Gebruik een mobiele en GPS-SiP om snel asset-tracking te implementeren voor agrarische en slimme stadsomgevingen

Ontwikkelaars van Internet of Things (IoT) en asset tracking-apparaten en -systemen voor de industrie, de landbouw en slimme steden hebben behoefte aan een manier om over lange afstanden te communiceren met een minimaal vermogen voor langere tijd. Draadloze technologieën zoals RFID-tags, Bluetooth en Wi-Fi worden al op grote schaal gebruikt voor asset-tracking oplossingen, maar ze hebben een beperkt bereik en verbruiken te veel stroom. Wat nodig is, is een combinatie van GPS en een aanpassing van de infrastructuur, zoals cellulaire netwerken die al op grote schaal worden ingezet en die zijn ontworpen voor communicatie op een groter bereik dan beschikbaar is met Wi-Fi of Bluetooth.

LTE-gebaseerde cellulaire netwerken zijn oorspronkelijk ontworpen voor draadloze breedbandconnectiviteit voor mobiele producten en apparaten. IoT-toepassingen, aan de andere kant, kunnen worden verkregen door gebruik te maken van minder krachtige, smalbandige cellulaire technologieën zoals de evolutie op lange termijn voor machines (LTE-M) en smalbandige IoT (NB-IoT). Toch is het RF/draadloze ontwerp moeilijk, en ontwikkelaars die geen uitgebreide ervaring hebben, vooral met betrekking tot cellulair, hebben grote moeite met het implementeren van een functionerend ontwerp dat de draadloze prestaties en het stroomverbruik optimaliseert, terwijl ze ook voldoen aan de internationale regelgevende richtlijnen voor zowel cellulaire als GPS-locatiediensten, evenals aan specifieke vereisten voor de provider.

Dit artikel beschrijft de trends en ontwerpeisen van asset-tracking. Het introduceert vervolgens een GPS en cellulaire smalband systeem-in-pakket (SiP) oplossing van Nordic Semiconductor en laat zien hoe het de implementatie van GPS-geschikte cellulaire apparaten voor het volgen van activa en andere landbouw en slimme stedelijke IoT-toepassingen sterk kan vereenvoudigen.

Waarom asset-tracking steeds belangrijker wordt

Het vermogen om producten efficiënt te verzenden is van vitaal belang voor de handel: Amazon alleen al verscheepten naar schatting vijf miljard pakketten in 2019, en gaven bijna 38 miljard dollar uit aan verzendkosten - een stijging van 37% ten opzichte van 2018^[1,2]. Voor elke rederij betekenen vertragingen, schade en diefstal een aanzienlijke belasting voor fabrikanten, distributeurs en klanten. Voor Amazon werd bijna een kwart van de verzonden pakketten geretourneerd, 21 procent omdat de klant een beschadigd pakket ontving^[3].

Amazon zijn zeker niet de enige die een aanzienlijk deel van hun budget aan de verzending besteden. Volgens het rapport 2020 van de State of Logistics van de Council of Supply Chain Management Professionals (CSCMP) gaven bedrijven in 2019 bijna 1,7 biljoen dollar uit aan verzendkosten - een uitgave die goed is voor 7,6% van het bruto nationaal product (BBP) van de VS^[4]. Op deze niveaus kan het vermogen om pakketten te traceren, vertragingen en gevallen van schade op te sporen, belangrijke voordelen opleveren voor leveranciers en inkopers om problemen met de verzending te corrigeren.

Naast het volgen van pakketten in de toeleveringsketen hebben de meeste ondernemingen behoefte aan verbeterde methoden voor het traceren van hun eigen activa en het lokaliseren van zoekgeraakte artikelen. Toch is de helft van alle bedrijven nog steeds bezig met het handmatig registreren van activa, en van die bedrijven zijn velen afhankelijk van werknemers om door magazijnen, fabrieken en fysieke locaties te zoeken naar ontbrekende activa^[5].

Vergelijking van connectiviteitstechnologieën voor asset-tracking

Hoewel er een aantal oplossingen zijn ontstaan om asset-tracking te helpen automatiseren, hebben de onderliggende technologieën een beperkt dekkingsgebied, zijn ze duur per eenheidskost of hebben ze hoge stroomvereisten. Dit laatste is van cruciaal belang omdat asset-tracking en externe IoT-apparaten apparaten zijn die op batterijen werken..

Conventionele volgmethoden op basis van passieve radiofrequentie-identificatie (RFID) kunnen tijdens het vervoer geen levende gegevens opleveren en vereisen dat pakketten door een of ander fysiek controlepunt gaan om de aan een verpakking gehechte RFID-tag te detecteren. Actieve RFID-tags op batterijen zijn in staat om realtime locatiegegevens te leveren, maar vereisen een extra infrastructuur en blijven beperkt in dekking.

Vergeleken met RFID-tags bieden Bluetooth low energy (BLE) en Wi-Fi een steeds groter bereik binnen een dekkingsgebied dat is uitgerust met vaste zoekers voor elke technologie. Voortbouwend op een rijk ecosysteem van apparaten en software worden BLE en Wi-Fi al toegepast in locatiegebaseerde toepassingen zoals COVID-19 contacttracing en conventionele real-time locatiediensten (RTLS). Met de beschikbaarheid van functies voor het vinden van de richting in Bluetooth 5.1 kan de locatie van een tag nauwkeurig worden berekend op basis van gegevens over de aankomst- en vertrekhoek (AoA) en de vertrekhoek (AoD) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Geavanceerde richtingbepalingsmogelijkheden in Bluetooth ondersteunen de precieze locatie van een tag in de driedimensionale ruimte. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Hoewel BLE-toepassingen beperkt blijven tot toepassingen met een kort bereik, kan het grotere bereik van Wi-Fi het effectief maken voor gebruik in asset-trackingtoepassingen binnen een magazijn of bedrijfscampus. Toch zijn Wi-Fi RTLS-tags doorgaans dure apparaten met stroomvereisten die batterijen onpraktisch maken, waardoor het gebruik ervan beperkt blijft tot het volgen van grotere, dure activa. Tegelijkertijd kunnen grootschalige implementaties die gebruik maken van een van deze technologieën lijden onder toenemende ruis in hun ontvangstbandbreedte, wat kan leiden tot verloren of corrupte pakketten en aantasting van de locatiedetectiemogelijkheden.

Ondanks hun potentieel gebruik voor het lokaal traceren van activa, kunnen RFID, BLE of Wi-Fi niet het bereik van de dekking bieden die nodig is om een actief gemakkelijk te volgen zodra het het magazijn of de bedrijfscampus verlaat. De mogelijkheid om een pakket of apparaat regionaal of zelfs wereldwijd te traceren is afhankelijk van de beschikbaarheid van een draadloze technologie die in staat is om zowel een groot bereik als een laag vermogen te bereiken.

Alternatieven op basis van low-power ultra-wideband (UWB) technologieën kunnen een aanzienlijk bereik bereiken, maar de dekking van het netwerk blijft beperkt. In feite zijn er maar weinig alternatieven die het soort wereldwijde dekking kunnen bieden dat al beschikbaar is met cellulaire oplossingen met een laag vermogen voor een groot bereik (LPWAN), gebaseerd op LPWAN-technologiestandaarden die zijn gedefinieerd door het 3rd Generation Partnership Project (3GPP)-het internationale consortium dat de standaarden voor mobiele communicatie definieert.

Het bereiken van een wereldwijd bereik met cellulaire connectiviteit

Onder de 3GPP-standaarden zijn die gebaseerd op LTE-M- en NB-IoT-technologieën specifiek ontworpen om een relatief licht cellulair protocol te bieden dat goed is afgestemd op de vereisten van het IoT voor de datasnelheid, de bandbreedte en het stroomverbruik.

Gedefinieerd in 3GPP Release 13, is LTE Cat M1 een LTE-M standaard die 1 megabit per seconde (Mbit/s) ondersteunt voor zowel downlink als uplink transfers met 10 tot 15 milliseconde (ms) latency en 1,4 megahertz (MHz) bandbreedte. Ook gedefinieerd in 3GPP Release 13, Cat-NB1 is een NB-IoT standaard die 26 kilobits per seconde (Kbits/s) downlink en 66 Kbits/s uplink met 1,6 tot 10 s latency en 180 kilohertz (kHz) bandbreedte biedt. Gedefinieerd in 3GPP Release 14, een andere NB-IoT standaard, biedt Cat-NB2 hogere datumtarieven bij 127 Kbits/s downlink en 159 Kbits/s uplink.

Hoewel de specifieke kenmerken van deze twee brede klassen van LPWAN-technologie ver buiten het bestek van dit korte artikel vallen, kunnen beide effectief dienen voor typische asset tracking-toepassingen. In combinatie met sensors en global positioning satellite (GPS) mogelijkheden in compacte pakketten, kunnen asset tracking oplossingen op basis van LTE-M of NB-IoT gebaseerde cellulaire LPWAN's het soort mogelijkheden ondersteunen dat nodig is voor asset management en end-to-end logistiek.

Gezien het potentieel van LPWAN om meer efficiëntie en kostenbesparingen te realiseren, blijft het cellulaire LPWAN een grotere rol spelen in de logistiek. Met de beschikbaarheid van de nRF9160 SiP van Nordic Semiconductor kunnen ontwikkelaars sneller en eenvoudiger voldoen aan de groeiende vraag naar op LPWAN gebaseerde apparaten die nodig zijn voor een effectievere asset-tracking of andere IoT-toepassingen.

Hoe een SiP apparaat een drop-in asset tracking oplossing kan leveren

Nordic Semiconductor's low-power nRF9160 SiP apparaat combineert een Nordic Semiconductor nRF91 system-on-chip (SoC) apparaat met een ondersteunend circuit om een complete LPWAN connectiviteitsoplossing te bieden in een enkele 10 x 16 x 1,04 millimeter (mm) landgrid array (LGA) pakket. Samen met een op Arm® Cortex®-M33 gebaseerde microcontroller die speciaal voor de verwerking van toepassingen is ontworpen, integreren de nRF91 SoC-varianten een LTE-M-modem in de NRF9160-SIAA SiP, een NB-IoTmodem in de NRF9160-SIBA SiP en zowel LTE-M en NB-IoT als GPS in de NRF9160-SICA SiP. Bovendien is de nRF9160 SiP vooraf gecertificeerd om te voldoen aan wereldwijde, regionale en carrier cellulaire vereisten, waardoor ontwikkelaars snel cellulaire connectiviteitsoplossingen kunnen implementeren zonder de vertragingen die normaal gesproken gepaard gaan met het testen van de naleving.

Alle SiP-versies combineren de op microcontrollers gebaseerde applicatieprocessor en modem met een uitgebreide set randapparatuur, waaronder een 12-bits analoog-digitaalconverter (ADC) die vaak nodig is in sensorontwerpen. De SiP verpakt verder de SoC met een RF front-end, power management integrated circuit (PMIC) en extra componenten om een drop-in oplossing voor LPWAN-connectiviteit te creëren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Nordic Semiconductor nRF9160 SiP combineert een SoC met een applicatieprocessor en een LTE-modem met andere componenten die nodig zijn voor de implementatie van een compact ontwerp met een laag stroomverbruik op basis van cellen voor asset-tracking of andere IoT-toepassingen. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De microcontroller van de SoC, die dienst doet als host-processor, integreert een aantal beveiligingsmogelijkheden die zijn ontworpen om tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar beveiliging in aangesloten apparaten, waaronder IoT-apparaten en systemen voor asset-tracking. Voortbouwend op de Arm TrustZone-architectuur, bevat de microcontroller een Arm Cryptocell beveiligingsblok, dat een openbare sleutel cryptografieversneller combineert met mechanismen die zijn ontworpen om gevoelige gegevens te beschermen. Daarnaast biedt een veilige sleutelbeheerseenheid (KMU) een veilige opslag voor meerdere soorten geheime gegevens, waaronder sleutelparen, symmetrische sleutels, hashes en privégegevens. Een aparte systeembeveiligingseenheid (SPU) biedt ook veilige toegang tot geheugens, randapparatuur, apparaatpinnen en andere bronnen.

De microcontroller van de SoC fungeert als host en voert zowel de applicatiesoftware als het starten en stoppen van de modem uit. Behalve het reageren op start- en stopopdrachten van de host, verwerkt de modem zijn eigen bewerkingen met behulp van zijn substantiële aanvulling van geïntegreerde blokken, waaronder een speciale processor, RF-zendontvanger en modembasisband. De modem draait zijn ingebouwde firmware en ondersteunt 3GPP LTE release 13 Cat-M1 en Cat-NB1 volledig. Release 14 Cat-NB2 wordt ondersteund in hardware, maar vereist extra firmware om te kunnen werken.

Hoe de nRF9160 SiP een laag vermogen cellulaire connectiviteit bereikt

De nRF9160 SiP combineert zijn uitgebreide hardware-functionaliteit met een volledige set functies voor energiebeheer. De meegeleverde PMIC wordt ondersteund door een power management unit (PMU) die het stroomverbruik bewaakt en klokken en voedingsregelaars automatisch start en stopt om een zo laag mogelijk stroomverbruik te bereiken (figuur 3).

Afbeelding 3: De nRF9160 SiP bevat een PMU die klokken en voedingsregelaars automatisch aanstuurt om het stroomverbruik te optimaliseren. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Samen met een System OFF power mode, die alleen de circuits die nodig zijn om het apparaat te wekken van stroom voorziet, ondersteunt de PMU een paar System ON power sub modi. Na inschakeling van de POR (Power-on-reset) komt het apparaat in de low-power submodus, waardoor functionele blokken zoals de applicatieprocessor, de modem en de randapparatuur in een rusttoestand komen te staan. In deze toestand start en stopt de PMU automatisch de klokken en de spanningsregelaars voor de verschillende blokken als dat nodig is.

Ontwikkelaars kunnen de standaard low-power submodus opheffen en in plaats daarvan overschakelen naar een constante latency submodus. In de sub-modus met constante latentie behoudt de PMU het vermogen van sommige bronnen, waarbij een incrementele toename van het stroomverbruik wordt ingeruild voor de mogelijkheid om een voorspelbare responslatentie te bieden. Ontwikkelaars kunnen een derde vermogensmodus oproepen met behulp van de externe vrijgavepin, die het hele systeem van stroom voorziet. Deze mogelijkheid wordt meestal gebruikt in een systeemontwerp dat de nRF9160 SiP gebruikt als een communicatiecoprocessor die wordt bestuurd door de hoofdprocessor van het hostsysteem.

Deze functies voor vermogensoptimalisatie stellen de SiP in staat om het soort laagvermogen te bereiken dat nodig is om een langere levensduur van de batterij in een apparaat voor activatracking te garanderen. Bijvoorbeeld, met de microcontroller in de ruststand en het modem uitgeschakeld, verbruikt de SiP slechts 2,2 microampère (mA) met de real-time teller actief. Met de microcontroller en de modem uitgeschakeld en met behoud van de stroomtoevoer naar de algemene ingang (GPIO), verbruikt de SiP slechts 1,4 mA.

De SiP blijft een laag stroomverbruik bereiken tijdens het uitvoeren van diverse verwerkingsladingen. Om bijvoorbeeld de CoreMark-benchmark met een 64 MHz-klok uit te voeren is slechts ongeveer 2,2 milliampère (mA) nodig. Naarmate er meer randapparatuur wordt ingeschakeld, neemt het stroomverbruik natuurlijk ook toe. Toch kunnen veel sensorgebaseerde bewakingsapplicaties vaak effectief werken tegen een gereduceerd tarief dat helpt om een laag energieverbruik te behouden. Zo daalt het stroomverbruik voor het geïntegreerde differentiële opeenvolgende benaderingsregister (SAR) ADC van 1288 mA naar minder dan 298 mA wanneer wordt overgeschakeld van een klok met hoge nauwkeurigheid naar een klok met lage nauwkeurigheid voor bemonstering in beide scenario's bij 16 kilo per seconde (Ksamples/s).

Het apparaat maakt ook gebruik van andere functies voor stroomoptimalisatie, zoals GPS. In de normale bedrijfsmodus verbruikt het continu volgen met GPS ongeveer 44,9 mA. Door het inschakelen van een GPS-stroombesparingsmodus daalt het stroomverbruik voor het continu volgen tot 9,6 mA. Door de GPS-bemonsteringsfrequentie te verlagen van continu naar ongeveer elke twee minuten, kunnen ontwikkelaars het vermogen aanzienlijk verminderen. De GPS-module verbruikt bijvoorbeeld slechts 2,5 mA bij het uitvoeren van een single-shot GPS-fix om de twee minuten.

De ondersteuning van het apparaat voor andere energiebesparende bedrijfsmodi strekt zich ook uit tot de modem van de nRF9160 SiP. Met dit apparaat kunnen ontwikkelaars modemfuncties inschakelen die speciale cellulaire protocollen ondersteunen die speciaal zijn ontworpen om het vermogen van op batterijen werkende aangesloten apparaten te verminderen.

Gebruik maken van laag vermogen cellulaire protocollen

Zoals bij elk draadloos apparaat is de grootste bijdrage aan het stroomverbruik, naast de hostprocessor, meestal het radiosubsysteem. Conventionele cellulaire radiosubsystemen maken gebruik van energiebesparende protocollen die in de cellulaire standaard zijn ingebouwd. Smartphones en andere mobiele apparaten maken doorgaans gebruik van een mogelijkheid die discontinuïteit in de ontvangst wordt genoemd (DRX), waardoor het apparaat zijn radio-ontvanger kan uitschakelen voor een periode die wordt ondersteund door het draaggolvennetwerk.

Op dezelfde manier laat het extended discontinuous reception (eDRX) protocol toe dat apparaten met een laag stroomverbruik, zoals batterijgestuurde activatrackers of andere IoT-apparaten, aangeven hoe lang ze van plan zijn te slapen vooraleer ze terug in te checken op het netwerk. Door de eDRX-functie in te schakelen, kan een LTE-M-apparaat tot ongeveer 43 minuten slapen, terwijl een NB-IoT-apparaat tot ongeveer 174 minuten kan slapen, waardoor de levensduur van de batterij drastisch wordt verlengd (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De modem van de nRF9160 SiP ondersteunt uitgebreide discontinue ontvangst, waardoor apparaten dramatische energiebesparingen kunnen bereiken door een periode te slapen die met het cellulaire netwerk is onderhandeld. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Een andere mobiele werkingsmodus, de zogenaamde power save mode (PSM), maakt het mogelijk dat apparaten geregistreerd blijven bij het mobiele netwerk, zelfs als ze in de slaapstand staan en onbereikbaar zijn voor het netwerk. Normaal gesproken, als een cellulair netwerk niet in staat is om een apparaat binnen enige tijd te bereiken, zal het de verbinding met het apparaat beëindigen en vereisen dat het apparaat een herbevestigingsprocedure uitvoert die een incrementele hoeveelheid stroom verbruikt. Bij langdurig gebruik van een apparaat dat op batterijen werkt, kan dit herhaalde kleine stroomverbruik de accu's uitputten of aanzienlijk verminderen.

Een apparaat maakt PSM mogelijk door het netwerk te voorzien van een set van timerwaarden die aangeven wanneer het periodiek beschikbaar komt en hoe lang het bereikbaar blijft voordat het terugkeert naar de slaapstand (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het cellulaire PSM-protocol maakt het mogelijk om apparaten te laten profiteren van de slaapstanden met een laag stroomverbruik zonder de stroomkosten van herbevestiging te maken door te onderhandelen over specifieke perioden waarin ze niet bereikbaar zijn. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Door de PSM-onderhandeling maakt het transportnetwerk het apparaat niet los. In feite kan het apparaat op elk moment wakker worden en de communicatie hervatten. Het voordeel is dat het zijn slaapstand met laag vermogen gebruikt wanneer het niets heeft om te communiceren zonder zijn vermogen te verliezen om te ontwaken als dat nodig is en onmiddellijk te communiceren.

De nRF9160 SiP ondersteunt zowel eDRX als PSM, waardoor het apparaat met een minimaal stroomverbruik kan blijven werken. In de onbereikbare fase met PSM verbruikt het apparaat slechts 2,7 μA. eDRX verbruikt slechts iets meer stroom en verbruikt 18 μA in Cat-M1-bedrijf of 37 μA in Cat-NB1-bedrijf bij gebruik van cycli van 82,91 seconden.

Het ontwikkelen van oplossingen voor het volgen van activa met een laag vermogen

Voor de implementatie van het hardwareontwerp voor een asset tracking-apparaat op basis van de nRF9160 SiP zijn weinig extra onderdelen nodig naast de ontkoppelingscomponenten, antennes en de onderdelen die nodig zijn voor afzonderlijke, bij elkaar passende netwerken voor GPS- en LTE-antennes (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Met behulp van de Nordic Semiconductor nRF9160 SiP hebben ontwikkelaars weinig extra componenten nodig om het hardwareontwerp voor een complete cellulaire asset-tracker of een ander IoT-apparaat te implementeren. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Ontwikkelaars kunnen de nRF9160 SiP gemakkelijk combineren met een Bluetooth-apparaat, zoals de NRF52840 draadloze Bluetooth-microcontroller en -sensoren van Nordic Semiconductor, om een geavanceerde sensorgebaseerde GPS-tracker voor cellulaire activa te implementeren die gebruikers toegang geeft tot gegevens via hun smartphones en andere mobiele Bluetooth-apparaten.

Nordic Semiconductor helpt ontwikkelaars verder om snel te beginnen met het evalueren van op cellen gebaseerde ontwerpen door middel van een paar ontwikkelingssets. Voor snelle prototyping van op sensoren gebaseerde toepassingen voor het volgen van activa biedt de Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY:91 cellulaire ivd-ontwikkelingskit een compleet batterijgevoed sensorsysteem dat de nRF9160 SiP koppelt aan een NRF52840 Bluetooth-apparaat, meerdere sensoren, basiscomponenten voor de gebruikersinterface, een oplaadbare batterij van 1400 milliampère-uur (mAh) en een SIM-kaart om out-of-the-box cellulaire connectiviteit mogelijk te maken (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY: 91 cellulaire IoT-ontwikkelingskit biedt een compleet platform voor het snel prototypen van sensorgestuurde toepassingen met zowel mobiel als Bluetooth (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Voor de ontwikkeling op maat dient de Nordic Semiconductor NRF9160-DK kit als een direct ontwikkelplatform en referentie voor nieuwe ontwerpen. Hoewel de NRF9160-DK-kit geen sensors zoals de THINGY:91 bevat, combineert deze een nRF9160 SiP met een NRF52840 Bluetooth-apparaat, en bevat deze een SIM-kaart met meerdere aansluitingen, waaronder een SEGGER J-Link debugger-interface (Afbeelding 8).

Figuur 8: De Nordic Semiconductor NRF9160-DK-kit biedt een uitgebreid ontwikkelingsplatform voor de implementatie van op maat gemaakte, op cellen gebaseerde toepassingen voor asset-tracking en andere IoT-oplossingen. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Voor de softwareontwikkeling van een assettrackingtoepassing bevat Nordic een complete nRF9160 assettrackingtoepassing met zijn nRF Connect-softwareontwikkelingskit (SDK). De SDK combineert de Scandinavische nrfxlib softwarebibliotheek voor zijn SoC's, een Scandinavische vork van het Zephyr Project real-time operating system (RTOS) voor apparaten met beperkte middelen, en een Scandinavische vork van het MCUboot project secure bootloader.

De THINGY:91 en NRF9160-DK kits zijn voorgeladen met de asset-tracking applicatie die is ontworpen om verbinding te maken met Nordic's eigen nRF Cloud IoT-platform. Door de vooraf geconfigureerde instellingen met beide kits te gebruiken, kunnen ontwikkelaars onmiddellijk beginnen met het evalueren van op mobiele apparaten gebaseerde asset-tracking en prototypen van hun eigen applicaties.

Samen met de voorgeïnstalleerde firmware biedt Nordic een volledige broncode voor de asset-trackingtoepassing. Door deze code te onderzoeken, kunnen ontwikkelaars een dieper inzicht krijgen in de mogelijkheden van de NRF9160 SiP en het gebruik ervan ter ondersteuning van GPS-lokalisatie en LTE-M/NB-IoT-connectiviteit in een asset-trackingtoepassing.

De hoofdroutine in deze voorbeeldsoftware illustreert de basisontwerppatronen voor het implementeren van een op maat gemaakte asset-trackingtoepassing. Bij het opstarten roept de hoofdroutine een reeks initialisatieroutines op. Van deze routines configureert één initialisatieroutine de modem en brengt de LTE-verbinding tot stand door een reeks attentie (AT)-strings te sturen om verbindingsparameters te definiëren en de ingebouwde functionaliteit van de modem aan te roepen om verbinding te maken met het netwerk van de provider. Een andere initialisatieroutine, work_init, initialiseert een set Zephyr RTOS werkwachtrijen inclusief die voor sensor, GPS en ontwikkelkaartknoppen (Lijst 1).

Kopieer
static void work_init(void)
{
       k_work_init(&sensors_start_work, sensors_start_work_fn);
       k_work_init(&send_gps_data_work, send_gps_data_work_fn);
       k_work_init(&send_button_data_work, send_button_data_work_fn);
       k_work_init(&send_modem_at_cmd_work, send_modem_at_cmd_work_fn);
       k_delayed_work_init(&send_agps_request_work, send_agps_request);
       k_delayed_work_init(&long_press_button_work, long_press_handler);
       k_delayed_work_init(&cloud_reboot_work, cloud_reboot_handler);
       k_delayed_work_init(&cycle_cloud_connection_work,
                         cycle_cloud_connection);
       k_delayed_work_init(&device_config_work, device_config_send);
       k_delayed_work_init(&cloud_connect_work, cloud_connect_work_fn);
       k_work_init(&device_status_work, device_status_send);
       k_work_init(&motion_data_send_work, motion_data_send);
       k_work_init(&no_sim_go_offline_work, no_sim_go_offline);
#if CONFIG_MODEM_INFO
       k_delayed_work_init(&rsrp_work, modem_rsrp_data_send);
#endif /* CONFIG_MODEM_INFO */
}

Lijst 1: De Nordic asset tracker voorbeeldtoepassing bouwt voort op Zephyr RTOS utilities voor wachtrijbeheer om een reeks wachtrijen te creëren met bijbehorende terugbelroutines voor het afhandelen van verschillende taken, zoals het verzamelen van sensordata en de overdracht naar de cloud. (Code bron: Nordic Semiconductor)

Tijdens deze initialisatiefase voeren de functies die bij elke werkwachtrij-initialisatie invocatie horen hun eigen specifieke initialisatietaken uit, inclusief de taken die nodig zijn voor het uitvoeren van eventuele updates. De functie sensors_start_work_fn, aangeroepen door work_init, stelt bijvoorbeeld een pollingmechanisme in dat periodiek een functie, env_data_send, kan oproepen die sensorgegevens naar de cloud stuurt (Lijst 2).

Kopieer
static void env_data_send(void)
{
[code deleted]
       if (env_sensors_get_temperature(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_TEMP, env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
 
       if (env_sensors_get_humidity(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_HUMID,
                                    env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
[code deleted]

Lijst 2: De Nordic asset tracker voorbeeldtoepassing demonstreert het basisontwerp voor het verzenden van gegevens, inclusief sensorgegevens, zoals weergegeven in dit codefragment. (Code bron: Nordic Semiconductor)

Bij het uitvoeren van de asset-tracker-voorbeeldtoepassing op de Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY: 91 cellulaire IoT-ontwikkelingskit, verzendt de applicatie feitelijke gegevens van de THINGY: 91's ingebouwde sensors. Bij het gebruik van de Nordic Semiconductor NRF9160-DK ontwikkelingsset, stuurt het gesimuleerde data met behulp van een sensorsimulatorroutine die is opgenomen in de SDK. Ontwikkelaars kunnen dit softwarepakket eenvoudig uitbreiden om hun eigen asset tracking applicaties te implementeren of de codevoorbeelden ervan gebruiken om hun eigen applicatiearchitectuur te implementeren.

Conclusie

Met behulp van conventionele methoden is de mogelijkheid om waardevolle pakketten te traceren of waardevolle goederen te lokaliseren in agrarische of slimme stadsomgevingen beperkt gebleven tot draadloze technologieën zoals RFID-tags, Bluetooth en Wi-Fi. Ontwerpers hebben behoefte aan een groter bereik en nauwkeuriger locatie-informatie over langere perioden. Low-power LTE cellulaire standaarden zoals LTE-M of NB-IoT in combinatie met GPS kunnen aan deze eisen voldoen, maar de implementatie kan uitdagend zijn vanwege de moeilijkheidsgraad en de nuances van het RF-ontwerp.

Zoals aangetoond, biedt een Nordic Semiconductor SiP een bijna drop-in oplossing voor het volgen van activa met een laag stroomverbruik over lange afstand. Met behulp van deze vooraf gecertificeerde SiP en de ontwikkelingskits kunnen ontwikkelaars snel de cellulaire connectiviteit evalueren, prototype cellulaire GPS-toepassingen voor het volgen van activa, en aangepaste apparaten voor het volgen van activa bouwen die ten volle profiteren van het uitgebreide bereik en de lage stroomvereisten van LTE-M en NB-IoT-cellulaire connectiviteit.