Low-power embedded system for acquisition and transmission of piezoresistive sensor measurements

Abstract

In retail, a business inventory is one of its most valuable assets. Being able to track the available stock and potentially predict a stock shortage in the near future is a crucial feature in a business. To address this need, Exatronic developed an automated data acquisition system that identifies the product type based on its weight and area using a piezoresistive sensor on the shelf surface. However, a retail store may contain many shelves, and the power supplies may not be available, raising the need to battery supply these modules. This implementation demands efficient management of the energy available, allowing the module to run for a longer time without recharging. Therefore, reducing power consumption is a crucial point to make it possible. This dissertation describes the analysis of an existing prototype regarding how it is implemented and its power consumption, thus identifying possible improvements. After this identification, the development and the implementation of the new solution are presented, with the main objective of minimizing power consumption without compromising its main functionalities. This solution has a connection to an RS-485 bus to receive the reading requests and replies with the sensors’ values, and also an analog interface to communicate with the piezoresistive sensor. In addition, it has a temperature and humidity sensor to perform temperature compensation, since some of the shelves may be refrigerated. Keeping in mind that this prototype may be transformed into a marketable product, this solution assures a commitment between the components costs and their characteristics. For that purpose, the crucial parameters for each component were identified, and the components that meet these parameters and stayed within a price range were chosen. This dissertation details the architecture defined for this solution and the logical structure of the firmware. A set of tests were defined to assess the solution behavior. Firstly, the tests were applied to each function separately to ensure that every one was working. Finally, tests were made on the device as a whole to validate that its behavior corresponded to the requirements.

Na área do retalho, o inventário de uma empresa é um dos seus ativos mais valiosos. Conseguir rastrear o stock disponível ao público e até prever faltas de stock num futuro próximo é primordial na ação da empresa. Para tal, a Exatronic desenvolveu um sistema automatizado para recolha de dados que, utilizando um sensor piezoresistivo na base de gôndolas, identifica o tipo de produto tendo em conta o seu peso e a área da sua base. No entanto, uma superfície de retalho pode conter um grande número de gôndolas e a acessibilidade a fontes de energia pode ser limitada, surgindo a necessidade de alimentar estes módulos por meio de baterias. Isto obriga a uma gestão eficiente da energia de forma a maximizar o tempo de funcionamento do dispositivo e, para tal, a redução da energia consumida é um ponto chave. Esta dissertação descreve o processo de análise em termos de implementação e consumo de energia de uma solução já existente e identificação de possíveis melhorias. Após a identificação destes tópicos, é apresentado o processo de desenvolvimento e implementação de uma nova solução com o principal objetivo de minimizar a energia consumida sem comprometer as funcionalidades necessárias para o seu funcionamento. Esta solução implementa uma ligação a um barramento RS-485 para receção de pedidos de leitura e envio da informação recolhida dos sensores e uma interface analógica para leitura do sensor piezoresistivo. Para além dessas interfaces, contém também um sensor de humidade e temperatura para possibilitar a compensação térmica, uma vez que existem gôndolas refrigeradas. Mantendo como objetivo a transformação deste produto de protótipo para uma implementação comercializável, a solução proposta estabelece um compromisso entre o custo dos componentes e as suas mais-valias. Para tal, foram identificados os parâmetros chave necessários para cada componente e escolhidos os componentes que correspondessem a estes parâmetros dentro de uma margem de valor definida. Esta dissertação apresenta em detalhe a arquitetura definida para a solução assim como a estrutura lógica do firmware desenvolvido. O seu funcionamento foi verificado com uma bateria de testes efetuados às funcionalidades do sistema, tendo cada uma delas sido verificada individualmente. Por fim foram efetuados testes ao seu comportamento geral de forma a validar o protótipo.