Development of Prototype Hardware for Wireless Sensor Networks

Detta examensarbete har innefattat att ta fram en utvecklingsplattform för protokoll till trådlösa sensornätverk. Utvecklingsplatformens hårdvara och mjukvara även skall vara en del av en prototyp till ett trådlöst sensornätverk, tillsammans med ett protokoll utvecklat i ett annat examensarbete. En stor del av arbetet är fokuserat kring hårdvara. Arbetet har utförts på uppdrag från ett företag kallat Syntronic AB, som har potentiella kunder intresserade av att införskaffa trådlösa sensornätverk. En litteraturstudie över trådlösa sensornätverk och dess protokollstack, kretskortsdesign samt regleringen av radiofrekvensbanden i Sverige har gjorts. Tester som genomförts verifierar att hårdvaran har en konkurrenskraftig, låg, strömförbrukning och att hårdvaran fungerar som den ska. Resultaten visar också på att batterival har stor betydelse för livslängden hos enheter som rapporterar sensordata sällan, en gång i timmen, medan tungt belastade enheter som maximerar sin tillåtna användning av radiomediumet skulle behöva solceller eller dylikt för att ges en rimlig livslängd. Det har även visat sig att om det trådlösa nätverkets huvudenhet förses med ström från en dators USB-port så kan det behövas backup-batterier för att säkerställa dess funktion när datorn går ned i viloläge. Räckvidden på radiokommunikationen bedöms som god för användning i trådlösa nätverk och överstiger 100 meter. I syfte att jämföra hårdvaran utvecklad i detta arbete med befintliga enheter på marknaden har en uppskattning av massproduktionskostnad för komponenter och mönsterkort utförts. Kostnaden sett ur Syntronics synvinkel uppskattas vara betydligt lägre än för andra enheter med liknande prestanda och funktionalitet. Den PC-applikation som tagits fram för presentation av sensordata fungerar tillfredsställande, men har ett fåtal buggar. Bland annat hänger sig programmet första gången det körs efter datorns uppstart, när en ny loggfil skapas. Detta händer dock enbart på vissa datorer.This master’s thesis project has involved developing a development platform for wireless sensor network protocols. The hardware and software developed are also going to be part of a prototype of a wireless sensor network, together with a protocol developed in another thesis. Focus in this thesis is put mainly on the development of the hardware. Syntronic AB provided the task, as they have potential customers interested in wireless sensor networks. A literature study was made regarding wireless sensor networks, the wireless sensor network protocol stack, circuit board design, and regulations regarding the frequency band usage in Sweden. Tests were made to verify that the hardware has competitive, low, power consumption and that it functions as intended. The results also show that the choice of batteries has an impact on node lifetime for units who seldom, once per hour, report their sensor data. For units utilizing their maximum allowed transmission duty cycle, the lifetime would be much shorter, and solar cells or similar energy scavenging methods should be used to prolong their lifetime. It was also made obvious that the master unit of the network needs backup batteries, if its power is supplied by a PC’s USB port. The range of the radio communication fulfils the requirements for use in wireless sensor networks, and exceeds 100 meter. An evaluation of the mass production cost for components and the printed circuit board was made, and compared to present hardware units on the market. The cost is estimated to be far below the cost of other units with similar performance and functionality, from Syntronic’s point of view. The PC application presenting sensor data from the network is functioning as intended. However, it has a few bugs. The program crashes on some computers, when a new log file is chosen and it is the first time the program has been used since the start-up of the PC