Useita yhteysmuotoja tukevien omaisuuden seurantasovellusten tehokas toteuttaminen

Edistyneet omaisuuden seurantasovellukset, kuten karjan seuranta, kalustonhallinta ja logistiikka, taltioivat automaattisesti seurattavien kohteiden ajantasaiset tilatiedot ja sijaintikoordinaatit. Sisäänrakennettu transponderi välittää lokitiedot pilveen, jossa ne ovat ohjauskeskuksen ja mobiililaitteen saatavilla. Tehdasympäristössä tarvitaan usein lyhyen kantaman langattomia datapäivityksiä logistiikkatietojen, prosessihistorian ja seurantatietojen vaihtamiseen, konfiguraatioiden muuttamiseen tai transponderin laiteohjelmiston päivittämiseen.

Tällaisten omaisuuden seurantajärjestelmien kehittäjien haasteena on suunnitella monikäyttöinen anturitransponderi, joka viestii useiden eri pitkän ja lyhyen kantaman radioprotokollien välityksellä, kerää monenlaisia mittaustietoja, toimii kuukausia ilman akun vaihtoa ja tuo kaiken tiedon saataville Internet-palvelujen kautta. Tämän kaiken lisäksi pitäisi laskea kustannuksia ja nopeuttaa markkinoille tuontia.

Vaikka tehtävä voikin tuntua ylivoimaiselta, on mahdollista säästää paljon aikaa ja vaivaa käyttämällä kehityspaketteja, joihin on valmiiksi integroitu suuri osa tarvittavista komponenteista ja ohjelmistoista.

Tässä artikkelissa käsitellään edistyneen omaisuuden seurannan teknisiä vaatimuksia erilaisissa sovelluksissa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään STMicroelectronicsin monikäyttöinen kehityspaketti, joka vähentää huomattavasti prototyypin suunnitteluun, testaukseen ja arviointiin tarvittavaa vaivaa. Artikkeli tarjoaa tietoa kehityspaketin keskeisistä toiminnoista ja näyttää, miten kehittäjät voivat helposti mukauttaa yhdistettyjen järjestelmäpiirimoduulien toimintoja ilman ohjelmointia sekä noutaa ja visualisoida tietoja pilvestä.

Langattoman mittaustransponderin ominaisuudet

Omaisuuden seurannalla on laaja valikoima erilaisia käyttökohteita, joista jokainen vaatii erittäin tarkoin määrättyjä teknisiä laitteita transponderia ja yhdistettyä verkkoa varten. Kuvassa 1 luetellaan langattoman mittaustransponderin tekniset ominaisuudet neljässä eri käyttökategoriassa.

Kuva 1: Langattoman mittaustransponderin ominaisuudet riippuvat omaisuuden seurantasovelluksesta. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kohteen mukana kulkevan autonomisen transponderin on tunnistettava ympäristötekijät, kohteen sijainti ja tila (Tunnistus, kuva 1), tallennettava ne ja ilmoitettava ne seuraavan tilaisuuden tullen käyttäen jotakin useista eri langattomista rajapinnoista (Liitettävyys). Signaalinkäsittely ja muunnokset erilaisiin langattomiin protokolliin vaativat riittävän tehokkaan mikrokontrollerin (MCU) ja korkeatasoisen tietoturvan (Käsittely ja turvallisuus). MCU ohjaa myös energianhallintaa (Tehonhallinta) ja takaa siten pitkän käyttöiän transponderin akulle.

Omaisuuden seurantasovelluksen vaatima tietojen saatavuus vaikuttaa antureiden monimutkaisuuteen ja vaatii sopivan yhteysvaihtoehdon käyttöä. Kun kuljetusreitti on tunnettu ja ennustettavissa, kuten esimerkiksi pakettien jakelureitti, pelkkä mittaussignaalien tallentaminen transponderiin riittää. Tiedot voidaan sitten lukea lähietäisyydeltä seuraavassa logistiikkakeskuksessa BLE- tai NFC-tiedonsiirron avulla.

Kun on kyse kaluston hallinnasta, logistiikasta ja karjan seurannasta, etäisyydet ovat pitkiä, ja tiedonsiirto transponderista pilven kautta loppukäyttösovellukseen on tehtävä mahdollisimman reaaliaikaisesti. Siksi transponderi tarvitsee matkaviestinrajapinnan pitkän kantaman tiedonsiirtoa varten. Vaihtoehtoja ovat LoRaWAN (pitkän kantaman alueverkko), Sigfox ja Narrowband-Internet of Things (NB-IoT), koska nämä protokollat on optimoitu pienten datamäärien siirtoon energiaa säästäen.

Kokonainen omaisuuden seurantaekosysteemi pienemmällä kehityspanoksella

Järjestelmäsuunnittelijat, jotka haluavat toteuttaa omaisuuden seurantasovelluksensa (ASTRA) säästäen aikaa ja rahaa, voivat käyttää STMicroelectronicsin monikäyttöistä STEVAL-ASTRA1B-kehitysalustaa. Alusta koostuu useista mikropiirejä ja järjestelmäpiirejä sisältävistä moduuleista, mikä yksinkertaistaa huomattavasti innovatiivisten seuranta- ja valvontaratkaisujen prototyyppitestausta, ohjelmointia, testausta ja arviointia. Kehityspaketti koostuu modulaarisesta evaluointikortista, laiteohjelmistokirjastoista, ohjelmointityökaluista ja piirien dokumentaatiosta. Siinä on myös sovellus mobiililaitteita varten ja verkkopohjainen visualisointikäyttöliittymä (kuva 2).

Kuva 2: Käyttövalmis omaisuuden seurantaekosysteemi ulottuu langattomasta mittaustransponderista pilven kautta aina loppusovellukseen asti, mikä vähentää kehitykseen tarvittavaa työpanosta. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

STEVAL-ASTRA1B-kortti perustuu kahteen vähävirtaiseen järjestelmäpiirimoduuliin, jotka tarjoavat lyhyen ja pitkän kantaman yhteydet sekä NFC-tiedonsiirron. Kortilla on myös moduuli tietoturvatoimintoja varten. Kantajakortissa on useita ympäristö- ja liikeantureita sekä maailmanlaajuinen satelliittipaikannusjärjestelmämoduuli (GNSS), joka tarjoaa paikannuskoordinaatit ja mahdollistaa aluerajojen määrittelemisen. Tehonhallintajärjestelmä säätelee kaikkien laitekomponenttien toimintatilaa ja ohjaa virtalähdettä. Virtalähde koostuu hakkurimuuntimesta, akusta ja USB-C-latausohjaimesta, jotka pidentävät akun kestoa mahdollisimman paljon. Toimituspakettiin kuuluu 480 milliampeeritunnin (mAh) litiumpolymeeriakku (Li-Poly), kotelo, SMA-antenni (LoRa) ja NFC-antenni.

STEVAL-ASTRA1B-kortin integroidut piirit ja järjestelmäpiirit:

• Kaksi langatonta järjestelmäpiiriä:
  • STM32WB5MMGH6TR: Tämä 2,4 gigahertsin (GHz) langattomaan erittäin vähävirtaiseen Arm® Cortex®-M4/M0+ ‑mikrokontrolleriin perustuva järjestelmäpiirimoduuli toimii pääsovellussuorittimena ja tukee 802.15.4-, BLE 5.0-, Thread- ja Zigbee-protokollia.
  • STM32WL55JCI6: Tämä langaton järjestelmäpiiri perustuu langattomaan erittäin vähävirtaiseen Arm Cortex M0+ ‑mikrokontrolleriin ja tukee LoRa-, Sigfox- ja GFSK-teknologioita alle 1 gigahertsin (GHz) taajuusalueella (150–960 megahertsiä (MHz)).
• ST25DV64K-JFR8D3: NFC-lähetin
• TESEO-LIV3F: GNSS-moduuli samanaikaisella useiden satelliittijärjestelmien tuella
• Ympäristö- ja liiketunnistimet:
  • STTS22HTR: Digitaalinen lämpötila-anturi; −40 ... 125 °C
  • LPS22HHTR: Paineanturi; 26–126 kilopascalia (kPa), absoluuttinen
  • HTS221TR: Kosteus- ja lämpötila-anturi; 0–100 % suhteellinen kosteus (RH) I²C, SPI ±4,5 % suhteellinen kosteus
  • LIS2DTW12TR: Kiihtyvyysanturi, X-, Y-, Z-akseli; ±2 g, 4 g, 8 g, 16 g 0,8–800 hertsiä (Hz)
  • LSM6DSO32XTR: Kiihtyvyysanturi, gyroskooppi, lämpötila-anturi I²C, SPI-lähtö
• STSAFE-A110: Turvaelementti
• Akkukäyttöinen ratkaisu älykkäällä tehonhallinta-arkkitehtuurilla:
  • ST1PS02BQTR: Jännitteenalennus-hakkurimikropiiri; säädettävä, 1,8 V, 1 lähtö, 400 milliampeeria (mA)
  • STBC03JR: Akkulaturi-mikropiiri litiumioni- (Li-ion) tai litiumpolymeeriakkua (Li-Poly) varten
  • TCPP01-M12: USB Type-C ja tehonsyöttösuojaus

Evaluointikortti toimii +5 – 35 °C:n lämpötilassa ja käyttää seuraavia taajuuskaistoja:

• BLE: 2400–2480 MHz, +6 desibeliä suhteessa yhteen milliwattiin (mW) (dBm)
• LoRaWAN: 863–870 MHz, +14 dBm (laiteohjelmisto rajoittaa)
• GNSS (vastaanotin): 1559–1610 MHz
• NFC: 13,56 MHz

STEVAL-ASTRA1B-kortin sisäinen rakenne

ASTRA-transponderi toimii kuten tiedonkeruulaite ja jakaa tietovuonsa kolmeen päälohkoon, joista kukin koostuu laitteisto- ja ohjelmisto-ohjaimista sekä sovelluskerroksesta (kuva 3). Tietojen syöttö (kuva 3, vasemmalla) kerää kaikki kortilla olevien antureiden signaalit. Keskilohko (kuva 3, keskellä) käsittelee ja tallentaa tiedot. Lopuksi tallennetut tiedot lähetetään langattomasti (kuva 3, oikealla). Konfiguraatiomuutoksen, laiteohjelmiston päivityksen tai prosessi-/logistiikkatietojen kirjoittamisen yhteydessä signaalit kulkevat vastakkaiseen suuntaan.

Kuva 3: Langattoman mittaustransponderin tietovuo: anturisignaalit (vasemmalla) käsitellään, tallennetaan (keskellä) ja lopuksi lähetetään (oikealla) tilaisuuden tullen. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

FP-ATR-ASTRA1-laiteohjelmisto laajentaa STMicroelectronicsin STM32Cube-kehitysympäristöä ja toteuttaa kattavan omaisuuden seurantasovelluksen, joka tukee pitkän (LoRaWAN, Sigfox) ja lyhyen kantaman (BLE, NFC) yhteyksiä. Toimintopaketti lukee tietoja ympäristö- ja liikeantureista, noutaa GNSS-paikannuksen ja lähettää kaiken mobiililaitteeseen BLE-yhteyden kautta sekä samanaikaisesti pilveen LoRaWAN-yhteyden kautta.

FP-ATR-ASTRA1-paketti tukee vähävirtaisia profiileja, jotka takaavat akun pitkän keston ja maksimaalisen autonomian. Se tarjoaa myös sellaisia tärkeitä ominaisuuksia kuten suojatun elementtien hallinnan, mahdollisuuden lisätä mukautettuja algoritmeja, vianmääritysrajapinnat ja laajennusmahdollisuuksia.

Ohjelmistopaketti jakautuu seuraaviin osiin: dokumentaatio, ohjaimet ja HAL-kerros, väliohjelmisto ja esimerkkiprojektit. Projektit sisältävät lähdekoodin ja käännetyt binääritiedostot Keil-, IAR- ja STM32Cube-kehitysympäristöille (IDE). Seuraavien viiden ennalta määritellyn käyttötapauksen asetukset ovat erikseen valittavissa: kalustonhallinta, karjan seuranta, tavaroiden seuranta, logistiikka ja mukautettu käyttö.

STEVAL-ASTRA1B toimii yksinkertaisena tilakoneena, joka muuttaa toimintatilaansa tapahtumien mukaan. Kaksi päätilaa on suunniteltu täyttä toimintaa (Run) ja virransäästöä (LP) varten. Run-tilassa kaikki toiminnot ovat käytössä ja kaikki tiedot lähetetään asetusten mukaisesti. LP-tilassa kaikki komponentit mikrokontrolleria lukuun ottamatta on asetettu virransäästötilaan tai pois käytöstä (kuva 4).

Kuva 4: STEVAL-ASTRA1B:n kaksi päätoimintatilaa ovat täysi toiminta (Run) ja virransäästö (LP). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Sivupainikkeen painaminen vaihtaa toimintatilaa. Tulo voi olla myös MEMS (MicroElectroMechanical SystemS) -järjestelmän tapahtuman lähtö tai algoritmin tulos. Tämä on vain yksi esimerkki siitä, miten tilakone voidaan toteuttaa laitteen toiminnan muuttamiseksi. Myös useampien välitilojen käyttö on mahdollista järjestelmän vastenopeuden ja akun keston tasapainottamiseksi.

Mahdollisia tapahtumia ovat

• BP: Painiketta painettu ‑tapahtuma
• SD: Järjestelmän sammutus ‑tapahtuma
• ER: Virhetapahtuma
• EP: Automaattinen siirtyminen seuraavaan vaiheeseen
• RN: Siirry täyteen toimintatilaan ‑komento
• LP: Siirry virransäästöön ‑komento

Pilvitietojen noutaminen ja visualisointi

STEVAL-ASTRA1B-transponderissa on valmiiksi asennettuna FP-ATR-ASTRA1-laiteohjelmistopaketti, joten ympäristön mittaussignaalit ja GNSS-paikannustiedot voidaan visualisoida hetkessä.

Kun älypuhelimien ja tablettien StAssetTracking-mobiilisovellusta käytetään Bluetooth aktiivisena ja laitteen ollessa kytkettynä Internetiin, transponderi rekisteröidään TTN (The Things Network) V3 ‑verkkopalvelimelle LoRaWAN-osallistujaksi myst.com-käyttäjätilin kautta. Se yhdistetään myös DSH-ASSETRACKING-verkkohallintapaneeliin Amazon Web Services ‑palvelussa (AWS).

TTN-rekisteröinnin jälkeen STEVAL-ASTRA1B näkyy mobiilisovelluksen päivitetyssä laiteluettelossa. Kun Start synchronization (Aloita synkronointi) ‑painiketta painetaan <Settings> (Asetukset) ‑valikossa, transponderin lähetystila aktivoituu niin, että se lähettää tallennetut tiedot BLE:n ja LoRaWAN:n kautta rinnakkain. Mobiilisovellus voi näyttää muistissa olevat mittaustiedot hallintapaneelissa ja tulostaa transponderin GNSS-paikan tai näyttää sen merkkinä kartalla (kuva 5).

Kuva 5: Mobiilisovellus auttaa rekisteröimään transponderin TTN-palveluun ja yhdistämään sen pilvessä olevaan hallintapaneeliin. Se visualisoi kirjatut anturiarvot ja avustaa konfiguroinnissa ja vianmäärityksessä. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

ASTRA-transponderin lisäksi verkkohallintapaneeliin voidaan pilvessä koota yhteen monia muitakin itsenäisiä langattomia seurantalaitteita, kuten P-L496G-CELL02 (LTE) ja NUCLEO-S2868A2 (Sigfox RF ‑lähetin), tai Internetin kautta yhdistettyjä solmuja, kuten STEVAL-SMARTAG1 (Wi-Fi), STEVAL-MKSBOX1V1 (BLE-päätesolmu) ja STEVAL-SMARTAG1 (NFC-päätesolmu). Tämä mahdollistaa pilvipohjaisen useita protokollia tukevan langattoman ekosysteemin kehittämisen.

Yksilöllinen konfigurointi ja ohjelmointi

Kun ASTRA-transponderin tehdasasetukset on arvioitu onnistuneesti alkuvaiheessa, kehittäjä voi seuraavaksi mukauttaa transponderin omaan omaisuuden seurantasovellukseensa.

Jos kyse on vähäisestä mukautustyöstä ilman lisälaitteita, eri parametrien ja toimintojen määrittäminen BLE:n ja mobiilisovelluksen kautta voi riittää (paina mobiilisovelluksen vasara ja kiintoavain ‑kuvaketta, kuva 5).

Toinen tapa tehdä projektin määritykset on käyttää komentoriviä ja vianmäärityskonsolia. Kun PC-tietokoneen pääteohjelma (esim. Tera Term) viestii USB:n ja virtuaalisen COM-portin kautta, mobiililaite taas käyttää STBLESensor (ST BLE Sensor) ‑sovellusta ja muodostaa verkkoyhteyden BLE:n kautta (kuva 6).

Kuva 6: Komentorivi- ja vianmäärityskonsoli PC-tietokoneella (vasemmalla) ja mobiililaitteessa (oikealla). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

ASTRA-piirilevyn uudelleenohjelmointi, kuten laiteohjelmiston päivittäminen, muiden kirjastotoimintojen integroiminen tai kehittäjän oman sovelluskoodin lataaminen, on kätevää JTAG-rajapinnan kautta. Tätä tarkoitusta varten ASTRA-korttiin kytketään erikseen saatava STLINK-V3MINIE-vianmääritys- ja ohjelmointisovitin 14-nastaisella nauhakaapelilla. Tietokoneeseen asennettu integroitu kehitysympäristö, kuten Keil, IAR tai STM32Cube, voi sitten kirjoittaa käännettyjä binääritiedostoja sovelluksen ohjelmamuistiin tai etsiä virheitä ohjelman osista.

STLINK-V3MINI tarjoaa myös virtuaalisen COM-porttirajapinnan, jonka avulla isäntätietokone voi olla yhteydessä kohdemikrokontrolleriin UART-portin kautta.

Eri ARM MCU ‑versioiden laiteohjelmistot voidaan päivittää useilla eri tavoilla:

• PC:n STM32Cube-ohjelmointisovellus kirjoittaa binääritiedoston flash-muistiin JTAG-sovittimen ja MCU-käynnistyslataimen avulla.
• PC:n STM32Cube-ohjelmointisovellus kirjoittaa binääritiedoston flash-muistiin USB-yhteyden ja MCU-käynnistyslataimen avulla.
• Laiteohjelmiston päivitys tehdään langattomasti (FUOTA) BLE:n kautta mobiililaitteen STBLESensor-sovelluksella.

Koska sovellusohjain STM32WL55JC (LoRaWAN) toimii STM32WB5MMG (BLE) ‑moduulin isäntänä, päivitettävä mikrokontrolleriydin pitää valita hyppyjohtimien avulla.

Graafinen ohjelmiston konfigurointi STM32CubeMX-ohjelmalla

STM32Cube helpottaa kehittäjien elämää vähentämällä kehitystyön vaatimaa vaivaa, aikaa ja kustannuksia. IDE kattaa koko STM32-mikrokontrollerivalikoiman. Lisäksi STM32CubeMX mahdollistaa konfiguroinnin ja C-ohjelmakoodin luonnin ohjattujen graafisten toimintojen avulla. FP-ATR-ASTRA1-ohjelmistopaketti laajentaa STM32Cuben toiminnallisuutta, ja se voidaan asentaa suoraan STM32CubeMX IDE ‑ympäristöön.

Kuvassa 7 esitetään STM32CubeMX-kuoriohjelma: navigointi (vasemmalla ja ylhäällä), FP-ATR-ASTRA1-paketin konfiguraatio (keskellä) ja sen arkkitehtuuri (oikealla). FP-ATR-ASTRA1-paketissa on kolme välilehteä mukauttamista varten: [Platform Settings] (Alustan asetukset), [Parameter Settings] (Parametrien asetukset) ja [ASTRA ENGINE] (Astra-tuki).

Kuva 7: Ohjelmiston graafinen konfigurointi STM32CubeMX-työkalulla: navigointi (vasemmalla ja ylhäällä), FP-ATR-ASTRA1-paketin konfiguraatio (keskellä) ja sen arkkitehtuuri (oikealla). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kun kaikki asetukset on määritetty, ohjelmakoodi voidaan luoda STM32CubeMX-ympäristössä painamalla <Generate Code> (Luo ohjelmakoodi) ‑painiketta. Laiteohjelmistokoodia voidaan sitten muokata ja se voidaan kääntää ja kirjoittaa kortille avaamalla haluttu IDE-ympäristö.

Luodulla lähdekoodilla on modulaarinen laitteistolohkosta ja toiminnoista koostuva arkkitehtuuri. Laitteistolohkojen hallinta tunnistetaan erityisten määrittelyjen avulla (USE_GNSS). Toimintoja hallitaan eri tiedostoissa, kuten järjestelmän alustus, tilakoneen konfiguraatio tai tiedonhallinta.

Vaikka tiedostopuu on monimutkainen, käyttötapausten sovelluskonfigurointiin liittyy vain muutamia tiedostoja:

• app_astra.c/.h
  Tämä päätiedosto on ohjelman aloituskohta, ja se kutsuu MX_Astra_Init()-funktion alustustoimintoja (Listaus 1)

Listaus 1: MX_Astra_Init()-funktiota käytetään järjestelmän alustamiseen. (Listauksen lähde: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  Tässä kortin konfiguraation hallintaohjelmassa on muuttujat, joiden avulla käyttäjä voi ottaa käyttöön tai poistaa käytöstä kunkin laitteistolohkon, käyttötapauksen toteutuksen ja konfiguraation.
• astra_datamng.c/.h
  Tässä tiedostossa antureista ja muista tuloista kerätyt tiedot tallennetaan RAM-muistiin. Ne ovat valmiita käsiteltäviksi ja niitä voidaan käyttää esimerkiksi tietyn algoritmin suorittamiseen.
• astra_sysmng.c/.h
  Tässä tiedostossa toteutetaan järjestelmään liittyvät toiminnot. Tärkeimmät toiminnot ovat komentoliittymä, painikkeiden takaisinkutsut, algoritmit, ledit, omaisuuden seurannan käyttötapauksen hallinta ja ajastimen hallinta.
• SM_APP.c/.h
  Nämä tiedostot sisältävät tilakoneen konfiguraatiorakenteet.

Yhteenveto

Omaisuuden seurantasovelluksen kehittäminen on monimutkainen ja monivaiheinen prosessi, mutta monikäyttöinen STEVAL-ASTRA1B-kehitysalusta tekee siitä yksinkertaisempaa. Koska piirilevyllä on kaikki tarvittava laitteisto ja ohjelmistot, se tarjoaa nopean ja helpon tavan visualisoida langattoman transponderin keräämät tiedot verkkokäyttöliittymässä tai mobiilisovelluksella. Kuten artikkelissa näytetään, kehittäjät voivat muokata tämän langattoman tiedonkeruulaitteen seuranta- tai valvontasovellukseensa sopivaksi käyttäen joustavia määritystyökaluja ilman ohjelmointia tai käyttäen automaattista ohjelmakoodin luontia.