Skuteczne wdrażanie multiłącznościowych rozwiązań śledzenia aktywów

Zaawansowane rozwiązania śledzenia aktywów, np. do monitorowania zwierząt gospodarskich, zarządzania flotą i logistyki, automatycznie rejestrują bieżące informacje o stanie, a także współrzędne pozycji śledzonych obiektów. Wbudowany transponder przekazuje rejestrowane dane do chmury i udostępnia je centrum sterowania lub urządzeniu przenośnemu. Na terenie fabryki często konieczne jest przeprowadzanie bezprzewodowych aktualizacji danych w małych odległościach na potrzeby wymiany danych logistycznych, przetwarzania danych historycznych i danych monitorowania, zmiany konfiguracji lub przeprowadzania aktualizacji oprogramowania sprzętowego w pamięci transpondera.

Deweloperzy takich systemów śledzenia aktywów stoją przed wyzwaniem zaprojektowania wielofunkcyjnego transpondera czujników, który będzie komunikować się za pośrednictwem różnych protokołów radiowych dalekiego i bliskiego zasięgu, gromadzić szeroki zakres danych pomiarowych, działać przez miesiące bez wymiany baterii i udostępniać wszystkie dane za pośrednictwem usług internetowych. Ponadto projektanci muszą osiągnąć te rezultaty, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i skróceniu czasu wprowadzania produktu na rynek.

Choć zadanie to jest niezmiernie trudne, projektanci mogą zaoszczędzić dużo czasu i energii korzystając z zestawów rozwojowych, w których większość niezbędnych elementów sprzętowych i programowych jest już zintegrowana.

W niniejszym artykule omówiono wymagania techniczne zaawansowanych funkcji śledzenia aktywów w wielu zastosowaniach. Następnie przedstawiono wielofunkcyjny zestaw rozwojowy firmy STMicroeletronics, który znacznie ogranicza nakłady wymagane podczas projektowania prototypów, testowania i ewaluacji. Pozwala on poznać kluczowe funkcje zestawu rozwojowego oraz pokazuje, jak deweloperzy mogą łatwo dostosować funkcje połączonych układów SoC bez konieczności kodowania, a następnie pobierania i wizualizacji danych z chmury.

Cechy bezprzewodowego transpondera pomiarowego

Śledzenie aktywów ma szeroki zakres obszarów zastosowań, z których każdy wymaga bardzo specyficznego sprzętu technicznego dla transpondera i połączonej sieci. Ilustracja 1 przedstawia specyfikacje techniczne bezprzewodowego transpondera pomiarowego w czterech kategoriach zastosowań.

Ilustracja 1: funkcje bezprzewodowego transpondera pomiarowego zależą od zastosowania śledzenia aktywów. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Autonomiczny transponder przenoszony z obiektem musi wykrywać czynniki z otoczenia, pozycję i stan obiektu (pomiar, ilustracja 1), przechowywać i nadawać je przy najbliższej okazji za pomocą jednego z różnych obsługiwanych interfejsów bezprzewodowych (łączność). Przetwarzanie i konwersja sygnału na różne protokoły bezprzewodowe muszą być obsługiwane przez wystarczająco wydajny mikrokontroler MCU o wysokim stopniu bezpieczeństwa danych („Przetwarzanie i bezpieczeństwo”). Mikrokontroler MCU steruje również zarządzaniem energią („Zarządzanie zasilaniem”), dzięki czemu bateria transpondera może pracować przez długi czas.

Wymagana dostępność danych w rozwiązaniu śledzenia aktywów wpływa na złożoność czujników i wymaga odpowiedniej łączności. Dla przewidywanych znanych tras transportu, takich jak doręczanie paczek, wystarczy zapisać sygnały pomiarowe w transponderach. Dane mogą być następnie odczytywane z bliskiej odległości przy użyciu technologii Bluetooth Low Energy (BLE) lub komunikacji bliskiego zasięgu NFC w następnym logistycznym punkcie kontrolnym.

W przypadku zarządzania flotą, jak również logistyki i monitorowania zwierząt gospodarskich na duże odległości, transfer danych z transpondera poprzez chmurę do modułu końcowego powinien odbywać się w czasie możliwie najbardziej zbliżonym do czasu rzeczywistego. Transponder wymaga zatem użycia mobilnego interfejsu radiowego w celu zapewnienia dużego zasięgu. Dostępne są następujące opcje: LoRaWAN (sieć rozległa dalekiego zasięgu), Sigfox i NB-IoT (wąskopasmowy Internet rzeczy). Protokoły te mogą być wykorzystane, gdyż są zoptymalizowane pod kątem niskoprzepustowych, energooszczędnych transferów danych.

Kompletny ekosystem śledzenia aktywów umożliwiający zmniejszenie nakładów na prace rozwojowe

Projektanci systemów, którzy chcą realizować swoją aplikację śledzenia zasobów (ASTRA) w sposób ekonomiczny i efektywny pod względem czasu, mogą korzystać z wielofunkcyjnej platformy rozwojowej STEVAL-ASTRA1B firmy STMicroeletronics. Platforma zawiera wiele układów scalonych i modułów SoC, co znacznie upraszcza prototypowanie, programowanie, testowanie i ewaluację innowacyjnych rozwiązań śledzenia i monitorowania. Zestaw rozwojowy składa się z modułowej płytki ewaluacyjnej, bibliotek oprogramowania układowego, narzędzi programowych i dokumentacji obwodów, a także aplikacji na urządzenia mobilne oraz internetowego interfejsu wizualizacji (ilustracja 2).

Ilustracja 2: gotowy do użycia ekosystem śledzenia aktywów zaczyna się na bezprzewodowym transponderze pomiarowym, obejmuje chmurę, a kończy na module końcowym, zmniejszając nakłady, na prace rozwojowe. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Płytka STEVAL-ASTRA1B bazuje na dwóch układach SoC niskiej mocy, które umożliwiają łączność w bliskiej i dalekiej odległości, w tym poprzez komunikację bliskiego zasięgu (NFC). Płytka zawiera moduł funkcji bezpieczeństwa danych. Płytka nośna jest wyposażona w wiele czujników otoczenia i ruchu, a także moduł globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), który przekazuje współrzędne pozycji i umożliwia korzystanie z funkcji geo-ogrodzenia. Układ zarządzania zasilaniem reguluje tryby pracy wszystkich komponentów urządzenia i steruje zasilaczem. Zasilacz składa się z przetwornicy przełączającej, baterii i kontrolera ładowania USB-C, który maksymalnie wydłuża czas pracy baterii. W zestawie znajduje się bateria litowo-polimerowa (Li-Poly) o pojemności 480mAh, obudowa, antena SMA (LoRa) i antena NFC.

Płytka STEVAL-ASTRA1B posiada następujące układy scalone i układy SoC:

• Dwa bezprzewodowe układy SoC:
  • STM32WB5MMGH6TR: ten moduł SoC oparty na bezprzewodowym mikrokontrolerze MCU ARM® Cortex®-M4/M0+ ultraniskiej mocy i częstotliwości 2,4GHz działa jako główny procesor aplikacji i obsługuje standardy komunikacji 802.15.4, BLE 5.0, Thread i Zigbee
  • STM32WL55JCI6: ten bezprzewodowy układ SoC jest oparty na bezprzewodowym mikrokontrolerze MCU ARM Cortex M0+ ultraniskiej mocy i obsługuje komunikację LoRa, Sigfox i GFSK z szybkościami poniżej 1GHz (150-960MHz)
• ST25DV64K-JFR8D3: nadajnik NFC
• TESEO-LIV3F: wielokonstelacyjny moduł globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS)
• Czujniki otoczenia i ruchu:
  • STTS22HTR: cyfrowy czujnik temperatury; od -40 do 125°C
  • LPS22HHTR: czujnik ciśnienia; od 26 do 126kPa, wartość bezwzględna
  • HTS221TR: czujnik wilgotności i temperatury; wilgotność względna (RH) od 0 do 100%, interfejsy I²C, SPI ±4,5% RH
  • LIS2DTW12TR: przyspieszeniomierz X, Y, Z; ±2g, 4g, 8g, 16g, od 0,8Hz do 800Hz
  • LSM6DSO32XTR: przyspieszeniomierz, żyroskop, czujnik temperatury I²C, wyjście SPI
• STSAFE-A110: element bezpieczny
• Rozwiązanie zasilane z baterii z inteligentną architekturą zarządzania zasilaniem:
  • ST1PS02BQTR: układ scalony obniżającego regulatora przełączającego; regulacja pozytywna, 1,8V, 1 wyjście, 400mA
  • STBC03JR: układ scalony ładowarki do baterii litowo-jonowych (Li-ion) lub litowo-polimerowych (Li-Poly)
  • TCPP01-M12: gniazdo USB Type-C i zabezpieczenie przesyłania zasilania

Płytka ewaluacyjna działa w temperaturach od +5 do 35°C i wykorzystuje następujące pasma częstotliwości:

• Bluetooth Low Energy (BLE): od 2400MHz do 2480MHz, +6dB w odniesieniu do 1mW (dBm)
• Sieć rozległa dalekiego zasięgu (LoRaWAN): od 863MHz do 870MHz, +14dBm (ograniczone przez oprogramowanie układowe)
• Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS): od 1559MHz do 1610MHz
• Komunikacja bliskiego zasięgu (NFC): 13,56MHz

Struktura wewnętrzna STEVAL-ASTRA1B

Transponder ASTRA zachowuje się jak rejestrator danych i dzieli przepływ danych na trzy główne bloki, z których każdy zawiera sterowniki sprzętowe i programowe, a także warstwę aplikacji (ilustracja 3). Wejście danych (ilustracja 3, po lewej stronie) przechwytuje sygnały ze wszystkich wbudowanych czujników. Blok centralny (ilustracja 3, na środku) przetwarza i przechowuje dane. Zapisane dane są transmitowane bezprzewodowo (ilustracja 3, po prawej). W przypadku zmiany konfiguracji, aktualizacji oprogramowania układowego lub zapisu danych procesu/logistyki, przepływ sygnału jest skierowany w przeciwnym kierunku.

Ilustracja 3: przepływ danych bezprzewodowego transpondera pomiarowego: sygnały czujnika (po lewej) są przetwarzane, zapisywane (środek), a następnie wysyłane (po prawej), gdy pojawi się taka możliwość. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Oprogramowanie układowe FP-ATR-ASTRA1 rozszerza środowisko rozwojowe STM32Cube firmy STMicroelectronics i stanowi kompletne rozwiązanie śledzenia aktywów, które obsługuje łączność dalekiego zasięgu (LoRaWAN, Sigfox) oraz łączność bliskiego zasięgu (BLE, NFC). Pakiet funkcjonalny odczytuje dane z czujników otoczenia i ruchu, pobiera geopozycjonowanie globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), a następnie wysyła wszystko do urządzenia mobilnego za pośrednictwem interfejsu Bluetooth Low Energy (BLE) oraz równolegle do chmury za pośrednictwem połączenia w sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN).

Pakiet FP-ATR-ASTRA1 obsługuje profile niskiej mocy, co zapewnia długi czas pracy baterii i maksymalną autonomię. Oferuje również kluczowe funkcje, takie jak zarządzanie elementem bezpiecznym, możliwość dodawania niestandardowych algorytmów, interfejsów debugowania i możliwości rozbudowy.

Pakiet oprogramowania jest podzielony na następujące kategorie: dokumentacja, sterowniki i warstwa abstrakcji sprzętowej (HAL), oprogramowanie pośredniczące i przykładowe projekty. Projekty zawierają kod źródłowy i skompilowane pliki binarne dla zintegrowanych środowisk deweloperskich (IDE) Keil, IAR oraz STM32Cube. Istnieje możliwość indywidualnej konfiguracji pięciu poniższych wstępnie zdefiniowanych scenariuszy zastosowania: zarządzanie flotą, monitorowanie zwierząt gospodarskich, monitorowanie towarów, logistyka i zastosowanie niestandardowe.

Zestaw STEVAL-ASTRA1B działa jako prosta maszyna stanowa, która zmienia swój tryb pracy w zależności od zdarzeń. Dwa główne stany to praca z pełną funkcjonalnością (Run) i praca z niską mocą (LP). W trybie Run wszystkie funkcje są aktywne, a wszystkie dane są transmitowane zgodnie z konfiguracją. W stanie LP wszystkie komponenty, z wyjątkiem mikrokontrolera MCU, są ustawione na tryb niskiej mocy lub są wyłączone (ilustracja 4).

Ilustracja 4: dwa główne tryby pracy zestawu STEVAL-ASTRA1B to tryb pełnej pracy (Run) i tryb niskiej mocy (LP). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Naciśnięcie klawisza bocznego powoduje przełączenie pomiędzy tymi dwoma stanami. Innym sygnałem wejściowym może być sygnał wyjściowy zdarzenia z mikroukładu elektromechanicznego (MEMS) lub wynik działania algorytmu. Jest to tylko jeden z przykładów, w jaki sposób można wdrożyć maszynę stanową w celu zmiany zachowania urządzenia. Aby wybalansować szybkość reakcji systemu i czas pracy baterii, można również wdrożyć wiele stanów pośrednich.

Możliwe zdarzenia to

• BP: zdarzenie naciśnięcia przycisku
• SD: zdarzenie wyłączenia
• ER: zdarzenie błędu
• EP: automatyczne przejście do następnego etapu
• RN: polecenie przejścia do trybu z pełną funkcjonalnością
• LP: polecenie przejścia do trybu niskiej mocy

Pobieranie i wizualizacja danych z chmury

Transponder STEVAL-ASTRA1B jest wyposażony w fabrycznie zainstalowany pakiet oprogramowania układowego FP-ATR-ASTRA1, dzięki któremu sygnały pomiarów otoczenia i dane pozycji z globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) mogą być przedstawione w postaci wizualnej w ciągu kilku minut.

Korzystając z aplikacji mobilnej STAssetTracking na smartfony i tablety, przy włączonej komunikacji Bluetooth i aktywnym połączeniu z Internetem, transponder rejestruje się na serwerze sieciowym V3 sieci TTN (The Things Network) jako uczestnik sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) za pośrednictwem konta użytkownika myst.com. Jest również powiązany z pulpitem nawigacyjnym DSH-ASSETRACKING w usłudze Amazon Web Services (AWS).

Po rejestracji w sieci TTN, zestaw STEVAL-ASTRA1B pojawia się na uaktualnionej liście urządzeń w aplikacji mobilnej. Naciśnięcie przycisku „Start synchronization” (Rozpocznij synchronizację) w menu <Settings> (Ustawienia) aktywuje tryb transmisji w transponderze, dzięki któremu dane są przesyłane równolegle przez komunikację Bluetooth Low Energy (BLE) i sieć rozległą dalekiego zasięgu (LoRaWAN). W aplikacji mobilnej można wyświetlać dane pomiarowe z pamięci na pulpicie nawigacyjnym oraz wyświetlać pozycję transpondera z globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) lub wyświetlać ją jako znacznik na mapie (ilustracja 5).

Ilustracja 5: aplikacja mobilna pomaga zarejestrować transponder w sieci TTN i połączyć go z pulpitem nawigacyjnym chmury; wizualizuje wartości zarejestrowane przez czujnik i pomaga w konfiguracji i debugowaniu. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Oprócz danych z transpondera ASTRA, internetowy pulpit nawigacyjny może agregować wiele innych autonomicznych bezprzewodowych urządzeń śledzących, takich jak P-L496G-CELL02 (LTE) i NUCLO-S2868A2 (nadajnik radiowy Sigfox) lub węzłów połączonych z Internetem, takich jak STEVAL-SMARTAG1 (Wi-Fi), STEVAL-MKSBOX1V1 (końcowy węzeł BLE) i STEVAL-SMARTAG1 (końcowy węzeł NFC) w chmurze. Pozwala to na opracowanie wieloprotokołowego ekosystemu bezprzewodowego opartego na chmurze.

Indywidualna konfiguracja i programowanie

Po pomyślnej ewaluacji ustawień fabrycznych transpondera ASTRA podczas pierwszego uruchomienia następnym krokiem jest dostosowanie transpondera do własnego rozwiązania śledzenia aktywów.

W przypadku drobnych prac związanych z dostosowaniem bez dodatkowego sprzętu wystarczy skonfigurować różne parametry i funkcje za pośrednictwem protokołu Bluetooth Low Energy (BLE) i za pomocą aplikacji mobilnej (nacisnąć ikonę młotka i klucza w aplikacji mobilnej, ilustracja 5).

Innym sposobem konfiguracji projektu jest użycie wiersza poleceń i konsoli debugowania. Podczas gdy program terminala PC (np. Term Tera) komunikuje się przez port USB za pośrednictwem wirtualnego portu COM, urządzenie mobilne wykorzystuje aplikację STBLESensor (ST BLE Sensor) i sieci za pośrednictwem protokołu Bluetooth Low Energy (BLE) (ilustracja 6).

Ilustracja 6: wiersz poleceń i konsola debugowania na komputerze PC (po lewej) oraz na urządzeniu przenośnym (po prawej). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Do przeprogramowania płytki ASTRA, podobnie jak w przypadku aktualizacji oprogramowania sprzętowego, integracji innych funkcji biblioteki lub generowania własnego kodu aplikacji przez dewelopera, może posłużyć zapewniający wygodny dostęp interfejs JTAG. Do tego celu służy dostępny oddzielnie adapter do debugowania i programowania STLINK-V3MINIE podłączany do płytki ASTRA za pomocą 14-wtykowego kabla taśmowego. Za pomocą zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE), takiego jak Keil, IAR lub STM32Cube zainstalowanego na komputerze PC, można następnie zapisywać skompilowane pliki binarne w pamięci programów aplikacyjnych lub debugować sekwencje programów.

Narzędzie STLINK-V3MINI zapewnia również interfejs wirtualnego portu COM, który umożliwia komputerowi hosta komunikację z mikrokontrolerem docelowym za pośrednictwem UART.

Istnieje kilka sposobów aktualizacji oprogramowania układowego różnych mikrokontrolerów MCU Arm:

• Programator STM32Cube na komputerze zapisuje plik binarny w pamięci flash za pomocą adaptera JTAG i programu ładującego mikrokontrolera MCU
• Programator STM32Cube na komputerze zapisuje plik binarny w pamięci flash za pomocą kabla USB i programu ładującego mikrokontrolera MCU
• Bezprzewodowa aktualizacja oprogramowania sprzętowego (FUOTA) odbywa się za pośrednictwem komunikacji Bluetooth Low Enegy (BLE) przy użyciu aplikacji STBLESENSOR na urządzeniu mobilnym

Ponieważ kontroler aplikacji STM32WL55JC (LoRaWAN) działa nadrzędnie dla STM32WB5MMG (BLE), za pomocą mostków należy wybrać odpowiedni rdzeń mikrokontrolera MCU, którego pamięć flash ma zostać uaktualniona.

Konfiguracja oprogramowania graficznego przy użyciu narzędzia STM32CubeMX

Narzędzie STM32Cube ułatwia życie deweloperom, zmniejszając nakłady na prace rozwojowe oraz skracając czas i redukując koszt tych prac. Zintegrowane środowisko deweloperskie (IDE) obsługuje całą gamę mikrokontrolerów MCU STM32. Ponadto narzędzie STM32CubeMX pozwala na konfigurację i generowanie kodu C przy użyciu kreatorów graficznych. Funkcjonalność narzędzia STM32Cube rozszerza pakiet oprogramowania FP-ATR-ASTRA1, który można zainstalować bezpośrednio w zintegrowanym środowisku deweloperskim (IDE) STM32CubeMX.

Ilustracja 7 przedstawia powłokę STM32CubeMX: nawigacja (po lewej i na górze), konfiguracja pakietu FP-ATR-ASTRA1 (po środku) i architektura (po prawej). Pakiet FP-ATR-ASTRA1 zawiera trzy karty umożliwiające dostosowanie: [Platform Settings] (Ustawienia platformy), [Parameter Settings] (Ustawienia parametrów) oraz [ASTRA ENGINE] (Aparat ASTRA).

Ilustracja 7: konfiguracja oprogramowania graficznego przy użyciu narzędzia STM32CubeMX: nawigacja (po lewej i na górze), konfiguracja pakietu FP-ATR-ASTRA1 (po środku) i architektura (po prawej). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Po skonfigurowaniu wszystkich ustawień z narzędzia STM32CubeMX można wygenerować kod, naciskając przycisk <Generate Code> (Generuj kod). Po uruchomieniu zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) kod oprogramowania sprzętowego można następnie dostosować, skompilować i wgrać do pamięci flash płytki.

Generowany kod źródłowy ma architekturę modułową pod względem sprzętowych bloków i funkcji. Zarządzanie blokiem sprzętowym odbywa się za pomocą określonych definicji (USE_GNSS). Funkcjami, takimi jak inicjalizacja systemu, konfiguracja maszyny stanowej lub zarządzanie danymi, zarządza się w różnych plikach.

Pomimo złożoności drzewa plików, w konfiguracji aplikacji scenariuszy zastosowania uczestniczy tylko kilka z nich:

• app_astra.c/.h
  Ten plik główny jest punktem wejściowym i wywołuje funkcje inicjalizacji wewnątrz MX_Astra_Init() (listing 1)

Listing 1: ta funkcja MX_Astra_Init() służy do inicjalizacji systemu. (Źródło listingu: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  Ten menedżer konfiguracji płytki zawiera zmienne wybrane przez użytkownika służące do włączania/wyłączania poszczególnych bloków sprzętowych oraz implementacji i konfiguracji scenariusza zastosowania.
• astra_datamng.c/.h
  W tym pliku przechowywane są w pamięci RAM dane zebrane z czujników i innych wejść. Są one gotowe do wykorzystania, na przykład, aby uruchomić określony algorytm na danych.
• astra_sysmng.c/.h
  W tym miejscu realizowane są funkcje związane z systemem. Główne funkcje to interfejs wiersza poleceń, wywołania zwrotne przycisków, algorytmy, diody LED, zarządzanie scenariuszami zastosowania funkcji śledzenia aktywów oraz zarządzanie układem czasowym.
• SM_APP.c/.h
  Te pliki zawierają struktury konfiguracyjne maszyny stanowej.

Podsumowanie

Prace rozwojowe nad rozwiązaniami śledzenia aktywów to złożony, wieloetapowy proces, ale wielofunkcyjna platforma rozwojowa STEVAL-ASTRA1B upraszcza to zadanie. Dzięki temu, że zawiera ona wbudowany cały niezbędny sprzęt i oprogramowanie, stanowi szybki i łatwy sposób wizualizacji danych zarejestrowanych z transpondera bezprzewodowego w interfejsie internetowym lub za pośrednictwem aplikacji na urządzenia mobilne. Deweloperzy mogą po prostu dostosować omawiany bezprzewodowy rejestrator danych do swojego rozwiązania śledzenia lub monitorowania za pomocą elastycznych narzędzi konfiguracyjnych bez konieczności kodowania lub mogą skorzystać z automatycznego generatora kodu.