Asset tracking neboli moderní sledovací systémy by měly poskytovat data o sledovaném objektu v reálném čase, jelikož jen tak lze zajistit včasnou a adekvátní reakci. Kromě složitého návrhu hardware je nutné vytvořit bezpečnou a spolehlivou konektivitu s cloudem a mobilními zařízeními, aby naměřená data byla dostupná v reálném čase. Existují vývojové sady a referenční návrhy, které zjednodušují stavbu prototypu, testování a významně zkrátí dobu uvedení na trh. Tento článek představí komplexní vývojovou sadu od STMicroelectronics, která obsahuje desky s různými typy senzorů, GNSS modul a komunikační rozhraní pro přímé propojení s cloudovými službami. Součástí sady je také baterie s pokročilou správu napájení pro dosažení maximální doby provozu a také software a firmware knihovny spolu s nástroji pro vývoj aplikací.

Jak získat polohu sledovaného objektu?

Prvním krokem při sledování majetku je shromažďování informací o aktuální poloze pomocí standardu 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:

• GGA – Sada údajů o odchylkách, umožňující přesnější určení polohy a výšky
• GSA – Seznam čísel nejvýše 12 satelitů, použitých pro navigaci
• GST – Statistika chyb polohy
• GSV – Detailní údaje o satelitech – síla signálu a poloha na obloze, číslo pseudonáhodného šumu (PRN), nadmořská výška, azimut a poměr signálu k šumu pro každý satelit
• RMC – Recommended minimum data – základní sada údajů, kterou poskytují všechny přijímače, poloha, rychlost a čas
• ZDA – UTC den, měsíc a rok a posun místního časového pásma

Použití definovaného formátu NMEA zjednodušuje vývoj software, jelikož pro různé typy přijímačů GPS lze použít stejný dekódovací mechanismus.

Jak lze zlepšit přesnost?

Surová data GNSS poskytují pouze omezenou přesnost polohy. K dispozici jsou ale nástroje pro zlepšení přesnosti polohy, včetně služby Differential Global Positioning System (DGPS), která poskytuje korekční signály navigačnímu zařízení GPS. DGPS používá protokol Radio Technical Commission for Maritime (RTCM) k poskytování rozšířených údajů o poloze. Kromě toho jsou k dispozici satelitní augmentační systémy (SBAS) pro zlepšení přesnosti informací o poloze, včetně Wide Area Augmentation System (WAAS) v Americe, evropského geostacionárního navigačního překryvného systému (EGNOS), multifunkčního satelitního augmentačního systému (MSAS) v Asii, GPS podporovaná GEO rozšířená navigace (GAGAN) nebo regionální SBAS v Indii (obrázek 1).

Obrázek 1: Multikonstelační GNSS přijímač TESEO LIV3F obsahuje sadu nástrojů jako je DGPS, SBAS a RTCM (vlevo dole), které zpřesňují údaje o poloze. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Informace o poloze není jediná důležitá informace

Pro podrobnou analýzu stavu objektu je nutné mít k dispozici i jiné informace než jen údaj o poloze. V závislosti na potřebě lze nasadit různé senzory:

• Teplotní senzor s provozním rozsahem -40 °C až +125 °C, s vysokou přesností a kalibrací, která splňuje normu IATF 16949:2016 National Institute of Standards and Technology (NIST).
• Tlakový senzor - kompaktní a odolný piezorezistivní senzor na bázi MEMS technologie lze použít jako digitální výstupní barometr s rozsahem absolutního tlaku 260 až 1260 hPa. Tento senzor musí být přesný a musí zahrnovat teplotní kompenzaci.
• Snímač 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 měřicí jednotka (IMU) včetně 3D MEMS akcelerometru a 3D gyroskopu k určení, zda se sledovaný objekt pohybuje či nikoliv.
• Akcelerometr jako tříosý lineární MEMS akcelerometr k měření otřesů a vibrací.

Zabezpečená konektivita

Jakmile máme všechny informace vyčtené, je načase je předat dále ke zpracování. V závislosti na okolnostech je nutné zajistit kombinaci zabezpečeného připojení na dlouhé nebo krátké vzdálenosti. Vývojová sada STEVAL-ASTRA1B od STMicroelectronics obsahuje spolehlivou konektivitu zabezpečenou několika systémovými prvky přímo na hlavní desce (obrázek 2):

• STM32WB5MMG je certifikovaný 2,4 GHz bezdrátový modul, který obsahuje STM32WB dvoujádrový Arm Cortex-M4/M0+, hodinový krystal a čipovou anténu. Obsahuje Bluetooth Low Energy stack a podporuje protokoly Open Thread, Zigbee a další 2,4 GHz.
• STM32WL55JC poskytuje bezdrátové připojení na velké vzdálenosti. Obsahuje také dvoujádrový Arm Cortex-M4/M0+ a podporuje protokoly GFSK, LoRa a další. Radiofrekvenční část 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. Zahrnuje zabezpečený operační systém a zabezpečený mikrokontroler.

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

Vývojové prostředí

Sada pro vývoj hardware a software STEVAL-ASTRA1B usnadňuje vývoj prototypu, testování a vyhodnocování pokročilých sledovacích systémů (obrázek 3). STEVAL-ASTRA1B je postaven na modulu STM32WB5MMG a SoC STM32WL55JC, které kombinují konektivitu krátkého a dlouhého dosahu (proprietární protokoly BLE, LoRa a 2,4 GHz a sub-1 GHz). Tuto sadu lze jednoduše rozšířit o technologii NFC pomocí ST25DV64K. STSAFE-A110 zajišťuje zabezpečený provoz a modul GNSS Teseo-LIV3F zajištuje údaje o poloze.

Obrázek 3: Platforma STEVAL-ASTRA1B zahrnuje veškerý hardware, firmware a softwarové nástroje potřebné k vývoji pokročilých sledovacích systémů. (Zdroj obrázku: Digi-Key)

Přijímač určování polohy GNSS je kompatibilní se šesti systémy (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS a NavIC). Systém zahrnuje také podporu WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS a GAGAN SBAS. Pro monitorování stavu sledovaného objektu sada obsahuje širokou škálu senzorů (obrázek 4):

• STTS22HTR – digitální teplotní senzor s rozsahem od -40°C do +125°C s maximální přesností ±0,5°C od -10°C do +60°C a 16bitovým výstupem. Kalibrace vyhovuje standardu IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR – MEMS piezorezistivní snímač absolutního tlaku, který se používá jako digitální barometr s rozsahem od 260 do 1260 hPa. Vyznačuje se absolutní přesností tlaku 0,5 hPa a šumem 0,65 Pa. Výstupem je 24bitový informace o velikosti tlaku.
• HTS221TR – snímač relativní vlhkosti a teploty. Rozsah vlhkosti je 0 až 100 % rH s citlivostí 0,004 % rH a přesností ±3,5 % rH od 20 do +80 % rH a teplotní přesností ±0,5 °C od + 15 °C až +40 °C.
• LIS2DTW12TR – tříosý lineární MEMS akcelerometr a teplotní senzor s volitelnými stupnicemi ±2g/±4g/±8g/±16g, který dokáže měřit zrychlení s frekvencí od 1,6 Hz do 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR – IMU modul, 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 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:

• ST1PS02D1QTR - 400 mA synchronní měnič s rozsahem vstupního napětí 1,8 V až 5,5 V, vstupním klidovým proudem 500 nA při vstupním napětí 3,6 V a typickou účinností 92 %.
• STBC03JR – správa napájení včetně integrované nabíječky pro Li-ion baterie, která používá nabíjecí algoritmus konstantní proud/konstantní napětí (CC/CV). Součástí je 150 mA LDO regulátor, dva jednopólové spínače zátěže (SPDT) a obvody pro ochranu baterie během poruchových stavů.
• TCPP01-M12 - USB Type-C přepěťová ochrana, která je nastavitelná od 5 V do 22 V (s externím N-kanálovým MOSFET), 6,0 V přepěťová ochrana (OVP) na CC linkách proti zkratu VBUS. Dále obvod slouží jako systémová ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD) pro konektorové piny CC1 a CC2, která odpovídá IEC 61000-4-2 úroveň 4.

Software a firmware knihovny

Vývojová sada STEVAL-ASTRA1B nabízí širokou škálu knihoven:

• 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 senzorů a odesílá je do cloudu pomocí Bluetooth nebo LoRaWAN. Součástí jsou základy aplikací pro správu vozového parku, sledování dobytka, sledování zboží a logistiku.
• Aplikace STAssetTracking je určena pro vzdálenou konfiguraci BLE , Sigfox nebo NFC aktiv. Konfigurace obsahuje obecné povolování/zastavení ukládání dat konkrétních senzorů nebo nastavení prahových hodnot pro spuštění a zastavení ukládání dat.
• Řídicí panel DSH-ASSETRACKING dashboard je cloudová aplikace využívající Amazon Web Services (AWS), která poskytuje intuitivní rozhraní optimalizované pro shromažďování, vizualizaci a analýzu GNSS dat, dat ze senzorů pohybu a prostředí. Na řídícím panelu lze vidět historické informace o poloze ve formě přehledné mapy a to včetně polohy v reálném čase. Současně lze vidět informace ze všech senzorů a monitorovat závislosti mezi (obrázek 5).

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

Závěr

Monitorování dobytka, správa vozového parku a logistika se neobejde bez sledovacího systému. Vývoj takového systému je časově náročný, a proto je vhodné využít hotovou sadu STEVAL-ASTRA1B od STMicroelectronics, která obsahuje jak modul GNSS tak celou řadu senzorů včetně důmyslné správy napájení, aby se dosáhlo co nejdelší výdrže baterie. Pro analýzu dat je nutné zajistit bezpečné připojení do cloudu, ze kterého se čerpají informace do řídícího panelu pro dokonalý přehled zákazníkovi.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com