Cum se utilizează modulele GNSS pentru crearea de soluții Smart City

Serviciile bazate pe depistarea locației (Location-Aware Services – LAS) din orașele inteligente sunt implementate în diverse domenii, inclusiv în serviciile guvernamentale, transporturi, gestionarea traficului, energie, asistență medicală, apă și deșeuri, și creează orașe mai sigure, mai durabile și mai bine conectate. În aceste aplicații, este adesea necesar să se înțeleagă ce distanțe sunt între dispozitivele aflate în apropiere. În aplicațiile LAS, cererea pentru capacitatea bazată pe poziționare prin utilizarea receptoarelor sistemului global de navigație prin satelit (GNSS) cu constelații multiple pentru sistemele de navigație prin satelit Galileo din Europa, GPS din SUA, GLONASS din Rusia și BeiDou din China este în creștere. Printre beneficiile utilizării receptoarelor GNSS cu constelații multiple se numără: o mai bună disponibilitate a semnalelor de poziție, navigație și sincronizare (PNT), acuratețe și integritate sporite și robustețe îmbunătățită. Dar dezvoltarea receptoarelor cu constelații multiple este o activitate complexă și consumatoare de timp.

Acest articol trece în revistă considerațiile importante privind proiectarea sistemului atunci când se utilizează receptoare GNSS cu constelații multiple, înainte de a prezenta platformele GNSS și mediile de dezvoltare de la u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales și Arduino pentru dezvoltarea eficientă și rentabilă a aplicațiilor bazate pe depistarea locației pentru orașele inteligente.

Îmbunătățirile aduse tehnologiei GNSS, în special cerințele legate de consumul redus de energie electrică, au fost esențiale pentru extinderea utilizării GNSS și proliferarea LAS în aplicațiile pentru orașele inteligente. Consumul de energie al receptorului GNSS a fost redus de la 120 de miliwați (mW) în 2010 la 25 mW în 2020 (Figura 1). De fapt, cererea de energie a receptorului GNSS a scăzut mai repede decât necesarul de energie al majorității celorlalte componente ale sistemului LAS. Tehnologiile GNSS mai vechi erau mari consumatoare de energie în comparație cu restul elementelor sistemului. În prezent, necesarul de energie al GNSS reprezintă adesea doar un procent format dintr-o singură cifră din bugetul general de energie.

Figura 1: Consumul de energie al receptorului GNSS a scăzut de la 120 mW în 2010 la 25 mW în 2020. (Sursa imaginii: u-blox)

Provocări legate de consumul de energie

În timp ce consumul de energie al receptorului GNSS a scăzut dramatic, complexitatea obținerii unei soluții optime pentru putere/performanță a crescut. Nu orice proiect LAS are nevoie de estimări continue ale poziției GNSS sau de niveluri ridicate de precizie a poziției. Proiectanții dispun de diverse instrumente pentru a optimiza performanța GNSS și consumul de energie, inclusiv optimizarea componentelor hardware și abordările bazate pe firmware.

Utilizarea componentelor cu consum redus de energie, în special a amplificatoarelor RF cu zgomot redus (LNA-uri), a oscilatoarelor și a ceasurilor în timp real (RTC-uri), reprezintă primul pas în dezvoltarea unor soluții GNSS eficiente din punct de vedere energetic. Alegerea între antenele active și pasive este un bun exemplu. Antenele pasive au un cost mai mic și sunt mai eficiente, dar nu satisfac nevoile tuturor aplicațiilor. O antenă activă poate fi o alegere bună în canioanele urbane, în interiorul clădirilor sau în alte locații în care semnalul are o intensitate slabă. LNA-ul din antena activă crește semnificativ capacitatea de recepție a semnalelor slabe, însă, totodată, consumă cantități semnificative de energie. Atunci când consumul de energie este critic, iar dimensiunea antenei nu este la fel de importantă, o antenă pasivă mai mare poate oferi, adesea, aceleași performanțe ca o antenă activă mai mică, oferind, în același timp, niveluri ridicate de disponibilitate și precizie a poziției.

Majoritatea receptoarelor GNSS pot oferi rate de actualizare de 10 hertzi (Hz) sau mai mari, dar majoritatea aplicațiilor LAS funcționează bine cu rate de actualizare mult mai lente și care consumă mai puțină energie. Selectarea ratei optime de actualizare poate avea cel mai mare impact asupra consumului de energie. Pe lângă considerațiile bazate pe hardware, proiectanții au la dispoziție o serie de instrumente firmware pentru optimizarea consumului de energie, inclusiv ratele de actualizare, numărul de constelații GNSS urmărite simultan, GNSS-ul asistat și o varietate de moduri de economisire a energiei (Figura 2).

Figura 2: Pe lângă utilizarea celei mai eficiente soluții hardware, proiectanții dispun de mai multe instrumente firmware pentru optimizarea performanței GNSS și a consumului de energie (Sursa imaginii: u-blox)

Poate fi necesară urmărirea simultană a mai multor constelații GNSS în medii dificile. În timp ce recepționarea semnalelor folosind diferite benzi poate asigura o determinare robustă a poziției, aceasta crește, de asemenea, consumul de energie. Este important să se înțeleagă mediul de operare specific, în special ce grad de obstrucționare există în vederea aeriană, și să se utilizeze numărul minim de semnale GNSS necesare pentru a răspunde nevoilor aplicației LAS specifice.

Prin dezactivarea funcției GNSS se economisește cea mai mare cantitate de energie, dar aceasta are ca rezultat o pornire la rece la fiecare activare. Timpul până la prima identificare a poziției (TTFF) pentru o pornire la rece poate fi de 30 de secunde sau mai mult, în funcție de disponibilitatea și de intensitatea semnalelor GNSS, precum și de dimensiunea și de amplasarea antenei. Sistemul GNSS asistat poate reduce TTFF-ul, furnizând, în același timp, informații precise. Sistemul GNSS asistat poate fi pus în aplicare în mai multe moduri, inclusiv locația curentă și estimată a sateliților și parametrii de sincronizare (denumite „date efemeride”), almanahul, precum și datele de corectare a orei exacte și a stării sateliților pentru sistemele de sateliți descărcate de pe internet în timp real sau la intervale de până la câteva zile. Unele receptoare GNSS au un mod autonom care calculează intern previziunile orbitei GNSS, eliminând nevoia de date externe și de conectivitate. Cu toate acestea, utilizarea modului autonom poate necesita pornirea periodică a receptorului pentru descărcarea datelor efemeride curente.

Moduri de economisire a energiei

Pe lângă opțiunile de conectivitate, cum ar fi GNSS-ul asistat, multe receptoare GNSS permit proiectanților să selecteze dintr-o gamă de compromisuri între ratele de actualizare și consumul de energie, inclusiv urmărirea continuă, urmărirea ciclică, funcționarea cu pornire/oprire și poziționarea instantanee (Figura 3). Selectarea modului optim de urmărire este un alt aspect important în definirea performanței unei aplicații specifice. În cazul în care condițiile de funcționare se schimbă, făcând ca modul optim de economisire a energiei să nu fie disponibil, sistemul ar trebui să treacă automat la următorul mod de economisire a energiei pentru a asigura funcționalitatea continuă.

Figura 3: Modurile de funcționare cu economisirea energiei trebuie să fie adaptate la ratele de actualizare necesare pentru optimizarea performanței sistemului GNSS. (Sursa imaginii: u-blox)

Urmărirea continuă este adecvată pentru aplicațiile care necesită câteva actualizări pe secundă. Receptorul GNSS își detectează poziția în acest mod, stabilește o poziție fixă, descarcă datele de almanah și efemeride și apoi trece la modul de urmărire pentru a reduce consumul de energie.

Urmărirea ciclică presupune că actualizările de poziție sunt efectuate la intervale de câteva secunde și este utilă atunci când semnalele și/sau antenele sunt suficient de mari pentru a asigura faptul că semnalele de poziție sunt accesibile în funcție de necesități. Se poate obține o economisire suplimentară de energie dacă urmărirea nu necesită achiziționarea de noi sateliți.

Funcționarea cu pornire/oprire presupune comutarea între activitățile de achiziție/urmărire și modul de repaus. Timpul de repaus este de obicei, de câteva minute, iar funcționarea cu pornire/oprire necesită semnale GNSS puternice pentru a reduce la minimum TTFF-ul și, prin urmare, consumul de energie după fiecare perioadă de repaus.

Poziționarea instantanee economisește energie prin utilizarea receptorului GNSS pentru procesarea locală a semnalului, combinată cu resurse de cloud computing pentru procesarea estimării poziției, care necesită o putere de calcul mai mare. Atunci când este disponibilă o conexiune la internet, poziționarea instantanee poate reduce consumul de energie al receptorului GNSS de zece ori. Această soluție poate fi o strategie eficientă de economisire a energiei atunci când sunt necesare doar câteva actualizări ale poziției pe zi.

Antena încorporată acceptă augmentarea GNSS

Proiectanții pot apela la modulul de antenă cu traseu SAM-M8Q de la u-blox pentru sistemele care beneficiază de recepția simultană a semnalelor GNSS GPS, Galileo și GLONASS (Figura 4). Utilizarea simultană a trei constelații are ca rezultat o precizie ridicată a poziției în medii dificile, cum ar fi canioanele urbane sau atunci când se recepționează semnale slabe. Pentru a accelera poziționarea și a îmbunătăți precizia, SAM-M8Q acceptă funcții de augmentare, inclusiv un sistem sistem de satelit cvasi-zenit (QZSS – Quasi-Zenith Satellite System), navigația augmentată GEO asistată de GPS (GAGAN – GPS-Aided GEO Augmented Navigation) și sistemul de mesagerie de interior (IMES – Indoor Messaging System), împreună cu sistemul de augmentare pentru zonă extinsă (WAAS – Wide Area Augmentation System), serviciul european geostaționar mixt de navigare (EGNOS – European Geostationary Navigation Overlay Service) și sistemul de augmentare a sateliților MTSAT (MSAS – Satellite Augmentation System).

Figura 4: Modulul SAM-M8Q acceptă recepția simultană a până la trei surse GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Sursa imaginii: u-blox)

Modulul SAM-M8Q poate utiliza, de asemenea, serviciul de asistență u-blox AssistNow, care oferă parametrii de difuzare GNSS, inclusiv date efemeride, almanah, plus timpul sau poziția aproximativă, pentru a reduce semnificativ TTFF-ul. Valabilitatea extinsă a datelor AssistNow Offline (până la 35 de zile) și a datelor AssistNow Autonomous (până la 3 zile) acceptă un TTFF mai rapid chiar și după o perioadă de timp extinsă.

Această platformă de dezvoltare Google Cloud pentru internetul lucrurilor (IoT) oferă o modalitate simplă de conectare și securizare a aplicațiilor bazate pe MCU PIC. GNSS 4 click de la MikroElektronika conține un modul SAM-M8Q și este proiectat împreună cu placa de dezvoltare PIC®-IoT WG de la Microchip Technology pentru a accelera dezvoltarea aplicațiilor LAS pentru orașele inteligente (Figura 5). Placa de dezvoltare PIC-IoT WG oferă utilizatorilor Google Cloud IoT o modalitate de a accelera dezvoltarea de aplicații sigure conectate la cloud. În plus, placa PIC-IoT WG pune la dispoziția proiectanților instrumente de analiză și de învățare automatizată.

Figura 5: Placa GNSS 4 click ține modulul de antenă cu traseu SAM-M8Q de la u-blox. (Sursa imaginii: DigiKey)

GNSS cu constelații multiple și conectivitate wireless

Pentru dispozitivele LAS de mici dimensiuni, cum ar fi dispozitivele de urmărire, care pot beneficia de acceptarea GNSS cu constelații multiple (GPS/Galileo/GLONASS) și de conectivitatea globală LPWAN LTE de la un singur modul care utilizează Rel. Generația de 14 secunde Cat. M1/NB1/NB2, proiectanții pot apela la modulul Cinterion TX62 de la Thales (Figura 6). Dimensiunea soluției poate fi optimizată și mai mult cu ajutorul arhitecturii flexibile a modulului, care permite rularea aplicațiilor folosind un procesor gazdă sau în interiorul modulului folosind procesorul integrat. TX62 acceptă modul de economisire a energiei 3GPP (PSM) și recepția discontinuă extinsă (eDRx) pentru aplicații sensibile la consumul de energie. Timpii de repaus PSM tind să fie mult mai lungi comparativ cu eDRX. Acești timpi de repaus mai lungi permit intrarea dispozitivului într-un mod de repaus mai profund și mai puțin consumator de energie comparativ cu eDRX. Consumul de energie în repaus al PSM este sub zece microamperi, în timp ce consumul de energie în repaus al eDRX este de până la 30 de microamperi.

Figura 6: Modulul TX62 IoT acceptă comunicații LTE-M, NB1 și NB2 și GNSS cu constelații multiple. (Sursa imaginii: Thales)

Caracteristicile de securitate ale TX62 includ stocarea securizată a cheilor și gestionarea certificatelor pentru a sprijini înscrierea de încredere în platformele cloud, protejând în același timp dispozitivul și datele, plus identitățile de încredere preintegrate în rădăcina TX62 în timpul fabricației. Atunci când este necesar, proiectanții pot specifica un eSIM integrat opțional care poate simplifica procesele de logistică și de fabricație și poate îmbunătăți flexibilitatea pe teren prin actualizări dinamice ale abonamentelor și asigurarea accesului la distanță.

Dezvoltarea LAS în aplicațiile Arduino Portenta H7 este simplificată cu ajutorul scutului Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS (Figura 7). Scutul combină puterea de edge computing a Portenta H7 cu conectivitatea TX62 pentru a permite dezvoltarea de sisteme LAS de urmărire a activelor și de monitorizare de la distanță în aplicațiile pentru orașele inteligente, precum și în domeniile industriale, agricole, în domeniul utilităților și altele. Modelul de bază al scutului Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS nu include o antenă GSM/UMTS. În loc să caute o antenă compatibilă, proiectanții pot utiliza antena Arduino dipol penta-band rezistentă la apă.

Figura 7: Scutul Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS include modulul IoT TX62-W (pătratul mare galben). (Sursa imaginii: Arduino)

Beneficiile suplimentare oferite de scutul Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS includ:

• Posibilitatea de a schimba conectivitatea fără a schimba placa
• Adăugarea poziționării plus NB-IoT, CAT.M1, pentru orice proiect bazat pe Portenta
• Cerințe de lățime de bandă de comunicație semnificativ mai mici în dispozitivele IoT
• Format compact 66 mm x 25,4 mm
• Funcționare de la -40°C la +85°C (de la -104°F la 185°F)

Rezumat

Progresele înregistrate în tehnologia GNSS cu consum redus de energie și de înaltă performanță sunt factori care stimulează creșterea aplicațiilor LAS pentru orașele inteligente. Cu toate acestea, simpla utilizare a celui mai eficient hardware din punct de vedere energetic este doar punctul de plecare; este la fel de important să optimizați firmware-ul pentru a ajunge la o soluție optimă și eficientă din punct de vedere energetic. Există numeroase combinații de hardware și firmware disponibile la îndemână atunci când se dezvoltă aplicații LAS bazate pe GNSS, iar proiectanții pot apela la o varietate de instrumente de evaluare pentru a accelera procesul de dezvoltare.