Hur man utformar spårningssystem med flera anslutningsmöjligheter för övervakning av boskap, förvaltning av vagnparker och logistik i Industry 4.0

Spårning av tillgångar i realtid och övervakning av tillstånd är viktigt för verksamheter inom jordbruk som t.ex. boskapsskötsel, i kylkedjan för livsmedel och läkemedel, vid hantering av vagnparker samt i flexibla produktionsverksamheter inom Industry 4.0. Det är en komplicerad process med flera olika givare som övervakar miljöförhållandena. Tonvikten läggs vid att tillgången har möjlighet till GNSS (globalt satellitnavigeringssystem) med flera konstellationer, inklusive GPS, Galileo, Glonass, BeiDou och QZSS, för att garantera noggrann platsinformation. Lösningar med flera anslutningsmöjligheter tillhandahåller dessutom användbar data gällande tillgångens plats och skick oavsett omgivande miljö, inklusive anslutning till molnet, för att stödja centraliserad övervakning. Den måste även vara energieffektiv för att minimera behovet av batteri och systemet måste vara säkert och skyddat från hackning.

Att utforma ett system för spårning av tillgångar och övervakning av tillstånd är en komplicerad och tvärvetenskaplig verksamhet som förbrukar mycket resurser och tar mycket tid i anspråk. Förutom den komplicerade konstruktionen av hårdvaran måste data anslutas säkert till molnet och mobila enheter för att göra den stora mängd information som genereras tillgänglig i användbara format.

Istället för att börja med ett tomt blad när man utformar system för spårning av tillgångar kan konstruktörer använda sig av utvecklingssatser och referenskonstruktioner som förenklar prototypframställning, testning samt utvärdering av avancerade tillämpningar för spårning av tillgångar. Den här artikeln går igenom GNSS, givare, anslutningsmöjligheter och andra överväganden när system utvecklas för spårning och övervakning av tillstånd samt presenterar sedan en gedigen utvecklingssats från STMicroelectronics som innehåller flera olika kretskort för olika typer av givare, GNSS-positionering och kommunikationsmöjligheter. Satsen innehåller även batteri och avancerad energihantering för att maximera batteriets livslängd, bibliotek för mjukvara och firmware samt verktyg för utveckling av tillämpningar.

Var i världen finns tillgången?

Det första steget i att spåra tillgångar är att samla in aktuell platsinformation med hjälp av dataformatet NMEA (National Marine Electronics Association). NMEA är den standard som används av alla GPS-tillverkare för att garantera kompatibilitet. Standardformatet för meddelanden med NMEA kallas för en mening. NMEA definierar flera meningar för att tillhandahålla olika typer av information, bland annat:

• GGA - fixdata för det globala positioneringssystemet, inklusive 3D-koordinater, status, antal använda satelliter och annan data.
• GSA - DOP (dilution of precision) och aktiva satelliter
• GST - statistik för positionsfel
• GSV - antal satelliter inom synhåll och antalet PRN (pseudo-random noise), höjd, azimut och signal-brusförhållande för varje satellit.
• RMC - position, hastighet och tid
• ZDA - UTC-dag, -månad och -år samt förskjutning av den lokala tidszonen.

Användningen av NMEA förenklar utvecklingen av programvara för positionering eftersom ett gemensamt gränssnitt kan användas för olika typer av GPS-mottagare och specifika datauppsättningar kan enkelt nås med hjälp av motsvarande mening.

Hur kan noggrannheten förbättras?

Rå GNSS-data ger endast en begränsad noggrannhet för positionering. Det finns verktyg för att förbättra uppskattningen av positionen, bland annat DGPS-tjänsten (Differential Global Positioning System) som ger korrigeringssignaler till navigationsutrustning med GPS ombord på fartyg. DGPS använder RTCM-protokollet (Radio Technical Commission for Maritime) för att tillhandahålla förbättrade positioneringsuppgifter. Dessutom finns det satellitbaserade hjälpsystem (SBAS) för att förbättra positionsinformationens noggrannhet, inklusive WAAS (Wide Area Augmentation System) i USA, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) i Asien och GAGAN (GPS-aided GEO augmented navigation), ett regionalt satellitbaserat hjälpssystem i Indien (figur 1).

Figur 1: GNSS-mottagaren TESEO LIV3F, som består av flera konstellationer, innehåller en uppsättning verktyg, inklusive DGPS, SBAS och RTCM (längst ner till vänster), för att möjliggöra mycket exakta positioneringslösningar. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Vilket tillstånd har tillgången?

I många fall är det bara en del av pusslet att veta var tillgången finns. Det kan vara viktigt att samla in information om tillgångens skick, inklusive dess fysiska status och om den är, eller har varit, i rörelse eller är stationär. Beroende på behovet kan olika givare användas, bland annat:

• Temperaturgivare med ett arbetsområde på -40 °C till +125 °C, hög noggrannhet och kalibrering som är spårbar och verifierad enligt kraven i standarden IATF 16949:2016 från NIST (National Institute of Standards and Technology).
• Tryckgivare - en kompakt och robust piezoresistiv absolut MEMS-givare kan användas som en digital barometer med ett absolut tryckområde på 260 till 1260 hPa, även kallat millibar. Den måste vara mycket exakt och ha temperaturkompensation.
• Fuktighetsgivare med ett arbetstemperaturområde från -40 °C till +120 °C och ett mätområde från 0 till 100 % relativ luftfuktighet (rH). Den ska vara temperaturkompenserad med en noggrannhet på ±3,5 % rH från 20 till 80 % rH.
• Tröghetsmätare (IMU) med en MEMS-baserad 3D-accelerometer och 3D-gyroskop för att avgöra om tillgången är i rörelse eller stationär.
• Accelerometer som en MEMS-baserad treaxlig linjär accelerometer för att mäta tillgångens exponering för stötar och vibrationer.

Säker anslutning

När du väl har fastställt var tillgången finns och vilket tillstånd den har, är det dags att delge denna information. Beroende på omständigheterna kan detta kräva en kombination av säker uppkoppling för lång och kort räckvidd. När det gäller plattformen STEVAL-ASTRA1B från STMicroelectronics, som är till för spårning av tillgångar och har flera anslutningsmöjligheter, stöds anslutningsmöjligheter och säkerhet av flera systemelement på huvudkortet, inklusive (figur 2):

• STM32WB5MMG, en certifierad trådlös 2,4 GHz-modul som integrerar en STM32WB dubbelkärnig Arm® Cortex®-M4/M0+, kristaller och en kretskortsantenn med ett matchande nätverk. Den innehåller en BLE-stack och stöder Open Thread, Zigbee och andra 2,4 GHz-protokoll.
• STM32WL55JC tillhandahåller en trådlös anslutning med lång räckvidd. Den innehåller också en dubbelkärnig Arm Cortex-M4/M0+ och kan stödja protokoll som t.ex. GFSK, LoRa med flera. RF front-end i standardversion stödjer banden 868, 915 och 920 MHz. Genom att ändra vissa komponenter kan modulen stödja lägre frekvenser.
• Säkerhetselementet STSAFE-A110 ansluts till STM32WB5MMG för säker informationshantering och autentisering. Den är utformad för att stödja IoT-nätverk, som t.ex. spårning av tillgångar, och innehåller ett säkert operativsystem och en säker microcontroller.

Figur 2: Huvudkortet för spårning av tillgångar i plattformen STEVAL-ASTRA1B innehåller STM32WB5MMG för anslutning med kort räckvidd, STM32WL55JC för anslutning med lång räckvidd och STSAFE-A110 för säker drift. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Utvecklingsmiljö för spårning av tillgångar

Utvecklare av tillämpningar för spårning av tillgångar kan använda sig av hård- och mjukvaruutvecklingssatsen samt referenskonstruktionen STEVAL-ASTRA1B från STMicroelectronics som underlättar prototypframställning, testning och utvärdering av avancerade system för spårning av tillgångar (figur 3). STEVAL-ASTRA1B är uppbyggd kring STM32WB5MMG-modulen och systemkretsen STM32WL55JC som kombinerar anslutningar med kort- och lång räckvidd (BLE, LoRa och egna proprietära protokoll för 2,4 GHz och sub-1 GHz). För NFC-anslutning finns ST25DV64K tillgänglig. STSAFE-A110 stöder säker drift och GNSS-modulen Teseo-LIV3F tillhandahåller positionering utomhus.

Figur 3: Plattformen STEVAL-ASTRA1B innehåller all hårdvara, firmware och de programvaruverktyg som behövs för att utveckla avancerade spårningssystem. (Bildkälla: DigiKey)

GNSS-mottagaren för positionering är kompatibel med sex system, inklusive GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS och NavIC (även kallat IRNSS). Systemet har också stöd för sattelitbaserade hjälpsystem som WAAS, EGNOS, MSAS och GAGAN. Ett bandspärrfilter ingår för att förhindra störningar.

Ett stort antal givare ingår för övervakning av skick, bland annat (figur 4):

• STTS22HTR - en digital temperaturgivare som kan användas från -40 °C till +125 °C med en maximal noggrannhet på ±0,5 °C från -10 °C till +60 °C och en 16-bitars datautgång för temperatur. Kalibreringen är spårbar enligt NIST och enheten är till 100 % testad och verifierad med utrustning som kalibrerats enligt standarden IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR - en MEMS piezoresistiv givare med absolut tryck som används som en
• barometer med digital utgång och kan mäta absolut tryck från 260 till 1260 hPa. Den har en noggrannhet för absolut tryck på 0,5 hPa och ett givarbrus för lågtryck på 0,65 Pa, vilket ger en 24-bitars datautgång för tryck.
• HTS221TR - en givare för relativ luftfuktighet och temperatur. Den kan mäta mellan 0 till 100 % rH med en känslighet på 0,004 % rH/LSB (least significant bit), har en noggrannhet på ±3,5 % rH från 20 till +80 % rH och en noggrannhet i temperatur på ±0,5 °C från +15 °C till +40 °C.
• LIS2DTW12TR - en MEMS treaxlig linjär accelerometer och temperaturgivare med valbara skalor på ±2g/±4g/±8g/±16g som kan mäta accelerationer med hastigheter för utdata från 1,6 till 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR - en IMU-modul med en alltid påslagen 32 g 3D digital accelerometer och ett 3D digitalt gyroskop med fullskaligt intervall på ±4/±8/±16/±32 g och ett fullskaligt vinkelområde på ±125/±250/±500/±1000/±2000 grader per sekund (dps).

Figur 4: Huvudkortet på STEVAL-ASTRA1B innehåller ett stort antal givare (till vänster), systemkortet (gul ruta) och GNSS-anslutningselement (TESEO LIV3F och antenn längst ned till höger). (Bildkälla: STMicroelectronics)

Strömhantering är viktigt för trådlösa spårningsenheter. För att säkerställa lång batteritid har STEVAL-ASTRA1B komponenter för omfattande strömhantering, som t.ex:

• ST1PS02D1QTR, en synkron step-down-konverter på 400 mA med en inspänning på mellan 1,8 till 5,5 V, 500 nA viloström vid en inspänning på 3,6 V och en typisk verkningsgrad på 92 %.
• STBC03JR, en styrkrets för strömförsörjning och laddning avsedd för batterier som innehåller en linjär batteriladdare för Li-jonnbatterier med en laddningsalgoritm som använder konstant ström/konstant spänning (CC/CV), en LDO-regulator (Low Drop Out) på 150 mA, två enpoliga tvåvägsomkopplare samt kretsar för att skydda batteriet vid fel.
• TCPP01-M12, en styrkrets med skydd för USB Type-C® port med VBUS-överspänningsskydd som kan justeras från 5 till 22 V (med en extern N-kanalig MOSFET), 6 V överspänningsskydd (OVP) på CC-linjerna mot kortslutning av VBUS samt ESD-skydd på systemnivå för kontaktstiften CC1 och CC2 som överensstämmer med IEC 61000-4-2 nivå 4.

Bibliotek för programvara och mjukvara

Ett stort antal programvaror och firmware ingår eller är tillgängliga för att utveckla tillämpningar för spårning av tillgångar med hjälp av STEVAL-ASTRA1B. Exempel på detta är:

• Funktionspaketet FP-ATR-ASTRA1, implementerar en komplett tillämpning för spårning av tillgångar och ingår i STEVAL-ASTRA1B. Funktionspaketet hämtar positionsdata från GNSS-mottagaren, läser data från miljö- och rörelsegivarna och skickar dem till molnet med hjälp av BLE- och LoRaWAN-anslutning. Anpassningsbara användningsområden för förvaltning av vagnpark, övervakning av boskap, övervakning av varor samt logistik ingår.
• Tillämpningen STAssetTracking kan fjärrkonfigurera en BLE-, Sigfox- eller NFC-kompatibel spårningsenhet. Den kan användas för att aktivera dataloggning för specifika givare och ställa in trösklar för att starta och stoppa loggningen.
• Kontrollpanelen DSH-ASSETRACKING är en molntillämpning som drivs av Amazon Web Services (AWS) och som ger ett intuitivt gränssnitt optimerat för att samla in, visualisera och analysera data från GNSS-positioneringstjänster samt rörelse- och miljögivare. Kontrollpanelen kan visa positioneringsdata och värden från givare, i realtid eller historiskt, och övervaka miljöförhållanden och händelser (figur 5).

Figur 5: Kontrollpanelen DSH-ASSETRACKING är en molntillämpning för spårning av tillgångar som drivs av AWS. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Sammanfattning

Spårning av tillgångar är en kritisk och avancerad funktion som behövs för övervakning av boskap, förvaltning av vagnpark samt för logistik. Som framgår innehåller hårdvaru- och mjukvaruutvecklingssatsen och referensdesignen STEVAL-ASTRA1B från STMicroelectronics GNSS-positioneringstjänster, ett komplett utbud av miljö- och rörelsegivare, energihantering samt ett komplett utbud av mjukvara och firmware som behövs för att påskynda konstruktionen av högpresterande spårningsenheter för tillgångar.