Jak navrhovat systémy sledování s více možnostmi připojení pro sledování hospodářských zvířat, správu vozového parku a logistiku Průmyslu 4.0

Sledování majetku a monitorování stavu v reálném čase jsou zásadní v zemědělských provozech, jako jsou chov dobytka, skladování potravin a léčiv v chladírenském řetězci, správa vozových parků a flexibilní výrobní operace Průmyslu 4.0. Jde o složitý proces zahrnující více senzorů pro monitorování podmínek prostředí. Zdůrazňuje, že zařízení je vybaveno globálním družicovým navigačním systémem (GNSS) s více hvězdicemi, včetně GPS, Galileo, Glonass, BeiDou a QZSS, aby byly zajištěny přesné informace o poloze. Řešení s více možnostmi připojení navíc poskytují včasnou komunikaci o poloze a stavu majetku bez ohledu na okolní prostředí, včetně připojení ke cloudu pro podporu centralizovaného monitorování. Také musí být energeticky účinná, aby se minimalizovala spotřeba energie baterie, a systém musí být zabezpečený a bezpečný před hackováním.

Návrh systému sledování a monitorování stavu majetku je složitá multidisciplinární činnost, která spotřebovává mnoho zdrojů a zabere spoustu času. Kromě složitosti spojené s návrhem hardwaru je třeba data bezpečně propojit s cloudem a mobilními zařízeními, aby bylo množství generovaných informací dostupné v použitelných formátech.

Místo toho, aby konstruktéři při navrhování systémů pro sledování majetku začínali s prázdnou stránkou, mohou se obrátit na vývojové sady a referenční návrhy, které zjednodušují vytváření prototypů, testování a vyhodnocování pokročilých aplikací pro sledování majetku. Tento článek se zabývá GNSS, senzory, konektivitou a dalšími aspekty při vývoji systémů sledování majetku a stavu a poté představuje komplexnívývojovou sadu z STMicroelectronics, která zahrnuje více desek plošných spojů pro různé typy senzorů, určování polohy GNSS a komunikační schopnosti. Sada také obsahuje baterii a pokročilou správu napájení pro maximalizaci životnosti baterie, knihovny softwaru a firmwaru a nástroje pro vývoj aplikací.

Kde na světě se majetek nachází?

Prvním krokem při sledování majetku je shromažďování informací o aktuální poloze pomocí formátu dat National Marine Electronics Association (NMEA). NMEA je standard používaný všemi výrobci GPS k zajištění interoperability. Standardní formát zprávy NMEA se označuje jako věta. NMEA definuje několik vět, které poskytují různé typy informací, včetně těchto:

• GGA – údaje o globálním polohovém systému včetně 3D souřadnic, stavu, počtu použitých satelitů a dalších údajů
• GSA – ředění přesných (DOP) a aktivních satelitů
• GST – statistika chyb polohy
• GSV – počet družic ve výhledu a číslo pseudonáhodného šumu (PRN), elevace, azimut a odstup signálu od šumu pro každou družici.
• RMC – poloha, rychlost a čas
• ZDA – den, měsíc a rok UTC a posun místního časového pásma

Použití NMEA zjednodušuje vývoj lokalizačního softwaru, protože pro různé typy přijímačů GPS lze použít společné rozhraní a pomocí příslušné věty lze snadno přistupovat ke konkrétním datovým sadám.

Jak se dá zlepšit přesnost?

Nezpracovaná data GNSS poskytují pouze omezenou přesnost polohy. K dispozici jsou nástroje pro zlepšení odhadu polohy, včetně služby Differential Global Positioning System (DGPS), která poskytuje korekční signály navigačnímu zařízení GPS na palubě lodí. DGPS poskytuje rozšířené údaje o poloze pomocí protokolu Radio Technical Commission for Maritime (RTCM). Kromě toho jsou k dispozici družicové rozšiřující systémy (SBAS), které zlepšují přesnost informací o poloze, včetně Wide Area Augmentation System (WAAS) v Americe, European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) v Asii a GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN), regionální SBAS v Indii (obrázek 1).

Obrázek 1: GNSS přijímač TESEO LIV3F s více hvězdicemi obsahuje sadu nástrojů, včetně DGPS, SBAS a RTCM (vlevo dole), které umožňují vysoce přesná lokalizační řešení. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Jaký je stav majetku?

V mnoha případech je znalost umístění majetku pouze jedním kouskem skládačky. Může být důležité shromažďovat informace o stavu majetku, včetně jeho fyzického stavu a toho, zda se pohybuje, nebo nepohybuje. Podle potřeby lze nasadit různé senzory, včetně následujících:

• Senzor teploty s provozním rozsahem -40 °C až +125 °C, vysokou přesností a kalibrací, kterou lze dohledat a ověřit podle normy IATF 16949:2016 National Institute of Standards and Technology (NIST).
• Snímač tlaku – kompaktní a odolný piezorezistivní absolutní senzor s mikroelektromechanickým systémem (MEMS) lze použít jako digitální výstupní barometr s rozsahem absolutního tlaku 260 až 1 260 hektopascalů (hPa), nazývaných také milibary. Musí být vysoce přesný a musí zahrnovat teplotní kompenzaci.
• Senzor vlhkosti s rozsahem provozních teplot -40 °C až +120 °C a rozsahem měření vlhkosti 0 až 100 % relativní vlhkosti (rH). Měl by být teplotně kompenzován s přesností ±3,5 % rH od 20 do 80 % rH.
• Inerciální měrná jednotka (IMU) včetně 3D akcelerometru založeného na MEMS a 3D gyroskopu k určení, zda se majetek pohybuje, nebo stojí.
• Akcelerometr jako tříosý lineární akcelerometr založený na MEMS pro měření vystavení majetku nárazům a vibracím.

Zabezpečené připojení

Jakmile určíte umístění a stav majetku, je čas tyto informace sdělit. V závislosti na okolnostech to může vyžadovat kombinaci zabezpečeného připojení na dlouhé a krátké vzdálenosti. V případě platformy STEVAL-ASTRA1B pro sledování majetku s více možnostmi připojení od společnosti STMicroelectronics jsou konektivita a zabezpečení podporovány několika systémovými prvky na hlavní desce, včetně těchto (Obrázek 2):

• STM32WB5MMG je certifikovaný 2,4GHz bezdrátový modul, který integruje dvoujádrový Arm® Cortex®-M4/M0+ STM32WB, krystaly a čipovou anténu s odpovídající sítí. Obsahuje zásobník Bluetooth Low Energy (BLE) a podporuje protokoly Open Thread, Zigbee a další 2,4Ghz protokoly.
• STM32WL55JC poskytuje bezdrátové připojení na velké vzdálenosti. Obsahuje také dvoujádrový Arm Cortex-M4/M0+ a může podporovat protokoly jako GFSK, LoRa a další. RF frontend ve standardní verzi podporuje pásma 868, 915 a 920 MHz. Změna některých komponent umožňuje modulu podporovat nižší frekvence.
• Zabezpečený prvek STSAFE-A110 se připojuje k STM32WB5MMG pro bezpečnou správu dat a ověřování. Je navržen tak, aby podporoval sítě Internetu věcí (IoT), jako je sledování majetku, a zahrnuje zabezpečený operační systém a zabezpečený mikrokontrolér.

Obrázek 2: Hlavní deska platformy STEVAL-ASTRA1B pro sledování majetku obsahuje STM32WB5MMG pro připojení na krátkou vzdálenost, STM32WL55JC pro připojení na velké vzdálenosti a STSAFE-A110 pro bezpečný provoz. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Vývojové prostředí pro sledování majetku

Vývojáři aplikací pro sledování majetku se mohou obrátit na vývojovou sadu hardwaru a softwaru STEVAL-ASTRA1B společnosti STMicroelectronics a referenční design, který usnadňuje tvorbu prototypů, testování a vyhodnocování pokročilých systémů pro sledování majetku (Obrázek 3). STEVAL-ASTRA1B je postaven na modulu STM32WB5MMG a SoC STM32WL55JC, které umožňují připojení na krátkou i dlouhou vzdálenost (BLE, LoRa a vlastní protokoly 2,4 GHz a sub-1 GHz). Pro připojení NFC je k dispozici ST25DV64K. Zařízení STSAFE-A110 podporuje zabezpečený provoz a modul GNSS Teseo-LIV3F umožňuje určování polohy ve venkovním prostředí.

Obrázek 3: Platforma STEVAL-ASTRA1B zahrnuje veškeré hardwarové, firmwarové a softwarové nástroje potřebné k vývoji pokročilých sledovacích systémů. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Přijímač určování polohy GNSS je kompatibilní se šesti systémy, včetně GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS a NavIC (také nazývané IRNSS). Systém také zahrnuje podporu WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS a GAGAN SBAS. Součástí dodávky je zářezový filtr proti zaseknutí.

Pro monitorování stavu je zahrnuta široká škála senzorů, včetně následujících (Obrázek 4):

• STTS22HTR – digitální teplotní senzor, který lze použít od -40 °C do +125 °C s maximální přesností ±0,5 °C od -10 °C do +60 °C a 16bitový výstup dat o teplotě. Kalibrace je navázána na NIST a zařízení je 100% testováno a ověřováno pomocí zařízení kalibrovaného podle normy IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR – piezorezistivní snímač absolutního tlaku MEMS, který se používá jako
• digitální výstupní barometr, který dokáže měřit absolutní tlak od 260 do 1260 hPa. Vyznačuje se absolutní přesností tlaku 0,5 hPa a šumem nízkotlakého senzoru 0,65 Pa, což vytváří 24bitový výstup dat o tlaku.
• HTS221TR – snímač relativní vlhkosti a teploty. Může měřit 0 až 100% rH s citlivostí 0,004 % rH / nejméně významný bit (LSB), přesností měření vlhkosti ±3,5 % rH od 20 do +80 % rH a přesností měření teploty ±0,5 °C od +15 °C do +40 °C.
• LIS2DTW12TR – MEMS tříosý lineární akcelerometr a teplotní senzor s uživatelsky volitelnými plnými stupnicemi ±2g/±4g/±8g/±16g, který dokáže měřit zrychlení s výstupními datovými rychlostmi od 1,6 Hz do 1 600 Hz.
• LSM6DSO32XTR – modul IMU, který má stále zapnutý 32g 3D digitální akcelerometr a 3D digitální gyroskop s rozsahy ±4/±8/±16/±32g plného rozsahu a úhlovým rozsahem ±125/±250/±500 /±1000/±2000 stupňů za sekundu (dps) v plném rozsahu.

Obrázek 4: Hlavní deska STEVAL-ASTRA1B obsahuje celou řadu senzorů (vlevo), systémovou desku (žlutý rámeček) a prvky pro připojení GNSS (TESEO LIV3F a anténa vpravo dole). (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Správa napájení je důležitá pro bezdrátová sledovací zařízení. Aby byla zajištěna dlouhá životnost baterie, obsahuje STEVAL-ASTRA1B rozsáhlé komponenty pro správu napájení, jako jsou například tyto:

• ST1PS02D1QTR 400miliampérový (mA) synchronní snižovací měnič s rozsahem vstupního napětí 1,8 V až 5,5 V, vstupním klidovým proudem 500 nanoampér (nA) při vstupním napětí 3,6 V a typickou účinností 92 %.
• STBC03JR Integrovaný obvod pro správu napájení a nabíjení baterií, který obsahuje lineární nabíjecí část pro jednočlánkové lithium-iontové (Li-ion) baterie využívající algoritmus nabíjení konstantním proudem / konstantním napětím (CC/CV), regulátor LDO (Low Drop-out Regulator) 150 mA, dva jednopólové dvoupolohové spínače (SPDT) a obvody pro ochranu baterie při poruchách.
• TCPP01-M12 Integrovaný obvod ochrany portu USB typu C® včetně ochrany proti přepětí VBUS nastavitelné od 5 V do 22 V (s externím N-kanálovým tranzistorem MOSFET), ochrany proti přepětí 6,0 V (OVP) na linkách CC proti zkratu VBUS a ochrany proti elektrostatickému výboji (ESD) na úrovni systému pro kolíky konektoru CC1 a CC2, která splňuje požadavky normy IEC 61000-4-2 úrovně 4.

Knihovny softwaru a firmwaru

Pro vývoj aplikací pro sledování majetku pomocí STEVAL-ASTRA1B je zahrnuta nebo dostupná široká škála softwaru a firmwaru. Příklady:

• Funkční balíček FP-ATR-ASTRA1 implementuje kompletní aplikaci pro sledování majetku a je součástí STEVAL-ASTRA1B. Funkční balíček získává data o poloze z přijímače GNSS, čte data z okolních a pohybových senzorů a odesílá je do cloudu pomocí připojení BLE a LoRaWAN. Zahrnuty jsou přizpůsobitelné případy použití pro správu vozového parku, sledování dobytka, sledování zboží a logistiku.
• Aplikace STAssetTracking dokáže na dálku nakonfigurovat zařízení pro sledování majetku s podporou BLE, Sigfox nebo NFC. Lze jej použít k povolení protokolování dat pro konkrétní senzory a nastavení prahových hodnot pro spuštění a zastavení protokolování.
• Přístrojová deska DSH-ASSETRACKING je cloudová aplikace na platformě Amazon Web Services (AWS), která poskytuje intuitivní rozhraní optimalizované pro sběr, vizualizaci a analýzu dat z lokalizačních služeb GNSS a senzorů pohybu a prostředí. Přístrojová deska může zobrazovat údaje o poloze v reálném čase nebo historické údaje a hodnoty senzorů i sledovat podmínky prostředí a události (Obrázek 5).

Obrázek 5: Řídicí panel DSH-ASSETRACKING je cloudová aplikace pro sledování majetku využívající technologii AWS. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Shrnutí

Sledování majetku je kritickou a komplexní funkcí potřebnou pro sledování dobytka, správu vozového parku a logistiku. Jak je uvedeno, sada pro vývoj hardwaru a softwaru a referenční návrh STEVAL-ASTRA1B od společnosti STMicroelectronics obsahují služby určování polohy GNSS, celou řadu senzorů prostředí a pohybu, správu napájení a kompletní řadu softwaru a firmwaru potřebných k urychlení návrhu vysoce výkonných zařízení pro sledování majetku.