Jak používat moduly GNSS k vytváření řešení Smart City s ohledem na polohu

Lokalizační služby (LAS) v chytrých městech jsou nasazovány v různých oblastech, včetně vládních služeb, dopravy, řízení dopravy, energetiky, zdravotnictví, vody a odpadu, a vytvářejí bezpečnější, udržitelnější a lépe propojená města. V těchto aplikacích je často potřeba porozumět vzdálenostem mezi blízkými zařízeními. V aplikacích LAS roste poptávka po funkcích založených na poloze s využitím multi-konstelačních přijímačů globálního navigačního satelitního systému (GNSS) pro evropský Galileo, americký GPS, ruský GLONASS a čínský systém BeiDou. K výhodám používání multi-konstelačních GNSS přijímačů patří lepší dostupnost signálů polohy, navigace a časování (PNT), zvýšená přesnost a integrita a zlepšená robustnost. Vývoj multikonstelačních přijímačů je však složitá a časově náročná činnost.

Tento článek představuje platformy a vývojová prostředí GNSS od společností u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales, a Arduino pro účinný a nákladově efektivní vývoj lokalizačních aplikací inteligentního města. Poté shrnuje důležité aspekty návrhu systému při používání vícekonstelačních GNSS přijímačů.

Zlepšení technologie GNSS, zejména snížené požadavky na energii, přispěly k většímu využití modulů GNSS a rozšíření služeb LAS v aplikacích inteligentních měst. U přijímačů GNSS bylo dosaženo snížení spotřeby energie ze 120 miliWattů (mW) v roce 2010 na 25 mW v roce 2020 (obrázek 1). Ve skutečnosti spotřeba energie GNSS přijímače klesala rychleji než spotřeba energie většiny ostatních komponent systému LAS. Starší technologie GNSS byly ve srovnání s ostatními prvky systému energeticky náročné. Potřeby energie GNSS dnes často tvoří pouze jednociferné procento z celkového rozpočtu na energii.

Obrázek 1: Spotřeba energie přijímače GNSS klesla ze 120 mW v roce 2010 na 25 mW v roce 2020. (Zdroj obrázku: u-blox)

Problémy se spotřebou energie

Zatímco spotřeba energie přijímače GNSS dramaticky klesla, složitost získání optimálního řešení napájení/výkonu se znásobila. Nikoli každý návrh služby LAS potřebuje průběžné odhady polohy GNSS nebo vysokou úroveň přesnosti polohy. Konstruktéři používají různé nástroje pro optimalizaci výkonu GNSS a spotřeby energie, včetně optimalizace hardwaru a přístupů založených na firmwaru.

Prvním krokem ve vývoji energeticky účinných řešení GNSS je nasazení součástek s nízkou spotřebou energie, zejména nízkošumových RF zesilovačů (LNA), oscilátorů a hodin reálného času (RTC). Volba mezi aktivní a pasivní anténou je dobrým příkladem. Pasivní antény jsou levnější a účinnější, ale nesplňují potřeby každé aplikace. Aktivní anténa může být dobrou volbou v městských kaňonech, uvnitř budov nebo na jiných místech se špatnou silou signálu. Zesilovač LNA v aktivní anténě výrazně zvyšuje schopnost přijímat slabé signály, ale také spotřebovává značné množství energie. Je-li spotřeba energie kritická a velikost antény není tak důležitá, může větší pasivní anténa často poskytovat stejný výkon jako menší aktivní anténa, přičemž stále zajišťuje vysokou dostupnost polohy a úroveň přesnosti.

Většina přijímačů GNSS může poskytovat rychlost aktualizace 10 Hertz (Hz) nebo vyšší, ale většina aplikací LAS funguje dobře s mnohem pomalejšími a energeticky méně náročnými rychlostmi aktualizace. Výběr optimální rychlosti aktualizace může mít největší dopad na spotřebu energie. Kromě hardwarových kritérií mají konstruktéři při optimalizaci spotřeby energie k dispozici celou řadu nástrojů firmwaru včetně rychlosti aktualizace, počtu současně sledovaných konstelací GNSS, asistovaného systému GNSS a různých režimů úspory energie (obrázek 2).

Obrázek 2: Kromě použití nejúčinnějšího hardwarového řešení mají konstruktéři k dispozici několik nástrojů firmwaru na optimalizaci výkonu GNSS a spotřeby energie. (Zdroj obrázku: u-blox)

V náročných prostředích může být nutné sledovat více konstelací GNSS současně. Zatímco příjem signálů pomocí různých pásem může zajistit robustní určení polohy, zvyšuje také spotřebu energie. Je důležité porozumět konkrétnímu provoznímu prostředí, zejména tomu, jak je otevřený pohled na oblohu, a používat minimální počet signálů GNSS potřebných k podpoře potřeb konkrétní aplikace LAS.

Vypnutí funkce GNSS šetří nejvíce energie, ale při každém zapnutí má za následek studený start. Čas do první fixace (TTFF) pro studený start může být 30 sekund nebo déle, v závislosti na dostupnosti a síle signálů GNSS a velikosti a umístění antény. Asistovaný GNSS může snížit TTFF a přitom stále poskytovat přesné informace. Asistovaný GNSS lze implementovat několika způsoby, včetně aktuální a předpokládané polohy satelitů a parametrů časování (nazývaných „efemeridová data“), almanachu a přesných korekčních dat o čase a stavu satelitu pro satelitní systémy stahované přes internet v reálném čase nebo v intervalech až několika dnů. Některé GNSS přijímače mají autonomní režim, který interně vypočítává předpovědi GNSS orbity, čímž eliminuje potřebu externích dat a připojení. Použití autonomního režimu však může vyžadovat pravidelné zapínání přijímače pro stahování aktuálních dat efemerid.

Úsporné režimy

Kromě možností konektivity, jako je asistované GNSS, mnoho GNSS přijímačů umožňuje konstruktérům vybrat si z řady kompromisů mezi rychlostmi aktualizace a spotřebou energie, včetně nepřetržitého sledování, cyklického sledování, provozu zapnuto/vypnuto a polohy snímku (obrázek 3). Výběr optimálního režimu sledování je dalším důležitým hlediskem při definování výkonu konkrétní aplikace. Pokud se změní provozní podmínky a optimální režim úspory energie nebude k dispozici, systém by se měl automaticky přepnout na další režim s nejvyšší úsporou energie, aby byla zajištěna nepřetržitá funkčnost.

Obrázek 3: Energeticky úsporné provozní režimy je třeba sladit s požadovanou rychlostí aktualizace, aby se optimalizoval výkon systému GNSS. (Zdroj obrázku: u-blox)

Nepřetržité sledování je vhodné pro aplikace, které vyžadují několik aktualizací za sekundu. Přijímač GNSS získá svou polohu v tomto režimu, stanoví polohu, stáhne almanach a data efemerid a poté se přepne do režimu sledování, aby se snížila spotřeba energie.

Cyklické sledování trvá několik sekund mezi aktualizacemi polohy a je užitečné, když jsou signály a/nebo antény dostatečně velké, aby zajistily dostupnost signálů polohy podle potřeby. Další úspory energie lze dosáhnout, pokud sledování nevyžaduje pořízení nových satelitů.

Provoz zapnuto/vypnuto zahrnuje přepínání mezi aktivitami získávání/sledování a režimem spánku. Doba spánku je obvykle několik minut a provoz zapnutí/vypnutí vyžaduje silné signály GNSS, aby se minimalizoval čas TTFF a tím i spotřeba energie po každé periodě spánku.

Poloha snímku šetří energii pomocí GNSS přijímače pro místní zpracování signálu v kombinaci se zdroji cloud computingu pro výpočetně náročnější zpracování odhadu polohy. Je-li k dispozici připojení k internetu, sledování polohy snímku může desetkrát snížit spotřebu energie přijímače GNSS. Toto řešení může být efektivní strategií pro úsporu energie, když je potřeba pouze několik aktualizací polohy za den.

Vestavěná anténa podporuje rozšíření GNSS

Konstruktéři mohou využít modul patch antény SAM-M8Q od společnosti u-blox pro systémy, které těží ze souběžného příjmu signálů GPS, Galileo a GLONASS GNSS (obrázek 4). Použití tří konstelací současně vede k vysoké přesnosti polohy v náročných prostředích, jako jsou městské kaňony nebo při příjmu slabých signálů. Pro urychlení určování polohy a zlepšení přesnosti podporuje SAM-M8Q funkce rozšíření včetně kvazizenitového satelitního systému (QZSS), rozšířené GEO navigace (GAGAN) s podporou GPS a vnitřního systému zasílání zpráv (IMES), společně s rozsáhlým augmentačním systémem (WAAS), evropskou překryvnou službu geostacionární navigace (EGNOS) a satelitním rozšiřujícím systémem MTSAT (MSAS).

Obrázek 4: Modul SAM-M8Q podporuje současný příjem až ze tří zdrojů GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Zdroj obrázku: u-blox)

Modul SAM-M8Q může také využívat asistenční službu u-blox AssistNow, která poskytuje parametry vysílání GNSS, včetně dat efemerid, almanachu plus času nebo hrubé polohy, aby se TTFF výrazně snížilo. Prodloužená platnost dat AssistNow Offline (až 35 dní) a Autonomních dat AssistNow (až 3 dny) podporuje rychlejší čas TTFF i po delší době.

Tato vývojová platforma Google Cloud pro internet věcí (IoT) poskytuje jednoduchý způsob připojení a zabezpečení aplikací založených na PIC MCU. Systém GNSS 4 click od společnosti MikroElektronika obsahuje modul SAM-M8Q a je navržen s využitím vývojové desky PIC®-IoT WG od společnosti Microchip Technology k urychlení vývoje aplikací LAS pro inteligentní města (obrázek 5). Vývojová deska PIC-IoT WG poskytuje uživatelům Google Cloud IoT způsob, jak urychlit vývoj bezpečných aplikací připojených ke cloudu. Deska PIC-IoT WG také poskytuje návrhářům nástroje na analýzu a strojové učení.

Obrázek 5: Deska systému GNSS 4 click je osazena modulem patch antény SAM-M8Q od společnosti u-blox. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Multi-konstelační systém GNSS s bezdrátovým připojením

Pro malá zařízení LAS, jako jsou trackery, která mohou těžit z podpory vícekonstelačního systému GNSS (GPS/Galileo/GLONASS) a globální konektivity LPWAN LTE z jediného modulu využívajícího technologi Rel. 14 Cat. M1/NB1/NB2 druhé generace, mohou konstruktéři využít modul Cinterion TX62 od společnosti Thales (obrázek 6). Velikost řešení lze dále optimalizovat pomocí flexibilní architektury modulu, která podporuje spouštění aplikací pomocí hostitelského procesoru nebo uvnitř modulu pomocí integrovaného procesoru. Modul TX62 podporuje úsporný režim 3GPP (PSM) a rozšířený nespojitý příjem (eDRx) pro aplikace citlivé na spotřebu. Doba spánku v režimu PSM bývá mnohem delší než v režimu eDRX. Tyto delší doby spánku umožňují zařízení přejít do hlubšího režimu spánku s nižší spotřebou energie než eDRX. Odebíraný výkon při spánku v režimu PSM je nižší než deset mikroampérů, zatímco odebíraný výkon při spánku v režimu eDRX dosahuje až 30 mikroampérů.

Obrázek 6: Modul TX62 IoT podporuje komunikaci LTE-M, NB1 a NB2 a multi-konstelační systém GNSS. (Zdroj obrázku: Thales)

Bezpečnostní funkce TX62 zahrnují bezpečné úložiště klíčů a manipulaci s certifikáty, které podporují důvěryhodnou registraci na cloudových platformách a zároveň chrání zařízení a data, jakož i důvěryhodné identity předem integrované do kořenového adresáře TX62 během výroby. V případě potřeby mohou konstruktéři specifikovat volitelnou integrovanou kartu eSIM, která zjednoduší logistické a výrobní procesy a zlepší flexibilitu v terénu prostřednictvím dynamických aktualizací odběrů a vzdáleného poskytování.

Vývoj služeb LAS v aplikacích Arduino Portenta H7 je zjednodušen díky ochrannému štítu Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS (obrázek 7). Štít kombinuje špičkový výpočetní výkon desky Portenta H7 s konektivitou TX62 a umožňuje tak vývoj služeb LAS na sledování zařízení a vzdáleného monitorování v aplikacích inteligentních měst, jakož i v průmyslu, zemědělství, veřejných službách a dalších oblastech. Základní ochranný štít Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS neobsahuje GSM/UMTS anténu. Namísto hledání kompatibilní antény mohou konstruktéři využít dipólovou pětipásmovou vodotěsnou anténu Arduino.

Obrázek 7: Ochranný štít Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS obsahuje IoT modul TX62-W (velký žlutý čtverec). (Zdroj obrázku: Arduino)

Další výhody ochranného štítu Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS zahrnují:

• Možnost změny konektivity bez výměny desky
• Přidání polohování pluslibovolné konstrukce založené na Portenta nNB-IoT, CAT.M1
• Výrazně nižší požadavky na komunikační šířku pásma v zařízeních IoT
• Kompaktní formát 66 mm x 25,4 mm
• Rozsah provozních teplot -40 °C až +85 °C (-104 °F až 185 °F)

Shrnutí

Pokroky v technologii GNSS s nízkou spotřebou a vysokým výkonem jsou faktory, které pohánějí růst aplikací LAS pro inteligentní města. Pouhé použití energeticky nejúčinnějšího hardwaru je však pouze výchozím bodem; stejně tak je důležité optimalizovat firmware, abyste dosáhli optimálního a energeticky účinného řešení. Při vývoji aplikací LAS založených na systému GNSS je k dispozici mnoho kombinací hardwaru a firmwaru. Konstruktéři mohou využívat celou řadu vyhodnocovacích nástrojů na urychlení vývojového procesu.