A Programmable UWB-IR Wireless Sensor Node Prototype, Using the Intel WISP Platform

Abstract

English: Remote sensing and measuring is becoming more important with accelerating advances in technology. The ability to process large amounts of data using the internet and advanced digital signal processing techniques means that data can be collected, processed, organized, and interpreted as never before in history. This opens up possibilities of detailed monitoring of the environment, wildlife habitats, complex industrial machinery, aerospace vehicle platforms, and consumer equipment and the home environment. Sensing has advanced from manual meter reading to centralized data acquisition systems to a new era of distributed wireless sensor networks. The aim of this work is to design a programmable prototype for a UWB RFID node. UWB RFID technology develops asymmetric wireless links so as to achieve high throughput, long operating range, high security, low power consumption and low manufacturing cost. This node can be compatible with EPC Global C1 G2 or develop the UWB RFID protocol, and includes a 7-segment display, thermometer and accelerometer. It is built in conjunction with Intel WISP4.1 DL. There is a complete explanation of the hardware and the software designed as well as an analysis of a wide range of performance measurements. Thus, this prototype allows data rate up to 1.6 Mbps at 2 meters, while switching on a ?7-segments?. Moreover, in this work, an innovative node prototype is proposed. This node presents, among other features, a power scavenging unit which may be more than twice as powerful than Intel WISP4.1 DL. This improvement is caused by two aspects. Firstly, it includes a positive an a negative branch to develop a multi-stage bridge rectifier, dislike the single one in Intel WISP; one is supplying the node while the other one is charging. Secondly, it permits to adjust the number of stages in each branch so as to maximise the power obtained.

Castellano: Los sistemas de medición a distancia están siendo cada vez más importante gracias a los constantes avances en tecnología. La habilidad de procesar grandes volúmenes de datos usando Internet y técnicas de procesamiento digital de señales permite que los datos puedan ser recolectados, procesados, organizados e interpretados como nunca se había hecho antes. Esto ofrece un amplio abanico de posibilidades en la monitorización detallada del entorno, de hábitats salvajes, de maquinaria industrial compleja, de vehículos aeroespaciales y del entorno doméstico, entre otros. Estas medidas han avanzado des de la lectura manual métrica hacia los sistemas de adquisición de datos centralizados hacia la nueva era de redes de sensores inalámbricos. El objetivo de este trabajo es el diseño de un prototipo programable de nodo UWB RFID. La tecnología UWB RFID usa enlaces inalámbricos asimétricos para conseguir una alta velocidad de datos, amplia distancia de operación, seguridad, bajo consumo y bajo coste de fabricación. Este nodo es compatible con el estándar EPC Global C1G2 y también puede implementar el protocolo UWB RFID. Además, incluye un display de 7 segmentos, un termómetro y un acelerómetro. Está construido en conjunción con el WISP4.1 DL de Intel. El documento incluye una descripción completa tanto del hardware como del software, así como un análisis de las medidas de rendimiento en función de la distancia al colector de datos. Este prototipo, pues, permite velocidades de datos de hasta 1.6 Mbps a una distancia de 2 metros, mientras enciende un 7-segmentos. Este trabajo también incluye la propuesta de un prototipo para un nodo innovador. El nuevo nodo presenta, entre otros aspectos, una unidad de captación de energía que puede ser más del doble de potente que el WISP4.1 DL. La mejora se debe a dos factores. El primero, usa un ramal positivo y uno negativo para el rectificador de puente multi-etapa, frente al único ramal del WISP; uno subministra energía al nodo mientras el otro se carga. El segundo, permite ajustar el nombre de etapas en cada ramal para maximizar la energía obtenida.

Català: Els sistemes de medició a distància estan esdevenint cada vegada més important gràcies als constants avenços en tecnologia. La habilitat de processar grans volums de dades fent ús d'Internet i tècniques de processament digital de senyals permet que les dades puguin ser col•lectades, processades, organitzades i interpretades com mai s'havia fet abans. Això ofereix un ampli ventall de possibilitats en la monitorització detallada de l'entorn, d'hàbitats salvatges, de maquinària industrial complexa, de vehicles aeroespacials i de l'entorn domèstic, entre altres. Aquestes mesures han avançat des de la lectura manual mètrica cap als sistemes d'adquisició de dades centralitzats i cap a la nova era de xarxes de sensors sense fils. L'objectiu d’aquest treball és el disseny d'un prototip programable de node UWB RFID. La tecnologia UWB RFID usa enllaços sense fils asimètrics per tal d'aconseguir una alta velocitat de dades, àmplia distància d'operació, seguretat, baix consum i baix cost de fabricació. Aquest node és compatible amb l’estàndard EPC Global C1G2 i també pot implementar el protocol UWB RFID. Amb tot, inclou un display de 7 segments, un termòmetre i un acceleròmetre. Està construït en conjunció amb el WISP4.1 DL d'Intel. El document inclou una descripció completa tant del hardware com del software, així com una anàlisi de les mesures de rendiment en funció de la distància al col•lector de dades. Aquest prototip, doncs, permet velocitats de dades de fins a 1.6 Mbps a una distància de 2 metres, mentre encén un 7-segments. Aquest treball també inclou la proposta d’un prototip per a un node innovador. El nou node presenta, entre altres aspectes, una unitat de captació d'energia que pot ser més del doble de potent que el WISP4.1 DL. La millora és deguda a dos factors. El primer, fa ús d'una branca positiva i una negativa per al rectificador de pont multi-etapa, front l'única branca del WISP; una subministra energia al node mentre l'altre es carrega. El segon, permet ajustar el nombre de etapes en cada branca per tal de maximitzar l'energia obtinguda.