Hvordan man designer sporingssystemer med flere tilslutningsmuligheder til overvågning af husdyr, flådestyring og industri 4.0-logistik

Realtidssporing af aktiver og overvågning af tilstand er afgørende i landbrugsaktiviteter som f.eks. forvaltning af husdyrhold, kølekædeopbevaring af fødevarer og lægemidler, styring af bilparker og fleksible produktionsaktiviteter i Industri 4.0. Det er en kompleks proces, der involverer flere sensorer til overvågning af miljøforhold. Det understreges, at aktivet er underlagt GNSS-funktioner (Global Navigation Satellite System) med flere konstellationer, herunder GPS, Galileo, Glonass, BeiDou og QZSS, for at sikre nøjagtige lokaliseringsoplysninger. Derudover giver multikonnektivitetsløsninger rettidig kommunikation om aktivets placering og tilstand uanset det omgivende miljø, herunder tilslutning til skyen for at understøtte centraliseret overvågning. Det skal også være energieffektivt for at minimere behovet for batteristrøm, og systemet skal være sikkert og beskyttet mod hacking.

Design af et system til sporing af aktiver og tilstandsovervågning er en kompleks, tværfaglig aktivitet, der kræver mange ressourcer og tager lang tid. Ud over kompleksiteten i forbindelse med hardwaredesignet skal dataene forbindes sikkert til skyen og mobile enheder for at gøre de mange oplysninger, der genereres, tilgængelige i brugbare formater.

I stedet for at starte med en tom side, når de designer systemer til sporing af aktiver, kan de nu anvende udviklingskits og referencedesigns, der gør det nemmere at lave prototyper, teste og evaluere avancerede applikationer til sporing af aktiver. I denne artikel gennemgås GNSS, sensorer, tilslutningsmuligheder og andre overvejelser i forbindelse med udvikling af systemer til sporing af aktiver og tilstandsovervågning, og derefter præsenteres et omfattende udviklingssæt fra STMicroelectronics, der omfatter flere printkort til forskellige typer sensorer, GNSS-positionering og kommunikationsfunktioner. Sættet indeholder også batteri og avanceret strømstyring for at maksimere batteriets levetid, software- og firmware-biblioteker samt værktøjer til udvikling af applikationer.

Hvor i verden er aktivet?

Det første skridt i sporing af aktiver er at indsamle aktuelle positionsoplysninger ved hjælp af NMEA-dataformatet (National Marine Electronics Association). NMEA er den standard, der anvendes af alle GPS-producenter for at sikre interoperabilitet. Standardformatet for NMEA-meddelelser kaldes en sætning. NMEA definerer flere sætninger til at give forskellige typer oplysninger, herunder:

• GGA - data fra det globale positioneringssystem, herunder 3D-koordinater, status, antallet af anvendte satellitter og andre data
• GSA - fortynding af præcision (DOP) og aktive satellitter
• GST - statistik over positionsfejl
• GSV - antal satellitter i synsfeltet og antallet af pseudo-tilfældig støj (PRN), elevation, azimut og signal/støjforhold for hver satellit
• RMC - position, hastighed og tid
• ZDA - UTC-dag, måned og år samt forskydning af lokal tidszone

Anvendelse af NMEA forenkler udviklingen af lokaliseringssoftware, da en fælles grænseflade kan anvendes til forskellige typer GPS-modtagere, og specifikke datasæt kan nemt tilgås ved hjælp af den tilsvarende sætning.

Hvordan kan nøjagtigheden forbedres?

Rå GNSS-data giver kun en begrænset nøjagtighed af placeringen. Der findes værktøjer til at forbedre lokaliseringsskønnet, herunder DGPS-tjenesten (Differential Global Positioning System), som leverer korrektionssignaler til GPS-navigationsudstyr om bord på skibe. DGPS anvender RTCM-protokollen (Radio Technical Commission for Maritime) til at levere forbedrede lokaliseringsdata. Desuden findes der satellitbaserede forstærkningssystemer (SBAS) til forbedring af positionsoplysningernes nøjagtighed, herunder Wide Area Augmentation System (WAAS) i USA, European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) i Asien og GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN), et regionalt SBAS i Indien (figur 1).

Figur 1: ESEO LIV3F GNSS-modtageren med flere konstellationer indeholder en række værktøjer, herunder DGPS, SBAS og RTCM (nederst til venstre), der muliggør meget præcise lokaliseringsløsninger. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Hvad er aktivets tilstand?

I mange tilfælde er det kun en del af puslespillet, at man kender aktivets placering. Det kan være vigtigt at indsamle oplysninger om aktivets tilstand, herunder dets fysiske tilstand, og om det er eller har været i bevægelse eller har stået stille. Afhængigt af behovet kan der anvendes forskellige sensorer, herunder:

• Temperatursensor med et driftsområde fra -40 °C til +125 °C, høj nøjagtighed og kalibrering, der kan spores og verificeres af National Institute of Standards and Technology (NIST) som krævet i IATF 16949:2016-standarden.
• Tryksensor - en kompakt og robust piezoresistiv absolut sensor med mikroelektromekanisk system (MEMS) kan anvendes som et digitalt outputbarometer med et absolut trykområde på 260 til 1260 hPa (hPa), også kaldet millibar. Den skal være meget nøjagtig og omfatte temperaturkompensation.
• Fugtighedssensor med et driftstemperaturområde fra -40 °C til +120 °C og et fugtighedsmåleområde fra 0 til 100 % relativ fugtighed (rH). Den skal være temperaturkompenseret med en nøjagtighed på ±3,5 % rH fra 20 til 80 % rH.
• Inertimåleenhed (IMU) med et MEMS-baseret 3D-accelerometer og 3D-gyroskop til at bestemme, om aktivet er i bevægelse eller stationært.
• Accelerometer som et MEMS-baseret tre-akse lineært accelerometer til måling af aktivets eksponering for stød og vibrationer.

Sikker tilslutning

Når aktivets placering og tilstand er blevet fastlagt, er det tid til at kommunikere disse oplysninger. Afhængigt af omstændighederne kan det kræve en kombination af sikre forbindelser med lang og kort rækkevidde. I tilfældet med STEVAL-ASTRA1B-platformen til sporing af aktiver med flere tilslutningsmuligheder fra STMicroelectronics understøttes tilslutningsmuligheder og sikkerhed af flere systemelementer på hovedkortet, herunder (Figur 2):

• STM32WB5MMG er et certificeret trådløst 2,4 GHz-modul, der integrerer en STM32WB dual-core Arm® Cortex®-M4/M0+, krystaller og en chipantenne med et matchende netværk. Den indeholder en Bluetooth Low Energy (BLE)-stack og understøtter Open Thread, Zigbee og andre 2,4 GHz-protokoller.
• STM32WL55JC giver trådløs forbindelse med lang rækkevidde. Den indeholder også en dual-core Arm Cortex-M4/M0+ og kan understøtte protokoller som GFSK, LoRa og andre. RF-frontenden i standardversionen understøtter 868-, 915- og 920 MHz-båndene. Ændring af nogle komponenter gør det muligt for modulet at understøtte lavere frekvenser.
• STSAFE-A110-sikkerhedselementet forbindes til STM32WB5MMG for sikker datahåndtering og autentificering. Den er designet til at understøtte IoT-netværk (Internet of Things) som f.eks. sporing af aktiver og omfatter et sikkert operativsystem og en sikker mikrocontroller.

Figur 2: Hovedkortet i STEVAL-ASTRA1B-platformen til sporing af aktiver omfatter STM32WB5MMG til kortdistanceforbindelse, STM32WL55JC til langdistanceforbindelse og STSAFE-A110 til sikker drift. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Udviklingsmiljø til sporing af aktiver

Udviklere af applikationer til sporing af aktiver kan henvende sig til STMicroelectronics' STEVAL-ASTRA1B hardware- og softwareudviklingskit og referencedesign, som gør det lettere at lave prototyper, teste og evaluere avancerede systemer til sporing af aktiver (Figur 3). STEVAL-ASTRA1B er bygget op omkring STM32WB5MMG-modulet og STM32WL55JC SoC'en, der kombinerer kort- og langdistanceforbindelser (BLE, LoRa og 2,4 GHz- og sub-1 GHz-protokoller). For NFC-tilslutning er ST25DV64K tilgængelig. STSAFE-A110 understøtter sikker drift, og Teseo-LIV3F GNSS-modulet giver mulighed for udendørs positionering.

Figur 3: STEVAL-ASTRA1B-platformen indeholder al den hardware, firmware og de softwareværktøjer, der er nødvendige for at udvikle avancerede sporingssystemer. (Billedkilde: DigiKey)

GNSS-positioneringsmodtageren er kompatibel med seks systemer, herunder GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS og NavIC (også kaldet IRNSS). Systemet omfatter også WAAS-, EGNOS-, MSAS-, WAAS- og GAGAN SBAS-understøttelse. Der medfølger et notch-filter for at forhindre støj.

En lang række sensorer er inkluderet til tilstandsovervågning, herunder (Figur 4):

• STTS22HTR - en digital temperatursensor, der kan anvendes fra -40 °C til +125 °C med en maksimal nøjagtighed på ±0,5 °C fra -10 °C til +60 °C og en 16-bit temperaturdataoutput. Kalibreringen er NIST-sporbar, og enheden er 100 % testet og verificeret med udstyr, der er kalibreret i henhold til IATF 16949:2016-standarden.
• LPS22HHHTR - en MEMS piezoresistiv absolut tryksensor, der anvendes som en
• digitalt barometer med digital udgang, der kan måle fra 260 til 1260 hPa absolut tryk. Den har en absolut tryknøjagtighed på 0,5 hPa og en lavtrykssensorstøj på 0,65 Pa, der producerer et 24-bit trykdataoutput.
• HTS221TR - en sensor til relativ fugtighed og temperatur. Den kan måle 0 til 100 % rH med en følsomhed på 0,004 % rH/lavest signifikante bit (LSB), en fugtighedsnøjagtighed på ±3,5 % rH fra 20 til +80 % rH og en temperaturnøjagtighed på ±0,5 °C fra +15 °C til +40 °C.
• LIS2DTW12TR - et MEMS tre-akse lineært accelerometer og en temperatursensor med brugervalgbare fulde skalaer på ±2g/±4g/±8g/±16g, der kan måle accelerationer med uddatahastigheder fra 1,6 Hz til 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR - et IMU-modul med et altid tændt 32 g 3D-digitalaccelerometer og et 3D-digitalgyroskop med intervaller på ±4/±8/±16/±32 g fuld skala og et vinkelområde på ±125/±250/±500/±1000/±2000 grader pr. sekund (dps) fuld skala.

Figur 4: STEVAL-ASTRA1B's hovedkort indeholder en lang række sensorer (til venstre), systemkortet (gul boks) og GNSS-tilslutningselementer (TESEO LIV3F og antenne nederst til højre). (Billedkilde: STMicroelectronics)

Strømstyring er vigtig for trådløse sporingsenheder. For at sikre lang batterilevetid indeholder STEVAL-ASTRA1B omfattende strømstyringskomponenter som f.eks:

• ST1PS02D1QTR 400 milliampere (mA) synkron step-down-konverter med et indgangsspændingsområde fra 1,8 V til 5,5 V, 500 nanoampere (nA) indgangstilstand ved en indgangsspænding på 3,6 V og en typisk effektivitet på 92 %.
• STBC03JR batteristrømstyrings- og oplader-IC, der omfatter en lineær batteriopladersektion til enkeltcelle litium-ion-batterier (Li-ion), der anvender en CC/CV-opladningsalgoritme (konstant strøm/konstant spænding), en LDO-regulator (Low Drop-out regulator) på 150 mA, to SPDT-belastningsafbrydere (SPDT) og kredsløb til beskyttelse af batteriet under fejlforhold.
• TCPP01-M12 USB Type-C®-portbeskyttelses-IC med VBUS-overspændingsbeskyttelse, der kan justeres fra 5 V op til 22 V (med en ekstern N-kanals MOSFET), 6,0 V-overspændingsbeskyttelse (OVP) på CC-linjerne mod kortslutning af VBUS og ESD-beskyttelse (elektrostatisk udladning) på systemniveau for stikstifterne CC1 og CC2, der opfylder IEC 61000-4-2 niveau 4.

Biblioteker med software og firmware

En lang række software og firmware er inkluderet eller tilgængelig til udvikling af applikationer til sporing af aktiver ved hjælp af STEVAL-ASTRA1B. Eksempler herpå er:

• FP-ATR-ASTRA1-funktionspakken implementerer en komplet applikation til sporing af aktiver og er inkluderet i STEVAL-ASTRA1B. Funktionspakken får positionsdata fra GNSS-modtageren, læser dataene fra miljø- og bevægelsessensorerne og sender dem til skyen ved hjælp af BLE- og LoRaWAN-forbindelse. Der er brugertilpasningsmuligheder til flådestyring, overvågning af husdyrhold, vareovervågning og logistik.
• STAssetTracking-applikationen kan fjernkonfigurere en BLE-, Sigfox- eller NFC-kompatibel enhed til sporing af aktiver. Den kan bruges til at aktivere datalogning for specifikke sensorer og indstille tærskeludløsere til at starte og stoppe logning.
• DSH-ASSETRACKING dashboardet er en cloud-applikation drevet af Amazon Web Services (AWS), som giver en intuitiv grænseflade, der er optimeret til indsamling, visualisering og analyse af data fra GNSS-positionstjenester og bevægelses- og miljøsensorer. Instrumentbrættet kan vise positionsdata og sensorværdier i realtid eller historisk tid og overvåge miljøforhold og -hændelser (Figur 5).

Figur 5: DSH-ASSETRACKING-dashboardet er en AWS-drevet cloud-applikation til sporing af aktiver. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Sammenfatning

Asset tracking er en kritisk og kompleks funktion, der er nødvendig i forbindelse med overvågning af husdyr, flådestyring og logistik. Som vist omfatter STEVAL-ASTRA1B hardware- og softwareudviklingssættet og referencedesignet fra STMicroelectronics GNSS-positioneringstjenesterne, et komplet udvalg af miljø- og bevægelsessensorer, strømstyring og et komplet udvalg af software og firmware, der er nødvendige for at fremskynde designet af højtydende enheder til sporing af aktiver.