如何為牲畜監(jiān)控、車隊(duì)管理和工業(yè) 4.0 物流設(shè)計(jì)多連接跟蹤系統(tǒng)

實(shí)時(shí)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測(cè)在畜牧管理、食品和藥品冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)、車隊(duì)管理以及工業(yè) 4.0 靈活生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等農(nóng)業(yè)運(yùn)營(yíng)中至關(guān)重要。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)傳感器來監(jiān)測(cè)環(huán)境條件。它強(qiáng)調(diào)，該資產(chǎn)受制于多星座全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）能力，包括GPS，伽利略，Glonass，北斗和QZSS，以確保準(zhǔn)確的位置信息。此外，多連接解決方案提供資產(chǎn)位置和狀況的及時(shí)通信，無論周圍環(huán)境如何，包括與云的連接以支持集中監(jiān)控。此外，它需要節(jié)能以最大限度地減少對(duì)電池電源的需求，并且系統(tǒng)必須安全且免受黑客攻擊。

設(shè)計(jì)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的多學(xué)科活動(dòng)，會(huì)消耗大量資源并花費(fèi)大量時(shí)間。除了與硬件設(shè)計(jì)相關(guān)的復(fù)雜性外，數(shù)據(jù)還需要安全地連接到云和移動(dòng)設(shè)備，以便以可操作的格式提供生成的大量信息。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)時(shí)不必從空白頁(yè)開始，而是可以轉(zhuǎn)向開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估高級(jí)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用。本文將回顧開發(fā)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的GNSS、傳感器、連接性和其他考慮因素，然后介紹意法半導(dǎo)體的綜合開發(fā)套件，其中包括用于各種類型傳感器、GNSS定位和通信功能的多個(gè)印刷電路板。該套件還包括電池和高級(jí)電源管理，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，軟件和固件庫(kù)以及應(yīng)用開發(fā)工具。

資產(chǎn)在世界的什么地方？

跟蹤資產(chǎn)的第一步是使用國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì) （NMEA） 數(shù)據(jù)格式收集當(dāng)前位置信息。NMEA 是所有 GPS 制造商用來確?；ゲ僮餍缘臉?biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn) NMEA 消息格式稱為句子。NMEA 定義了幾個(gè)句子來提供各種類型的信息，包括：

GGA – 全球定位系統(tǒng)固定數(shù)據(jù)，包括 3D 坐標(biāo)、狀態(tài)、使用的衛(wèi)星數(shù)量和其他數(shù)據(jù)

GSA – 精確稀釋 （DOP） 和有源衛(wèi)星

GST – 位置誤差統(tǒng)計(jì)

GSV – 視野中的衛(wèi)星數(shù)量以及每顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲 （PRN） 數(shù)量、仰角、方位角和信噪比

RMC – 位置、速度和時(shí)間

ZDA – UTC 日、月、年以及本地時(shí)區(qū)偏移量

使用NMEA簡(jiǎn)化了定位軟件開發(fā)，因?yàn)橥ㄓ媒涌诳捎糜诟鞣N類型的GPS接收器，并且可以使用相應(yīng)的句子輕松訪問特定的數(shù)據(jù)集。

如何提高準(zhǔn)確性？

原始 GNSS 數(shù)據(jù)僅提供有限的位置精度。可用于改進(jìn)位置估計(jì)的工具，包括差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）服務(wù)，該服務(wù)為船上的GPS導(dǎo)航設(shè)備提供校正信號(hào)。DGPS使用海事無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCM）協(xié)議來提供增強(qiáng)的位置數(shù)據(jù)。此外，基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）可用于提高位置信息的準(zhǔn)確性，包括美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS），歐洲地球靜止導(dǎo)航疊加系統(tǒng)（EGNOS），亞洲的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）和印度的區(qū)域SBAS的GPS輔助GEO增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN）（圖1）。

資產(chǎn)的狀況如何？

在許多情況下，了解資產(chǎn)的位置只是拼圖的一部分。收集有關(guān)資產(chǎn)狀況的信息非常重要，包括其物理狀態(tài)以及資產(chǎn)是移動(dòng)還是靜止。根據(jù)需要，可以部署各種傳感器，包括：

溫度傳感器的工作范圍為 -40°C 至 +125°C，精度高，校準(zhǔn)符合美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 可追溯，并符合 IATF 16949：2016 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

壓力傳感器 - 緊湊而堅(jiān)固的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）壓阻式絕對(duì)傳感器可用作數(shù)字輸出氣壓計(jì)，絕對(duì)壓力范圍為260至1260百帕斯卡（hPa），也稱為毫巴。它需要高度精確并包括溫度補(bǔ)償。

濕度傳感器的工作溫度范圍為 -40°C 至 +120°C，濕度測(cè)量范圍為 0 至 100% 相對(duì)濕度 （rH）。在 3% 至 5% 相對(duì)濕度范圍內(nèi)，應(yīng)以 ±20.80% rH 的精度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

慣性測(cè)量單元 （IMU），包括基于 MEMS 的 3D 加速度計(jì)和 3D 陀螺儀，用于確定資產(chǎn)是移動(dòng)還是靜止。

加速度計(jì)類似于基于MEMS的三軸線性加速度計(jì)，用于測(cè)量資產(chǎn)的沖擊和振動(dòng)暴露。

安全連接

一旦確定了資產(chǎn)的位置和狀況，就該傳達(dá)這些信息了。根據(jù)具體情況，這可能需要遠(yuǎn)程和短距離安全連接的組合。在意法半導(dǎo)體的STEVAL-ASTRA1B多連接資產(chǎn)跟蹤平臺(tái)中，連接性和安全性由主板上的多個(gè)系統(tǒng)元件支持，包括（圖2）：

STM32WB5MMG是一款經(jīng)過認(rèn)證的2.4 GHz無線模塊，集成了STM32WB雙核Arm? Cortex-M4?/M0+、晶體和芯片天線以及匹配網(wǎng)絡(luò)。它包括低功耗藍(lán)牙（BLE）堆棧，并支持Open Thread，Zigbee和其他2.4 GHz協(xié)議。

STM32WL55JC提供遠(yuǎn)距離無線連接。它還包括一個(gè)雙核Arm Cortex-M4 / M0 +，可以支持GFSK，LoRa等協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)版本的射頻前端支持 868、915 和 920 MHz 頻段。更改某些組件可使模塊支持較低的頻率。

STSAFE-A110安全元件連接到STM32WB5MMG，實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)管理和認(rèn)證。它旨在支持資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 網(wǎng)絡(luò)，并包括一個(gè)安全的操作系統(tǒng)和安全的微控制器。

資產(chǎn)跟蹤開發(fā)環(huán)境

資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的開發(fā)人員可以使用意法半導(dǎo)體的STEVAL-ASTRA1B硬件和軟件開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，幫助對(duì)高級(jí)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估（圖3）。STEVAL-ASTRA1B圍繞STM32WB5MMG模塊和STM32WL55JC SoC構(gòu)建，結(jié)合了短距離和遠(yuǎn)程連接（BLE，LoRa和2.4 GHz以及sub-1 GHz專有協(xié)議）。對(duì)于NFC連接，可以使用ST25DV64K。STSAFE-A110支持安全操作，Teseo-LIV3F GNSS模塊提供室外定位。

GNSS定位接收機(jī)兼容六個(gè)系統(tǒng)，包括GPS，Galileo，GLONASS，北斗，QZSS和NavIC（也稱為IRNSS）。該系統(tǒng)還包括WAAS，EGNOS，MSAS，WAAS和GAGAN SBAS支持。包括一個(gè)陷波濾波器，用于抗干擾。

包括用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的各種傳感器，包括（圖 4）：

STTS22HTR – 數(shù)字溫度傳感器，可在 -40°C 至 +125°C 范圍內(nèi)使用，在 -0°C 至 +5°C 范圍內(nèi)最大精度為 ±10.60°C，并提供 16 位溫度數(shù)據(jù)輸出。校準(zhǔn)是NIST可追溯的，設(shè)備經(jīng)過100%的測(cè)試和驗(yàn)證，設(shè)備根據(jù)IATF 16949：2016標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。

LPS22HHTR – MEMS壓阻式絕對(duì)壓力傳感器，用作

數(shù)字輸出氣壓計(jì)，可測(cè)量 260 至 1260 hPa 的絕對(duì)壓力。它具有 0.5 hPa 的絕對(duì)壓力精度和 0.65 Pa 的低壓傳感器噪聲，可產(chǎn)生 24 位壓力數(shù)據(jù)輸出。

HTS221TR – 相對(duì)濕度和溫度傳感器。它可以測(cè)量 0 至 100% rH，靈敏度為 0.004% rH/最低有效位 （LSB），濕度精度為 ±3.5% rH（20 至 +80 % rH），溫度精度為 ±0.5°C （+15°C 至 +40°C）。

LIS2DTW12TR – MEMS三軸線性加速度計(jì)和溫度傳感器，用戶可選擇±2g/±4g/±8g/±16g滿量程，可以測(cè)量1.6 Hz至1600 Hz輸出數(shù)據(jù)速率的加速度。

LSM6DSO32XTR - 一個(gè) IMU 模塊，具有始終開啟的 32 g 3D 數(shù)字加速度計(jì)和一個(gè) 3D 數(shù)字陀螺儀，量程為 ±4/±8/±16/±32 g 滿量程，角度范圍為 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 （dps） 滿量程。

電源管理對(duì)于無線跟蹤設(shè)備非常重要。為了確保較長(zhǎng)的電池壽命，STEVAL-ASTRA1B包括廣泛的電源管理組件，例如：

ST1PS02D1QTR 400毫安（mA）同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為1.8 V至5.5 V，輸入靜態(tài)電流為500納安（nA），輸入電壓為3.6 V，典型效率為92%。

STBC03JR電池電源管理和充電器IC，包括用于單節(jié)鋰離子（Li-ion）電池的線性電池充電器部分，該部分使用恒流/恒壓（CC/CV）充電算法、150 mA低壓差穩(wěn)壓器（LDO）、兩個(gè)單刀雙擲（SPDT）負(fù)載開關(guān)和電路，可在故障條件下保護(hù)電池。

TCPP01-M12USB Type-C? 端口保護(hù) IC，包括可在 5 V 至 22 V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的 VBUS 過壓保護(hù)（使用外部 N 溝道 MOSFET）、CC 線路上的 6.0 V 過壓保護(hù) （OVP）（防止 VBUS 短路）和符合 IEC 1-2-61000 4 級(jí)連接器引腳 CC2 和 CC4 的系統(tǒng)級(jí)靜電放電 （ESD） 保護(hù)。

軟件和固件庫(kù)

包括或提供廣泛的軟件和固件，用于使用STEVAL-ASTRA1B開發(fā)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用程序。示例包括：

FP-ATR-ASTRA1功能包實(shí)現(xiàn)了完整的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用程序，并包含在STEVAL-ASTRA1B中。功能包從 GNSS 接收器獲取定位數(shù)據(jù)， 從環(huán)境和運(yùn)動(dòng)傳感器讀取數(shù)據(jù)， 并使用 BLE 和 LoRaWAN 連接將它們發(fā)送到云.包括車隊(duì)管理、牲畜監(jiān)控、貨物監(jiān)控和物流的可定制用例。

STAssetTracking應(yīng)用程序可以遠(yuǎn)程配置支持BLE，Sigfox或NFC的資產(chǎn)跟蹤設(shè)備。它可用于啟用特定傳感器的數(shù)據(jù)記錄，并設(shè)置閾值觸發(fā)器以啟動(dòng)和停止記錄。

DSH-ASSETRACKING 儀表板是一個(gè)由亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù) （AWS） 提供支持的云應(yīng)用程序，它提供了一個(gè)直觀的界面，該界面經(jīng)過優(yōu)化，用于收集、可視化和分析來自 GNSS 定位服務(wù)以及運(yùn)動(dòng)和環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)。儀表板可以繪制實(shí)時(shí)或歷史位置數(shù)據(jù)和傳感器值，并監(jiān)控環(huán)境條件和事件（圖 5）。

總結(jié)

資產(chǎn)跟蹤是牲畜監(jiān)控、車隊(duì)管理和物流所需的關(guān)鍵而復(fù)雜的功能。如圖所示，意法半導(dǎo)體的STEVAL-ASTRA1B硬件和軟件開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)包括GNSS定位服務(wù)、全系列環(huán)境和運(yùn)動(dòng)傳感器、電源管理以及加速高性能資產(chǎn)跟蹤設(shè)備設(shè)計(jì)所需的全套軟件和固件。

審核編輯黃宇