Slik konstrueres sporingssystemer med flere konnektivitetsmuligheter for husdyrovervåking, flåtestyring og Industri 4.0-logistikk

Sporing av eiendeler og tilstandsovervåking i sanntid er avgjørende i landbruksvirksomhet som husdyrforvaltning, kjølelager for matvarer og legemidler, styring av kjøretøyflåter og fleksibel produksjonsvirksomhet i Industri 4.0. Det er en kompleks prosess som involverer flere sensorer som overvåker miljøforholdene. Den understreker at eiendelen er underlagt GNSS-funksjonalitet (GNSS – global navigation satellite system) for flere konstellasjoner, inkludert GPS, Galileo, Glonass, BeiDou og QZSS, for å sikre nøyaktig posisjonsinformasjon. I tillegg gir løsninger med flere konnektivitetsmuligheter betimelig kommunikasjon av posisjonen og tilstanden til eiendelen uavhengig av det omkringliggende miljøet, som omfatter tilkobling til skyen for å støtte sentralisert overvåking. Den må også være energieffektiv for å minimere behovet for strømtilførsel via batterier, og systemet må være sikkert og trygt fra hacking.

Konstruksjon av et system for eiendelssporing og tilstandsovervåking er en kompleks tverrfaglig aktivitet som bruker mange ressurser og krever betydelig tid. I tillegg til kompleksiteten knyttet til maskinvarekonstruksjon, må dataene være sikkert koblet til skyen og mobile enheter for å gjøre mangfoldet av informasjon som genereres tilgjengelig i handlingsbare formater.

I stedet for å starte med en tom side når systemer for eiendelssporing utvikles, kan konstruktører bruke utviklingssett og referansekonstruksjoner som forenkler prototyping, testing og evaluering av avanserte utrustninger for sporing av eiendeler (ASTRA – asset tracking application). Denne artikkelen vil gjennomgå GNSS, sensorer, konnektivitet og andre hensyn som må tas når systemer for eiendelssporing og tilstandsovervåking utvikles, og den presenterer deretter et omfattende utviklingssett fra STMicroelectronics som inkluderer flere trykte kretskort for ulike typer sensorer, GNSS-posisjonering og kommunikasjonsfunksjoner. Settet inneholder også batteri og avansert strømstyring for å maksimere batterilevetiden, programvare- og fastvarebiblioteker og utviklingsverktøy for utrustninger.

Hvor i verden befinner eiendelen seg?

Det første trinnet i eiendelssporing er å innhente gjeldende posisjonsinformasjon ved hjelp av NMEA-dataformatet (NMEA – National Marine Electronics Association). NMEA er standarden som brukes av alle GPS-produsenter for å sikre driftskompatibilitet. Standardmeldingsformatet for NMEA kalles en setning. NMEA definerer flere setninger for å gi ulike typer informasjon, deriblant:

• GGA – globalt posisjoneringssystem fastlegger data, inkludert 3D-koordinater, status, antall satellitter som brukes og andre data
• GSA – fortynning av presisjon (DOP – dilution of precision) og aktive satellitter
• GST – posisjonsfeilstatistikk
• GSV – antall satellitter i sikte og pseudotilfeldig støy (PRN – pseudo-random noise)-nummer, høyde, asimut og signal-til-støy-forhold for hver satellitt
• RMC – posisjon, hastighet og tid
• ZDA – UTC-dag, -måned og -år, og lokal tidssoneforskyvning

Ved å bruke NMEA, forenkles utviklingen av posisjonsprogramvare siden et felles grensesnitt kan brukes for ulike typer GPS-mottakere, og spesifikke datasett kan lett nås ved hjelp av den korresponderende setningen.

Slik kan nøyaktigheten forbedres

Rå GNSS-data gir bare begrenset posisjonsnøyaktighet. Verktøy som kan forbedre posisjonsestimatet er tilgjengelig, for eksempel DGPS-tjenesten (DPGS – Differential Global Positioning System) som leverer korreksjonssignaler til GPS-navigasjonsutstyr om bord på skip. DGPS bruker RTCM-protokollen (RTCM – Radio Technical Commission for Maritime) til å levere forbedrede posisjonsdata. I tillegg er satellittbaserte utvidelsessystemer (SBAS – satellite-based augmentation system) tilgjengelige for å forbedre nøyaktigheten av posisjonsinformasjon, inkludert Wide Area Augmentation System (WAAS) i Amerika, European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) i Asia og GPS-Aided GEO Augmented Navigation (GAGAN), en regional SBAS i India (figur 1).

Figur 1: TESEO LIV3F GNSS-mottakeren for flere konstellasjoner inkluderer en rekke verktøy, deriblant DGPS, SBAS og RTCM (nederst til venstre), for å muliggjøre svært nøyaktige posisjonsløsninger. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Eiendelens tilstand

I mange tilfeller er det å vite plasseringen til eiendelen bare en del av det hele og fulle bildet. Det kan være viktig å samle inn informasjon om eiendelens tilstand, slik som fysisk status og om den er eller har vært bevegelig eller stasjonær. Avhengig av behovet, kan ulike sensorer brukes, for eksempel:

• Temperatursensor med et driftsområde på –40 °C til +125 °C, høy nøyaktighet og kalibrering som er NIST-sporbar (NIST – National Institute of Standards and Technology) og verifisert i henhold til IATF 16949:2016-standarden.
• Trykkføler – en kompakt og robust MEMS (mikroelektromekanisk system) piezoresistiv absolutt sensor kan brukes som et digitalt utgangsbarometer med et absolutt trykkområde på 260 til 1260 hectoPascal (hPa), også kalt millibar. Den må være svært nøyaktig og inkludere temperaturkompensasjon.
• Fuktighetssensor med et driftstemperaturområde på mellom –40 °C og +120 °C og et fuktighetsmålingsområde på mellom 0 og 100 % relativ fuktighet (rH). Den bør temperaturkompenseres med en nøyaktighet på ±3,5 % rH fra 20 til 80 % rH.
• Enhet for treghetsmåling (IMU – inertial measurement unit), inkludert et MEMS-basert 3D-akselerometer og 3D-gyroskop for å fastsette om eiendelen er bevegelig eller stasjonær.
• Akselerometer, for eksempel et MEMS-basert treakset lineært akselerometer, for å måle hvor utsatt eiendelen er for støt og vibrasjoner.

Sikker konnektivitet

Når posisjonen og tilstanden til eiendelen er fastsatt, er det tid for å kommunisere denne informasjonen. Avhengig av omstendighetene, kan dette kreve sikker konnektivitet med en kombinasjon av lang og kort distanse. Når det gjelder STEVAL-ASTRA1B-plattformen fra STMicroelectronics, som kan spore eiendeler med flere tilkoblinger, støttes konnektivitet og sikkerhet av flere systemelementer på hovedkortet, herunder (figur 2):

• STM32WB5MMG er en sertifisert 2,4 GHz trådløs modul som integrerer en STM32WB dual-core Arm® Cortex®-M4/M0+, krystaller og en brikkeantenne med tilpasningsnett. Den inkluderer en Bluetooth LE (Low Energy)-stakk og støtter Open Thread, Zigbee og andre 2,4 GHz-protokoller.
• STM32WL55JC tilbyr trådløs konnektivitet med lang rekkevidde. Den inkluderer også en dual-core Arm Cortex-M4/M0+ og kan støtte protokoller som GFSK, LoRa og andre. RF-fronten i standardversjonen støtter båndene 868, 915 og 920 MHz. Hvis noen av komponentene endres, er det mulig for modulen å støtte lavere frekvenser.
• STSAFE-A110 Secure Element kobles til STM32WB5MMG for sikker datahåndtering og autentisering. Den er konstruert for å støtte tingenes Internett (IoT)-nettverk som eiendelssporing, og inkluderer et sikkert operativsystem og en sikker mikrokontroller.

Figur 2: Hovedkortet i STEVAL-ASTRA1B-plattformen for eiendelssporing inkluderer STM32WB5MMG for kort-distansekonnektivitet, STM32WL55JC for lang-distansekonnektivitet og STSAFE-A110 for sikker drift. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Utviklingsmiljø for eiendelssporing

Utviklere av utrustninger for sporing av eiendeler kan bruke STMicroelectronics sin STEVAL-ASTRA1B, et maskinvare- og programvareutviklingssett og en referansekonstruksjon som forenkler prototyping, testing og evaluering av avanserte systemer for sporing av eiendeler (figur 3). STEVAL-ASTRA1B er bygget rundt STM32WB5MMG-modulen og STM32WL55JC SoC-en som kombinerer konnektivitet over korte og lange distanser (BLE, LoRa og 2,4 GHz og sub-1 GHz proprietære protokoller). ST25DV64K er tilgjengelig for NFC-konnektivitet. STSAFE-A110 støtter sikker drift, og Teseo-LIV3F GNSS-modulen gir utendørs posisjonering.

Figur 3: STEVAL-ASTRA1B-plattformen inneholder alle maskinvare-, fastvare- og programvareverktøyene som trengs for å utvikle avanserte sporingssystemer. (Bildekilde: DigiKey)

GNSS-posisjonsmottakeren er kompatibel med seks systemer, deriblant GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS og NavIC (også kalt IRNSS). Systemet inkluderer også støtte for WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS og GAGAN SBAS. Et båndsperrefilter er inkludert for anti-jamming.

Et bredt utvalg av sensorer er inkludert for tilstandsovervåking, deriblant (figur 4):

• STTS22HTR – en digital temperatursensor som kan brukes fra –40 °C til +125 °C med en maksimal nøyaktighet på ±0,5 °C fra –10 °C til +60 °C og en 16-bits temperaturdatautgang. Kalibreringen er NIST-sporbar, og enheten er 100 % testet og verifisert med utstyr som er kalibrert i henhold til IATF 16949:2016-standarden.
• LPS22HHTR – en MEMS piezoresistiv absolutt trykksensor, som brukes som et
• digitalt utgangsbarometer, kan måle fra 260 til 1260 hPa absolutt-trykk. Den har absolutt-trykk-nøyaktighet på 0,5 hPa og lavtrykk-sensorstøy på 0,65 Pa, noe som gir en trykkdatautgang på 24 bits.
• HTS221TR – en sensor for relativ fuktighet og temperatur. Den kan måle 0 til 100 % rH med en følsomhet på 0,004 % rH/LSB (least significant bit), en fuktighetsnøyaktighet på ±3,5 % rH fra 20 til +80 % rH og en temperaturnøyaktighet på ±0,5 °C fra +15 °C til +40 °C.
• LIS2DTW12TR – et MEMS treakset lineært akselerometer og en temperatursensor med brukervalgbare fullskalaer på ±2/±4/±8/±16 g som kan måle akselerasjoner med utgangsdatahastigheter fra 1,6 Hz til 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR – en IMU-modul som har et 32 g 3D digitalt akselerometer som alltid er på, og et 3D digitalt gyroskop med områder på ±4/±8/±16/±32 g fullskala og et vinkelområde på ±125/±250/±500/±1000/±2000 grader per sekund (dps) fullskala.

Figur 4: Hovedkortet til STEVAL-ASTRA1B inkluderer et komplett utvalg av sensorer (venstre), systemkortet (gul boks) og GNSS-tilkoblingselementer (TESEO LIV3F og antenne nederst til høyre). (Bildekilde: STMicroelectronics)

Strømstyring er viktig for trådløse sporingsenheter. For å sikre lang batterilevetid, inkluderer STEVAL-ASTRA1B omfattende strømstyringskomponenter som:

• ST1PS02D1QTR, en synkron nedtransformeringsomformer på 400 milliampere (mA) med et inngangsspenningsområde på 1,8 V til 5,5 V, 500 nanoampere (nA) inngangshvilestrøm ved en inngangsspenning på 3,6 V og en typisk virkningsgrad på 92 %.
• STBC03JR, en IC for batteristyring og -lading som inkluderer en lineær batteriladerdel for encellede litium-ionbatterier (Li-ion-batteri) som bruker en ladealgoritme med konstant strøm/konstant spenning (CC/CV – constant current/constant voltage), en 150 mA regulator med lav fallspenning (LDO – low drop-out), to enpolede toveis-lastbrytere (SPDT – single pole double throw) og kretser for å beskytte batteriet under feilforhold.
• TCPP01-M12, en USB Type-C®-portbeskyttelses-IC som omfatter VBUS-overspenningsvern som kan justeres fra 5 V til 22 V (med en ekstern N-kanal MOSFET), 6,0 V overspenningsvern (OVP) på CC-ledninger mot kortslutning av VBUS og elektrostatisk utladningsvern (ESD) på systemnivå for kontaktpinnene CC1 og CC2, som er i samsvar med IEC 61000-4-2 nivå 4.

Programvare- og fastvarebiblioteker

Et bredt utvalg av programvare og fastvare er inkludert eller tilgjengelig for utvikling av utrustninger for eiendelssporing ved hjelp av STEVAL-ASTRA1B. Eksempler omfatter:

• FP-ATR-ASTRA1-funksjonspakken implementerer en komplett utrustning for eiendelssporing, og den er inkludert i STEVAL-ASTRA1B. Funksjonspakken får posisjonsdata fra GNSS-mottakeren, leser dataene fra omgivelses- og bevegelsessensorene og sender dem til skyen via BLE- og LoRaWAN-konnektivitet. Tilpassbare brukstilfeller for flåtestyring, husdyrovervåking, vareovervåking og logistikk, er inkludert.
• STAssetTracking-utrustningen kan eksternt konfigurere en BLE-, Sigfox- eller NFC-kompatibel enhet for eiendelssporing. Den kan brukes til å aktivere datalogging for bestemte sensorer og angi terskelutløsere for å starte og stoppe logging.
• DSH-ASSETRACKING-dashbordet er en AWS-drevet (AWS – Amazon Web Services) skyutrustning som gir et intuitivt grensesnitt optimalisert for å innsamle, visualisere og analysere data fra GNSS-posisjonstjenester og bevegelses- og miljøsensorer. Dashbordet kan plotte sanntids eller historiske posisjonsdata og sensorverdier og overvåke miljøforhold og hendelser (Figur 5).

Figur 5: DSH-ASSETRACKING-dashbordet er en AWS-drevet skyutrustning for sporing av eiendeler. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Sammendrag

Sporing av ressurser er en svært viktig og kompleks funksjon som trengs for overvåking av husdyr, flåtestyring og logistikk. STEVAL-ASTRA1B maskinvare- og programvareutviklingssettet og referansekonstruksjonen fra STMicroelectronics inkluderer som vist GNSS-posisjonstjenestene, et komplett utvalg av miljø- og bevegelsessensorer, strømstyring og et komplett utvalg av programvare og fastvare som er nødvendig for å fremskynde utviklingen av kraftige enheter for eiendelssporing.