Az állatállomány nyomon követéséhez, a flottakezeléshez és az Ipar 4.0-s logisztikához használható, többféle csatlakozási lehetőséggel ellátott nyomkövető rendszerek tervezése

A mezőgazdasági tevékenységek során – például az állattartásban –, az élelmiszerek és gyógyszerek hűtési láncban való raktározásában, a járműflották kezelésében és az Ipar 4.0-s rugalmas termelési műveletek területén elengedhetetlen a valós idejű eszközkövetés és állapotfigyelés. Ez egy összetett folyamat, amelyben többféle érzékelőt használnak a környezeti viszonyok figyelésére. Nagyon fontos, hogy az eszköz a pontos helyzetmeghatározási adatok elérése érdekében többféle globális navigációs műholdrendszer (GNSS), többek között a GPS, a Galileo, a Glonass, a BeiDou és a QZSS képességeit kihasználja. Ezen túlmenően a többféle hálózati kapcsolati lehetőséggel ellátott megoldások – beleértve a központi felügyelet elősegítése érdekében a felhőhöz kapcsolódást is – a környezettől függetlenül időben tudják közölni az eszköz helyzetét és állapotát. Az eszközkövetésnek emellett energiatakarékosnak is kell lennie, hogy minimálisra csökkentse az akkumulátorról kapott energia iránti igényt, és a rendszernek biztonságosnak és a számítógépkalózoktól védettnek kell lennie.

Egy eszközkövető és állapotfigyelő rendszer tervezése összetett, a tudomány több területére kiterjedő tevékenység, amely sok erőforrást igényel, és jelentős időt vesz igénybe. A hardvertervezés bonyolultságán túl az adatokat biztonságosan el kell juttatni a felhőbe és a mobil eszközökre, hogy a keletkező adatok sokasága használható formátumban álljon rendelkezésre.

A tervezők ahelyett, hogy az eszközkövető rendszerek tervezésekor a nulláról indulnának, használhatnak olyan fejlesztőkészleteket és referenciaterveket, amelyek egyszerűsítik a korszerű eszközkövető rendszerek prototípusainak elkészítését, valamint a rendszerek tesztelését és értékelését. Ez a cikk áttekinti a GNSS-t, az érzékelőket, a kapcsolati lehetőségeket, valamint az eszközkövető és állapotfigyelő rendszerek fejlesztése során figyelembe veendő egyéb szempontokat, majd bemutatja az STMicroelectronics átfogó fejlesztőkészletét, amely több nyomtatott áramköri kártyát tartalmaz a különböző típusú érzékelőkhöz, a GNSS-helyzetmeghatározáshoz és a kommunikációs képességek megteremtéséhez. A készlet tartalmaz ezenfelül egy akkumulátort és egy az akkumulátor üzemidejének maximálisra növelésére szolgáló fejlett energiagazdálkodási megoldást, szoftver- és firmware-könyvtárakat, valamint alkalmazásfejlesztési eszközöket.

Hol van az eszköz?

Az eszközök nyomon követésének első lépése az aktuális helyzetmeghatározási adatok összegyűjtése az NMEA (National Marine Electronics Association, Nemzeti Tengerészeti Elektronikai Társaság) adatformátumát használva. Az NMEA az együttműködés biztosítása érdekében az összes GPS-gyártó által használt szabvány. A szabványos NMEA-üzenetformátumot mondatnak nevezik. Az NMEA jó néhány mondatot meghatároz a különböző típusú adatok megadására, többek között az alábbiakat:

• GGA – a globális helyzetmeghatározó rendszer állandó adatai, beleértve a 3D koordinátákat, az állapotot, a használt műholdak számát és egyéb adatokat.
• GSA – a pontosság romlása (DOP, dilution of precision) és az aktív műholdak száma
• GST – helyzetmeghatározásihiba-statisztika
• GSV – a készülék által látott műholdak száma és az egyes műholdak álstatisztikus zajszáma (PRN, pseudo-random noise number), magassága, irányszöge és jel–zaj viszonya.
• RMC – helyzet, sebesség és idő
• ZDA – UTC (egyezményes koordinált világidő szerinti) nap, hónap és év, valamint a helyi időzóna eltolódása

Az NMEA használata egyszerűsíti a helyzetmeghatározó szoftverek fejlesztését, mert egy közös illesztőfelület használható a különböző típusú GPS-vevőkészülékekhez, és a megfelelő mondattal könnyen elérhetők a specifikus adatkészletek.

Hogyan javítható a pontosság?

A nyers GNSS-adatok csak korlátozott pontosságú helyzetmeghatározást tesznek lehetővé. A helyzetmeghatározás pontosságának javítására vannak eszközök, többek között a DGPS (Differential Global Positioning System, különbségképző globális helyzetmeghatározó rendszer) szolgáltatás, amely helyesbítő jeleket szolgáltat a hajók fedélzetén lévő GPS-navigációs berendezések számára. A DGPS az RTCM (Radio Technical Commission for Maritime, tengerészeti rádiótechnikai utasítások) protokollt használva szolgáltat pontosabb helyzetmeghatározási adatokat. Ezen túlmenően a helyzetmeghatározási adatok pontosságának javítására vannak még műholdas navigációjavító rendszerek (SBAS, satellite-based augmentation system) is, köztük a WAAS (Wide Area Augmentation System, nagy területet lefedő navigációjavító rendszer) Amerikában, az EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service, európai geostacionárius navigációs átfedési szolgáltatás) Európában, az MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System, többcélú műholdas navigációjavító rendszer) Ázsiában, valamint a GAGAN (GPS-aided GEO augmented navigation, GPS-rásegítésű GEO javított navigáció), egy térségi műholdas navigációjavító rendszer Indiában (1. ábra).

1. ábra: A többféle rendszert használó TESEO LIV3F GNSS-vevő számos eszközt tartalmaz, köztük DGPS, SBAS és RTCM (balra lent) rendszert, amelyek közösen rendkívül pontos helyzetmeghatározást tesznek lehetővé (kép: STMicroelectronics)

Milyen az eszköz állapota?

Sok esetben az eszköz helyzetének ismerete csak a kirakós játék egyik darabja. Fontos lehet adatokat gyűjteni az eszköz állapotáról, beleértve annak fizikai állapotát, valamint azt, hogy az eszköz mozog-e vagy áll, illetve hogy mozgott vagy állt-e korábban. Az igényektől függően különböző érzékelőket lehet használni, többek között a következőket:

• Hőmérséklet-érzékelő – –40 °C és +125 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban, nagy pontossággal, valamint a NIST (National Institute of Standards and Technology, Nemzeti Szabványügyi és Műszaki Intézet) által nyomon követhető és az IATF 16949:2016 szabványban előírtak szerint hitelesített kalibrációval.
• Nyomásérzékelő – kis méretű és nagy tűrőképességű MEMS (mikro-elektromechanikus rendszerű) piezorezisztív abszolútnyomás-érzékelő, használható digitális kimenetű barométerként 260 hPa és 1260 hPa (más néven millibar, mb) abszolútnyomás-tartományban. Rendkívül pontosnak kell lennie, és tartalmaznia kell hőmérsékleti helyesbítést.
• Páratartalom-érzékelő – –40 °C és +120 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománnyal és 0–100% relatív páratartalom (rH) mérési tartománnyal. 20% és 80% rH között ±3,5% rH pontosságú hőmérsékleti helyesbítést kell használni.
• Tehetetlenségi mérőegység (IMU, inertial measurement unit) – egy MEMS alapú 3D gyorsulásmérőt és egy 3D pörgettyűt (giroszkópot) tartalmaz annak megállapítására, hogy az eszköz mozog-e vagy áll.
• Gyorsulásmérő – például valamilyen MEMS alapú három tengely menti lineáris gyorsulásmérő az eszközt érő ütések és rezgések mérésére.

Biztonságos kapcsolat

Az eszköz helyzetének és állapotának meghatározása után közölni is kell ezeket az adatokat. A körülményektől függően ehhez a kis és nagy hatótávolságú biztonságos kapcsolatok kombinációjára lehet szükség. Az STMicroelectronics cég több csatlakozási lehetőséget kínáló STEVAL-ASTRA1B eszközkövető platformja esetében a különféle kapcsolati lehetőségeket és a biztonságot az alaplapon található számos rendszerelem támogatja, többek között a következők (2. ábra):

• Az STM32WB5MMG egy tanúsított 2,4 GHz-es vezeték nélküli modul, amely egy STM32WB kétmagos ARM® Cortex®-M4/M0+ processzort, kristályokat és egy illesztőhálózattal ellátott, lapkán kialakított antennát, valamint egy rétegzett BLE-protokollt (BLE: Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth) tartalmaz, és támogatja az Open Thread és a Zigbee protokollt és más 2,4 GHz-es protokollokat.
• Az STM32WL55JC nagy hatótávolságú vezeték nélküli kapcsolatot tesz lehetővé. Tartalmaz egy kétmagos ARM Cortex-M4/M0+ processzort is, és olyan protokollokat képes használni, mint a GFSK, a LoRa és mások. Az alapfelszereltségű változat rádiófrekvenciás bemeneti oldala a 868, 915 és 920 MHz-es sávot támogatja. Néhány alkatrész cseréjével lehetővé válik, hogy a modul alacsonyabb frekvenciákat támogasson.
• Az STSAFE-A110 biztonsági elem az STM32WB5MMG modulhoz kapcsolódik a biztonságos adatkezelés és hitelesítés érdekében. Úgy tervezték, hogy támogassa a dolgok internetét (IoT), például az eszközkövetést, és egy biztonságos operációs rendszert és biztonságos mikrovezérlőt tartalmaz.

2. ábra: A STEVAL-ASTRA1B eszközkövető platform alaplapja tartalmazza a kis hatótávolságú kapcsolatot megvalósító STM32WB5MMG-t modult, a nagy hatótávolságú kapcsolatot megvalósító STM32WL55JC modult és a biztonságos működést elősegítő STSAFE-A110 biztonsági modult (kép: STMicroelectronics)

Fejlesztőkörnyezet eszközkövetéshez

Az eszközkövető rendszerek fejlesztői használhatják az STMicroelectronics STEVAL-ASTRA1B hardver- és szoftverfejlesztő készletét, amely megkönnyíti a korszerű eszközkövető rendszerek prototípusának létrehozását, tesztelését és kiértékelését (3. ábra). A STEVAL-ASTRA1B az STM32WB5MMG modul és az STM32WL55JC egylapkás rendszer (SoC, system on a chip) köré épül, amelyek együttesen kis és nagy hatótávolságú kapcsolatot tesznek lehetővé (BLE, LoRa, valamint 2,4 GHz-es és 1 GHz alatti saját fejlesztésű protokollok). Az NFC-kapcsolathoz az ST25DV64K modul használható. Az STSAFE-A110 a biztonságos működést segíti elő, a Teseo-LIV3F GNSS-modul pedig kültéri helyzetmeghatározást tesz lehetővé.

3. ábra: A STEVAL-ASTRA1B platform tartalmazza a korszerű nyomkövető rendszerek fejlesztéséhez szükséges összes hardvert, firmware-t és szoftvereszközt (kép: DigiKey)

A GNSS helyzetmeghatározó vevő hat rendszerrel kompatibilis, ezek a GPS, a Galileo, a Glonass, a BeiDou, a QZSS és a NavIC (más néven IRNSS). A rendszer támogatja a WAAS, az EGNOS, az MSAS és a GAGAN műholdas navigációjavító rendszert (SBAS) is. A zavarás elleni védelmet egy lyukszűrő segíti.

Az eszköz az állapotfigyeléshez sokféle érzékelőt tartalmaz, köztük a következőket (4. ábra):

• STTS22HTR – digitális hőmérséklet-érzékelő, amely –40 °C és +125 °C között használható, legnagyobb pontossága –10 °C és +60 °C között ±0,5 °C, és 16 bites hőmérsékletadat-kimenete van. A kalibrálás a NIST által nyomon követhető, és az eszközt 100%-ban az IATF 16949:2016 szabvány szerint kalibrált berendezésekkel tesztelték és ellenőrizték.
• LPS22HHTR – MEMS piezorezisztív abszolútnyomás-érzékelő, amely a következő célokra szolgál:
• digitális kimenetű barométer, amely 260 hPa és 1260 hPa (vagy bar) közötti abszolút nyomás mérésére alkalmas. Az abszolút nyomás pontossága 0,5 hPa, az alacsonynyomás-érzékelő zajszintje 0,65 Pa, és 24 bites nyomásadat-kimenetet szolgáltat.
• HTS221TR – relatívpáratartalom- és hőmérséklet-érzékelő. 0–100% rH mérésére képes 0,004% rH/legkisebb helyiértékű bit (LSB, least significant bit) érzékenységgel, 20% és 80% rH között ±3,5% rH páratartalom pontossággal, és +15 °C és +40 °C között ±0,5 °C hőmérsékleti pontossággal.
• LIS2DTW12TR – három tengely menti MEMS lineáris gyorsulásmérő és hőmérséklet-érzékelő, a felhasználó által választható ±2 g/±4 g/±8 g/±16 g teljes skálájú gyorsulásmérésre 1,6 Hz és 1600 Hz közötti kimenő adatátviteli sebességgel.
• LSM6DSO32XTR – tehetetlenségi mérőegység (IMU) modul, amely egy állandóan bekapcsolt 32 g-s 3D digitális gyorsulásmérőt és egy 3D digitális pörgettyűt (giroszkópot) tartalmaz ±4 g/±8 g/±16 g/±32 g teljes skálatartománnyal és ±125/±250/±500/±1000/±2000 °/s (fok/másodperc, angol nyelvterületen dps, degrees per second) teljes skálatartománnyal.

4. ábra: A STEVAL-ASTRA1B fejlesztőplatform alaplapja tartalmaz sokféle érzékelőt (balra), egy egylapkás rendszert (SoC, a sárga téglalapban) és a GNSS-kapcsolathoz szükséges elemeket (TESEO LIV3F és antenna, jobbra lent) (kép: STMicroelectronics)

A vezeték nélküli nyomkövető eszközök esetében fontos az energiagazdálkodás. A hosszú akkumulátor-üzemidő eléréséhez a STEVAL-ASTRA1B olyan kiterjedt energiagazdálkodási részegységeket tartalmaz, mint az alábbiak:

• ST1PS02D1QTR – 400 mA-es szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító 1,8 V és 5,5 V közötti bemenőfeszültség-tartománnyal, 3,6 V bemenőfeszültség mellett 500 nA bemenő nyugalmi árammal és 92%-os jellemző hatásfokkal.
• STBC03JR – akkumulátor-energiagazdálkodási és -töltő IC, amely tartalmaz egy egycellás lítiumionos (Li-ion) akkumulátorok töltésére alkalmas, állandó áramerősségű/állandó feszültségű (CC/CV, constant current/constant voltage) töltési algoritmust használó lineáris akkumulátortöltő részt, egy 150 mA-es kis feszültségkülönbségű (LDO, low drop-out) feszültségszabályozót, két egypólusú, két áramkörös (SPDT, single pole double throw) terheléskapcsolót és egy az akkumulátor hiba esetén történő védelmére szolgáló áramkört.
• TCPP01-M12 – USB-C®-port-védő IC, amely tartalmazza az 5 V és 22 V között állítható VBUS túlfeszültségvédelmet (külső n-csatornás MOSFET-tel), a 6,0 V-os túlfeszültségvédelmet (OVP, overvoltage protection) az állandó áramerősségű (CC) vezetékeken a VBUS rövidre zárása elleni védelemként, valamint a CC1 és CC2 érintkezőtüske rendszerszintű elektrosztatikus kisülés (ESD, electrostatic discharge) elleni védelmét, ami megfelel az IEC 61000-4-2 szabvány 4. szintjének.

Szoftver- és firmware-könyvtárak

Az STEVAL-ASTRA1B használata esetén az eszközkövető rendszerek fejlesztésére szolgáló számos szoftver és firmware (belső vezérlőprogram) közül válogathat. Ilyenek például a következők:

• Az FP-ATR-ASTRA1 funkciócsomag egy kész eszközkövető rendszer, és a STEVAL-ASTRA1B tartozéka. A funkciócsomag helyzetmeghatározási adatokat kap a GNSS-vevőtől, beolvassa a környezeti és a mozgásérzékelők adatait, és BLE- és LoRaWAN-kapcsolat segítségével elküldi azokat a felhőbe. Testreszabható felhasználási módokat tartalmaz a flottakezelés, az állatállomány nyomon követése, az áruk nyomon követése és a logisztika területére.
• Az STAssetTracking alkalmazással távolról állíthatók be a BLE-, Sigfox- és NFC-kompatibilis eszközkövető készülékek. Segítségével engedélyezhető az adatnaplózás adott érzékelők esetében, és beállíthatók küszöbértékek a naplózás megkezdéséhez és leállításához.
• A DSH-ASSETRACKING irányítópult egy AWS (Amazon Web Services, Amazon webszolgáltatások) által támogatott felhőalkalmazás, amely a GNSS helyzetmeghatározási szolgáltatásokból, valamint mozgás- és környezeti érzékelőkből származó adatok gyűjtésére, megjelenítésére és elemzésére optimalizált, logikusan használható kezelőfelületet kínál. Az irányítópulton megjeleníthetők valós idejű vagy régebbi helyzetadatok és érzékelőértékek, valamint figyelemmel kísérhetők a környezeti feltételek és az események (5. ábra).

5. ábra: A DSH-ASSETRACKING irányítópult egy eszközkövetésre szolgáló, AWS-alapú felhőalkalmazás (kép: STMicroelectronics)

Összegzés

Az eszközkövetés lényeges és összetett funkció, amelyre nagy szükség van az állatállomány nyomon követése, a flottakezelés és a logisztika területén. Mint látható, az STMicroelectronics STEVAL-ASTRA1B hardver- és szoftverfejlesztő készlet és referenciaterv tartalmazza a GNSS helyzetmeghatározási szolgáltatásokat, sokféle környezeti és mozgásérzékelőt, energiagazdálkodást, valamint a nagy teljesítményű eszközkövető rendszerek tervezésének felgyorsításához szükséges szoftverek és firmware-ek kiterjedt skáláját.