Low power wireless sensor networks design

Vandaag de dag wordt ons dagelijks leven sterk beïnvloed door de miljoenen mensen en apparaten waaraan wij wereldwijd geconnecteerd zijn. De hoofdstructuur waarin alle op internet aangesloten voorwerpen geconnecteerd zijn, wordt Internet of Things (IoT) genoemd. IoT vertaalt zich in verschillende toepassingen zoals intelligente steden, intelligente boerderijen, intelligente industrie, e-gezondheid, etc. In het geval van intelligente steden, helpt IoT om de levenskwaliteit van de burgers te verhogen en om de stedelijk diensten te vergemakkelijken. Voor intelligente huizen is het doelwit het reduceren van het vermogensverbruik van de gebouwen.

Om het gewenste kwaliteitsniveau voor de IoT-diensten waar te maken, bestaat er een nood voor vertrouwbare, veilige en gebruikersvriendelijke verbindingen tussen de hardware- en softwarelagen. Hoewel die lagen op een onafhankelijke manier ontworpen kunnen worden, zorgt hun interconnectie voor uitdagingen in termen van interoperabiliteit van heterogene systemen die verschillende communicatie-, beveiligings- en privacytechnologieën gebruiken. Een tweede belangrijke uitdaging is de implementatie van een laagvermogen, goedkoop communicatieapparaat dat meerdere IoT-knopen in staat stelt met elkaar te interageren.

Om dit beschreven IoT-paradigma te versnellen, heeft deze thesis als doel enkele van deze bottlenecks voor de implementatie van IoT in intelligente huizen en eHealth toepassingen te overwinnen.

Eerst wordt de interoperabiliteit van heterogene apparaten besproken samen met het ontwerp van een laagvermogen sensorknop voor een multi-standaard, voorval-gestuurd energiebeheersingsysteem. Het ontwikkelde  energiebeheersingsysteem maakt gebruik van draadloze sensornetwerken (WSN) op software- en hardware-niveau om de energie-efficiëntie van een gebouw te verbeteren zonder bouwwerk.

Op het software niveau werden veel verschillende technologieën van communicatie in dezelfde middleware geïntegreerd door het gebruik van een geïntegreerde laag als interface tussen de hardware en de software. De middleware laat de exploitatie van zowel bestaande als toekomstige bedrade of draadloze technologieën toe. Om een vermogen-efficiënte technologie aan het bestaande draadloze systeem toe te voegen, hebben wij een prototype van een laagvermogen draadloze sensorknop ontwikkeld die op gepulseerd UWB communicatie gebaseerd is. De UWB-transceiver werd op zowel de systeem- als circuitniveau ontworpen en geïmplementeerd. Het radiosysteem bevat een in 130 mn CMOS gefabriceerde, geïntegreerde, laagvermogen zender. Dit genereert een signaal van 1 ns breed in de 3-5 GHz bandbreedte en verbruikt slechts 39 uW aan een snelheid van 1 Mbps. Om de ontvangst van data te realiseren, werd een off-the-shelf component gebruikt en aan het databeheersingsysteem gekoppeld. Het gepulseerd UWB ontwerp verbruikt slechts 5.31 nJ per verzonden bit. Vergeleken met andere off-the-shelf producten, die in dezelfde middleware geïntegreerd werden, is de DC-energieconsumptie per puls 10 keer beter. De ontwikkelde demonstrator is de eerste voorbeeld van een IoT-systeem dat op een gepulseerd UWB technologie in combinatie met een gecentraliseerd multi-standaard systeem gebaseerd wordt. Als voorbeeld van IoT-toepassing werd een regelingstrategie voor de verwarming, verluchting en airconditiong (HVAC) ontwikkeld dat de informatie van de ingezette sensorknoppen gebruikt. Die sensorknoppen worden gebruikt om de temperatuur van meerdere kamers en het energieverbruik van de verwarming en de verluchting te meten. Het systeem werd experimenteel in een bureauomgeving getest. Voor dit experiment werd een gemiddelde energiebesparing van 71% bereikt tijdens een testperiode van drie dagen in de zomer.

Een goedkope implementatie is onontbeerlijk voor de IoT-knoppen. Daarvoor wil deze thesis ook een volledig digital implementatie van de transceiver bereiken om de goedkope en technologie-schaalbaar sensorknoppen te bekomen. Het tweede deel van deze thesis beschrijft het systeem van een ontwerp op circuitniveau van een volledig digitale, asynchrone UWB-ontvanger conform aan de IEEE 802.15.6 standaard met een draadloos Body Area Netwerk voor eHealth toepassingen. Dit werk werd in 65 nm CMOS-technologie ontworpen en maakt gebruik van invertorversterkers in zijn RF front-end om de rond 4 GHz gecentreerde, RF UWB-signalen om te zetten in digitale pulsen. Die pulsen worden naar een voorval-gestuurde en asynchrone baseband demodulatie verstuurd. Om van de gepulseerd natuur van de UWB-pulsen te kunnen profiteren om het vermogenverbuik te reduceren werd een eenheid ontwikkeld en geïmplementeerd die de duty cycle beheerst. Dit laat niet alleen toe het periodieke afzetten van de front-end ontvanger, maar maakt de ontvanger conform met de standaard IEEE 802.15.6. De controle van de duty cycle werkt asynchroon t.o.v. de zender door het gebruik van een lokale, laagvermogen, volledig digitale oscillator. Daardoor wordt de nood aan een hoogvermogen referentieoscillator vermeden.

De volledig digitale ontvanger werd in 65 nm CMOS-technologie geïmplementeerd. Op basis van de resultante van de simulaties, vertoont de volledig digitale ontvanger een gevoeligheid van -91 dBm met een versterkingsfactor van 100 dB in de front-end. De ontvanger verbruikt een gemiddeld vermogen van 18.5 mW. In de duty cycle blok, werd een gemeten duty cycle van 18.75% gehaald ten koste van een 74 uW overhead aan vermogensverbruik.

Deze thesis stelt dus twee IR-UWB-systemen voor twee verschillende toepassingen voor. De focus werd gelegd op het oplossen van de interoperabiliteitsproblemen en het bieden van een goedkope implementatie voor IoT-knoppen. Dit brengt ons een stap dichter bij het bereiken van laagvermogen, goedkope, autonome, herconfigureerbare en integreerbare sensorknoppen voor een brede variëteit van IoT-toepassingen.