Cum se proiectează sistemele de urmărire cu conectivitate multiplă pentru monitorizarea animalelor, gestionarea flotei și logistica din Industria 4.0

Urmărirea în timp real a activelor și monitorizarea stării acestora sunt esențiale în operațiunile agricole, cum ar fi gestionarea animalelor, depozitarea în sisteme frigorifice pentru alimente și produse farmaceutice, gestionarea flotelor de vehicule și operațiunile de producție flexibile din Industria 4.0. Este un proces complex care implică mai mulți senzori pentru monitorizarea condițiilor de mediu. Acesta subliniază faptul că activul este supus capacității sistemului global de navigație prin satelit (GNSS) cu constelații multiple, inclusiv GPS, Galileo, Glonass, BeiDou și QZSS, pentru a asigura informații precise privind localizarea. În plus, soluțiile de conectivitate multiplă asigură comunicarea în timp util a locației și a stării activului, indiferent de mediul înconjurător, inclusiv conectivitatea la cloud pentru a sprijini monitorizarea centralizată. De asemenea, trebuie să fie eficient din punct de vedere energetic pentru a reduce la minimum nevoia de baterii, iar sistemul trebuie să fie sigur și protejat de atacurile hackerilor.

Proiectarea unui sistem de urmărire a activelor și de monitorizare a stării activelor este o activitate multidisciplinară complexă care consumă multe resurse și necesită mult timp. În plus față de complexitatea asociată cu proiectarea hardware, datele trebuie să fie conectate în siguranță la cloud și la dispozitivele mobile pentru a pune la dispoziție o multitudine de informații generate în formate utilizabile.

În loc să pornească de la o pagină goală atunci când proiectează sisteme de urmărire a activelor, proiectanții pot utiliza kituri de dezvoltare și proiecte de referință care simplifică prototiparea, testarea și evaluarea aplicațiilor avansate de urmărire a activelor. Acest articol va trece în revistă GNSS, senzorii, conectivitatea și alte considerente care trebuie avute în vedere la dezvoltarea sistemelor de urmărire a activelor și de monitorizare a stării echipamentelor, iar apoi prezintă un kit de dezvoltare complet de la STMicroelectronics care include mai multe plăci de circuite imprimate pentru diferite tipuri de senzori, poziționare GNSS și capacități de comunicații. De asemenea, kitul include o baterie și un sistem avansat de gestionare a energiei pentru a maximiza durata de viață a bateriei, biblioteci software și firmware și instrumente de dezvoltare a aplicațiilor.

Unde este activul?

Primul pas în urmărirea activelor este colectarea de informații despre locația curentă folosind formatul de date NMEA (National Marine Electronics Association). NMEA este standardul utilizat de toți producătorii de GPS-uri pentru a asigura interoperabilitatea. Formatul standard al mesajului NMEA este denumit propoziție. NMEA definește mai multe propoziții pentru a furniza diferite tipuri de informații, inclusiv:

• GGA – date fixe ale sistemului de poziționare globală, inclusiv coordonate 3D, starea, numărul de sateliți utilizați și alte date.
• GSA – diluarea de precizie a poziției (DOP) și sateliții activi
• GST – statistici privind erorile de poziție
• GSV – numărul de sateliți în câmpul vizual și numărul de zgomot pseudo-aleatoriu (PRN), elevația, azimutul și raportul semnal-zgomot pentru fiecare satelit.
• RMC – poziție, viteză și timp
• ZDA – ziua, luna și anul în format UTC și decalajul fusului orar local

Utilizarea NMEA simplifică dezvoltarea software-ului de localizare, deoarece se poate utiliza o interfață comună pentru diferite tipuri de receptoare GPS, iar seturile de date specifice pot fi accesate cu ușurință utilizând propoziția corespunzătoare.

Cum poate fi îmbunătățită acuratețea?

Datele GNSS brute oferă doar o precizie limitată a localizării. Există instrumente pentru îmbunătățirea estimării locației, inclusiv serviciul DGPS (Differential Global Positioning System), care furnizează semnale de corecție pentru echipamentele de navigație GPS de la bordul navelor. DGPS utilizează protocolul RTCM (Radio Technical Commission for Maritime) pentru a furniza date de localizare îmbunătățite. În plus, sunt disponibile sisteme de augmentare bazate pe sateliți (SBAS) pentru a îmbunătăți acuratețea informațiilor de poziție, inclusiv Wide Area Augmentation System (WAAS) în America, Serviciul european geostaționar mixt de navigare (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) în Asia și navigația augmentată GEO asistată de GPS (GAGAN), un SBAS regional din India (Figura 1).

Figura 1: receptorul GNSS cu constelație mulitplă TESEO LIV3F include o suită de instrumente, inclusiv DGPS, SBAS și RTCM (stânga jos), pentru a permite soluții de localizare de mare precizie. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Care este starea activului?

În multe cazuri, cunoașterea locației activului este doar o piesă din puzzle. Colectarea informațiilor despre starea activului poate fi importantă, inclusiv a celor despre starea fizică a acestuia și a celor care arată dacă este sau a fost în mișcare sau staționar. În funcție de necesități, pot fi implementați diferiți senzori, printre care:

• Senzor de temperatură cu o gamă de funcționare de la -40 °C la +125 °C, precizie ridicată și calibrare care poate fi urmărită și verificată de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST), conform cerințelor standardului IATF 16949:2016.
• Senzor de presiune - un senzor absolut piezorezistiv compact și robust cu sistem microelectromecanic (MEMS) poate fi utilizat ca barometru cu ieșire digitală, cu o gamă de presiune absolută cuprinsă între 260 și 1260 hectoPascali (hPa), denumită și milibari. Acesta trebuie să fie foarte precis și să includă compensarea temperaturii.
• Senzor de umiditate cu un interval de temperatură de funcționare de la -40 °C la +120 °C și un interval de măsurare a umidității de la 0 la 100% umiditate relativă (rH). Acesta trebuie să fie compensat în funcție de temperatură cu o precizie de ±3,5% rH de la 20 la 80% rH.
• Unitate de măsurare inerțială (IMU) care include un accelerometru 3D bazat pe MEMS și un giroscop 3D pentru a determina dacă activul este în mișcare sau staționar.
• Accelerometru, cum ar fi un accelerometru liniar pe trei axe bazat pe MEMS, pentru a măsura expunerea activului la șocuri și vibrații.

Conectivitate securizată

După ce au fost determinate locația și starea activului, este timpul să se comunice aceste informații. În funcție de circumstanțe, acest lucru poate necesita o combinație de conectivitate securizată pe distanțe lungi și scurte. În cazul platformei de urmărire a activelor STEVAL-ASTRA1B cu conectivitate multiplă de la STMicroelectronics, conectivitatea și securitatea sunt susținute de mai multe elemente de sistem de pe placa principală, inclusiv (Figura 2):

• STM32WB5MMG este un modul wireless certificat de 2,4 GHz care integrează un STM32WB cu două nuclee Arm® Cortex®-M4/M0+, cristale și o antenă cu cip cu o rețea corespunzătoare. Acesta include o stivă Bluetooth Low Energy (BLE) și acceptă Open Thread, Zigbee și alte protocoale de 2,4 GHz.
• STM32WL55JC oferă conectivitate wireless cu rază lungă de acțiune. Acesta include, de asemenea, un Arm Cortex-M4/M0+ cu două nuclee și poate suporta protocoale precum GFSK, LoRa și altele. Front end-ul RF din versiunea standard acceptă benzile de 868, 915 și 920 MHz. Schimbarea unor componente permite modulului să suporte frecvențe mai mici.
• Elementul securizat STSAFE-A110 se conectează la STM32WB5MMG pentru gestionarea și autentificarea sigură a datelor. Acesta este conceput pentru a susține rețelele de internet al lucrurilor (IoT), cum ar fi urmărirea activelor, și include un sistem de operare securizat și un microcontroler securizat.

Figura 2: Placa de bază a platformei de urmărire a activelor STEVAL-ASTRA1B include STM32WB5MMG pentru conectivitate pe distanțe scurte, STM32WL55JC pentru conectivitate pe distanțe lungi și STSAFE-A110 pentru operare securizată. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Mediu de dezvoltare pentru urmărirea activelor

Dezvoltatorii de aplicații de urmărire a activelor pot utiliza kitul de dezvoltare hardware și software STEVAL-ASTRA1B și proiectul de referință STEVAL-ASTRA1B de la STMicroelectronics, care facilitează crearea de prototipuri, testarea și evaluarea sistemelor avansate de urmărire a activelor (Figura 3). STEVAL-ASTRA1B este construit pe baza modulului STM32WB5MMG și a SoC-ului STM32WL55JC, care se combină pentru conectivitate pe distanțe scurte și lungi (BLE, LoRa și protocoale brevetate de 2,4 GHz și sub 1 GHz). Pentru conectivitate NFC, este disponibil modelul ST25DV64K. STSAFE-A110 susine funcționarea securizată, iar modulul GNSS Teseo-LIV3F asigură poziționarea în aer liber.

Figura 3: Platforma STEVAL-ASTRA1B include toate instrumentele hardware, firmware și software necesare pentru a dezvolta sisteme avansate de urmărire. (Sursa imaginii: DigiKey)

Receptorul de poziționare GNSS este compatibil cu șase sisteme, inclusiv GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS și NavIC (numit și IRNSS). Sistemul include, de asemenea, suport pentru WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS și GAGAN SBASs. Este inclus un filtru de respingere a benzii pentru anti-bruiaj.

Este inclusă o gamă largă de senzori pentru monitorizarea stării, inclusiv (Figura 4):

• STTS22HTR – un senzor de temperatură digital care poate fi utilizat de la -40 °C la +125 °C cu o precizie maximă de ±0,5 °C de la -10 °C la +60 °C și o ieșire de date de temperatură pe 16 biți. Calibrarea poate fi urmărită prin NIST, iar dispozitivul este 100% testat și verificat cu echipamente calibrate conform standardului IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR – un senzor de presiune absolută piezorezistiv MEMS, care este utilizat ca un
• barometru cu ieșire digitală care poate măsura presiunea absolută de la 260 la 1260 hPa. Acesta are o precizie a presiunii absolute de 0,5 hPa și un zgomot al senzorului de presiune scăzută de 0,65 Pa, producând o ieșire de date de presiune pe 24 de biți.
• HTS221TR – un senzor de umiditate relativă și temperatură. Acesta poate măsura de la 0 la 100% rH cu o sensibilitate de 0,004% rH/bitul cel mai puțin semnificativ (LSB), o precizie a umidității de ±3,5% rH de la 20 la +80% rH și o precizie a temperaturii de ±0,5 °C de la +15 °C la +40 °C.
• LIS2DTW12TR – un accelerometru liniar MEMS cu trei axe și senzor de temperatură cu scale complete selectabile de către utilizator de ±2 g/±4 g/±8 g/±16 g, care poate măsura accelerații cu viteze de ieșire a datelor de la 1,6 Hz la 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR – un modul IMU care dispune de un accelerometru digital 3D de 32 g și un giroscop digital 3D cu intervale de ±4/±8/±16/±32 g pe întreaga scară și o gamă unghiulară de ±125/±250/±500/±1000/±2000 grade pe secundă (dps) pe întreaga scară.

Figura 4: Placa de bază STEVAL-ASTRA1B include o gamă completă de senzori (stânga), placa de sistem (caseta galbenă) și elementele de conectivitate GNSS (TESEO LIV3F și antena din dreapta jos). (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Gestionarea energiei este importantă pentru dispozitivele de urmărire wireless. Pentru a asigura o durată lungă de viață a bateriei, STEVAL-ASTRA1B include componente extinse de gestionare a energiei, cum ar fi:

• ST1PS02D1QTR – Convertor coborâtor-sincron de 400 miliamperi (mA) cu o gamă de tensiuni de intrare de la 1,8 V la 5,5 V, curent de intrare de repaus de 500 nanoamperi (nA) la o tensiune de intrare de 3,6 V și eficiență tipică de 92%.
• STBC03JR – Circuitul integrat de gestionare a energiei și de încărcare a bateriei, care include o secțiune de încărcare liniară a bateriei pentru baterii litiu-ion (Li-ion) cu o singură celulă, care utilizează un algoritm de încărcare cu curent constant/tensiune constantă (CC/CV), un regulator de 150 mA cu cădere redusă (LDO), două comutatoare monopolare pentru două circuite (SPDT) și circuite de protecție a bateriei în condiții de defecțiune.
• TCPP01-M12 – Circuit integrat de protecție a portului USB Type-C®, inclusiv protecție la supratensiune VBUS reglabilă de la 5 V până la 22 V (cu un MOSFET extern cu canal N), protecție la supratensiune de 6,0 V (OVP) pe liniile CC împotriva scurtcircuitării VBUS și protecție la nivel de sistem împotriva descărcărilor electrostatice (ESD) pentru pinii de conectare CC1 și CC2, în conformitate cu IEC 61000-4-2 de nivelul 4.

Biblioteci de software și firmware

O gamă largă de software și firmware este inclusă sau disponibilă pentru dezvoltarea de aplicații de urmărire a activelor cu ajutorul STEVAL-ASTRA1B. Printre exemple se numără:

• Pachetul de funcții FP-ATR-ASTRA1 care implementează o aplicație completă de urmărire a activelor și este inclus cu STEVAL-ASTRA1B. Pachetul de funcții primește date de poziționare de la receptorul GNSS, citește datele de la senzorii de mediu și de mișcare și le trimite în cloud utilizând conectivitatea BLE și LoRaWAN. Sunt incluse cazuri de utilizare personalizabile pentru gestionarea flotei, monitorizarea animalelor, monitorizarea mărfurilor și logistică.
• Aplicația STAssetTracking poate configura de la distanță un dispozitiv de urmărire a activelor compatibil BLE, Sigfox sau NFC. Aceasta poate fi utilizată pentru a activa înregistrarea datelor pentru anumiți senzori și pentru a seta praguri de declanșare pentru începerea și oprirea înregistrării.
• Panoul de bord DSH-ASSETRACKING este o aplicație cloud alimentată de Amazon Web Services (AWS) care oferă o interfață intuitivă optimizată pentru colectarea, vizualizarea și analiza datelor provenite de la serviciile de localizare GNSS și de la senzorii de mișcare și de mediu. Panoul de bord poate afișa date de poziție în timp real sau istorice și valori ale senzorilor și poate monitoriza condițiile și evenimentele de mediu (Figura 5).

Figura 5: Panoul de bord DSH-ASSETRACKING este o aplicație în cloud alimentată de AWS pentru urmărirea activelor. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Rezumat

Urmărirea activelor este o funcție critică și complexă necesară pentru monitorizarea animalelor, gestionarea flotei și logistică. După cum s-a arătat, kitul de dezvoltare hardware și software STEVAL-ASTRA1B și proiectul de referință de la STMicroelectronics include serviciile de localizare GNSS, o gamă completă de senzori de mediu și de mișcare, gestionarea energiei și o gamă completă de software și firmware necesare pentru a accelera proiectarea dispozitivelor de urmărire a activelor de înaltă performanță.