Nodos WSN alimentados a energía solar con sistema de monitoreo de salud.

Autor

Esp. Ing. Juan Montilla

Director del trabajo

Esp. Ing. Pedro Ignacio Martos

Jurado

- Esp. Ing. Leonardo Carducci (FIUBA)- Mg. Ing Augusto Maya (FIUBA)-

Plan de Proyecto del Trabajo Final de Carrera de Especialización de Sistemas Embebidos

PropósitoDiseñar un sistema con la capacidad de monitorear y gestionar remotamente nodos respaldados con carga de batería a partir de paneles solares y distribuidos en redes LR-WPAN.

Obtener el título de especialista en Sistemas Embebidos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires.

Proponer una solución preventiva a la falta de disponibilidad debido a fallas de energía o temperatura de entorno de nodos Mote LSE con sistema autónomo de batería, que reporte alarmas de salud a un nodo central y tome acciones para el ahorro de energía.

Complemento en el despliegue de nodos que soportan el protocolo 802.15.4.

Justificación

Interesados Auspiciante LSE-FIUBA

Cliente Esp. Ing. Pedro Martos LSE Docente CESE

Impulsor Ing. Esp. Juan Montilla LSE Estudiante CESE

Responsable Ing. Esp. Juan Montilla LSE Estudiante CESE

Colaboradores Dr. Ing. Ariel Lutenberg

LSE Director LSE-FIUBA

Orientadores Esp. Ing. Pedro Martos LSE Docente CESE

Equipo WSN Working Group LSE

Opositores No se conocen

Usuario Final WSN Working Group LSE

Conectividad inalámbrica en aplicaciones con

limitaciones de potencia.

MAC Sublayer: Acceso al canal físico para todo tipo de transferencias.

Physical Layer (PHY): Mecanismo de control del transceiver RF.

Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)

IEEE 802.15.4

Cluster tree Topology

2

3

1

Placa LPC1343 con procesador ARM Cortex-M3 de 32 bits, 32 KB de flash y 8 KB de SRAM a una frecuencia de reloj de 72 MHz.

Módulo fotovoltaico para pequeños consumos (10W)

Equipamiento

Transceiver CC2520Muy bajo consumo de corriente:RX: 18.5 - 22.3 mA.TX: 25.8 - 33.6 mA.

3 modos de potencia flexibles para consumo reducido.

Control total de respuestas automáticas a diferentes eventos.

Equipamiento

Objetivos➔ Gestionar el modo de operación del

nodo en función de la tensión que entrega el circuito cargador y la proyección de la batería restante.

➔ Supervisar la temperatura del entorno del nodo.

➔ Reportar a un nodo central el estado de salud del nodo.

➔ Fijar y leer en forma remota las alarmas/parámetros de configuración.

➔ Presentar el trabajo final en junio de 2016.

➔ Agregar al nodo Mote LSE un circuito cargador a partir de un panel solar.

➔ Desarrollar un software de supervisión de nodos Mote LSE con extensión de panel solar.

➔ Implementar el sistema en 4 nodos desplegados en una red inalámbrica de área personal.

AlcanceEl nodo será capaz de determinar el modo de operación entre batería y panel solar en función de la tensión que entrega el circuito cargador del panel y la proyección de batería restante.

Los cambios necesarios para soportar otro hardware no son incluidos en el proyecto.

Opera con los nodos Mote LSE con la extensión de un circuito cargador de la batería a partir de un panel solar.

Se desarrollará un sistema de monitoreo de salud de los nodos en red LR-WPAN.

Requerimientos

Hardware

➢ Compatibilidad con nodos Mote LSE.

➢ Agregar extensión de circuito cargador a partir de panel solar de 12Vx0.5A (10W).

Software

➢ 4 nodos.➢ Topologías:

estrella, peer-to-peer y árbol de cluster.

➢ Memoria no volátil donde guarda valores de alarma, parámetros monitoreados, etc.

Software

➢ Escritura y lectura en forma remota.

➢ Cambio de modos en función de la tensión que entrega el panel solar.

➢ Recarga batería en función de batería restante y la tensión del panel solar.

Requerimientos

Software - Todo momento

➢ Consumo de corriente.➢ Temperatura ambiente.➢ Tensión que entrega el

panel solar.➢ Modo (batería/panel).➢ Alarmas temperatura

ambiente (mayor o menor).

➢ Tiempo total que lleva el nodo funcionando.

Software - modo bateria

➢ Salud de la batería (tensión, corriente y temperatura).

➢ Proyección de batería restante.

➢ Alarmas: Tiempo de vida proyectado del nodo (<); tensión de batería (<), corriente de batería (>), y temp. de batería (>).

Software - modo panel

➢ Estado del sistema de recarga.

➢ Tiempo restante estimado para recarga total de la batería.

➢ Cantidad de ciclos de carga/descarga acumulados.

➢ Si está recargando la batería.

Requerimientos

Documentación

➢ El manual de uso especifica los parámetros de red configurables para implementar el sistema.

➢ Diagramas de instalación de las tres topologías posibles según 802.15.4.

Y entregables

➢ Presentación pública de informe de avance ante el jurado el 31 de marzo de 2016.

➢ Presentar un trabajo final.

AON

GANTT

Gestión de riesgos

Riesgo Severidad Ocurren. Detección RPN Severidad* Ocurren.* Detecc * RPN*

1 7 7 4 196 3 2 6 36

2 9 5 3 135 3 3 3 27

3 2 2 2 8

4 9 1 1 9

5 8 5 4 160 5 3 2 30 Se tomarán medidas de mitigación en los riesgos cuyos números de RPN sean mayores a 120.

1: Fallas en el establecimiento de la comunicación entre los nodos por diversos aspectos. 2: El hardware del Nodo Mote LSE sufre daños.5: La falta de experiencia en programación no permite cumplir con los tiempos de las tareas.

Medida de mitigación

Riesgo 1

Comunicación

Los ensayos serán practicados en ambientes medianamente controlados con línea de vista y corta distancia entre los nodos.

S (3) O (2) D (4)

Riesgo 2

Hardware

Se podrán duplicar los resultados obtenidos en los nodos que no sufrieron daños.

S (3) O (3) D (3)

Riesgo 5

Experiencia

El responsable del proyecto tendrá la posibilidad de consultar foros en la web y de organizar workshops con sus compañeros. DevOps

S (5) O (3) D (2)

● -Req #1: El sistema debe operar en topologías de tipo estrella, peer-to-peer y árbol de cluster.○ Calidad: El sistema soporta las tres topologías.○ Grado de calidad: El sistema soporta la movilidad de los nodos.○ Costos de conformidad: Se estima que se emplearán 50 hs.○ Costos de no conformidad: Se deberá realizar nuevamente la configuración.○ Verificación: Consultar con otro profesional por las contemplaciones.○ Validación: Transmitir una trama de datos por la red.

● -Req #2: El cambio de modos entre batería y panel solar lo hace el nodo en función de la tensión que entrega el panel solar; el nodo debe funcionar en modo panel solar todo lo posible.○ Calidad: El nodo decide el modo de funcionamiento sobre la marcha.○ Grado de calidad: La mayor parte del tiempo el nodo funciona en modo panel.○ Costos de conformidad: Se estima que se habrán empleado 135 hs.○ Costos de no conformidad: Emplear más horas, indispensable para operar con el panel solar.○ Verificación: Controlar que a un valor de tensión específico que entrega el panel solar, el nodo

cambia a modo panel y cuando no sea suficiente cambie a modo batería.○ Validación: Leer de forma remota el modo de operación de los nodos.

Gestión de calidad

● -Req #3: La recarga de la batería la decide el nodo en función de la proyección de batería restante y la tensión que entrega el panel solar.○ Calidad: El nodo decide cuando cargar la batería.○ Grado de calidad: El sistema logra la alimentación ininterrumpida.○ Costos de conformidad: Se emplean 60 hs.○ Costos de no conformidad: Emplear más horas, es indispensable para operar con la batería.○ Verificación: Controlar que las mediciones de la batería aumentan en estado de recarga.○ Validación: Comprobar los cambios de estado al alcanzar los distintos umbrales.

● Req #4: El nodo monitorea distintos parámetros en todo momento y en cada modo de operación○ Calidad: El nodo realiza sólo las mediciones pertinentes en cada modo.○ Grado de calidad: Se determina el grado de exactitud de las mediciones.○ Costos de conformidad: Ensayos con variaciones en la carga de la batería y la temperatura.○ Costos de no conformidad: Aprender el funcionamiento del sensor térmico IC (30 hs).○ Verificación: Usar el ADC del microcontrolador para medir el voltaje de salida en el GPIO0 del

cc2520 y luego calcular la temperatura. Controlar el dispositivo cargador de batería del nodo y calcular la carga en base a la corriente proporcional reportada por el dispositivo.

○ Validación: Mediciones en distintos entornos/escenarios.

Gestión de calidad

Fin de la planificación

¿Preguntas?