title: Backscatter radios with LimeSDR
title: Ραδιόφωνα οπισθοσκέδασης με χρήση LimeSDR
Creators: name: Γιαννακοπουλος Κωνσταντινος-Ορεστης
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: This dissertation presents two backscatter radio applications for wireless sensor networks with the low-cost software-defined radio (SDR) LimeSDR platform. Two different architectures are developed. The first application implements a monostatic  receiver, where the LimeSDR is configured as both the RF-tag's illuminator, as well as the receiver of the backscattered signal. It is found that the monostatic architecture in combination with the transmitting power capabilities of the LimeSDR board (2 dBm output power) can achieve a range of 9.4 meters. The range coverage increased to 13.7 meters with the use of an external amplifier. The second application presents a reader for ambiently-powered scatter radio sensors that exploit the FM broadcast signals for illumination. In this architecture, the source of the illuminating signal is located 7 kilometers away. The backscattered signal is also an FM audio signal with a frequency that corresponds to the sensors' measurement. The receiver demodulates the signal and detects the frequency using periodogram-based Fourier analysis. The maximum range achieved between the sensor and the reader for this architecture, with a root mean square error (RMSE) less than 200 Hz, was 7 meters. Both applications implement low-cost radio link communication exploiting the fact that scatter radio, in principle, requires low energy consumption and simple hardware demands. Additionally, a WiFi adhoc network link was implemented with a USB adapter to transfer the sensed information to a central node/base station. TCP and UDP protocols were tested for range maximization between the reader and base station. UDP protocol achieved the maximum range coverage of approximately 146 meters. Experiments on soil moisture measurements were conducted to test the efficiency and the range coverage of each system.
description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται δύο εφαρμογές για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων βασισμένες στην αρχή της οπισθοσκέδασης ραδιοφωνικών σημάτων, με χρήση του χαμηλού κόστους πομποδέκτη LimeSDR, ελεγχόμενου από λογισμικό. Δύο διαφορετικές αρχιτεκτονικές ασυρμάτων δικτύων μελετώνται. Στην πρώτη εφαρμογή  έχει εφαρμοστεί μονοστατική αρχιτεκτονική κατά την οποία  ο πομποδέκτης έχει ρυθμιστεί να εκπέμπει το σήμα που φωτίζει τον αισθητήρα και  εν συνεχεία να λαμβάνει  το ανακλώμενο σήμα  που περιέχει την επιθυμητή πληροφορία. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική σε συνδυασμό με τις δυνατότητες ισχύος εκπομπής του πομποδέκτη (2 dBm ισχύς εκπομπής)  κατάφεραν να σημειώσουν μια απόσταση ίση των 9.40 μέτρων στην οποία επετεύχθη επικοινωνία. Με την προσθήκη ενός  εξωτερικού ενισχυτή σήματος, η μέγιστη απόσταση αυξήθηκε στα 13.7 μέτρα. Η δεύτερη εφαρμογή παρουσιάζει την σχεδίαση ενός δέκτη για αισθητήρες που εκμεταλλεύονται τα σήματα των ραδιοφωνικών σταθμών ως προσπίπτον σήμα και διαμορφώνουν την πληροφορία τους στο ανακλώμενο σήμα που προκύπτει. Σε αυτή την αρχιτεκτονική η πηγή του σήματος που φωτίζει τους αισθητήρες (κεραίες  FM)  βρίσκεται  περίπου 7 χιλιόμετρα μακριά. Το προσπίπτον σήμα αλλά και  το ανακλώμενο, είναι  ακουστικά  σήματα  υπό διαμόρφωση συχνότητας (FM). Ο δέκτης λαμβάνει το ανακλώμενο σήμα, το αποδιαμορφώνει, βρίσκει τη συχνότητα του ακουστικού σήματος που παράγει ο αισθητήρας, με ανάλυση Fourier βασισμένη στο περιοδόγραμμα του σήματος. Η μέγιστη απόσταση μεταξύ δέκτη και αισθητήρων για ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος μετρήσεων (RMSE) μικρότερης των 200 Hz, ήταν 7 μέτρα. Οι δύο αυτές εφαρμογές υλοποιούν δίκτυα αισθητήρων χαμηλού κόστους, εκμεταλλεύοντας το γεγονός πως η αρχή της οπισθοσκέδασης ραδιοφωνικών σημάτων έχει χαμηλές απαιτήσεις, τόσο ως προς την κατανάλωση ενέργειας αλλά και ως προς  το απαιτούμενο υλικό. Επιπλέον, υλοποιήθηκε μία αυτοσχέδια (adhoc) ασύρματη ζεύξη WiFi για την μεταφορά της πληροφορίας των αισθητήρων, από τον υπολογιστή που είναι συνδεδεμένος ο δέκτης  σε έναν κεντρικό κόμβο. Δύο πρωτόκολλα μεταφοράς πακέτων μέσω δικτύου TCP  και UDP εξετάσθηκαν ως προς την εμβέλεια κάλυψης. Με το πρωτόκολλο UDP επετεύχθη η μεγαλύτερη εμβέλεια  που ήταν περίπου 146 μέτρα. Τέλος, διεξήχθησαν πειράματα σε μετρήσεις υγρασίας εδάφους για να διαπιστωθεί η αποδοτικότητα των συστημάτων.