Hoe multi-connectiviteit volgsystemen te ontwerpen voor veecontrole, vlootbeheer en Industry 4.0 logistiek

Het in realtime volgen van activa en conditiebewaking zijn essentieel bij landbouwactiviteiten zoals veebeheer, opslag in de koelketen voor levensmiddelen en geneesmiddelen, het beheer van wagenparken en flexibele productieactiviteiten in het kader van Industry 4.0. Het is een complex proces waarbij meerdere sensors betrokken zijn om de omgevingsomstandigheden te controleren. Hij beklemtoont dat de activa zijn uitgerust met een wereldwijd satellietnavigatiesysteem (GNSS) met meerdere sterren, waaronder GPS, Galileo, Glonass, BeiDou en QZSS, om nauwkeurige locatie-informatie te garanderen. Bovendien zorgen multi-connectiviteitsoplossingen voor tijdige communicatie over de locatie en toestand van het bedrijfsmiddel, ongeacht de omgeving, inclusief connectiviteit met de cloud ter ondersteuning van gecentraliseerde bewaking. Het moet ook energie-efficiënt zijn om de behoefte aan batterijstroom te minimaliseren, en het systeem moet veilig zijn en beveiligd tegen hacken.

Het ontwerpen van een systeem voor het volgen van activa en conditiebewaking is een complexe multidisciplinaire activiteit die veel middelen vergt en veel tijd in beslag neemt. Naast de complexiteit van het hardwareontwerp moeten de gegevens veilig worden verbonden met de cloud en mobiele apparaten om de rijkdom aan gegenereerde informatie beschikbaar te maken in bruikbare formaten.

In plaats van met een lege pagina te beginnen bij het ontwerpen van systemen voor het volgen van activa, kunnen ontwerpers zich wenden tot ontwikkelingskits en referentieontwerpen die het prototypen, testen en evalueren van geavanceerde toepassingen voor het volgen van activa vereenvoudigen. Dit artikel bespreekt de GNSS, sensors, connectiviteit en andere overwegingen bij de ontwikkeling van systemen voor het volgen van activa en conditiebewaking en presenteert vervolgens een uitgebreide ontwikkelingskit van STMicroelectronics met meerdere printplaten voor verschillende soorten sensors, GNSS-positionering en communicatiemogelijkheden. De kit bevat ook een batterij en geavanceerd energiebeheer voor een maximale levensduur van de batterij, software- en firmwarebibliotheken en hulpmiddelen voor de ontwikkeling van toepassingen.

Waar in de wereld is het actief?

De eerste stap bij het volgen van activa is het verzamelen van actuele locatie-informatie met behulp van het NMEA-gegevensformaat (National Marine Electronics Association). NMEA is de standaard die door alle GPS-fabrikanten wordt gebruikt om interoperabiliteit te garanderen. Het standaard NMEA-berichtformaat wordt een zin genoemd. NMEA definieert verschillende zinnen om verschillende soorten informatie te verstrekken, waaronder:

• GGA - Global Positioning System fix-gegevens, waaronder 3D-coördinaten, status, het aantal gebruikte satellieten en andere gegevens.
• GSA - vdilution of precision (DOP) en actieve satellieten
• GST - statistieken over positiefouten
• GSV - aantal satellieten in beeld en het aantal pseudowillekeurige ruis (PRN), de elevatie, het azimut en de signaal-ruisverhouding voor elke satelliet.
• RMC - positie, snelheid en tijd
• ZDA - UTC dag, maand en jaar, en lokale tijdzone offset

Het gebruik van NMEA vereenvoudigt de ontwikkeling van locatiesoftware, aangezien een gemeenschappelijke interface kan worden gebruikt voor verschillende soorten GPS-ontvangers, en specifieke gegevenssets gemakkelijk toegankelijk zijn met behulp van de overeenkomstige zin.

Hoe kan de nauwkeurigheid worden verbeterd?

Ruwe GNSS-gegevens bieden slechts een beperkte locatienauwkeurigheid. Er zijn instrumenten beschikbaar om de schatting van de locatie te verbeteren, waaronder de dienst Differential Global Positioning System (DGPS) die correctiesignalen levert aan GPS-navigatieapparatuur aan boord van schepen. DGPS gebruikt het protocol van de Radio Technical Commission for Maritime (RTCM) om verbeterde locatiegegevens te verstrekken. Daarnaast zijn er op satellieten gebaseerde augmentatiesystemen (SBAS) beschikbaar om de nauwkeurigheid van positie-informatie te verbeteren, waaronder het Wide Area Augmentation System (WAAS) in Amerika, het European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), het Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) in Azië, en GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN), een regionale SBAS in India (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De TESEO LIV3F multi-constellatie GNSS-ontvanger bevat een reeks instrumenten, waaronder DGPS, SBAS, en RTCM (linksonder), om zeer nauwkeurige locatieoplossingen mogelijk te maken. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Wat is de toestand van de activa?

In veel gevallen is de locatie van de activa slechts één stukje van de puzzel. Het kan belangrijk zijn om informatie te verzamelen over de toestand van de activa, inclusief de fysieke toestand ervan en of het goed beweegt of stil heeft gestaan. Afhankelijk van de behoefte kunnen verschillende sensors worden ingezet:

• Temperatuursensor met een werkbereik van -40 °C tot +125 °C, hoge nauwkeurigheid en kalibratie die traceerbaar is door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en geverifieerd zoals vereist door de IATF 16949:2016-norm.
• Druksensor - een compacte en robuuste piëzoresistieve absolute sensor van een micro-elektromechanisch systeem (MEMS) kan worden gebruikt als digitale outputbarometer met een absoluut drukbereik van 260 tot 1260 hectoPascal (hPa), ook wel millibar genoemd. Het moet zeer nauwkeurig zijn en temperatuurcompensatie omvatten.
• Vochtigheidssensor met een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +120 °C en een vochtigheidsmeetbereik van 0 tot 100% relatieve vochtigheid (rH). Hij moet temperatuurgecompenseerd zijn met een nauwkeurigheid van ±3,5% rH van 20 tot 80% rH.
• Traagheidsmeeteenheid (IMU) met een op MEMS gebaseerde 3D-versnellingsmeter en 3D-gyroscoop om te bepalen of het goed beweegt of stilstaat.
• Versnellingsmeter zoals een MEMS-gebaseerde lineaire versnellingsmeter met drie assen om de blootstelling van het bedrijfsmiddel aan schokken en trillingen te meten.

Beveiligde connectiviteit

Zodra de locatie en de toestand van de activa zijn vastgesteld, is het tijd om die informatie te communiceren. Afhankelijk van de omstandigheden kan dat een combinatie van beveiligde verbindingen over lange en korte afstand vereisen. In het geval van het STEVAL-ASTRA1B multi-connectivity asset-tracking-platform van STMicroelectronics worden connectiviteit en beveiliging ondersteund door verschillende systeemelementen op de hoofdkaart, waaronder (Afbeelding 2):

• De STM32WB5MMG is een gecertificeerde 2,4 GHz draadloze module die een STM32WB dual-core Arm® Cortex®-M4/M0+, kristallen en een chipantenne met een matching-netwerk integreert. Het bevat een Bluetooth Low Energy (BLE) stack en ondersteunt Open Thread, Zigbee en andere 2,4 GHz protocollen.
• De STM32WL55JC biedt draadloze connectiviteit op lange afstand. Hij bevat ook een dual-core Arm Cortex-M4/M0+ en kan protocollen als GFSK, LoRa en andere ondersteunen. Het RF-front in de standaardversie ondersteunt de 868, 915 en 920 MHz banden. Door sommige componenten te wijzigen kan de module lagere frequenties ondersteunen.
• Het beveiligde element STSAFE-A110 wordt aangesloten op de STM32WB5MMG voor veilig gegevensbeheer en authenticatie. Het is ontworpen ter ondersteuning van internet of things (IoT)-netwerken zoals het volgen van activa en bevat een veilig besturingssysteem en een veilige microcontroller.

Afbeelding 2: De hoofdkaart in het STEVAL-ASTRA1B asset-tracking-platform bevat de STM32WB5MMG voor de korteafstandsconnectiviteit, de STM32WL55JC voor de langeafstandsconnectiviteit en de STSAFE-A110 voor de veilige werking. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Asset-tracking-ontwikkelingsomgeving

Ontwikkelaars van asset-tracking-toepassingen kunnen zich wenden tot de STEVAL-ASTRA1B hardware- en softwareontwikkelingskit en het referentieontwerp van STMicroelectronics die het prototypen, testen en evalueren van geavanceerde asset-tracking-systemen vergemakkelijken (Afbeelding 3). De STEVAL-ASTRA1B is gebouwd rond de STM32WB5MMG-module en de STM32WL55JC SoC die samen zorgen voor connectiviteit op korte en lange afstand (BLE, LoRa, en 2,4 GHz en sub-1-GHz eigen protocollen). Voor NFC-connectiviteit is de ST25DV64K beschikbaar. De STSAFE-A110 ondersteunt beveiligde werking, en de Teseo-LIV3F GNSS-module zorgt voor plaatsbepaling buitenshuis.

Afbeelding 3: Het STEVAL-ASTRA1B-platform omvat alle hardware, firmware en software die nodig zijn om geavanceerde volgsystemen te ontwikkelen. (Bron afbeelding: DigiKey)

De GNSS-positiebepalingsontvanger is compatibel met zes systemen, waaronder GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS en NavIC (ook IRNSS genoemd). Het systeem biedt ook ondersteuning voor WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS en GAGAN SBAS. Een notchfilter is inbegrepen voor anti-jamming.

Er is een breed scala aan sensors opgenomen voor conditiebewaking, waaronder (Afbeelding 4):

• STTS22HTR - een digitale temperatuursensor die kan worden gebruikt van -40 °C tot +125 °C met een maximale nauwkeurigheid van ±0,5 °C van -10 °C tot +60 °C en een 16-bits temperatuurgegevensuitgang. De kalibratie is NIST traceerbaar en het apparaat is 100% getest en geverifieerd met apparatuur die gekalibreerd is volgens de IATF 16949:2016-norm.
• LPS22HHTR - een MEMS piëzoresistieve absolute druksensor, die wordt gebruikt als een
• digitale uitgangsbarometer die een absolute druk van 260 tot 1260 hPa kan meten. Hij heeft een absolute druknauwkeurigheid van 0,5 hPa en een lagedruksensorruis van 0,65 Pa, en produceert een 24-bits drukgegevensuitvoer.
• HTS221TR - een sensor voor relatieve vochtigheid en temperatuur. Hij kan 0 tot 100% rH meten met een gevoeligheid van 0,004% rH/least significant bit (LSB), een vochtigheidsnauwkeurigheid van ±3,5% rH van 20 tot +80% rH, en een temperatuurnauwkeurigheid van ±0,5 °C van +15 °C tot +40 °C.
• LIS2DTW12TR - een MEMS drieassige lineaire versnellingsmeter en temperatuursensor met door de gebruiker te selecteren volledige schalen van ±2 g/±4 g/±8 g/±16 g, die versnellingen kan meten met uitgangsgegevens van 1,6 Hz tot 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR - een IMU-module met een altijd werkende 32 g 3D digitale versnellingsmeter en een 3D digitale gyroscoop met bereiken van ±4/±8/±16/±32 g volle schaal en een hoekbereik van ±125/±250/±500/±1000/±2000 graden per seconde (dps) volle schaal.

Afbeelding 4: De hoofdkaart van de STEVAL-ASTRA1B bevat een volledige reeks sensoren (links), de systeemkaart (geel vak) en GNSS-connectiviteitselementen (TESEO LIV3F en antenne rechtsonder). (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Energiebeheer is belangrijk voor draadloze volgapparatuur. Om een lange levensduur van de batterij te garanderen, bevat de STEVAL-ASTRA1B uitgebreide energiebeheercomponenten zoals de:

• ST1PS02D1QTR 400 milliampère (mA) synchrone step-down-convertor met een ingangsspanningsbereik van 1,8 V tot 5,5 V, 500 nanoampère (nA) ingangsruststroom bij een ingangsspanning van 3,6 V, en een typisch rendement van 92%.
• STBC03JR batterij power management en lader IC dat een lineaire batterij lader sectie bevat voor single-cell lithium-ion (Li-ion) batterijen die een constante stroom/constante spanning (CC/CV) laad algoritme gebruikt, een 150 mA low drop-out regelaar (LDO), twee single pole double throw (SPDT) load switches en circuits om de batterij te beschermen tijdens fout condities.
• TCPP01-M12 USB Type-C® port protection IC inclusief VBUS-overspanningsbeveiliging die regelbaar is van 5 V tot 22 V (met een externe N-kanaals MOSFET), 6,0 V overspanningsbeveiliging (OVP) op CC-lijnen tegen kortsluiting van de VBUS en ESD-bescherming op systeemniveau voor connectorpinnen CC1 en CC2 die voldoet aan IEC 61000-4-2 niveau 4.

Software- en firmwarebibliotheken

Een breed scala aan software en firmware is inbegrepen of beschikbaar voor het ontwikkelen van asset-tracking-toepassingen met behulp van de STEVAL-ASTRA1B. Voorbeelden zijn:

• Het FP-ATR-ASTRA1-functiepakket implementeert een volledige toepassing voor het volgen van activa en wordt meegeleverd met de STEVAL-ASTRA1B. Het functiepakket krijgt plaatsbepalingsgegevens van de GNSS-ontvanger, leest de gegevens van de omgevings- en bewegingssensors en verzendt ze naar de cloud via BLE- en LoRaWAN-connectiviteit. Aanpasbare use cases voor vlootbeheer, veebewaking, goederenbewaking en logistiek zijn inbegrepen.
• De STAssetTracking-applicatie kan op afstand een BLE-, Sigfox- of NFC-compatibel apparaat voor het volgen van activa configureren. Het kan worden gebruikt om het loggen van gegevens voor specifieke sensoren in te schakelen en drempel triggers in te stellen om het loggen te starten en te stoppen.
• Het DSH-ASSETRACKING-dashboard is een door Amazon Web Services (AWS) aangedreven cloudapplicatie die een intuïtieve interface biedt die is geoptimaliseerd voor het verzamelen, visualiseren en analyseren van gegevens van GNSS-locatiediensten en bewegings- en omgevingssensors. Het dashboard kan real-time of historische positiegegevens en sensorwaarden weergeven en omgevingsomstandigheden en gebeurtenissen bewaken (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het DSH-ASSETRACKING-dashboard is een door AWS aangedreven cloudapplicatie voor het volgen van activa. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Samenvatting

Het volgen van activa is een kritieke en complexe functie die nodig is bij veeteeltcontrole, vlootbeheer en logistiek. Zoals getoond bevat de STEVAL-ASTRA1B hardware- en softwareontwikkelingskit en het referentieontwerp van STMicroelectronics de GNSS-locatiediensten, een volledige reeks omgevings- en bewegingssensors, energiebeheer en een volledige reeks software en firmware die nodig zijn om het ontwerp van krachtige apparatuur voor het volgen van activa te versnellen.