Diseño de capa de comunicaciones para plataforma modular de redes de sensores inalámbricas basada en el chip CC2520

Martínez García, Alicia (2017). Diseño de capa de comunicaciones para plataforma modular de redes de sensores inalámbricas basada en el chip CC2520. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Diseño de capa de comunicaciones para plataforma modular de redes de sensores inalámbricas basada en el chip CC2520
Autor/es:
  • Martínez García, Alicia
Director/es:
  • Portilla Berrueco, Jorge
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: IEEE 802.15.4, plataforma modular Cookie, CC2520
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El presente trabajo fin de grado (en adelante TFG) se presenta como un gran reto ingenieril para el estudiante en una de las tecnologías más en auge en este momento. Se trata de la realización del diseño de una capa de comunicaciones para una plataforma modular de redes de sensores inalámbricas basada en el chip CC2520. El chip CC2520 es un transceptor de radiofrecuencia en la banda ISM sin licencia de 2.4 GHz compatible con el estándar IEEE 802.15.4 y que soporta la implementación de la tecnología ZigBee. Esta tecnología se caracteriza por su baja tasa de datos, su bajo consumo, su flexibilidad de red y su facilidad de implementación. Es por estas cuatro cualidades por las cuales esta tecnología es la más utilizada en el campo de las redes de sensores inalámbricas. El estándar IEEE 802.15.4 y ZigBee son protocolos que se basan en el modelo OSI (Open System Interconnection) para su definición, un modelo que divide en 7 capas el proceso de transmisión de la información de un dispositivo a otro en una red de comunicaciones. De los siete niveles que componen esta estructura, el estándar IEEE 802.15.4 define el nivel físico y el control de acceso al medio (MAC) mientras que ZigBee define el resto de capas superiores. Tras un periodo de estudio de la herramienta, se procedió a realizar el diseño del esquemático. Para ello, se tomó como modelo de referencia el esquemático proporcionado por el fabricante, aunque se buscaron mejoras a realizar tanto en el esquemático realizado en la anterior capa de comunicaciones como con las opiniones encontradas en internet de personas que lo habían implantado. Indicar que tuvieron que hacerse modificaciones debido a las características típicas de la plataforma modular Cookie. Se definió su tamaño a 40x60mm para que coincidiese con el resto de capas y su añadieron los conectores situados a ambos lados, teniendo especial importancia la situación de estos para que la placa encajase con el resto. Además se modificó el conector SMA de conexión de la antena externa recomendado por el fabricante a un conector SMA de borde que se pudiese conectar la antena aun estando la placa de comunicaciones conectada en la parte inferior de la Cookie. Otras modificaciones realizadas se debieron a la búsqueda de equivalencia entre la nueva placa y la placa del módulo CC2420. Para ello se realizó una conexión de los pines del transceptor CC2520 del mismo modo que se encontraban conectados los del CC2420. Las señales clave que se tuvieron en cuenta fueron las señales propias del estándar SPI (SI, SO, SCLK y CSn), las señales de control del transceptor (VREG_EN, RESETn) y las señales de propósito general (GPIO0, GPIO1, GPIO2, GPIO3, GPIO4 y GPIO5), que aunque éstas no se encontraban en el módulo CC2420 definidas de esta forma tan genérica, algunas de ellas sí que se encontraban de forma específica. El proceso de diseño del esquemático conllevó a su vez la creación de bibliotecas de esquemáticos y bibliotecas de huellas (footprints) debido a que varios componentes del esquemático realizado no constituían parte de las bibliotecas de la herramienta de diseño. Finalmente, tras dar por terminado el esquemático se procedió a realizar el layout. Este era el proceso más importante del proyecto ya que de él dependía el éxito del diseño y como consecuencia el funcionamiento de la tarjeta. Uno de los elementos clave de una tarjeta de comunicaciones es la antena. La capa de comunicaciones diseñada incorpora dos antenas, una implementada sobre la PCB y una antena externa cuya conexión se realiza mediante el conector SMA de borde situado en el parte superior (si se observa en el plano). La antena diseñada en la PCB es una antena plana invertida-F (IFA), clasificada como antena omnidireccional en el plano de la PCB si atendemos a su diagrama de radiación. Su diseño se obtuvo directamente del diseño de referencia del fabricante y se implantó en el layout sin realizársele ninguna modificación, dado su papel fundamental y su delicadeza. Pero el elemento crucial de la capa de comunicaciones es el balun. El balun (balanced-unbalanced lines transformer) puede provocar una gran caída del rendimiento si se diseña de forma errónea dado que es la parte que une la antena con los pines del transceptor que envían /reciben la señal (RF_P y RF_N). Su principal función es convertir la señal diferencial de RF (señal balanceada) en una señal no balanceada, para que la antena (no balanceada) pueda transmitirla. Además se encarga de adaptar la impedancia vista desde los pines del transceptor para que la señal sea transmitida con la máxima potencia (el fabricante indica como óptima una impedancia de 50 Ω). El balun se implementó directamente sobre la PCB con ayuda de los planos ofrecidos por el fabricante, pero esta implementación se convirtió en un arduo trabajo debido a la imposibilidad de importación de los planos en el diseño de la PCB. Como consecuencia de este impedimento hubo que trasladar las medidas de las pistas manualmente, lo que comprendió gran cantidad de tiempo dada la transcendencia de la operación. Finalmente, tras la revisión de toda la tarjeta, se envió a fabricar. Fue entonces cuando se comenzó a trabajar con el software. El software está organizado de tal forma que cada elemento de la plataforma posee su propio archivo .c en el que se definen todas las funciones propias y mediante un programa principal se ejecutan las funciones necesarias según las necesidades del momento. Las principales funcionalidades implementadas son: • Reinicio del transceptor. • Modificación del modo de estado. • Modificación del canal de funcionamiento. • Recepción de mensajes. • Transmisión de mensajes. Además de éstas se han implementado funciones para todas las instrucciones disponibles en el set de instrucciones del transceptor CC2520 entre las que se destacan la de lectura y escritura de los distintos tipos de registros, acceso a la memoria y apagado del transceptor. Tras recibir la tarjeta ya fabricada y montada varias semanas después, se procedió a su verificación. En primer lugar se comprobó lo esencial, es decir, que el transceptor era capaz de enviar/recibir datos vía SPI y a su vez el microcontrolador los recibía/enviaba. Tras esta prueba inicial se procedió a comprobar las funcionalidades del transceptor, se comprobó que éste fuese capaz de enviar y recibir datos a través de la antena. Para ello se utilizó una tarjeta con el módulo CC2420 para que, en caso de fallo, se eliminase la incertidumbre de un mal diseño de la antena. Tras varios intentos fallidos, finalmente se consiguió depurar el software eliminando las fuentes de error, resultando así que el diseño de la placa era el correcto. Tras varias pruebas entre ambos módulos se procedió a verificar la funcionalidad entre dos tarjetas con módulo CC2520, que tras el éxito de las anteriores, éstos se sucedieron al instante. Fue entonces cuando se procedió a la realización de las pruebas de caracterización. En primer lugar se comenzó con la comprobación de la variación del valor de RSSI con la potencia de transmisión, obteniéndose como resultado lo esperado: al reducir la potencia de transmisión el valor de RSSI se reduce. Posteriormente se comprobó con el mismo éxito la variación del valor de correlación con los obstáculos situados entre los módulos, ya que al aumentar los obstáculos entre éstos, el valor de correlación se reduce, indicando así que la calidad del enlace empeora. Finalmente se realizaron pruebas para determinar el alcance de la antena implementada en la PCB tanto en interiores como en exteriores, obteniéndose un alcance de más de 90 metros en interiores y de aproximadamente 85 metros en exteriores lo que indica un buen rendimiento de la capa de comunicaciones y de la antena implementada en particular.

Más información

ID de Registro: 45270
Identificador DC: http://oa.upm.es/45270/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45270
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 23 Mar 2017 08:11
Ultima Modificación: 23 Mar 2017 08:11
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