B105 Radar Sensor Developments: Software

Radar Interface


The radar platform developed in B105 Electronic Systems Lab contains a microcontroller which process the I and Q signals adapted from the radar transceiver in order to obtain targets information -speed and distance-. The microcontroller used is a low-power STM32L496 that has a DSP module and enough RAM to perform processing tasks. It runs at 48 MHz and has low-power mode, which allows using our platform in battery-powered Wireless Sensor Networks applications.

The software developed in the microcontroller uses the YetiOS operating system which has also been developed in B105 Electronic Systems Lab and is based on well-known FreeRTOS. The architecture of the radar processing module is composed by two tasks:

  • Acquisition and Generation Task. This task is responsible of taking samples from the ADC and generating signals using the DAC synchronously. Both acquisition and generation is done using DMA, so other tasks -such as processing one- could run while taking samples.
  • Processing Task. This task provides the processed information -speed and distance of targets- to the final user. The acquired signal is filtered so the information in undesired frequency bands is eliminated. Besides, a Fast Fourier Transform (FFT) is performed in order to obtain the signals in the frequency domain. Then an OS-CFAR algorithm is applied to select the frequency peaks corresponding to targets, and the targets are selected based on signal levels and SNR ratio.

We have tested the complete radar system in real scenarios and we can process each 128 samples signal in 15 ms. That means that our radar sensor provides distance and speed information with a rate higher to 60 samples per second.

Finally, we have developed an user interface which allows us testing different configuration and the behaviour of the radar sensor on different scenarios.


Radar SW

B105 Radar Sensor Developments: Hardware



Low-cost radar transceivers such as RFbeam ones allows using radar sensors in several applications where cost is an important constraint. However they need a hardware platform to work properly. Therefore, in B105 Electronic Systems Lab we have designed and implemented a hardware platform that allows obtaining using radar sensors in Doppler operating mode and FMCW operating mode.

The platform developed is low-sized and resource-constraint which allows using it in Wireless Sensor Networks applications in battery powered nodes. The hardware modules of the designed system are described below:

  • Power Source. Probably one of the most importan parts of the system as it must provide power to the radar transceiver and to the analog adaptation modules. The power source must provide 12 V, 5 V and 3.3 V for proper radar operation, and these sources must be highly noiseless to enchance radar performance.
  • Radar Transceiver. The main component of the radar sensor is the transceiver which sends and receive radar signals. K-LC5 and K-LC6 radar transceivers from RFbeam may be used, providing I and Q IF signals, and a VCO pin for FMCW operation.
  • Signal Adaptation Module. Signal adaptation is necessary to process radar I and Q signals and obtain information from them. An amplification stage, a low-pass filter and a high-pass filter are used in this module. Besides, a single-ended to differential stage is also used to improve signal acquisition.
  • Signal Acquisition. An ADC is used to digitalize the analog signals so they can be processed. The ADC used can be sigma-delta or SAR, with the higher resolution possible (12 to 16 bits), and with speeds from 10 KHz to 1 MHz. In our platform, the acquisition is done by the main microcontroller.
  • Signal Generation.  A DAC is used to generate the signals to modulate the radar transceiver through its VCO pin. Besides, an adaptation stage is implemented to provide adequated modulation signals to the radar transceivers. The DAC used in our platform is integrated in the main microcontroller.
  • Processing Unit. A microcontroller is needed to process the acquired signals and obtain information from them. In our design a low-power STM32L496 microcontroller is used.

Radar HW


B105 Radar Sensor Developments



Radar technology is a well-known field used since 1940s. This technology has been traditionally applied in military and aerospace fields while it has not been highly exploited in civil applications. However, in the last years, radar transceivers cost-reduction and miniaturization have allowed its application in other fields such as traffic and vehicular safety.

These low-cost radar sensors uses the Doppler effect to obtain information about obstacles or targets in its range. The radar transmits a signal and the frequency shift of the returned signal provides the velocity of the moving targets. There are two main operating modes for these radar sensors:

  • Unmodulated Doppler radar. This operating mode is the most commonly used. The hardware and processing software needed is quite simple which allows using these sensors in size-constraint and resource-contraint devices. However, they only provide velocity information of moving objects in its range. That means that static objects are missed, the distance of the objects cannot be obtained, and two objects moving at the same velocity will be detected as one.
  • Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar. This operating mode is used to obtain the distance of static and moving objects. The radar signal is frequency modulated -usually with a frequency ramp- to allow obtaining distances and velocities from the returning signal frequency shift. Thereby, it is necessary to generate a signal to realize the frequency modulation which increases the hardware complexity. Besides, the software processing is harder as there are much more information to process and there are more noise sources from unwanted environment targets.

In B105 Electronic Systems Lab we have developed a full radar system that can operate in both modes and includes all the hardware and the software necessary. This radar system is being used for traffic safety and traffic monitoring applications in several research projects.

YetiOS: new Operating System for IoT devices

Figure 4

IoT devices and Wireless Sensor Network (WSN) nodes are resource-contraint devices that are not capable to run standard Operating Systems (OS) used in high resource computers or smartphones. Therefore, several OSes have been developed over the years for these resource-contraint devices such as TinyOS, Contiki OS or RIOT OS. These OSes are targeted to run in microcontrollers with some tens KB of Flash memory and less than 10 KB of RAM memory. However, new low-power microcontrollers like STM32L4 have higher resources achieving up to 1 MB of Flash memory and 320 KB of RAM memory.

Therefore, we have developed in B105 Electronic System Lab a custom operating system based on FreeRTOS kernel. The operating system is called YetiOS and presents advanced features to facilitate application developing by reducing the learning curve. This OS works in new low-power microcontrollers and have a memory footprint of 90 KB in Flash and 12 KB in RAM. The OS provides advanced preemtive processes and memory management, Linux-like device drivers, user-transparent power management, time management and a layered configurable network stack.

YetiOS also provides an advanced engine to manage operating system operation. This is a very useful feature in order to ease research works that are being done in B105 Lab to improve OS features and its adaptability to dynamic changes in WSNs environments

All-in-One. Plataforma de monitorización de tráfico integrada, de bajo coste e información extendida

Foto All-in-One2


El mercado de la información de tráfico ha triplicado su volumen en los últimos 5 años y se espera un gran crecimiento para los próximos años. Sin embargo, existen algunos campos que aún no han sido completamente estudiados ni explotados, como es el caso de la integración de aforo e identificación. De ahí surge el proyecto All-in-One cuyo objetivo es crear una plataforma de monitorización de tráfico integrada, de bajo coste e información extendida.

Foto All-in-One

La plataforma contará con un dispositivo radar para el conteo de vehículos y un identificador de Bluetooth. Con estos datos se generará un nuevo nivel de información de tráfico al proveer medidas conjuntas de conteo e identificación. Nuestro grupo B105 Electronic Systems Lab es el encargado del diseño e implementación del sensor basado en radar de bajo coste que sea capaz de contar vehículos y dar información de su velocidad. Para ello el módulo radar deberá incluir tanto la electrónica de adaptación de las señales de radiofrecuencia como los módulos de procesamiento y filtrado digitales de éstas.

En el proyecto participan otros grupos de investigación como i3-UPM y CEI, y varias empresas de ingeniería como ACEINSA, KINEO e IPS. Este gran consorcio permitirá la consecución de los objetivos del proyecto al integrar distintos socios expertos en cada uno de los módulos del sistema.


RALPH: Sistema radar de detección de obstáculos.



La detección de personas y otros obstáculos a grandes distancias en entornos hostiles mediante sensores de bajo coste es un área de gran interés para muchas aplicaciones. En el laboratorio B105 se ha desarrollado un sistema integrado basado en tecnología radar que permite detectar múltiples objetos simultáneamente en un rango de hasta 25 metros. Se trata de un sensor autónomo, de bajo coste y bajos recursos capaz de proporcionar información de distancia a gran velocidad (100 muestras por segundo) de los objetos que se encuentran en su haz de detección.

Detección multiobjeto con RALPH
Detección multiobjeto con RALPH


El sistema integra en una sola plataforma todos los módulos necesarios para la adquisición, adaptación de señal, filtrado, procesamiento, comunicaciones y alimentación; y cuenta con unas dimensiones de 10 cm x 10 cm. Se ha desarrollado de modo que sea útil para distintas aplicaciones y su arquitectura modular permite añadir distintos sensores como los basados en ultrasonidos (de gran precisión en pequeñas distancias). Esta arquitectura permite además la reconfiguración del sistema de manera que se puedan utilizar distintos algoritmos de procesamiento en función del transceptor radar usado, el número de sensores o la aplicación específica.

Diseño y simulación de una antena personalizada del B105



La banda de frecuencias de 2.45 GHz es una de las más utilizada en la actualidad para implementar comunicaciones inalámbricas. En esta banda se realizan las comunicaciones WiFi, Bluetooth y Zigbee entre otras y es de gran utilidad en el diseño de redes de sensores inalámbricas (WSN) y sistemas empotrados.

Por ello se ha diseñado en el laboratorio B105 una antena resonante a 2.45 GHz que permita su integración en cualquier placa de circuito impreso (PCB). El diseño se ha realizado buscando una máxima miniaturización para facilitar su integración en cualquier PCB, obteniéndose una antena de dimensiones 12mm x  5mm.


Además, se ha simulado la antena diseñada utilizando el programa CST Studio para comprobar la respuesta en frecuencia y los patrones de radiación para la frecuencia de 2.45 GHz. Se ha obtenido una ganancia máxima de 0.42 dB, y un ancho de banda suficiente en torno a la frecuencia central, que permite mantener la adaptación cercana a 50 ohm ante pequeñas posibles variaciones en las dimensiones ocasionadas en el proceso de fabricación del PCB. Tras el diseño y simulación el siguiente paso será su implementación en un circuito real y la realización de pruebas para verificar su comportammiento.





Este proyecto comenzó a finales del año 2014 y tendrá una duración de 1 año y medio. El consorcio está formado por UPM Telecomunicación y Dragados SA

El proyecto S4BIM tiene como objetivo el desarrollo de un sistema autónomo de sensorización que genere información tridimensional y en tiempo real para el modelado de entornos de construcción. Dichos entornos se integrarán en el modelo BIM de la obra, actualizando su estado. Los objetivos técnicos del proyecto son los siguientes:

  • Estudio y selección de sensores adaptados al entorno que provean información para la localización de objetos en 3 dimensiones.
  • Desarrollo de una plataforma de integración.
  • Desarrollo de una plataforma de comunicaciones fiables para la transmisión de los datos heterogéneos de los distintos sensores.
  • Porcesado cooperativo de la información.
  • Integración del sistema de sensorización con los sistemas y servicios BIM actuales.

S4BIM_2La participación del B105 en este proyecto está enfocada en el diseño e implementación de los módulos de adquisición de datos así como del procesado local de esta información. Además se diseñará la plataforma de comunicaciones encargada de transmitir estos datos de forma fiable.

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Nuevos nodos YetiMote para WSN desarrollados en el B105



Después de varios meses de desarrollo ya se dispone de los primeros prototipos de los nodos YetiMote implementados en el B105. Estos nodos han sido creados de cara a poder realizar una evaluación del rendimiento del Sistema Operativo (SO) Contiki en una red de sensores real. El objetivo es aplicar estrategias cognitivas en el SO de cara a mejorar el rendimiento del sistema.

El diseño del YetiMote está pensado para reducir al mínimo el consumo en los nodos y proporcionar herramientas para su caracterización. Los módulos que incluye el YetiMote son:

  • Módulo wake-on asíncrono integrado con el transceiver de 433MHz usando la misma antena.
  • Módulo para la medida de la corriente consumida en tiempo de ejecución.
  • Microcontrolador ARM Cortex-M3.
  • Sensor de temperatura y acelerómetro.
  • Interfaz de comunicaciones Micro USB.
  • Slot Micro SD card.
  • Pines de expansión, leds y botones de usuario.


Thesis: Operating Systems dynamic optimization for Wireless Sensor Networks


Author: Roberto Rodriguez-Zurrunero

Advisor: Alvaro Araujo Pinto

Synopsis:  Wireless Sensor Networks are composed by multiple tiny nodes with limited resources. It is very important to manage the nodes operation as best as possible. This way it could be possible to improve the global performance with these limited resources. Therefore, an Operating System (OS) may be used to control the hardware and provide hardware abstraction to applications. The basic functionalities of an OS include resource abstractions for various hardware devices, interrupt management, task scheduling, concurrency control, and networking support. With these OS services the developers may program high-level applications independent of the underlying hardware and improving the nodes management. A traditional OS could not be embedded on WSN because they are used on systems with plenty of resources and different requirements. In WSN the resources are limited so an OS should manage them the best possible and it should involve the less overload possible in memory and CPU usage.

This thesis deals with the OS for WSN field. The goal is to take advantage of dynamic optimization of OS to improve some specific WSN parameter such as energy efficiency, processing capacity, flexibility, reliability, security and networking.