestas de mejora y de trabajo futuro. Durante el diseño del interfaz toda la electrónica fue montada sobre protoboard, una vez que tenemos el diseño definitivo se propone el diseño de la PCB. Los potenciómetros digitales del interfaz son lineales y de 256 pasos. El fabricante nos proporciona los valores de resistencia para cada uno de los pasos, pero con una incertidumbre elevada. En nuestra aplicación es crítico conocer los valores exactos de dichos potenciómetros, ya que de ellos depende el acondicionamiento básico, y las etapas de ganancia y offset variable. Por ello se propone como mejora un sistema de autocalibrado en el interfaz. Actualmente en la WSN desarrollada por el GDE en cada ciclo de trabajo los nodos toman una sola medida de los sensores. Esto supone que el transceptor Xbee consuma más del 90 por ciento del consumo del nodo. Por ello se propone un análisis del consumo en función de la arquitectura[8] de red inalámbrica (Estrella, Mallada, Árbol jerárquico), los protocolos de encaminamiento utilizados, el protocolo de transporte desarrollado y la paquetización de la información teniendo en cuenta los requerimientos temporales. Para ello sería necesario caracterizar el consumo tanto de los nodos sensor como en los nodos de transporte. En esta misma línea también se propone el estudio mediante simulación de la escalabilidad del proceso para topologías con un número elevado de nodos 5.Conclusiones Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 51 de 92 5.3 CONSIDERACIONES PERSONALES En este último apartado voy a comentar la experiencia personal vivida en la realización del proyecto y una valoración personal del mismo. En cuanto a la experiencia personal he de remarcar que lo más complejo fue el inicio del proyecto. El proceso comienza cuando te planteas que es el momento de iniciar el PFC. Lo primero es encontrar un proyecto con una temática que encaje con tus gustos y con tu perfil, que en muchos casos puede convertirse en una tarea complicada. En mi caso, estaba realizando el postgrado en microsistemas e instrumentación inteligente, por ello entré en contacto con el GDE y ellos fueron los que me propusieron la temática del PFC. Una vez que elegí el proyecto el primer paso fue documentarme, estudiar trabajos en la misma línea y estudiar estándares. El segundo paso fue empezar a programar el microcontrolador, algo que en la carrera no había hecho, y además en lenguaje C del que no tenía demasiada experiencia. Esta segunda fase fue costosa y a partir de aquí pasé a diseñar el hardware, implementar el protocolo de comunicaciones, elegir los sensores y finalmente a integrar el interfaz en el nodo de la WSN. La valoración personal del PFC es muy satisfactoria, creo que es un paso necesario para convertirte en un ingeniero, es el paso en el que se ponen en práctica todos los conocimientos adquiridos durante la carrera y el estudiante se acerca un poco más a lo que va a ser su futuro profesional. 6.Planificación temporal Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 53 de 92 6 6 P PL LA AN NI IF FI IC CA AC CI IÓ ÓN N T TE EM MP PO OR RA AL L Figura 19: Diagrama de Gantt del PFC 7.Bibilografía y fuentes Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 55 de 92 7 7 B BI IB BL LI IO OG GR RA AF FÍ ÍA A Y Y F FU UE EN NT TE ES S [1] John Mark, Paul Hufnagel, ” The IEEE 1451.4 Standard for Smart Transducers” IEEE Standars association, Mayo 2004. [2] G. Meijer, "Smart Sensor Systems", Wiley, 2008. [3]G. Zatorre, N. Medrano, M.T. Sanz, P.A. Martínez, S. Celma, "Robust Adaptive Electronics for Sensor Conditioning", Proc. IEEE Sensors 2007, Atlanta (EE.UU.), octubre,2007. [4] S. Yurish, "Digital sensor design based on universal frequency sensors interfacing IC", Sensors and Actuators A 132 (2006) 265-270 [5] Philips semiconductors, “The I2C-Bus especifications” Enero 2010. [6] A. Bayo, D. Antolín, N. Medrano, B. Calvo, S. Celma, “Development of a Wireless Sensor Network System for Early Forest Fire Detection” European Workshop on Smart Objects: Systems, Techologies and Applications, RFID-systech 2010. Ciudad Real , Junio 2010. [7] José A. Gutiérrez, Edgar H. Callaway, Raymond L. Barrett, “ Enabling Wireless Sensors with IEEE 802.15.4” Standars Information Network IEEE Press, Enero 2007. [8] E.H. Callaway, “Wireless Sensor Networks, Architectures and Protocols”, CRC Press, 2004. 8.Acrónimos y abreviaturas Interfaz inteligente para sensores de bajo coste en aplicaciones portátiles para inteligencia ambiental 57 de 92 8 8 A AC CR RÓ ÓN NI IM MO OS S Y Y A AB BR RE EV VI IA AT TU UR RA AS S IA Inteligencia Ambiental WSN Wireless Sensor Network TEDS Transducer Electronic Datasheets VFC Voltage to Frecuency Converter I2C Inter Integrated Circuit NTC Negative temperature coefficient GND Ground LDR Light Dependent Resistor SCL System Clock SDA System Data ACK Acknowledgement NIST National Institute of Standard and technology PCB Printed Circuit Board LR-WPAN Low-Rate wireless Personal Area Network PHY Physical MAC Medium access control