Többféle csatlakozási lehetőséggel ellátott vagyonieszköz-követő rendszerek hatékony megvalósítása

A fejlett vagyonieszköz-követő rendszerek, például az állatállomány-figyelő, a flottakezelő és a logisztikai eszközök automatikusan rögzítik a nyomon követett objektumok pillanatnyi állapotát és helyzetkoordinátáit. A beépített válaszjeladó (transzponder) a felhőbe továbbítja az összegyűjtött adatokat, és elérhetővé teszi azokat az irányítóközpont vagy valamilyen mobil eszköz számára. A gyárban gyakran van szükség kis hatótávolságú vezeték nélküli adatfrissítésekre a logisztikai adatok, a folyamatelőzmények és a felügyeleti adatok cseréjéhez, a beállítások módosításához, illetve a válaszjeladó memóriájában lévő firmware (belső vezérlőprogram) frissítéséhez.

Az ilyen vagyonieszköz-követő rendszerek fejlesztői azzal a kihívással szembesülnek, hogy olyan többfunkciós, az érzékelőkhöz kapcsolt válaszjeladót kell tervezniük, amely különböző kis és nagy hatótávolságú rádióprotokollokon keresztül kommunikál, a mérési adatok széles körét gyűjti, hónapokig működik akkumulátorcsere nélkül, és internetes szolgáltatásokon keresztül teszi elérhetővé az összes adatot. Ráadásul a tervezőknek mindezt a költségek csökkentése és a piacra kerülési idő lerövidítése mellett kell megvalósítaniuk.

Bár a feladat óriási volta nyomasztó lehet, a tervezők sok időt és energiát takaríthatnak meg, ha olyan fejlesztőkészleteket használnak, amelyek eleve tartalmazzák a szükséges hardverek és szoftverek nagy részét.

Ez a cikk a fejlett vagyonieszköz-követés műszaki követelményeit tárgyalja több eszközt ismertetve. Ezután bemutatja az STMicroelectronics többfunkciós fejlesztőkészletét, amely jelentősen csökkenti a prototípusok tervezéséhez, teszteléséhez és kiértékeléséhez szükséges erőfeszítéseket. Betekintést nyújt a fejlesztőkészlet legfontosabb funkcióiba, és bemutatja, hogy a fejlesztők hogyan tudják egyszerűen testreszabni a kombinált egylapkás rendszermodulok (SoC-modulok) funkcióit anélkül, hogy programkódokat kellene írniuk, és hogyan tudják a felhőből lekérni és megjeleníteni az adatokat.

A vezeték nélküli mérő válaszjeladó jellemzői

A vagyonieszköz-követés számos felhasználási területet foglal magában, és a válaszjeladó és a kapcsolódó hálózat ezek mindegyike esetében nagyon egyedi műszaki berendezéseket igényel. Az 1. ábra négy felhasználási területre osztva sorolja fel a vezeték nélküli mérő válaszjeladók műszaki jellemzőit.

1. ábra: A vezeték nélküli mérő válaszjeladók jellemzői attól a felhasználási területtől függenek, ahol a vagyonieszköz-követést használják (kép: STMicroelectronics)

Az objektum által hordozott önálló válaszjeladónak érzékelnie kell a környezeti hatásokat, az objektum helyzetét és állapotát (1. ábra, Sensing (Érzékelés) oszlop), valamint tárolnia és a következő alkalommal a különféle vezeték nélküli csatlakozások (Connectivity (Csatlakozás) oszlop) bármelyikén keresztül továbbítania kell azokat. A jelfeldolgozást és a különböző vezeték nélküli protokolloknak megfelelő jelátalakítást egy kellően nagy teljesítményű, magas fokú adatvédelemmel ellátott mikrovezérlőnek (MCU) kell végeznie (Processing & security (Feldolgozás és adatvédelem) oszlop). A mikrovezérlő szabályozza az energiagazdálkodást (Power management (Energiagazdálkodás) oszlop) is, így biztosítva a válaszjeladó akkumulátorának hosszú üzemidejét.

Az, hogy az adott vagyonieszköz-követési területen milyen adatokra van szükség, befolyásolja az érzékelők összetettségét, és megfelelő kapcsolatok kialakítását igényli. A kiszámítható, ismert szállítási útvonalak, például csomagküldés esetén elegendő a mért jelek egyszerű tárolása a válaszjeladóban. Az adatok ezután a következő logisztikai ellenőrzőponton BLE (Bluetooth low energy, kis fogyasztású Bluetooth) vagy NFC (near-field communication, közeli rádiókommunikáció) segítségével közelről kiolvashatók.

Az állatállomány nagy távolságból való nyomon követése, a flottakezelés és a logisztika esetén az adatoknak minél hamarabb kell a válaszjeladóról a felhőn keresztül a végfelhasználói alkalmazásba kerülniük. A válaszjeladónak ezért mobil rádiós csatlakozásra van szüksége a nagy hatótávolságok eléréséhez. A lehetőségek közé tartozik a LoRaWAN (long range, wide area network, nagy hatótávolságú, nagy kiterjedésű hálózat), a Sigfox és az NB-IoT (Narrowband-Internet of Things, keskeny sáv a dolgok internetéhez), mivel ezek a protokollok kis átviteli sebességű, energiatakarékos adatátvitelre vannak optimalizálva.

Teljes vagyonieszköz-követő ökorendszer kevesebb fejlesztési energiaráfordítással

Azok a rendszertervezők, akik költségtakarékosan és minél kevesebb időráfordítással szeretnék kifejleszteni vagyonieszköz-követő rendszerüket (ASTRA, asset tracking application), használhatják az STMicroelectronics többfunkciós STEVAL-ASTRA1B fejlesztőplatformját. A platform több IC-t és egykártyás rendszermodult tartalmaz, ami nagymértékben leegyszerűsíti az újszerű nyomkövető és felügyeleti eszközök prototípusának legyártását, programozását, tesztelését és kiértékelését. A fejlesztőkészlet egy modulrendszerű fejlesztőkártyából, firmware-könyvtárakból, programozóeszközökből és áramköri dokumentációkból, valamint egy mobil eszközökre szánt alkalmazásból és egy webalapú megjelenítőfelületből áll (2. ábra).

2. ábra: A használatra kész vagyonieszköz-követő ökorendszer a vezeték nélküli mérő válaszjeladótól a felhőn át a végfelhasználói alkalmazásig terjed, csökkentve a fejlesztési erőfeszítéseket (kép: STMicroelectronics)

A STEVAL-ASTRA1B kártya két kis fogyasztású egykártyás rendszermodulra épülve valósítja meg a kis és nagy hatótávolságú kapcsolatokat, valamint az NFC-kapcsolatot. A kártyán található egy adatvédelmi funkciókat megvalósító modul is. A hordozókártya el van látva több környezeti és mozgásérzékelővel, valamint egy GNSS-modullal (GNSS: Global Navigation Satellite System, globális navigációs műholdrendszer) is, amely a helyzetkoordinátákat szolgáltatja, és lehetővé teszi a virtuális földrajzi elkerítések kialakítását. Az eszköz összes összetevőjének üzemmódjait egy energiagazdálkodási rendszer szabályozza, és az vezérli az áramellátást is. A tápegység egy kapcsolóüzemű áramátalakítóból, egy akkumulátorból és egy USB-C csatlakozójú töltésvezérlőből áll, hogy az akkumulátor üzemidejét a lehető legjobban megnövelje. A készlet leszállításkor egy 480 mAh-s lítium-polimer (Li-polimer) akkumulátort, egy tokot, egy SMA-antennát (LoRa) és egy NFC-antennát tartalmaz.

A STEVAL-ASTRA1B kártyához a következő IC-k és egylapkás rendszerek tartoznak:

• Két vezeték nélküli egylapkás rendszer (SoC):
  • STM32WB5MMGH6TR: Ez a 2,4 GHz-es vezeték nélküli, nagyon kis fogyasztású ARM® Cortex®-M4/M0+ mikrovezérlőn alapuló egylapkás rendszermodul alkotja a fő célprocesszort, és támogatja a 802.15.4, BLE 5.0, Thread és Zigbee szabványokat.
  • STM32WL55JCI6: Ez a vezeték nélküli egylapkás rendszer egy vezeték nélküli, nagyon kis fogyasztású ARM Cortex M0+ mikrovezérlőre épül, és 1 GHz alatti (150–960 MHz) tartományban támogatja a LoRa, Sigfox és GFSK technikát.
• ST25DV64K-JFR8D3: NFC-adó
• TESEO-LIV3F: GNSS-modul több egyidejű együttállással
• Környezeti és mozgásérzékelők:
  • STTS22HTR: digitális hőmérséklet-érzékelő, –40 °C – 125 °C között
  • LPS22HHTR: nyomásérzékelő, 26–126 kPa közötti abszolútnyomás-értékre
  • HTS221TR: páratartalom- és hőmérséklet-érzékelő; 0–100% relatív páratartalom (RH), I²C, SPI kimenet, ±4,5% relatív páratartalom
  • LIS2DTW12TR: gyorsulásmérő az X, Y, Z tengelyre, ±2 g, 4 g, 8 g, 16 g, 0,8 Hz – 800 Hz között
  • LSM6DSO32XTR: gyorsulásmérő, pörgettyű (giroszkóp), hőmérséklet-érzékelő, I²C, SPI kimenet
• STSAFE-A110: biztonsági elem
• Akkumulátoros megoldás intelligens energiagazdálkodási architektúrával:
  • ST1PS02BQTR: kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályozó IC, állítható pozitív feszültség, 1,8 V, 1 kimenet, 400 mA
  • STBC03JR: akkumulátortöltő IC lítiumionos (Li-ion) vagy Li-polimer akkumulátorokhoz
  • TCPP01-M12: az USB-C és az áramellátás védelme

A fejlesztőkártya +5 °C és 35 °C közötti hőmérsékleten működik, és a következő frekvenciasávokat használja:

• BLE: 2400 MHz – 2480 MHz, +6 dBm 1 mW-ra vonatkoztatva
• LoRaWAN: 863 MHz – 870 MHz, +14 dBm (a firmware által korlátozva)
• GNSS (vevő): 1559 MHz – 1610 MHz között
• NFC: 13,56 MHz

A STEVAL-ASTRA1B belső felépítése

Az ASTRA válaszjeladó úgy viselkedik, mint egy adatgyűjtő, és az adatáramlást három fő blokkra osztja, amelyek mindegyike hardver- és szoftverillesztő programokból, valamint az alkalmazási rétegből áll (3. ábra). Az adatbemenet (3. ábra, balra) az összes fedélzeti érzékelő jelét rögzíti. A központi blokk (3. ábra, középen) feldolgozza és tárolja az adatokat. Végül a tárolt adatokat vezeték nélkül továbbítja a rendszer (3. ábra jobbra). Újrabeállítás, firmware-frissítés, illetve a folyamatadatok vagy logisztikai adatok írása esetén a jeláramlás ellenkező irányban történik.

3. ábra: A vezeték nélküli mérő válaszjeladó adatáramlása: az érzékelő jeleit (balra) feldolgozza, tárolja (középen), majd amikor lehetőség adódik rá, elküldi (jobbra) a rendszer (kép: STMicroelectronics)

Az FP-ATR-ASTRA1 firmware kibővíti az STMicroelectronics cég STM32Cube fejlesztőkörnyezetét, és egy teljes vagyonieszköz-követő rendszert hoz létre, amely támogatja a nagy (LoRaWAN, Sigfox) és a kis hatótávolságú (BLE, NFC) kapcsolatokat. A funkciócsomag beolvassa a környezeti és mozgásérzékelők adatait, lekérdezi a GNSS által mért földrajzi helyzetet, és mindent elküld egy mobil eszközre BLE-n keresztül, valamint ezzel párhuzamosan a felhőbe LoRaWAN-kapcsolaton keresztül.

Az FP-ATR-ASTRA1 csomag támogatja a kis fogyasztású profilokat, hogy a maximális önállóság érdekében hosszú akkumulátor-üzemidőt tegyen lehetővé. Olyan kulcsfontosságú funkciókat is nyújt, mint a biztonságos elemkezelés, az egyéni algoritmusok hozzáadásának lehetősége, a hibakeresési felületek és a bővítési lehetőségek.

A szoftvercsomag a következő részekre oszlik: dokumentáció, illesztőprogramok és hardverabsztrakciós réteg (HAL), köztes szoftverek és mintaprojektek. A projektek forráskódot és lefordított bináris fájlokat tartalmaznak a Keil, IAR és STM32Cube integrált fejlesztőkörnyezethez (IDE, integrated development environment). A következő öt gyárilag definiált felhasználási mód egyedileg állítható be: flottakezelés, állatállomány-felügyelet, árufigyelés, logisztika és egyéni.

A STEVAL-ASTRA1B egyszerű állapotgépként működik, amely az események függvényében változtatja az üzemmódját (állapotát). A két fő üzemmódja a teljes (Run, Működés), illetve kis fogyasztású (LP, low power) üzemmód. Run üzemmódban minden funkció aktív, és minden adat továbbítása a beállított módon történik. LP üzemmódban a mikrovezérlő kivételével minden részegység kis fogyasztású üzemmódba van állítva, vagy le van tiltva (4. ábra).

4. ábra: A STEVAL-ASTRA1B két fő üzemmódja a Run (teljes), illetve az LP (kis fogyasztású) üzemmód (kép: STMicroelectronics)

A két üzemmód közt az oldalsó gombot megnyomva lehet váltani. Az átváltást kiváltó egyéb bemenőjel lehet egy mikro-elektromechanikus rendszer (MEMS) eseménykimenete vagy egy algoritmus eredménye. Ez csak egy példa arra, hogy hogyan lehet állapotgépet létrehozni az eszköz viselkedésének megváltoztatására. A rendszer érzékenysége és az akkumulátor üzemidejének megnövelése közti egyensúly megteremtése érdekében több köztes állapot is megvalósítható.

Lehetséges események:

• BP: gomb megnyomása esemény
• SD: leállítási esemény
• ER: hibaesemény
• EP: automatikus átmenet a következő lépésre
• RN: váltás a teljes üzemmódra parancs
• LP: váltás a kis fogyasztású üzemmódra parancs

Felhőbeli adatok lekérdezése és megjelenítése

A STEVAL-ASTRA1B válaszjeladóra gyárilag telepítve van az FP-ATR-ASTRA1 firmware-csomag, így a mért környezeti jelek és a GNSS-helyzetadatok gyorsan megjeleníthetők.

A válaszjeladó az okostelefonokra és táblagépekre készült STAssetTracking mobilalkalmazás segítségével, Bluetooth- és internetkapcsolaton át a myst.com felhasználói fiókon keresztül LoRaWAN-résztvevőként van regisztrálva a TTN (The Things Network) V3 hálózati kiszolgálóján. Emellett az Amazon Web Services (AWS) DSH-ASSETRACKING webes irányítópultjához is kapcsolódik.

A TTN-regisztráció után a STEVAL-ASTRA1B megjelenik a mobilalkalmazás frissített eszközlistáján. A menüben a Start synchronization (Szinkronizálás indítása) gombot megnyomva bekapcsol a válaszjeladó adás üzemmódja, így az párhuzamosan küldi ki a tárolt adatokat a BLE-n és a LoRaWAN-on keresztül. A mobilalkalmazás megjelenítheti a memóriából származó mérési adatokat egy irányítópulton, és kijelezheti a válaszjeladó GNSS-helyzetét, vagy megjelenítheti azt térképen megjelölt pontként (5. ábra).

5. ábra: A mobilalkalmazás segít a válaszjeladó TTN-nél történő regisztrálásában és a felhőalapú irányítópulthoz kapcsolódásban, illetve megjeleníti az összegyűjtött érzékelőértékeket, valamint segíti a beállítást és a hibakeresést (kép: STMicroelectronics)

A webes irányítópult az ASTRA válaszjeladó adatainak kijelzése mellett számos más önálló vezeték nélküli nyomkövető, például a P-L496G-CELL02 (LTE) és a NUCLEO-S2868A2 (Sigfox rádióadó), illetve az internetre kapcsolt csomópontok, például a STEVAL-SMARTAG1 (wifi), a STEVAL-MKSBOX1V1 (BLE-végcsomópont) és a STEVAL-SMARTAG1 (NFC-végcsomópont) adatainak felhőben történő összesítésére is képes. Ez lehetővé teszi egy felhőalapú, több protokollt tartalmazó vezeték nélküli ökoszisztéma kialakítását.

Egyedi beállítás és programozás

Miután az ASTRA válaszjeladó gyári beállításait a kezdeti üzembe helyezés során sikeresen kiértékelte, a következő lépés az, hogy a fejlesztő a válaszjeladót saját vagyonieszköz-követő rendszeréhez igazítsa.

További hardver használata nélkül a kisebb testreszabási feladatok elvégzéséhez elegendő lehet a különböző paraméterek és funkciók BLE-n és a mobilalkalmazáson keresztül történő beállítása (nyomja meg a mobilalkalmazásban a „kalapács és kulcs” ikont, 5. ábra).

A projekt beállításának másik módja a parancssori ablak és a hibakereső konzol használata. Míg egy számítógép-terminálon futó programok (pl. Tera Term) USB-n át kommunikálnak egy virtuális COM-porton keresztül, addig a mobil eszköz az STBLESensor (ST BLE Sensor) alkalmazást használja, és a BLE-n keresztül lép be a hálózatba (6. ábra).

6. ábra: A számítógépen (balra) és a mobil eszközön (jobbra) futó parancssori ablak és hibakereső konzol (kép: STMicroelectronics)

Az ASTRA kártya átprogramozásához, például firmware-frissítéshez, más könyvtárfunkciók beépítéséhez vagy a fejlesztő saját alkalmazáskódjának létrehozásához kényelmes a JTAG-illesztőfelületen keresztül történő hozzáférés. Ebből a célból a külön kapható STLINK-V3MINIE hibakereső és programozási adaptert egy 14 eres szalagkábelen keresztül lehet az ASTRA kártyához csatlakoztatni. A számítógépre telepített integrált fejlesztőkörnyezet (IDE), például a Keil, az IAR vagy az STM32Cube ezután képes a lefordított bináris fájlokat a készülék programmemóriájába írni, illetve elvégezni a programsorrendek hibakeresését.

Az STLINK-V3MINI adapteren található egy virtuális COM-port is, amely lehetővé teszi, hogy a gazdaszámítógép UART-kapcsolaton keresztül kommunikáljon a célmikrovezérlővel.

A különböző ARM mikrovezérlők firmware-frissítése többféleképpen történhet:

• A számítógépre telepített STM32Cube programozószoftver egy JTAG adapter és egy mikrovezérlő-programbetöltő segítségével a flashmemóriába írja a bináris fájlt.
• A számítógépre telepített STM32Cube programozószoftver USB-kapcsolaton át egy mikrovezérlő-programbetöltő segítségével a flashmemóriába írja a bináris fájlt.
• Rádiós úton történő firmware-frissítés (FUOTA, firmware upgrade over-the-air) BLE-n keresztül egy mobil eszközre telepített STBLESensor alkalmazás segítségével.

Mivel az STM32WL55JC (LoRaWAN) alkalmazásvezérlő az STM32WB5MMG (BLE) főeszközeként (master) működik, átkötőkkel kell kiválasztani azt a mikrovezérlőmagot, amelynek tartalmát a flashmemóriába szeretné tölteni.

Grafikus szoftverbeállítás az STM32CubeMX segítségével

Az STM32Cube a fejlesztésre fordított erőfeszítések és a fejlesztési költségek csökkentésével, valamint a fejlesztési idő lerövidítésével könnyíti meg a fejlesztők életét Az integrált fejlesztőkörnyezet (IDE) az STM32 mikrovezérlők teljes választékát lefedi. Az STM32CubeMX emellett grafikus varázslók segítségével könnyíti meg a beállítások megadását és a C kód előállítását. Az FP-ATR-ASTRA1 szoftvercsomag kibővíti az STM32Cube funkcióit, és közvetlenül az STM32CubeMX integrált fejlesztőkörnyezetbe telepíthető.

A 7. ábrán az STM32CubeMX parancsértelmező héj felépítése látható: a navigációs lehetőségek (balra fent), az FP-ATR-ASTRA1 csomag tartalma és beállításai (középen), valamint felépítése (jobbra). Az FP-ATR-ASTRA1 csomag három lapot kínál a testreszabáshoz, ezek a következők: [Platform Settings] (Platformbeállítások), [Parameter Settings] (Paraméterbeállítások) és [ASTRA ENGINE] (ASTRA programmag).

7. ábra: Grafikus szoftverbeállítás az STM32CubeMX eszközzel: az FP-ATR-ASTRA1 csomag tartalma és beállításai (középen) és felépítése (jobbra) (kép: STMicroelectronics)

Miután minden beállítást megadtak, az STM32CubeMX a <Generate Code> (A kód előállítása) gomb megnyomásával előállítja a kódot. A kívánt IDE megnyitásával a firmware-kódot testre lehet szabni, le lehet fordítani, és a kártya flashmemóriájába lehet másolni.

Az előállított forráskód a hardverblokkok és funkciók tekintetében moduláris felépítésű. A hardverblokkok kezelésének azonosítása speciális meghatározások (USE_GNSS) segítségével történik. A funkciók, például a rendszer inicializálása, az állapotgép beállítása és az adatkezelés különböző fájlokban vannak kezelve.

A fájlfa összetettsége ellenére az alkalmazás használati módjainak beállításában mindössze néhány fájl vesz részt:

• app_astra.c/.h
  Ez a főfájl a belépési pont, és az MX_Astra_Init() függvényen belüli inicializálófüggvényeket hívja meg (1. lista).

1. lista: Ez az MX_Astra_Init() függvény szolgál a rendszer inicializálására (lista: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  Ez a lapbeállítás-kezelő a felhasználó által az egyes hardverblokkok engedélyezéséhez/letiltásához, valamint a használati módok megvalósításához és beállításához kiválasztott változókat tartalmazza.
• astra_datamng.c/.h
  Ebben a fájlban az érzékelőkből és más bemenetekből gyűjtött adatok vannak tárolva a RAM-ban. Az adatok módosíthatóak, például abból a célból, hogy egy adott algoritmust lehessen futtatni az adatokon.
• astra_sysmng.c/.h
  Ebben a fájlban a rendszerrel kapcsolatos funkciók vannak megvalósítva. A fő funkciók a parancssori felület, a gombok visszahívása, az algoritmusok, a LED-ek, a vagyonieszköz-követés használati módjainak kezelése és az időzítő kezelése.
• SM_APP.c/.h
  Ezek a fájlok az állapotgép beállítási struktúráit tartalmazzák.

Összegzés

A vagyonieszköz-követő rendszerek fejlesztése összetett, többlépcsős folyamat, de a többfunkciós STEVAL-ASTRA1B fejlesztőplatform leegyszerűsíti a feladatot. Az összes szükséges hardverrel és szoftverrel ellátva gyors és egyszerű módot kínál a vezeték nélküli válaszjeladó összegyűjtött adatainak mobil eszközön futó alkalmazásban vagy webes felületen történő megjelenítésére. Mint látható, a fejlesztők a rugalmas beállítóeszközök segítségével egyszerűen, programozás nélkül testreszabhatják ezt a vezeték nélküli adatgyűjtőt a nyomon követő vagy felügyeleti rendszerükhöz, vagy használhatják az automatikus kódgenerátort.