T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   5 Oc tober   2020 ,   pp .   2257~2264   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i5. 13378     2257       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   On - c h ip   u l t r a l ow   p ow e r  op t ic al  w ak e - u p  r e c e iv e r  f or   w ir e l e ss  se n sor   n od e s t ar g e t i n g st r u c t u r al  h e al t h   m on ito r in g       Chi Ye e   S aw 1 ,   Yan   C h iew   Won g 2 ,   S e r   L e e   L oh 3 ,   Haoyu   Z h an g 4   1, 2 Cen t re  fo T e l eco mm u n i cat i o n   Res earc h   In n o v a t i o n   ( CeT RI),   Fak u l t i   K ej u ru t eraan   E l ek t ro n i k     d an   K e j u r u t eraa n   K o mp u t er  (FK E K K ),   U n i v e rs i t i   T ek n i k al   Mal a y s i Mel a k (U T eM),   Mal a y s i a   3 Fak u l t i   K ej u ru t eraan   E l e k t r i k   (FK E ),   U n i v er s i t i   T ek n i k al   Mal ay s i Me l ak (U T eM),   Mal ay s i a   4 Sch o o l   o N av a l   A rch i t ec t u re  a n d   Mec h an i cal - e l ect r i cal   E n g i n eer i n g Z h ej i a n g   O cean   U n i v ers i t y ,   Ch i n a       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  J un  26,   2019   R e vis e M a r   6,   2020   Ac c e pted  M a 1,   2020       W i re l es s   s e n s o n e t w o rk   (W S N co n s i s t s   o d i s t r i b u t ed   n o d es   d ep l o y ed     fo mo n i t o ri n g   t h p h y s i ca l   co n d i t i o n s   a n d   o r g an i zi n g   co l l ec t ed   d at a t     t h ce n t ra l   co n t ro l   u n i t .   Po w er  co n s u mp t i o n   i s   t h ch al l e n g e s   i n   W S N   a s     t h n et w o r k   co n s i s t s   o w i re l es s   s e n s o n o d e s   b ec o mes   d en s e r.   By   u t i l i z i n g   W SN   an d   v i s i b l l i g h t   t ec h n o l o g y ,   s i mp l h ea l t h   mo n i t o r i n g   s y s t em     d es i g n   can   b a p p r o ach e d   t h a t   are  s ma l l er  i n   s i ze,   fas t er  an d   l o w er  p o w er   co n s u m p t i o n .   T h i s   w o rk   f o cu s es   o n   d e s i g n   l o w   p o w er  o p t i cal   w a k e - up  recei v er  t o   red u c t h en er g y   c o n s u m p t i o n   o each   n o d e   i n   W SN .   A   w a k e - up  recei v er  i s   d e s i g n e d   t o   b al w ay s - o n   fo d e t ec t i n g   i n co m i n g   s i g n a l   an d   s w i t c h es   o n   t h s t an d   b y   p ro t o c o l   co n t r o l l er  an d   W SN   n e t w o rk   fo d at a   t ran s mi s s i o n   p ro ce s s .   T h c h aract er i s t i o o p t i cal   t ran s mi s s i o n   an d   fu n ct i o n al   ci rcu i t   o w ak e - u p   rece i v er   h a s   b ee n   i n v e s t i g at e d .   A   l o w   p o w er  o p t i ca l     w ak e - u p   recei v er  h as   b een   d e s i g n e d   i n   1 8 0 n Si l t erra  CMO p ro ces s   t ech n o l o g y .   T h p ro p o s ed   w a k e - u p   recei v er  c o n s u me s   o n l y   4 4 3 p W   i n   s t an d b y   mo d a n d   1 . 8 9 n W   i n   act i v m o d e.   T h p r o p o s ed   o p t i cal   w a k e - u p   recei v er   d ras t i ca l l y   red u ce s   t h p o w er  co n s u mp t i o n   b y   m o re  t h a n   o n t h i rd   co m p are d   t o   o t h er  w a k e - u p   recei v ers   w h i ch   c o u l d   b mi l es t o n e   i n   t h me d i ca l   fi e l d     i s u cce s s f u l l y   c o n d u c t ed .   K e y w o r d s :   Vis ibl e   li ght  c omm unica ti on   W a ke - up  r e c e iver   W ir e les s   s e n s or   node   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Ya C hiew   W ong ,   C e ntr e   f or   T e lec omm unica ti on  R e s e a r c I nnova ti on  ( C e T R I ) ,   F a kult Ke jur uter a a E lektr onik   da Ke jur ute r a a Komputer   ( F K E KK ) ,   Unive r s it T e knikal  M a lays ia  M e laka   ( UT e M ) ,     Ha ng  T ua J a ya ,   76100   Dur ian  T ungga l,   M e laka ,   M a lays ia .   E mail:   yc wong@ utem. e du . my       1.   I NT RODU C T I ON   W ir e les s   s e n s or   ne twor is   s pa ti a ll dis tr ibut e a utonom ous   s e ns or s   de ployed  f or   moni tor ing    the  phys ica c ondit ions   a nd  or ga nizing  the  c oll e c t e da ta  a the  c e ntr a c ontr ol  unit   [ 1] .   T he   W S include s   lar ge   number   o f   s e ns or   node s   that   c oope r a te  with  e a c other   via  a   wir e les s   c onne c ti on  a nd   f o r ms   a   ne t wor f or   c oll e c ti ng,   pr opa ga ti ng  a nd  a na lyzing  e nvir on me ntally  r e c e ived  da ta   [ 2]   a s   s hown  in  F igur e   1   ( a ) .   B e twe e n     the  de ployed  s e ns or   node s   a nd  the  e nd  us e r ,   a   s ink  with  higher   p r oc e s s ing  c a pa c it is   plac e to  s e r ve   a s     a   ga tew a a nd   c omm unica te  wi th   the  tas k   mana ge r   node .   A   us e r   r e tr ieve s   inf or mation   f r om   the   wir e les s   s e ns or   ne twor by  que r y   a nd  c oll e c the   r e s ult s   f r o the  b a s e   s tation.     I ter m   of   im pleme ntation  of   the  s tr uc tur a l   he a lt moni tor ing,   W S c a be   e mbedde in to  a   hos pit a l   buil ding  to   tr a c a nd   moni to r   e a c pa ti e nt   a nd  p r o vid e   he a lt hc a r e   s e r vice s   [ 3]   su c a s   medic a moni t or ing  a nd   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   5 Oc tober   2020:    225 7   -   2264   2258   medic a da ta  a c c e s s   to  a   he a lt hc a r e   pr ovider   a s   s ho wn  in  F igur e   1   ( b) .   E a c s e ns or   node s   c a b e   im pleme nted  to  moni tor ing   e quipm e nt  to  tr a ns mi t   da ta.   A   s e ns or   node   that  moni to r s   the  pa ti e nt's   phys ica c ondit ion   c a e ve n   be   knit ted   int o   c lot he s   o r   we a r   a s   a   wa tch   f o r   r e mot e   nur s ing.   T his   s ys tem  is   us e f ul   f or   t r a c king  a nd   m onit or ing   pa ti e nt's   c ondit ion  without   the  ne e d   to  int e r r upt   th e   nor mal  li f e   of   the  pa ti e nt ,   ther e by   im p r oving  th e   qua li ty     of   li f e .             ( a )   ( b)     F igur e   1.   W ir e les s   s e ns or   ne twor ( a )   ope r a ti on   a nd  ( b)   e mbedde with    o pti c a c omm unica ti on  tar ge ti ng   he a lt moni to r ing         W a ke - up  r e c e iver   De ve lopm e nt  of   opti c a l   wa ke - up  r e c e iver   in   wir e le s s   s e ns or   node   e ntails   major   de s ign  c ha ll e nge s   a nd  low  powe r   c ons umpt ion  is s ue .   E a c node   is   he a vil duty - c yc led  in  a   wir e les s   s e ns or   ne twor ( W S N)   to   mi nim ize   powe r   c ons umpt ion  r e s ult ing  in  node s   s p e nding  m os of   the  ti me  in  s lee mode.   wa ke - up  r e c e iver   ha s   be e pr opos e a s   one   o f   the   wa ys   to   s olve   thi s   e ne r gy   c ons tr a int   a nd   mi ni mi z e   the   powe r   c ons umpt ion  o f   e a c s e ns or   node s .     C ompar is on  be twe e pr e vious ly  r e por ted  wa ke - up  r e c e iver s   a s   s hown  in  T a ble  1.   A c c or ding  to  pr e vious   r e s e a r c wor k,   tr a dit ionally   R F   s olut ion s   e xhibi ts   high  s tandby  powe r   whic is   mor e   tha 10μ W .     T he   ult r a s ound  wa ke - up  r e c e iver   [4 - 7]   is   much  lowe r   powe r   c ons umpt ion  a nd   s maller   s ize   c om pa r e to     the  r a dio   f r e que nc tec hnique.   How e ve r ,   the   s e ns ing  a c c ur a c of   ult r a s ound  wa ke - up  r e c e iver   will   b e   a f f e c ted  by  s of or   c ur ve mate r ials   due   to  the   dif f iculti e s   i r e a ding  r e f lec ti ons   f r om   the  mate r ial   [ 8 ] .   M or e o ve r ,   it   ha s   4. W   s tandby  powe r ,   whic is   s ti ll   c ons ider e hi gh  c ompar e to  the  p r e vious   r e s e a r c with  695pW   s tandby  powe r   of   op ti c a wa ke - up  r e c e iver   [ 9] .   I thi s   wor k ,   a   de mand  t r igger   ba s e on  low   po we r   opti c a wa ke - up  r e c e iver   in  W S ha s   be e pr opos e d .   T o   a c hieve   low  powe r   c ons umpt ion ,   W S is   in  s tandby  powe r   a mos o f   the   ti me  a nd   a c ti va ted  whe r e c e ived  the  ins tr uc ti ons   f r om  wa ke - up  r e c e iver .   T he   wa ke - up  r e c e iver   in  the  s e ns or   ha s   to   a lwa ys     on  to  r e c e ive  int e r r up t,   s ync hr oniza ti on ,   a nd  r e p r o gr a mm in [ 10 ] .   T he   de s ign  of   the   f r ont - e nd  of   th e   a na log     c ir c uit   block  ha s   be e op ti mi z e f o r   lowe r   powe r   c ons umpt ion  f ur ther   mi nim izing   the  wa ke - up  r e c e iver 's   powe r   c ons umpt ion.       T a ble  1.   P e r f o r manc e   s umm a r a nd  c ompa r is on     [ 11]   [ 12]   [ 4]   [ 13]   [ 9]   T r a ns mi M e th od   RF   RF   U lt r a s ound   O pt ic a l   O pt ic a l   T e c hnol ogy   180nm   130nm   65nm   N o I C   180nm   F ul ly  I nt e gr a te d   -   -   No   No   -   S uppl y V ol ta ge   1.8V   1.2V   0.6V   3.3V   1.2V   S ta ndby P ow e r   8.5μ W /1 078 μ W   16.4 μ W  / 22.9μ W   4.4μ W   317μ W   695pW   M a x. D a ta  R a te   1k/ 200kbps   10k/ 200kbps   250bps   2kbps   91bps   E ne r gy/ B it   8.5/ 5.39nJ /b   1.64/0.11nJ /b   18nJ /b   159nJ /b   140pJ /b   R a nge   -   -   8.6m   15m   -   B it  E r r or  R a te   < 10 - 8   < 10 - 6   < 10 - 5   -   < 10 - 5         Vis ibl e   li ght  c omm unica ti on   Optica wa ke - up  r e c e iver   us e s   vis ibl e   li ght  f or   da ta  c omm unica ti on  ins tea of   e xis ti ng  r a dio  f r e que nc ( R F )   tec hnology  [ 14 ] .   L ight   f idelit or   vis ibl e   li g ht  c omm unica ti ons   ( VL C )   is   a e mer ging  tec hnology  that  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         On - c hip  ult r low   pow e r   opti c al  w ak e - up  r e c e ive r   for     ( C hia  Y e e   Saw )   2259   ope r a tes   a ve r high - s pe e wir e les s   c omm unica ti on  [ 15]   ins ide  buil ding   that  humans   c a nnot   de tec it   a nd   c a us ing  the  li ght  s our c e   a ppe a r s   to  be   a li ke   c ont inuous ly  on.   T his   invi s ibl e   s witching  a c ti vit a ll ows   da ta   tr a ns mi s s ion  pr oc e s s   thr ough  binar y   c ode s   whic binar y   '1'  indi c a te   s witching  on  a n   L E while   b inar '0'   indi c a tes   s witching  of f   [ 16 ] .   T a ble  2   s hows   a   c ompar is on  of   pa r a mete r   s uc a s   da ta  tr a ns mi s s ion,   c ove r a ge   a r e a ,   f r e que nc ba nd ,   s pe e d,   topo logy,   s pe c tr um  r a nge   a nd  obs tac le  r a nge   a mong  W i - F a nd   VL C .   VL C   pr ovides   a e xtr e mely  high - s pe e da ta  r a te  of   1   Gbps .   M e a nwhile,   W i - F r outer   wor ks   on   mul ti ple  ba nds   that  only   s upp ly  2 . 4   GH z   or   4 . 9   G Hz   or   5   GH z   [ 1 7 1 8 ] .   T he   li gh s pe c tr um  is   10 , 0 00  ti mes   wide r   than  the   r a dio  s pe c tr um ,   whic p r ovides   m or e   ba ndwidth  than   W i - F i.   VL C   tec hnology  r e s ol ve low  ba ndwidth  pr oblem  in  r a dio  f r e que nc c omm unica ti on  due   to  lar ge   ba ndwidth  a va il a bil it [ 19 ] .   How e ve r ,   the   vis ibl e   li ght  s ignal  c a nnot  pe ne tr a te  th r ough  the  w a ll   whic making  VL C   a   s a f e r   e nvir onment   that  c a nnot  be   r e mot e ly  ha c ke d.   VL C   is   not  a   s ubs ti tut e   f or   W i - F i.   I c a be   r e ga r de a s   a incr e dibl e   c ompanion  of   W i - F tec hnology.       T a ble  2.   C ompar is on  be twe e W i - F a nd  VL C   F e a tu r e s   L ig ht  F id e li ty   W ir e le s s  F id e li ty   D a ta  t r a ns mi s s io [ 14]   bi ts   r a di o w a ve s   C ove r a ge  A r e a   [ 14]   10 M e te r s   20  -   100 M e te r s   F r e que nc y B a nd  [ 14]   100 ti me s  of  T e r a  H z   2.4 G H z ,   4.9 G H z  a nd 5  G H z   S pe e [ 15]   -   3.5 G bps   54  - 250 M bps   T opol ogy  [ 15]   P oi nt  t o P oi nt   P oi nt  t o M ul ti - poi nt   S pe c tr um R a nge   [ 15]   100000 ti me s  of  W i - Fi   R a di o s pe c tr um r a nge   O bs ta c le  I nt e r f e r e nc e   [ 20 ]   H ig h   L ow  or  a lm os ne gl ig ib le       2.   RE S E AR CH  M E T HO D   I thi s   wor k,   the  opti c a wa ke - up  r e c e iver   a wir e le s s   s e n s or   node   is   de ployed  a s   s hown  in  F igur e   to   de tec incoming  s ignal,   a c ti va te   the  pr o tocol  c ontr o ll e r   a nd  a s s is e a c pa ti e nt  by   pr ovidi ng   he a lt hc a r e   s e r vice s   s uc a s   medic a moni tor ing  a nd  medic a da ta  a c c e s s   to  a   he a lt hc a r e   pr ovider .   T he   pr opos e opti c a wa ke - up   r e c e iver   c ompr is e s   of   a   de c ode r ,   pr o tocol  c ontr oll e r ,   r e f e r e nc e   ge ne r a tor ,   c lock  ge ne r a to r ,   a nd  f r ont - e nd  c ir c uit s .   T he   opt ica wa ke - up  r e c e iver   s tays   on  a a ll   ti mes   a nd  the  pr otocol   c ontr oll e r   a r e   powe r   ga ted  s tat   in  s tandby  mode  a s   s hown  in  F igur e   3.   W he the  li ght  de tec tor   is   matc he with  the  pr e de f ined  global  pa s s c ode ,   a   s ignal  will   be   s e nt  out   by  the  wa ke - up  r e c e iver   t a c ti va te  the   pr otocol   c ontr oll e r   to  ope r a te   in   a c ti ve   mode  thr ough  incr e a s ing  the  c lock  f r e que nc y.   Othe r wis e ,   pr otocol  c ontr oll e r   will   a lwa ys   in  s tandby  mode  to  r e duc e   the  powe r   c ons umpt ion.           F igur e   2.   W ir e les s   s e ns or   ne twor im pleme nted  in  hos pit a buil ding           F igur e   3.   B lock  diagr a m   of   opti c a wa ke - up  r e c e iver   in  W S N   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   5 Oc tober   2020:    225 7   -   2264   2260   3.   RE S UL T S   A ND   AN AL YSI S   3. 1.      De s ign   of   a n   on - c h ip   o p t ical  wa k e - u p   r e c e iver   T he   c ir c uit   f unc ti ona blocks   in  the  wa ke - up  r e c e i ve r   a s   s hown  in  F igur e   4.   T he   f r ont - e nd  r e c e iver   is   us e to  tr a ns f or m   incoming   vis ibl e   li gh int o   vo lt a ge .   T he   output s   o f   the  f r ont - e nd  c ir c uit s   a r e   f e int o     c ompar a tor   a nd  c ompar e with   a   r e f e r e nc e   va lue.   T he   outpu with  majo r it vote rs   is   s e lec ted  a nd  a   s ignal  c a ll e F L _DA T A   is   ge ne r a ted   a c c or dingl y .   T he   a c c umul a ted  F L _DA T a r e   then   c ompar e with   the  8 - bit   pr e de ter mi ne global   pa s s c ode .   A   matc h   of   the   p a s s c ode   ge ne r a tes   a   s ignal  c a ll e d   VA L I whic h   i nc r e a s e s   e ight   ti mes   the   s a mpl ing  f r e que nc of   the  c loc k,   thus   tur ning   the  p r otocol  c ontr o ll e r   int a c ti ve   mode.     T he   main  f unc ti ona blocks   ha ve   be e p r e s e nted  in  the  f oll owing   s ubs e c ti ons .           F igur e   4.   S ys tem  block   diagr a o f   opti c a l   wa ke - u r e c e iver       3. 1. 1   F r on t - e n d   r e c e iver   T he   f r ont - e nd  r e c e iver   is   i mpl e mente us ing   a   pa r a s it ic  diode  a s   a   P c e ll   to  t r a ns f or incoming   vis ibl e   li ght  to  volt a ge .   F or   opti c a c omm uni c a ti on  s ys tems ,   a   vis ibl e   li ght  s ign a that  incide nt  on    the  photodi ode   is   tr a ns f or med   int a n   e lec tr ica volt a ge .   T he   volt a ge   whic h   ha s   the  vis ibl e   li ght   s i gna l's   inf or mation  is   then  c ompar e a nd   the  major it vot e is   s e lec ted  a nd   s tor e int the   s hif r e gis ter   me mor y.       3 . 1. 2   Vol t age   c om p ar at or   F igur e   5   s hows   the  s im ulation   r e s ult s   of   the  de ve loped  c ompar a tor .   W he the  f r ont - e nd  mea s ur e volt a ge   e xc e e ds   a   r e f e r e nc e   volt a ge   of   105. 1   mV ,   the   c ompar a tor   output s   a   digi tal   s ignal   [ 21] .   At   the   e nd,   vis ibl e   li ght  f las hing  on   a nd  o f f   is   s uc c e s s f ull c on ve r ted  int bina r f o r m.           F igur e   5.   P e r f or manc e   of   volt a ge   c ompar a to r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         On - c hip  ult r low   pow e r   opti c al  w ak e - up  r e c e ive r   for     ( C hia  Y e e   Saw )   2261   3 . 1. 3   M a j or it vo t e r   F a il ur e   de tec ti on  the  incom ing  s ignal  on  the  f r on t - e nd  r e c e iver   or   wr ong  int e r pr e tation  o f   the  s ignal   on  the  c ompar a tor   will   r e s ult   in  the  pr otocol  c ont r oll e r   be ing  mi s a c ti va ted.   T he   major it voter   is   c a pa ble  of   s uc c e s s f ull mas king  a   s ingl e   f a il ur e   f r om  be ing  no t ice by  the  e xter na e nvi r onment  a nd  a ls mana ge s   to  ke e p   the  e nti r e   s ys tem  ope r a ti ona l.   How e ve r ,   it   is   ge ne r a ll pr e s umed  that  no  f a ult s   c a oc c ur   withi the  voter ,   whic im pli e s   that   the   voter   is   a s s umed  to   be   pe r f e c t   [ 22 - 24] .   I n   thi s   wor k,   m a jor it vo ter   ha s   be e de s igned   to  c ompar e   be twe e th r e e   outpu t s   f r om   the   f r on t - e nd  r e c e iver   a nd   the   major it y   vo te d   o f   the   inp ut  s tate s   de ter mi ne   the  ou tput   s tate .   F igu r e   6   s hows   the  ou tput   wa ve f or m   of   major it vote r   in   r e s pe c t th r e e   input s   pr oduc e by  vo lt a ge   c ompar a tor .   As   major it y   inpu f r om  the   c ompar a tor   is   one ,   the  major it vo ter   is   r outed  to   VD a nd  v ice   ve r s a .   T he   s im ulation   r e s ult s   c lea r l de mons tr a te   that   the  major it y   voter   e f f e c ti ve ly  p r e ve nted  f a ls e   tr igger ing  a nd   p r oduc e a n   e r r one ous   output   a ga ins in  r e s pons e   to  the  input .           F igur e   6.   M a jor it vo ter   e lec tr ica l   s im ulation  r e s ul ts   with  thr e e   f r ont - e nd  r e c e iver   inpu t       3. 1. 4   Gat e d   lat c h   m e m or y   Ga ted  e na ble  memor is   de s igned  to  s tor e   a   s ingl e   bit   of   inf o r mation  that  ge ne r a ted  by  major it voter   a nd  a s   long  a s   it   r e mains   on  powe r .   Dur ing  the  wr it e   ope r a ti on,   wr it e   e na ble  is   tur ne to  to  latc t he   input   da ta  in  the  memor y   a nd  the  pr e vious   s tor e   d a ta   is   r e plac e d.   T he   wr it e   e na ble  wi r e   is   then  tu r ne of f   to   pr e ve nts   a ny  memor y   c ha nge s .   T he   e ight   ga ted   latc h   mem or is   de s igned  s ide - by - s id e   in  th is   wor k   to   s tor e   bit s   o f   inf or mation   a nd  na med   a s   s hif t   r e gis ter   memo r y .   T he   f ir s t   ga ted  latc h   memor y   is   us e to   s tor e   the  f ir s t   bit   da ta,   s e c ond  ga ted  latc memor s tor e the  s e c ond  bit   d a ta  unti the  8 th  bit   da ta  is   s tor e d .     3. 1. 5   2 - I n p u t   m u l t ip lexe r   T he   two  input   mul ti plexe r   c ont r oll e by  a   s ig na c a ll e VA L I D   [ 25] .   W he VA L I is   z e r o,     the  mul ti plexe r   pr opa ga tes   20kHz   high   f r e que nc c lock  puls e   to  the   output   C L K W he VA L I is   o ne ,   only   2. 5   kHz   low   f r e que nc c lock   puls e   will   be   pr opa g a ted.   M ult ipl e xe r   s witch es   be twe e mul ti ple   input   li ne s   a t     a e xtr e mely  high  r a te  whic r e s ult ing  in  the  potential  of   c r e a ti ng  a   gli tch  by  a   s udde incr e a s e   or   c hopping  the  output   c lock.   How e ve r ,   thi s   gli tch  e f f e c did   no ha ve   a   major   im pa c on   the  f inal  outcome .     3. 1. 6.     I n t e gr at e d   on - c h ip   o p t ical  wa k e - u p   r e c e iver   F igur e   7   a nd   F igur e   8   s how  the   s c he matic  diagr a a nd   s im ulation   r e s ult   of   the   opti c a l   int e gr a ted   wa ke - up  r e c e iver .   T he   pa r a s it ic   diode  a the  f r ont - e nd  r e c e iver   is   us e to   tr a ns f or m   incoming   vis ibl e   li ght  int o   volt a ge .   T hr e e   f r ont - e nd  r e c e iver s   a r e   im pleme nt e to  e nha nc e s   de tec ti on  e f f e c ti ve ne s s   a nd  pr e ve nt  f a ls e   tr igger ing  that   may  be   c a us e by  s tr uc tur a is s ue s   s uc a s   a   dus pa r ti c le  blocking   the  photodi ode   d e tec ti on   pa r t.   T he   output s   o f   the  th r e e   f r ont - e nd  c ir c uit s   a r e   digi ti z e d   by  e a c h   c ompar a tor   a nd   the  majo r it y   vot e input   is   r outed  to  the  output   whic h   ge ne r a te  F L _DA T A.   An  8 - bit   pr e de ter mi ne pa s s c ode   is   s e a nd  us e a s   a   global  pa s s c ode   to  w a ke   up  the  s y s tem  a nd  pr otocol  c ontr oll e r   to  a void  f a ls e   tr igger s   f r om  vis ibl e   li g ht.   Onc e     the  F L _DA T is   matc he with   the  8 - bit   global  pa s s c ode   a e qua li ty  c ompar a tor ,   a   VA L I D   s ignal  is   g e ne r a ted  a nd  wa ke s   up  the  pr otocol  c ont r oll e r .   T he   s a mpl ing   f r e que nc o f   both   pr otocol   c ontr oll e r   a nd  volt a ge   c ompar a tor   incr e a s e   by  e ight   ti mes   to  e na ble  f ull   s pe e da ta  tr a ns f e r .   T he   pr otocol  c ontr oll e r   is   po we r - ga ted   dur ing  s tan dby  mode  unt il   a c ti va te s   by  the   wa ke - up  r e c e iver   to   opti mi z e   s ys tem  e ne r gy  c ons umpt ion.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   5 Oc tober   2020:    225 7   -   2264   2262       F igur e   7 .   Optica wa ke - up  r e c e iver   s c he matic  diag r a m           F igur e   8.   P e r f or manc e   of   opti c a in tegr a ted  wa ke - up  r e c e iver       3. 2.     P owe r   c on s u m p t ion   of   p r op os e d   op t ical  wa k e - u p   r e c e iver   T he   p r opos e opti c a l   wa ke - up  e f f e c ti ve ly   r e duc e s   powe r   c ons umpt ion   of   e a c wi r e les s   s e ns or   node s   by  ke e ping  p r otocol  c ont r oll e r   in   s tandby  s tate .   T he   wa ke - up  r e c e iver   a c ti va te s   the   pr otocol   c ontr ol ler   onc e     the  incoming  s ignal  matc he with  global  pa s s c ode   a nd  s tar f ull   da ta  s a mpl ing  r a te .   T he   opt ica wa ke - up  r e c e iver   c ons umes   only  443   pW   in   s tandby  mode  a nd  1. 89nW   in   a c ti ve   mode  a s   s hown  in   F igu r e   9.   T he   volt a ge   c ompar a tor   a nd  c lock  f r e que nc divi de r   c ons ume  the  mos of   the  s witchin powe r   in     the  pr opos e s ys tem  dur ing  the  s tandby  mode .   T he   powe r   c ons umpt ion  is   domi na ted  by   the  s a mpl ing  f r e que nc y   de f ined  dur ing  s tandby  a nd   a c ti ve   modes .   T he   pe r f or manc e   of   the  pr opos e wa ke - up  r e c e iver   ha s   be e n   be nc hmar ke with  pr e vious   r e s e a r c wor a s   s ho wn  in   T a ble  3.   T he   powe r   s a ving  of   thi s   wor is   252   pW   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         On - c hip  ult r low   pow e r   opti c al  w ak e - up  r e c e ive r   for     ( C hia  Y e e   Saw )   2263   whic is   mor e   than  one   thi r c ompar e to  the  pr e vious   opti c a wa ke - up  r e c e iver   [ 10] .   T he   pr opos e opti c a wa ke - up  r e c e iver   c ons umes   only   443   pW   in   s tan dby  mode   whic h   is   9000   ti mes   lowe r   than   the  p r e vious ly   r e por ted  ult r a s ound  wa ke - up  r a dio  [ 4]   a nd  37, 000   t im e s   lowe r   than  pr e vious ly   r e por ted  R F   r e c e iver s   [ 12]   T a ble  4   s hows   the   c ompar is on  be twe e n   W S Ns   with  a nd   without   im pleme nted   wa ke - up  r e c e iver .     F or   s ys tem  without   im pleme nted   wa ke - up  r e c e iver ,   it   will   a lwa ys   in  a c ti ve   mode  a nd   c ons umes   1. 8 9   nW   f or     8 - bi ts   da ta  tr a ns f e r .   B y   im pleme nti ng   opti c a l   wa ke - up  r e c e iver ,   the   da il y   powe r   c ons umpt ion  f or   the   s ys tem  is   a bout  3. 44mW   i f   no   incoming   s ignal,   whic h   s igni f i c a ntl r e duc e d   73. 8%   o f   powe r   c ons umpt ion  o f   e a c s e ns or   node   pe r   ye a r .           F igur e   9.   P owe r   c ons umpt ion  dur ing   s tandby  a nd  a c ti ve   mode       T a ble  3 .   C ompar is on  of   powe r   c ons umpt ion    T r a ns mi M e th od   R F   [ 12]   U lt r a s ound  [ 5]   O pt ic a [ 10]   T hi s  W or k   T e c hnol ogy   130nm   65nm   180nm   180nm   S uppl y V ol ta ge   1.2V   0.6V   1.2V   1.2V   S ta ndby P ow e r   16.4μ W   4.4 μW   695pW   443pW /1 .89nW       T a ble  4 .   P owe r   c ons umpt ion   c ompar is on  f o r   s ys tem  with  a nd   without   W uR x   P a r a me te r   W it h O pt ic a W a ke - up R e c e iv e r   W it hout   O pt ic a W a ke - up R e c e iv e r   P ow e r  C ons umpt io n   443pW  /  1.89nW   1.89nW   P ow e r  c ons umpt io n/ da y   3.44mW   13.12mW   P ow e r  c ons umpt io n/ ye a r   41.28mW   157.44mW       4.   CONC L USI ON   An  opti c a wa ke - up  r e c e iv e r   uti li s ing  W S tec hnology  f or   he a lt moni tor ing  in  the  hos pit a ha s   be e n   pr opos e d.   T he   opti c a wa ke - up  r e c e iver   is   de ve loped  in  180nm   S il ter r a   C M OS  p r oc e s s   tec hnology.   As   the  li ght   de tec tor   matc he s   the  pr e de f ine   global  pa s s c ode ,   th e   opti c a r e c e iver   s witche on   the  p r otocol  c ontr o ll e r   whic s a mpl e s   e ight   ti mes   f a s ter   a f ter   tu r ning  int o   a c ti ve   mode  f r om   s tandby  mode.   T he   powe r   c ons umpt ion  of     the  pr opos e opti c a wa ke - up  r e c e iver   is   s igni f ic a ntl les s   than  one   thi r d   c ompar e to   pr e vious ly  r e por ted   opti c a l,   R F   a nd  ul tr a s ound  wa ke - up  r e c e iver s   wh ich  c ons umes   only  443pW   in   s tandby  mode  a nd   1. 89   nW     in  a c ti ve   mode.   T he   wor s hows   a   powe r   s a ving  of   73. 8 %   c ompar e to  tr a dit ional  W S whic without     a   wa ke - up  r e c e iver   ha s   be e a c hieve d.   T he   pr opos e opti c a wa ke - up  r e c e iver   de mons tr a tes   not  only     high - s pe e da ta  r a te  a nd  r e latively  s e c ur e   da ta  tr a ns mi s s ion,   but  a ls s igni f ica nt  of   powe r   s a ving,   s howing    a   gr e a potential  in  ne xt  ge ne r a ti on   he a lt hc a r e   mon it or ing  s ys tem.       AC KNOWL E DGM E N T S   T he   a uthor s   a c knowle dge   the  tec hnica a nd  f inanc ial  s uppor by  Unive r s it T e knikal   M a lays ia  M e laka   ( UT e M )   a nd  M ini s tr o f   E duc a ti on  M a lays ia's   gr a nt  no.   F R GS/ 2018/F KE - C E R I A/F 00352.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   5 Oc tober   2020:    225 7   -   2264   2264   RE F E RE NC E S   [1 ]   U mes h   K S . ,   et   al . ,   " E x p l o rat i o n   o W i rel e s s   Sen s o N e t w o r k s   T ech n o l o g y   an d   d ev e l o p men t ,"   In t .   J.   E m er g .   Tr en d s   Tech n o l .   Co m p u t .   S c i . ,   v o l .   1 ,   n o .   1 ,   p p .   69 - 72 2 0 1 2 .   [2 ]   L i u   X . ,   et   al . ,   " A   Met h o d   fo E n erg y   Bal an c an d   D at T r an s m i s s i o n   O p t i ma l   Ro u t i n g   i n   W i re l es s   Sen s o N et w o rk s , "   S en s o r s ,   v o l .   19 ,   n o .   1 3 ,   p p .   1 - 14 2 0 1 9 .   [3 ]   T an   Y K . ,   et   al . ,   " Rev i ew   o E n er g y   H ar v es t i n g   T ech n o l o g i e s   fo Su s t a i n a b l W i rel e s s   Sen s o N e t w o rk ,"   In t ec h O p en ,   2 0 1 0 .   [4 ]   Y ad a v   K . ,   et   al . ,   " 4 . 4 u W   W ak e - U p   Rece i v er  U s i n g   U l t ra s o u n d   D at a   C o mmu n i ca t i o n , "   2 0 1 1   S ym p o s i u m   o n   V LS Ci r cu i t s -   D i g e s t   o f   Tech n i c a l   P a p er s 2 0 1 1 .   [5 ]   D rag o   S . ,   et   al . ,   " 2 . 4   G H 8 3 0 p J / b i t   D u t y - C y cl e d   W a k e - U p   Recei v er  w i t h   8 2 d Bm  Sen s i t i v i t y   f o Cry s t a l - L es s   W i re l es s   Sen s o N o d es ,"   P r o c eed i n g s   o f   t h IE E E   In t er n a t i o n a l   S o l i d - S t a t Ci r c u i t s   Co n f e r en ce ,   p p .   2 2 4 - 2 2 5 ,   2 0 1 0 .   [6 ]   W o n g   Y C . ,   et   al . ,   " L o w   Po w er  W ak e - u p   Recei v er  b as e d   o n   U l t ra s o u n d   Co mmu n i ca t i o n   Fo W i re l es s   Sen s o rN e t w o rk , "   B u l l e t i n   o f   E l ec t r i ca l   E n g i n ee r i n g   a n d   In f o r m a t i c s ,   v o l .   9 ,   n o .   1 ,   p p .   21 - 29 ,   2 0 2 0 .   [7 ]   H u a n g   X . ,   et   a l . ,   " A   2 . 4   G H z/ 9 1 5 MH 5 1 µ W   W a k e - U p   Recei v er  w i t h   O ffs e t   an d   N o i s Su p p res s i o n , "   5 8 t h   I E E E   In t e r n a t i o n a l   S o l i d - S t a t Ci r cu i t s   Co n f er e n ce 2 0 1 1 .     [8 ]   Pl et c h er  N M . ,   et   al . ,   " A   2   G H 5 2 µW   W ak e - U p   Recei v er  w i t h   - 7 2 d Bm  Sen s i t i v i t y   U s i n g   U n cer t ai n - IF  A rch i t ec t u re ,"   P r o ceed i n g s   o f   t h IE E E   In t er n a t i o n a l   S o l i d - S t a t Ci r c u i t s   Co n f . ,   2 0 0 8 .   [9 ]   K i G . ,   et   al . ,   " A   6 9 5   p W   St an d b y   Po w er  O p t i cal   W ak e - u p   Recei v er  fo W i re l es s   Sen s o N o d e s ,"   P r o cee d i n g s   o f   IE E E   Cu s t o m   In t eg r a t ed   Ci r cu i t   C o n f er e n ce ,   2 0 1 2 .     [1 0 ]   K i G . ,   et   al . ,   " U l t ra - L o w   P o w er  O p t i ca l   In t erface  Ci rc u i t s   fo N ear l y   In v i s i b l W i rel e s s   Sen s o N o d es ,"   Ph D   T h e s i s .   U SA :   U n i v er s i t y   o Mi ch i g a n ,   2 0 1 4 .   [1 1 ]   Y o o n   D Y . ,   et   al . ,   " A   n ew   ap p ro ach   t o   l o w - p o w er  an d   low - l at e n cy   w a k e - u p   recei v er  s y s t em  fo w i rel e s s   s e n s o n o d es ,"   J.   S o l i d - S t a t Ci r cu i t s ,   v o l .   47 ,   n o .   10 ,   p p .   2 4 0 5 - 2 4 1 9 2 0 1 2 .   [1 2 ]   Mo azzen i   S . ,   et   a l . ,   " A n   u l t ra - l o w - p o w er  en er g y - e ffi c i en t   d u a l - mo d w a k e - u p   rece i v er ,"   I E E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   Ci r cu i t s   a n d   S ys t em s   I:  R eg u l a r   P a p e r s ,   v o l .   62 ,   n o .   2 ,   p p .   517 - 5 2 6 2 0 1 5 .   [1 3 ]   Mat h e w s   J . ,   et   al . ,   " L o w   P o w er  W a k e - U p   i n   W i rel e s s   Se n s o N e t w o rk s   u s i n g   Free   Sp ace  O p t i ca l   Co mm u n i cat i o n s ,"   P r o c.   -   4 t h   I n t .   Co n f .   S e n s .   Tech n o l .   A p p l . ,   2 0 1 0 .   [1 4 ]   K u p p u s am y   P . ,   et   al . ,   " Su rv e y   an d   Ch al l e n g e s   o L i - Fi   w i t h   Co m p ari s o n   o W i - Fi ,"   IE E E   In t er n a t i o n a l   C o n f er en ce   o n   W i r e l es s   Co m m u n i ca t i o n s ,   S i g n a l   P r o ce s s i n g   a n d   Ne t wo r k i n g ,   2 0 1 6 .   [ 1 5 ]   P r a s h a n t   T R. ,   " Wi - F i   T e c h n o l o g y   V s   L i - F i   T e c h n o l o g y ,"   I n t .   R e s .   J .   E n g .   T e c h n o l o g y ,   v o l .   3 ,   n o .   5 ,   p p .   2 6 7 7 - 2 6 7 9 ,   2 0 1 6 .   [1 6 ]   T i S. ,   " L i Fi   t h h eal t h i er  a l t er n at i v t o   W i F i , "   2 0 1 9 .   [O n l i n e].   A v ai l ab l e:   h t t p s : / / en . g eo v i t al . c o m/ l i f i - t h e - h ea l t h i er - al t er n at i v e - to - w i f i / .   [A cce s s e d :   2 6 - Ma y - 2 0 1 9 ].   [1 7 ]   A l s el w i   Mare ,   et   al . ,   " In t eg rat ed   CMO Rect i fi er  fo RF - Po w ere d   W i re l es s   Sen s o N e t w o rk   N o d e s ,"   B u l l et i n   o f   E l ec t r i ca l   E n g i n eer i n g   a n d   In f o r m a t i cs ,   v o l .   8 ,   n o .   3 ,   p p .   1 - 10 2 0 1 9 .   [1 8 ]   A s l i   A N F . ,   et   al . ,   " 1 2 8 mA   CMO L D O   w i t h   1 0 8 d b   PSRR  at   2 . 4 MH Z   Freq u en c y ,"   TE LKO M N IKA   Tel eco m m u n i ca t i o n   Co m p u t i n g   E l ect r o n i c s   a n d   Co n t r o l ,   v o l .   17 ,   n o .   5 ,   p p .   1 0 1 - 1 1 2 2 0 1 9 .   [1 9 ]   K h a n   L U. ,   " V i s i b l e   L i g h t   C o mmu n i ca t i o n :   A p p l i ca t i o n s ,   A rch i t ec t u re,   S t an d ard i zat i o n   an d   Res earc h   Ch a l l e n g e s . , "   D i g i t a l   C o m m u n i c a t i o n s   a n d   Ne t wo r ks ,   v o l .   3 ,   n o .   2 ,   p p .   78 - 88 2 0 1 7 .   [2 0 ]   Y aq u b   H . ,   et   al . ,   " L i Fi  :   T h Fu t u re  fo In d o o W i rel es s   D at L i Fi :   T h Fu t u re  fo In d o o W i re l es s   D at Co mmu n i ca t i o n ,"   In t .   J.   S ci .   E n g .   R e s . ,   v o l .   7 ,   n o .   8 ,   p p .   823 - 8 2 9 2 0 1 7 .   [2 1 ]   W o n g   Y C . ,   et   al . ,   " T u n ab l Imp e d an ce  Ma t ch i n g   N et w o r k   w i t h   W i d Im p ed a n ce  Co v erag fo M u l t i   fre q u e n cy   St an d ard   RF  Fro n t - e n d ,"   In t e r n a t i o n a l   Jo u r n a l   o f   E l ect r o n i cs   a n d   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   82 ,   p p .   74 - 82 ,   2 0 1 7 .   [2 2 ]   W azi S. ,   " St u d y   an d   D e s i g n   o Co mp ar at o rs   fo H i g h - S p eed   A D Cs ,"   Ms T h e s i s .   Pat i a l a:   T h a p ar  U n i v ers i t y 2 0 1 1 .   [2 3 ]   Bal as u b ra ma n i a n   P . ,   et   al . ,   " A   Fau l t   T o l era n ce  Imp ro v e d   Maj o r i t y   V o t er  fo T MR  Sy s t em  A rch i t ect u re s ,"   Tr a n s a c t i o n s   o n   Ci r c u i t   a n d   S y s t e m s . ,   p p .   1 0 8 - 1 2 2 2 0 1 6 .   [2 4 ]   L i   W . ,   et   al . ,   " T h ree - In p u t   Maj o r i t y   L o g i G at an d   Mu l t i p l I n p u t   L o g i Ci rc u i t   Bas e d   o n   D N A   St r an d   D i s p l acemen t ,"   A CS   P u b l i c a t i o n ,   p p .   2 9 8 0 - 2 9 8 8 2 0 1 3 .   [2 5 ]   Y ap   J H ,   e t   a l .   A   3 0 m V   In p u t   Ba t t er y - l e s s   Po w er  Ma n ag eme n t   S y s t em ,"   B u l l e t i n   o f   E l ec t r i ca l   E n g i n eer i n g   a n d   In f o r m a t i c s ,   v o l .   8 ,   n o .   4 ,   p p .   1 1 6 9 - 1 1 7 9 2 0 1 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.