Projektowanie multi-łącznościowych systemów śledzenia na potrzeby monitorowania inwentarza żywego, zarządzania flotą i logistyki w Przemyśle 4.0

Śledzenie aktywów i monitorowanie stanu w czasie rzeczywistym mają kluczowe znaczenie w działalności rolniczej, np. związanej z zarządzaniem inwentarzem żywym, przechowywaniu żywności i farmaceutyków w warunkach chłodniczych, zarządzaniu flotami pojazdów i elastycznej działalności wytwórczej w Przemyśle 4.0. Jest to złożony proces obejmujący wiele czujników do monitorowania warunków środowiskowych. W celu zapewnienia dokładnych informacji o lokalizacji aktywów, są one śledzone z wykorzystaniem wielokonstelacyjnego globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), obejmującego m.in. systemy GPS, Galileo, Glonass, BeiDou i QZSS. Dodatkowo, rozwiązania z zakresu multi-łączności zapewniają szybkie przekazywanie danych o lokalizacji i stanie aktywów niezależnie od otoczenia, m.in. dzięki łączności z chmurą w celu obsługi scentralizowanego monitorowania. Ponadto muszą one posiadać wysoką sprawność energetyczną, aby minimalizować zapotrzebowanie na energię z baterii, a ich system musi być zabezpieczony przed atakami hakerskimi.

Projektowanie systemu śledzenia aktywów i monitorowania stanu jest złożonym, multidyscyplinarnym działaniem, które pochłania wiele zasobów i zajmuje dużo czasu. Proces jest złożony nie tylko z uwagi na projektowanie sprzętu, ale także w związku z potrzebą bezpiecznego połączenia danych z chmurą i urządzeniami mobilnymi w celu udostępnienia zbiorów generowanych informacji w praktycznych formatach.

Zamiast projektować system śledzenia aktywów całkowicie od zera, projektanci mogą sięgnąć po zestawy rozwojowe i projekty referencyjne, które upraszczają prototypowanie, testowanie i ewaluację zaawansowanych rozwiązań do śledzenia aktywów. W niniejszym artykule przyjrzymy się globalnemu systemowi nawigacji satelitarnej (GNSS), czujnikom, łączności i innym czynnikom branym pod uwagę przy opracowywaniu systemów śledzenia aktywów i monitorowania stanu, a następnie przedstawimy kompleksowy zestaw rozwojowy firmy STMicroelectronics, który zawiera wiele płytek drukowanych dla czujników różnego typu, pozycjonowania z wykorzystaniem globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) i realizacji funkcji komunikacyjnych. Zestaw zawiera również baterię z funkcją zaawansowanego zarządzania energią maksymalizującą czas jej pracy, oprogramowanie oraz biblioteki oprogramowania układowego, a także narzędzia rozwojowe do tworzenia aplikacji.

W jakim miejscu na świecie znajdują się aktywa?

Pierwszym krokiem w śledzeniu aktywów jest zebranie bieżących informacji o lokalizacji przy użyciu formatu danych NMEA (National Marine Electronics Association). NMEA to standard używany przez wszystkich producentów urządzeń GPS dla zachowania wzajemnej kompatybilności. Format komunikatu w standardzie NMEA nazywa się zdaniem. Na potrzeby przekazywania różnych typów informacji NMEA definiuje kilka zdań, m.in.:

• GGA - dane położenia ustalonego z globalnego systemu pozycjonowania zawierające współrzędne 3D, status, liczbę wykorzystywanych satelitów i inne dane
• GSA - rozcieńczenie precyzji (DOP) oraz aktywne satelity
• GST ‑ statystyki dotyczące błędu położenia
• GSV - liczba widocznych satelitów oraz wartość szumów pseudolosowych, wysokość n.p.m., azymut i stosunek sygnału do szumu dla każdego satelity
• RMC - położenie, prędkość i czas
• ZDA - godzina w czasie UTC, dzień, miesiąc, rok oraz przesunięcie lokalnej strefy czasowej

Korzystanie ze standardu NMEA upraszcza tworzenie oprogramowania do ustalania lokalizacji, ponieważ dla różnych typów odbiorników GPS może być używany wspólny interfejs, a określone zbiory danych mogą być łatwo dostępne przy użyciu odpowiedniego zdania.

Jak można poprawić dokładność?

Nieprzetworzone dane z globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) oferują ograniczoną dokładność lokalizacji. Dostępne są jednak narzędzia do poprawy szacowania lokalizacji, w tym usługa różnicowego globalnego systemu pozycjonowania (DGPS), która dostarcza sygnały korekcyjne do urządzeń nawigacyjnych GPS na pokładzie statków. Różnicowy globalny system pozycjonowania (DGPS) wykorzystuje protokół RTCM (Radio Technical Commission for Maritime) do dostarczania rozszerzonych danych o lokalizacji. Ponadto dostępne są satelitarne systemy wspomagające (SBAS), które poprawiają dokładność informacji o położeniu, w tym WAAS (Wide Area Augmentation System) w Ameryce, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) w Europie, MSAS ( Multi-functional Satellite Augmentation System) w Azji oraz rozszerzona nawigacja GEO wspomagana GPS (GAGAN) - regionalny satelitarny system wspomagający (SBAS) w Indiach (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wielokonstelacyjny odbiornik globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) TESEO LIV3F firmy STMicroelectronics zawiera pakiet narzędzi, w tym różnicowy globalny system pozycjonowania, satelitarne systemy wspomagające oraz obsługę protokołu RTCM (na dole po lewej stronie), umożliwiając tworzenie wysoce dokładnych rozwiązań do ustalania lokalizacji. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Jaki jest stan aktywów?

W wielu przypadkach znajomość lokalizacji zasobów to tylko jeden element układanki. Istotne może być zebranie informacji na temat stanu aktywów, w tym ich stanu fizycznego oraz tego, czy znajdują lub znajdowały się w ruchu, czy nie. W zależności od potrzeb można wdrożyć różne czujniki, m.in.:

• Czujnik temperatury o zakresie roboczym od -40°C do +125°C, wysokiej dokładności, z identyfikowalnością kalibracji wg National Institute of Standards and Technology (NIST) zweryfikowaną pod kątem zgodności z normą 16949:2016 IATF.
• Czujnik ciśnienia - kompaktowy i wytrzymały mikroelektromechaniczny (MEMS) piezorezystywny czujnik wartości bezwzględnych może pełnić rolę barometru z wyjściem cyfrowym o zakresie ciśnień bezwzględnych od 260 do 1260hPa (hektopaskale są zwane także milibarami). Musi posiadać wysoką dokładność i kompensację temperatury.
• Czujnik wilgotności o zakresie temperatur roboczych od -40°C do +120°C oraz zakresie pomiarowym wilgotności od 0 do 100% wilgotności względnej. Powinien posiadać kompensację temperatury z dokładnością do ±3.5% wilg. wzgl. w zakresie od 20 do 80% wilg. wzgl.
• Inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) w mikroelektromechanicznym (MEMS) przyspieszeniomierzem 3D i żyroskopem 3D pozwalającym ustalić, czy aktywa się przemieszczają czy nie.
• Przyspieszeniomierz - na przykład mikroelektromechaniczny, liniowy przyspieszeniomierz trójosiowy do pomiaru narażenia aktywów na wstrząsy i wibracje.

Bezpieczna łączność

Po określeniu lokalizacji i stanu aktywów nadchodzi czas na przekazanie tych informacji. W zależności od okoliczności może to wymagać kombinacji bezpiecznej łączności dalekiego i bliskiego zasięgu. W przypadku multi-łącznościowej platformy śledzenia aktywów STEVAL-ASTRA1B firmy STMicroelectronics, łączność i bezpieczeństwo zapewnia kilka elementów systemu na płycie głównej, w tym (ilustracja 2):

• Certyfikowany moduł bezprzewodowy 2,4GHz STM32WB5MMG , który zawiera dwurdzeniowy procesor STM32WB Arm® Cortex®-M4/M0+, kryształy oraz antenę czipową z układem dopasowującym. Posiada on stos do obsługi protokołów Bluetooth Low Energy (BLE), Open Thread, Zigbee oraz innych protokołów 2,4GHz.
• Moduł STM32WL55JC zapewnia łączność bezprzewodową dalekiego zasięgu. Posiada także dwurdzeniowy procesor ARM Cortex-M4/M0+ i obsługuje protokoły takie jak m.in. GFSK czy rozległą sieć dalekiego zasięgu (LoRA). Układ front-end na częstotliwości radiowe (RF) w standardowej wersji obsługuje pasma 868, 915 i 920MHz. Zmiana niektórych komponentów umożliwia modułowi obsługę niższych częstotliwości.
• Bezpieczny element STSAFE-A110 łączy się z urządzeniem STM32WB5MMG w celu bezpiecznego zarządzania danymi i uwierzytelniania. Został on zaprojektowany do obsługi sieci Internetu rzeczy (IoT), np. w celu śledzenia aktywów i zawiera bezpieczny system operacyjny oraz bezpieczny mikrokontroler.

Ilustracja 2: na płycie głównej platformy śledzenia aktywów STEVAL-ASTRA1B znajduje się moduł łączności bliskiego zasięgu STM32WB5MMG oraz moduł łączności dalekiego zasięgu STM32WL55JC, a także moduł zapewnienia bezpieczeństwa pracy STSAFE-A110. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Środowisko rozwojowe śledzenia aktywów

Deweloperzy rozwiązań do śledzenia aktywów mogą sięgnąć po zestaw rozwojowy oprogramowania, w tym oprogramowania układowego STEVAL-ASTRA1B oraz projekt referencyjny firmy STMicroelectronics, które ułatwiają prototypowanie, testowanie i ewaluację zaawansowanych systemów śledzenia aktywów (ilustracja 3). Bazą platformy STEVAL-ASTRA1B jest moduł STM32WB5MMG współpracujący z układem SoC STM32WL55JC w celu obsługi łączności bliskiego i dalekiego zasięgu (protokoły BLE, LoRa i 2,4GHz oraz zastrzeżone protokoły poniżej 1GHz). Na potrzeby komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) przewidziano moduł ST25DV64K. Moduł STSAFE-A110 zapewnia bezpieczeństwo pracy, natomiast moduł globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) Teseo-LIV3F umożliwia pozycjonowanie na zewnątrz.

Ilustracja 3: platforma STEVAL-ASTRA1B zawiera sprzęt, oprogramowanie układowe oraz narzędzia programowe potrzebne do rozwoju zaawansowanych systemów śledzenia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Odbiornik pozycjonowania globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) jest kompatybilny z sześcioma systemami: GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS, oraz NavIC (zwanym też IRNSS). Rozwiązanie to zawiera także obsługę satelitarnych systemów wspomagających (SBAS), takich jak WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS i GAGAN. Komponentem chroniącym przed zagłuszaniem jest filtr środkowozaporowy.

Na potrzeby monitorowania stanu przewidziano szereg czujników, takich jak (ilustracja 4):

• STTS22HTR - cyfrowy czujnik temperatury pracujący w zakresie od -40°C do +125°C z maksymalną dokładnością ±0,5°C w zakresie od -10°C do +60°C, generujący 16-bitowe dane wyjściowe. Kalibracja jest identyfikowalna wg NIST, a urządzenie zostało w 100% przetestowane i zweryfikowane przy kalibracji zgodnej z normą 16949:2016 IATF.
• LPS22HHTR - mikroelektromechaniczny (MEMS) piezorezystywny czujnik ciśnienia bezwzględnego, stosowany jako
• barometr z wyjściem cyfrowym o zakresie pomiarowym ciśnienia od 260 do 1260hPa. Charakteryzuje się dokładnością ciśnienia bezwzględnego 0,5hPa i szumami niskociśnieniowymi 0,65Pa, generując 24-bitowe dane wyjściowe ciśnienia.
• HTS221TR - czujnik wilgotności względnej i temperatury. Jego zakres pomiarowy wilgotności wynosi od 0 do 100% wilg. wzgl., charakteryzuje się czułością 0,004% wilg. wzgl./najmniej znaczący bit (LSB), dokładnością wilgotności na poziomie ±3,5% wilg. wzgl. w zakresie od 20 do 80% wilg. wzgl. oraz dokładnością temperatury ±0,5°C w zakresie od +15°C do +40°C.
• LIS2DTW12TR - mikroelektromechaniczny (MEMS), liniowy przyspieszeniomierz trójosiowy oraz czujnik temperatury z pełną skalą wybieraną przez użytkownika spośród wartości ±2g, ±4g, ±8g, ±16g, który potrafi mierzyć przyspieszenia z częstotliwością danych wyjściowych od 1,6Hz do 1600Hz.
• LSM6DSO32XTR - moduł inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU) posiadający włączony na stałe przyspieszeniomierz cyfrowy 3D 32g oraz żyroskop cyfrowy 3D z opcjami pełnej skali ±4, ±8, ±16, ±32g oraz opcjami pełnej skali kątowej ±125, ±250, ±500, ±1000, ±2000dps.

Ilustracja 4: na płycie głównej platformy STEVAL-ASTRA1B znajduje się szereg czujników (po lewej stronie), płytka układowa (żółte pole) oraz elementy do łączności z globalnym systemem nawigacji satelitarnej (GNSS) (TESEO LIV3F oraz antena, na dole po prawej stronie). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Zarządzanie zasilaniem w bezprzewodowych urządzeniach śledzenia jest istotną kwestią. Aby zapewnić długi czas pracy baterii, platformę STEVAL-ASTRA1B wyposażono w komponenty zaawansowanego zarządzania zasilaniem, takie jak:

• Synchroniczna przetwornica obniżająca ST1PS02D1QTR 400mA o zakresie napięć wejściowych od 1,8V do 5,5V, natężeniu wejściowego prądu spoczynkowego 500nA przy napięciu wejściowym 3,6V oraz typowej sprawności wynoszącej 92%.
• Układ scalony zarządzania zasilaniem oraz ładowania STBC03JR posiada liniową sekcję ładowania jednoogniwowych baterii litowo-jonowych (Li-ion), która wykorzystuje algorytm ładowania bazujący na zasadzie „stałe natężenie/stałe napięcie” (CC/CV), regulator napięcia o niskim spadku (LDO) 150mA, dwa jednobiegunowe przełączniki obciążenia ze stykiem przełączanym (SPDT) oraz obwód do ochrony baterii w stanie zwarcia.
• Ochronny układ scalony TCPP01-M12 z portem USB Type-C® posiadający zabezpieczenie nadnapięciowe VBUS z regulacją w zakresie od 5V do 22V (z zewnętrznym tranzystorem MOSFET z kanałem N), zabezpieczeniem nadnapięciowym 6,0V (OVP) na liniach CC zabezpieczającym przed zwarciem VBUS oraz zabezpieczeniem przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) na poziomie układu dla styków złącza CC1 i CC2 spełniającym wymagania poziomu 4 z normy IEC 61000-4-2.

Biblioteki oprogramowania, w tym oprogramowania układowego

Do tworzenia rozwiązań śledzenia aktywów przy użyciu platformy STEVAL-ASTRA1B dostępny jest szeroki wybór oprogramowania, w tym oprogramowania układowego. Przykłady obejmują:

• Pakiet funkcji FP-ATR-ASTRA1 pozwala wdrożyć kompletne rozwiązanie śledzenia aktywów i jest dostarczany wraz z platformą STEVAL-ASTRA1B. Omawiany pakiet funkcji pozyskuje dane pozycjonowania z odbiornika globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), odczytuje dane z czujników otoczenia i ruchu oraz wysyła je do chmury, wykorzystując łączność BLE i sieć rozległą dalekiego zasięgu (LoRaWAN). Wraz z pakietem dostarczane są konfigurowalne scenariusze zastosowań do zarządzania flotą, monitorowania inwentarza żywego, monitorowania towarów i logistyki.
• Aplikację STAssetTracking można konfigurować zdalnie za pomocą urządzenia śledzenia aktywów z obsługą protokołu BLE, Sigfox lub komunikacji bliskiego zasięgu (NFC). Można jej użyć do rejestrowania danych z konkretnych czujników i ustawiania wartości progowych rozpoczynania i wstrzymywania rejestracji.
• Pulpit nawigacyjny DSH-ASSETRACKING to bazująca na technologii Amazon Web Services (AWS) aplikacja chmurowa, która stanowi intuicyjny interfejs zoptymalizowany pod kątem gromadzenia, wizualizacji i analizy danych z usług lokalizacyjnych globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) oraz z czujników ruchu i otoczenia. Omawiany pulpit nawigacyjny służy do prezentacji bieżących i historycznych danych lokalizacyjnych, wartości z czujników oraz monitorowanych warunków i zdarzeń w otoczeniu (ilustracja 5).

Ilustracja 5: pulpit nawigacyjny DSH-ASSETRACKING to bazująca na technologii AWS aplikacja chmurowa do śledzenia aktywów. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Podsumowanie

Śledzenie aktywów jest złożoną operacją o krytycznym znaczeniu niezbędną dla monitorowania inwentarza żywego, zarządzania flotą i w logistyce. Zestaw rozwojowy oprogramowania (w tym oprogramowania układowego) STEVAL-ASTRA1B wraz z projektem referencyjnym firmy STMicroelectronics umożliwia korzystanie z usług lokalizacyjnych globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), jest wyposażony w pełen zestaw czujników otoczenia i ruchu, funkcję zarządzania zasilaniem oraz niezbędne oprogramowanie (w tym oprogramowanie układowe), pozwala przyspieszyć projektowanie wysokowydajnych urządzeń do śledzenia aktywów.