Useita yhteyksiä käyttävien seurantajärjestelmien suunnittelu karjan seurantaan, kalustojen hallintaan ja Teollisuus 4.0 ‑logistiikkaan

Kirjoittaja Jeff Shepard

Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Omaisuuden reaaliaikainen seuranta ja kunnonvalvonta ovat huipputärkeitä toimintoja maataloudessa karjan hallinnassa, ruoka- ja lääketeollisuuden kylmäketjuvarastoinnissa, ajoneuvokalustojen hallinnassa sekä joustavassa Teollisuus 4.0 ‑tuotannossa. Se on monimutkainen prosessi, johon liittyy useita ympäristöolosuhteita mittaavia antureita. Siinä korostuu tarve seurata kohdetta käyttämällä usean satelliittijärjestelmän maailmanlaajuista satelliittipaikannusta (Global Navigation Satellite System, GNSS), johon sisältyvät GPS, Galileo, Glonass, BeiDou ja QZSS, jotta voidaan varmistaa tarkat sijaintitiedot. Lisäksi usean yhteyden ratkaisut mahdollistavat kohteen sijainnin ja kunnon oikea-aikaisen seurannan sekä keskitetyn valvonnan riippumatta ympäristöolosuhteista, kuten yhteydestä pilveen. Ratkaisun on oltava suojattu hakkeroinnilta sekä energiatehokas, jotta voidaan minimoida akkuvirran käyttö.

Omaisuuden seuranta- ja kunnonvalvontajärjestelmän luonti on monimutkainen, eri toimialoja yhdistelevä prosessi, joka vaatii paljon resursseja ja aikaa. Laitteiston suunnittelun monimutkaisuuden lisäksi tiedot on yhdistettävä turvallisesti pilveen ja mobiililaitteisiin, jotta luodut suuret tietomäärät saadaan käyttökelpoiseen muotoon.

Seurantajärjestelmän suunnittelua ei tarvitse kuitenkaan aloittaa tyhjästä, sillä saatavilla on kehityssarjoja ja referenssisuunnitelmia, jotka yksinkertaistavat sofistikoituneiden omaisuudenseurantasovellusten prototyyppikehitystä, testausta ja arviointia. Tässä artikkelissa tutustutaan GNSS-teknologiaan, antureihin, yhdistettävyyteen ja omaisuuden seuranta- ja kunnonvalvontajärjestelmien muihin suunnittelutekijöihin. Sitten artikkelissa esitellään STMicroelectronicsin kattava kehityssarja, johon kuuluu useita piirilevyjä erityyppisille antureille, GNSS-paikannuslaitteille ja tiedonsiirto-ominaisuuksille. Sarja sisältää myös akun, edistyneen virranhallinnan akunkeston maksimoimiseksi, ohjelmisto- ja laiteohjelmistokirjastot sekä sovelluskehitystyökalut.

Missä seurattava kohde sijaitsee?

Omaisuuden seurannan ensimmäinen vaihe on hankkia ajantasaiset sijaintitiedot National Marine Electronics Association (NMEA) ‑tietomuodossa. Kaikki GPS-laitevalmistajat käyttävät NMEA-standardia yhteentoimivuuden varmistamiseksi. NMEA-vakioviestimuotoa kutsutaan lausekkeeksi. NMEA-standardissa määritellään useita eri lausekkeita erilaisten tietojen viestimiseksi, mukaan lukien:

  • GGA – GPS-järjestelmän sijaintitiedot, mukaan lukien 3D-koordinaatit, tila, käytettyjen satelliittien lukumäärä ja muita tietoja
  • GSA – paikannuksen hyvyysluku (Dilution of Precision, DOP) ja aktiiviset satelliitit
  • GST – sijaintivirheen tilastot
  • GSV – näkyvillä olevien satelliittien määrä sekä kunkin satelliitin osalta käytetty satunnaiskohinanumero (Pseudo-Random Noise, PRN), korkeus, atsimuutti ja signaali-kohinasuhde
  • RMC – asento, nopeus ja aika
  • ZDA – päivä, kuukausi ja vuosi UTC-ajassa sekä aikaero paikalliseen aikaan.

NMEA yksinkertaistaa paikannusohjelmiston kehitystä, sillä erilaiset GPS-vastaanottimet voivat käyttää yhteistä rajapintaa ja saada helposti tarvittavat tietojoukot niitä vastaavan lausekkeen avulla.

Kuinka tarkkuutta voidaan parantaa?

GNSS-raakatiedot tarjoavat vain rajallisen sijaintitarkkuuden. Sijaintiarvion tarkkuuden parantamiseen on saatavilla työkaluja, kuten Differential Global Positioning System (DGPS) ‑palvelu, joka tarjoaa korjaussignaaleja laivojen GPS-navigointilaitteille. DGPS mahdollistaa parannetut sijaintitiedot Radio Technical Commission for Maritime (RTCM) ‑protokollan avulla. Lisäksi paikannuksen tarkkuutta parantamaan on saatavilla satelliittipohjaisia tarkennusjärjestelmiä (Satellite-Based Augmentation System, SBAS), mukaan lukien Amerikassa Wide Area Augmentation System (WAAS), Euroopassa Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Aasiassa Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) ja Intiassa alueellinen GPS-avusteinen SBAS-järjestelmä GEO Augmented Navigation (GAGAN) (kuva 1).

Kuvassa usean satelliittijärjestelmän STMicroelectronics TESEO LIV3F ‑GNSS-vastaanotinKuva 1: Usean satelliittijärjestelmän TESEO LIV3F ‑GNSS-vastaanottimen työkaluvalikoimaan sisältyvät muun muassa DGPS, SBAS ja RTCM (vasemmalla alhaalla), jotka mahdollistavat erittäin tarkan sijaintiratkaisun. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Missä kunnossa seurattava kohde on?

Useissa tapauksissa seurattavan kohteen sijaintitieto on vain yksi osa palapeliä. Seurattavan kohteen kuntoa koskevien tietojen kerääminen voi olla tärkeää, mukaan lukien tieto sen fyysisestä tilasta ja siitä, onko se paikallaan vai liikkeessä. Tarpeesta riippuen voidaan käyttää erilaisia antureita, kuten seuraavia:

  • Lämpötila-anturi, jonka toiminta-alue on −40…+125 °C, tarkkuus korkea ja kalibrointi National Institute of Standards and Technology (NIST) ‑jäljitettävissä ja -vahvistettavissa IATF 16949:2016 -standardin mukaisesti.
  • Paineanturi – Kompakti ja lujatekoinen mikrosähkömekaanisen järjestelmän (Microelectromechanical System, MEMS) pietsosähköinen absoluuttinen anturi, jota voi käyttää digitaalisen lähdön barometrina 260 – 1260 hehtopascalin (hPa) (jota kutsutaan myös millibaariksi) absoluuttisella painealueella. Sen on oltava erittäin tarkka ja siinä on käytettävä lämpökompensaatiota.
  • Kosteusanturi, jonka toiminta-alue on −40…+120 °C ja suhteellisen kosteuden (relative humidity, rH) mittausalue 0–100 %. Siinä on käytettävä lämpökompensaatiota ja sen rH-tarkkuuden on oltava ±3,5 % välillä 20–80 %.
  • Inertiamittauslaite (Inertial Measurement Unit, IMU), johon sisältyy MEMS-pohjainen 3D-kiihtyvyysanturi ja 3D-gyroskooppi sen määrittämiseksi, onko seurattava kohde liikkeessä vai paikallaan.
  • Kiihtyvyysanturi, kuten MEMS-pohjainen kolmen akselin lineaarinen kiihtyvyysanturi mittaamaan seurattavan kohteen altistumista iskuille ja tärinälle.

Suojatut yhteydet

Kun seurattavan kohteen sijainti ja kunto on määritetty, tiedot pitää vielä siirtää eteenpäin. Olosuhteista riippuen tähän voidaan tarvita sekä pitkän että lyhyen kantaman suojattua yhteyttä. STMicroelectronicsin usean yhteyden STEVAL-ASTRA1B-omaisuudenseuranta-alustan kohdalla yhdistettävyyttä ja tietoturvaa tuetaan useilla emolevyllä sijaitsevilla järjestelmäelementeillä (kuva 2), mukaan lukien seuraavat:

  • STM32WB5MMG on sertifioitu 2,4 GHz:n langaton moduuli, johon on integroitu kaksiytiminen STM32WB Arm® Cortex®-M4/M0+, kristallit ja sovituspiirillä varustettu siruantenni. Tämä sisältää Bluetooth Low Energy (BLE) ‑pinon sekä tuen Open Threadille, Zigbeelle ja muille 2,4 GHz:n protokollille.
  • STM32WL55JC mahdollistaa pitkän kantaman langattomat yhteydet. Siihen sisältyy myös kahden ytimen Arm Cortex-M4/M0+, ja se voi tukea sellaisia protokollia kuten GFSK ja LoRa jne. RF-etuasteen vakioversio tukee 868, 915 ja 920 MHz:n taajuuksia. Muutamia komponentteja vaihtamalla moduuli voi tukea alhaisempiakin taajuuksia.
  • STSAFE-A110-turvaelementti yhdistetään STM32WB5MMG-piiriin suojattua tietojen hallintaa ja todentamista varten. Se on suunniteltu tukemaan IoT (Internet of Things) -verkkoja, kuten omaisuuden seurantaa, ja siinä on suojattu käyttöjärjestelmä ja suojattu mikrokontrolleri.

Kuvassa STEVAL-ASTRA1B-omaisuudenseuranta-alustan STMicroelectronics-emolevy (suurenna klikkaamalla)Kuva 2: STEVAL-ASTRA1B-omaisuudenseuranta-alustan emolevyyn sisältyy STM32WB5MMG lyhyen kantaman yhteyksiä, STM32WL55JC pitkän kantaman yhteyksiä ja STSAFE-A110 toiminnan suojaamista varten. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Omaisuudenseurannan kehitysympäristö

Omaisuudenseurantasovellusten kehittäjät voivat käyttää STMicroelectronicsin laitteisto- ja ohjelmistokehityssarjaa STEVAL-ASTRA1B sekä referenssisuunnitelmaa. Nämä helpottavat edistyneiden omaisuudenseurantajärjestelmien prototyyppikehitystä, testausta ja arviointia (kuva 3). STEVAL-ASTRA1B on rakennettu STM32WB5MMG-moduulin ja STM32WL55JC-järjestelmäpiirin päälle, joissa yhdistyvät lyhyen ja pitkän kantaman yhteydet (BLE, LoRa sekä 2,4 GHz:n ja alle 1 GHz:n valmistajakohtaiset protokollat). NFC-yhteyttä varten on saatavilla ST25DV64K. STSAFE-A110 tukee suojattua toimintaa ja Teseo-LIV3F-GNSS-moduuli mahdollistaa paikantamisen ulkona.

Kuvassa Taoglas STEVAL-ASTRA1B ‑alustaKuva 3: STEVAL-ASTRA1B-alusta sisältää kaikki tarvittavat laitteistot, laiteohjelmistot ja ohjelmistotyökalut edistyneiden seurantajärjestelmien kehittämiseen. (Kuvan lähde: DigiKey)

GNSS-paikannusvastaanotin on yhteensopiva kuuden järjestelmän kanssa, mukaan lukien GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS ja NavIC (tunnetaan myös nimellä IRNSS). Järjestelmä sisältää myös WAAS-, EGNOS-, MSAS-, WAAS- ja GAGAN SBAS ‑tuen. Mukana on myös kaistanestosuodatin häiriöiden ehkäisemiseksi.

Alusta sisältää lisäksi laajan valikoiman antureita kunnonvalvontaan (kuva 4), mukaan lukien seuraavat:

  • STTS22HTR – Digitaalinen lämpötila-anturi, jonka toiminta-alue on −40…+125 °C, jonka tarkkuus välillä −10…+60 °C on ±0,5 °C ja jossa on 16-bittinen datalähtö. Kalibrointi on NIST-jäljitettävissä, ja laitteen toiminta on sataprosenttisesti testattu ja vahvistettu IATF 16949:2016 ‑standardin mukaisesti kalibroidulla laitteistolla.
  • LPS22HHTR – Pietsosähköinen absoluuttisen paineen MEMS-anturi, jota käytetään
  • digitaalisen lähdön painemittarina välillä 260 – 1260 hPa. Anturin absoluuttisen paineen tarkkuus on 0,5 hPa ja sen anturikohina matalassa paineessa on 0,65 Pa. Laite tarjoaa 24-bittisen painedatalähdön.
  • HTS221TR – Suhteellisen kosteuden ja lämpötilan anturi. Sen mittausväli on 0–100 % rH, herkkyys 0,004 % rH/vähiten merkitsevä bitti (Least Significant Bit, LSB), kosteuden mittaustarkkuus ±3,5 % rH välillä 20–80 % rH ja lämpötilan mittaustarkkuus ±0,5 °C välillä 15–40 °C.
  • LIS2DTW12TR – Kolmen akselin lineaarinen MEMS-kiihtyvyys- ja lämpötila-anturi käyttäjän valittavilla ±2/±4/±8/±16 g:n asteikoilla. Laite pystyy mittaamaan kiihtyvyyttä lähtötiedonsiirtonopeuksilla 1,6 – 1600 Hz.
  • LSM6DSO32XTR – IMU-moduuli jatkuvasti päällä olevalla 32 g:n digitaalisella 3D-kiihtyvyysanturilla ja 3D-gyroskoopilla, mitta-alueet ±4/±8/±16/±32 g sekä ±125/±250/±500/±1000/±2000 astetta sekunnissa (Degrees per Second, dps).

Kaaviossa STMicroelectronics-emolevy STEVAL-ASTRA1B (suurenna klikkaamalla)Kuva 4: STEVAL-ASTRA1B-emolevyyn kuuluvat kattava anturivalikoima (vasemmalla), järjestelmälevy (keltainen laatikko) ja GNSS-yhteyselementit (TESEO LIV3F ja antenni alhaalla oikealla). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Virranhallinta on tärkeää langattomissa seurantalaitteissa. Pitkän akunkeston varmistamiseksi STEVAL-ASTRA1B sisältää laajan valikoiman virranhallintakomponentteja, kuten

  • ST1PS02D1QTR – 400 milliampeerin (mA) synkroninen jännitteenalennusmuunnin, jonka syöttöjännitealue on 1,8–5,5 V, lepovirta 500 nanoampeeria (nA) 3,6 V:n syöttöjännitteellä ja tyypillinen tehokkuus 92 %.
  • STBC03JR – Akun virranhallinta- ja -latausmikropiiri, johon kuuluu lineaarinen akkulaturi yksikennoisille litiumioniakuille, jotka käyttävät vakiovirran/-jännitteen (Constant Current/Constant Voltage, CC/CV) latausalgoritmia, 150 mA:n LDO (Low Drop-Out) -regulaattori, kaksi SPDT (Single Pole Double Throw) -kuormakytkintä ja vikatilanteen aikana akkua suojaava piiristö.
  • TCPP01-M12 – USB Type-C® ‑porttisuojauspiiri, jossa on 5–22 V:n välillä säädettävä VBUS-ylijännitesuojaus (ulkoisella N-kanavan MOSFET-transistorilla), CC-linjojen ylijännitesuojaus (OVP) 6,0 V oikosuluilta VBUS-väylän kanssa sekä IEC 61000-4-2 -standardin tason 4 mukainen järjestelmätason suojaus staattisia purkauksia (Electrostatic Discharge, ESD) vastaan liittimen nastoille CC1 ja CC2.

Ohjelmisto- ja laiteohjelmistokirjastot

Laitteen mukana toimitetaan ja saatavilla on laaja valikoima ohjelmistoja ja laiteohjelmistoja omaisuudenseurantasovellusten kehittämiseen STEVAL-ASTRA1B-piirillä. Esimerkkejä:

  • STEVAL-ASTRA1B-laitteen mukana toimitettavaan FP-ATR-ASTRA1-toimintopakettiin sisältyy kokonainen omaisuudenseurantasovellus. Toimintopaketti saa sijaintitiedot GNSS-vastaanottimelta, lukee tiedot ympäristö- ja liikeantureista ja lähettää tiedot pilveen BLE- ja LoRaWAN-yhteyksien kautta. Mukana on muokattavat käyttötapaukset kaluston hallintaan, karjan ja tavaroiden seurantaan sekä logistiikkaan.
  • STAssetTracking-sovelluksella voidaan konfiguroida etäyhteyden kautta protokollia BLE, Sigfox tai NFC tukeva omaisuudenseurantalaite. Ohjelmaa voidaan käyttää haluttujen anturitietojen lokikirjaukseen ja sillä voidaan asettaa kynnysarvot kirjauksen aktivoinnille ja deaktivoinnille.
  • DSH-ASSETRACKING-koontinäyttö on Amazon Web Services (AWS) ‑pilvisovellus, jonka intuitiivinen käyttöliittymä on optimoitu GNSS-sijaintipalveluiden sekä liike- ja ympäristöantureiden tietojen keräämiseen, visualisointiin ja analyysiin. Koontinäytöllä voi luoda kaavioita reaaliaikaisista tai historiallisista sijaintitiedoista ja anturitiedoista sekä valvoa ympäristön olosuhteita ja tapahtumia (kuva 5).

Kuva: DSH-ASSETRACKING-koontinäyttö (suurenna klikkaamalla)Kuva 5: DSH-ASSETRACKING-koontinäyttö on AWS-pilvisovellus omaisuudenseurantaa varten. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Yhteenveto

Omaisuudenseuranta on kriittinen ja monimutkainen järjestelmä, jota tarvitaan muun muassa karjan hallinnassa, ajoneuvokalustojen hallinnassa ja logistiikassa. Tässä esitelty laitteisto- ja ohjelmistokehityssarja STEVAL-ASTRA1B ja STMicroelectronicsin referenssisuunnitelma tarjoavat GNSS-sijaintipalvelut, kattavat ympäristö- ja liikeanturit, virranhallinnan sekä kattavat ohjelmisto- ja laiteohjelmistovaihtoehdot, jotka tarvitaan korkean suorituskyvyn omaisuudenseurantalaitteiden suunnitteluun.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Tietoja kirjoittajasta

Image of Jeff Shepard

Jeff Shepard

Jeff on kirjoittanut yli 30 vuoden ajan tehoelektroniikasta, elektroniikkakomponenteista ja muista teknologia-aiheista. Hän aloitti kirjoittamisen tehoelektroniikasta EETimesin vanhempana toimittajana. Tämän jälkeen hän perusti tehoelektroniikan suunnittelulehden nimeltään Powertechniques, ja sen jälkeen maailmanlaajuisen tehoelektroniikan tutkimus- ja kustannusyrityksen nimeltään Darnell Group. Darnell Group julkaisi muun muassa PowerPulse.net-sivustoa, joka tarjosi päivittäin uutisia maailmanlaajuiselle tehoelektroniikan suunnittelijayhteisölle. Hän on kirjoittanut Prentice Hallin Reston-divisioonan julkaiseman hakkurivirtalähteitä käsittelevän "Power Supplies" -oppikirjan.

Jeff oli myös mukana perustamassa Computer Productsin ostamaa Jeta Power Systems -yhtiötä, joka valmisti suuritehoisia hakkurivirtalähteitä. Jeff on myös keksijä ja hänellä on nimissään 17 yhdysvaltalaista patenttia lämpöenergian talteenoton ja optisten metamateriaalien alalla. Häntä arvostetaan alalla ja hänet kutsutaan usein puhumaan tehoelektroniikan globaaleista suuntauksista. Hänellä on yliopistotutkinto kvantitatiivisista menetelmistä ja matematiikasta Kalifornian yliopistosta.

Tietoja tästä julkaisijasta

DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa