如何設(shè)計(jì)用于牲畜監(jiān)測、車隊(duì)管理和工業(yè) 4．0 物流的多重連接跟蹤系統(tǒng)

對于牲畜管理等農(nóng)業(yè)經(jīng)營活動、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊(duì)管理，以及工業(yè) 4.0 靈活生產(chǎn)操作，實(shí)時(shí)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測必不可少。這是一個復(fù)雜的過程，涉及使用多個傳感器來監(jiān)測環(huán)境條件。此過程強(qiáng)調(diào)，為確保位置信息準(zhǔn)確，資產(chǎn)必須支持多星系全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 功能，包括 GPS、Galileo、Glonass、北斗和 QZSS。此外，無論周圍環(huán)境如何，多重連接解決方案都必須能夠?qū)崟r(shí)報(bào)告資產(chǎn)的位置和狀況，包括連接到云以支持集中監(jiān)測。同時(shí)，還需要節(jié)能，以最大程度減少對電池電量的需求，并且系統(tǒng)必須安全可靠，能阻止黑客入侵。

對于牲畜管理等農(nóng)業(yè)經(jīng)營活動、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊(duì)管理，以及工業(yè) 4.0 靈活生產(chǎn)操作，實(shí)時(shí)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測必不可少。這是一個復(fù)雜的過程，涉及使用多個傳感器來監(jiān)測環(huán)境條件。此過程強(qiáng)調(diào)，為確保位置信息準(zhǔn)確，資產(chǎn)必須支持多星系全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 功能，包括 GPS、Galileo、Glonass、北斗和 QZSS。此外，無論周圍環(huán)境如何，多重連接解決方案都必須能夠?qū)崟r(shí)報(bào)告資產(chǎn)的位置和狀況，包括連接到云以支持集中監(jiān)測。同時(shí)，還需要節(jié)能，以最大程度減少對電池電量的需求，并且系統(tǒng)必須安全可靠，能阻止黑客入侵。
設(shè)計(jì)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的多學(xué)科活動，需要消耗許多資源和大量時(shí)間。除了硬件設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜外，數(shù)據(jù)還需要安全地連接到云端和移動設(shè)備，從而以可操作的格式提供產(chǎn)生的豐富信息。
當(dāng)設(shè)計(jì)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以借助開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，簡化先進(jìn)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的原型開發(fā)、測試和評估，而不必從一張白紙開始。本文將討論開發(fā)資產(chǎn)跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)所要考慮的 GNSS、傳感器、連接及其他因素，然后介紹 STMicroelectronics 的一款綜合開發(fā)套件，其中包括用于各類傳感器、GNSS 定位和通信功能的多個印刷電路板。該套件還包括電池和高級電源管理（以最大限度地延長電池壽命）、軟件和固件庫以及應(yīng)用開發(fā)工具。
資產(chǎn)到底在哪里？
資產(chǎn)跟蹤的第一步是使用美國國家海洋電子協(xié)會 (NMEA) 數(shù)據(jù)格式收集當(dāng)前位置信息。為了確保互操作性，所有 GPS 制造商都使用 NMEA 這一標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn) NMEA 信息格式稱為語句。NMEA 定義了多個語句來提供不同類型的信息，包括：
· GGA – 全球定位系統(tǒng)固定數(shù)據(jù)，包括三維坐標(biāo)、狀態(tài)、使用的衛(wèi)星數(shù)量和其他數(shù)據(jù)
· GSA – 精度衰減因子 (DOP) 和主動衛(wèi)星
· GST – 位置誤差統(tǒng)計(jì)
· GSV – 可見衛(wèi)星數(shù)量以及每顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲 (PRN) 碼、仰角、方位角和信噪比
· RMC – 位置、速度和時(shí)間
· ZDA – UTC 日、月、年，以及當(dāng)?shù)氐臅r(shí)區(qū)偏移量
由于不同類型的 GPS 接收機(jī)可以使用同一接口，并且利用相應(yīng)的語句可以輕松訪問特定數(shù)據(jù)集，因此使用 NMEA 可簡化定位軟件的開發(fā)。
如何提高精度？
原始 GNSS 數(shù)據(jù)只能提供有限的定位精度。有一些工具可以改善定位估計(jì)值，包括差分全球定位系統(tǒng) (DGPS) 服務(wù)，該服務(wù)向船載 GPS 導(dǎo)航設(shè)備提供校正信號。DGPS 使用海上無線電技術(shù)委員會 (RTCM) 協(xié)議來提供增強(qiáng)的定位數(shù)據(jù)。此外，星基增強(qiáng)系統(tǒng) (SBAS) 可用來提高位置信息的精度，這包括美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng) (WAAS)、歐洲地球靜止軌道導(dǎo)航重疊系統(tǒng) (EGNOS)、亞洲多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) (MSAS) 以及印度的區(qū)域 SBAS，即 GPS 輔助靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航 (GAGAN)（圖 1）。

圖 1：TESEO LIV3F 多星系 GNSS 接收器包括一套工具，例如 DGPS、SBAS 和 RTCM（左下），以實(shí)現(xiàn)高精度定位解決方案。（圖片來源：STMicroelectronics）

資產(chǎn)狀況如何？
在許多情況下，了解資產(chǎn)的位置只是其中一個難題。收集有關(guān)資產(chǎn)狀況的信息可能也很重要，這些信息包括其物理狀態(tài)以及是在移動還是處于靜止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)需要，可以部署各種傳感器，包括：
· 溫度傳感器 - 工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C、高精度、經(jīng)過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 可溯源校準(zhǔn)，并按照 IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行了驗(yàn)證。
· 壓力傳感器 - 緊湊且堅(jiān)固耐用的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 壓阻式絕對傳感器可用作數(shù)字輸出氣壓計(jì)，其絕對壓力范圍為 260 至 1260 hPa（也稱為毫巴）。此傳感器必須高度精確，并包含溫度補(bǔ)償。
· 濕度傳感器 - 工作溫度范圍為 -40°C 至 +120°C，濕度測量范圍為 0 至 100% 相對濕度 (rH)。應(yīng)對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得在 20% 至 80% rH 范圍內(nèi)的精度為 ±3.5% rH。
· 慣性測量裝置 (IMU) - 包括基于 MEMS 的 3D 加速度計(jì)和 3D 陀螺儀，用于確定資產(chǎn)是在移動還是處于靜止?fàn)顟B(tài)。
· 加速度計(jì) - 例如基于 MEMS 的三軸線性加速度計(jì)，用以測量資產(chǎn)遭受的沖擊和振動。
安全連接
一旦確定了資產(chǎn)的位置和狀況，就應(yīng)該將這些信息傳送出去。根據(jù)具體情況，可能需要兼具長距離和短距離安全連接。就 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重連接資產(chǎn)跟蹤平臺而言，主板上的多個系統(tǒng)元件支持實(shí)現(xiàn)連接和安全性，包括（圖 2）：
· STM32WB5MMG 是一款經(jīng)過認(rèn)證的 2.4 GHz 無線模塊，集成了 STM32WB 雙核 Arm? Cortex?-M4/M0+、晶體和帶匹配網(wǎng)絡(luò)的芯片天線。該模塊包含低功耗藍(lán)牙 (BLE) 協(xié)議棧，并支持 Open Thread、Zigbee 和其他 2.4 GHz 協(xié)議。
· STM32WL55JC 提供長距離無線連接。其也包含雙核 Arm Cortex-M4/M0+，并且支持 GFSK、LoRa 等協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)版射頻前端支持 868、915 和 920 MHz 頻段。若更換一些元器件，該模塊可以支持更低的頻率。
· STSAFE-A110 安全元件連接到 STM32WB5MMG，用于執(zhí)行安全數(shù)據(jù)管理和認(rèn)證。此元件用于支持資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)，并且包含安全操作系統(tǒng)和安全微控制器。

圖 2：STEVAL-ASTRA1B 資產(chǎn)跟蹤平臺的主板包括用于短距離連接的 STM32WB5MMG、用于長距離連接的 STM32WL55JC 和用于安全運(yùn)行的 STSAFE-A110。（圖片來源：STMicroelectronics）

資產(chǎn)跟蹤開發(fā)環(huán)境
資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的開發(fā)人員可以考慮使用 STMicroelectronics 的STEVAL-ASTRA1B 軟硬件開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，其有助于高級資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的原型開發(fā)、測試和評估（圖 3）。STEVAL-ASTRA1B 以 STM32WB5MMG 模塊和 STM32WL55JC SoC 為基礎(chǔ)構(gòu)建，二者相結(jié)合以提供短距離和長距離連接（BLE、LoRa 以及 2.4 GHz 和 sub-1-GHz 專有協(xié)議）。如需 NFC 連接，可以使用 ST25DV64K。STSAFE-A110 支持安全運(yùn)行，而 Teseo-LIV3F GNSS 模塊則提供戶外定位。

圖 3：STEVAL-ASTRA1B 平臺包括高級跟蹤系統(tǒng)開發(fā)所需的所有硬件、固件和軟件工具。（圖片來源：Digi-Key）

該 GNSS 定位接收器與 GPS、Galileo、GLONASS、北斗、QZSS 和 NavIC（也稱為 IRNSS）等六個系統(tǒng)兼容。該系統(tǒng)還包括 WAAS、EGNOS、MSAS、WAAS 和 GAGAN SBAS 支持。系統(tǒng)中有一個陷波濾波器用于抗干擾。
還包括一系列用于狀態(tài)監(jiān)測的傳感器（圖 4）：
· STTS22HTR – 數(shù)字溫度傳感器，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，在 -10°C 至 +60°C 范圍內(nèi)最大精度為 ±0.5°C，提供 16 位溫度數(shù)據(jù)輸出。校準(zhǔn)支持 NIST 溯源，器件 100% 通過測試和驗(yàn)證，測試和驗(yàn)證所用設(shè)備根據(jù) IATF 16949:2016 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。
· LPS22HHTR – MEMS 壓阻式絕對壓力傳感器，用作
數(shù)字輸出氣壓計(jì)，可測量 260 至 1260 hPa 的絕對壓力。其絕對壓力精度為 0.5 hPa，壓力傳感器噪聲低至 0.65 Pa，提供 24 位壓力數(shù)據(jù)輸出。
· HTS221TR – 相對濕度和溫度傳感器。其可以測量 0 到 100% 的 rH，靈敏度為 0.004% rH/最低有效位 (LSB)，在 20% 到 +80% rH 范圍內(nèi)濕度精度為 ±3.5% rH，在 +15°C 到 +40°C 范圍內(nèi)溫度精度為 ±0.5°C。
· LIS2DTW12TR – MEMS 三軸線性加速度計(jì)和溫度傳感器，提供用戶可選的 ±2g/±4g/±8g/±16g 滿量程，可測量加速度，輸出數(shù)據(jù)率為 1.6 Hz 至 1600 Hz。
· LSM6DSO32XTR – IMU 模塊，含有一個始終開啟的 32 g 3D 數(shù)字加速度計(jì)和一個 3D 數(shù)字陀螺儀，范圍為 ±4/±8/±16/±32g 滿量程，角度范圍為 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 (dps) 滿量程。

圖 4：STEVAL-ASTRA1B 的主板包括全套傳感器（左）、系統(tǒng)板（黃框）和 GNSS 連接元件（右下方的 TESEO LIV3F 和天線）。（圖片來源：STMicroelectronics）

電源管理對于無線跟蹤設(shè)備非常重要。為確保電池續(xù)航力持久，STEVAL-ASTRA1B 包含許多電源管理元器件，例如：
· ST1PS02D1QTR 400 mA 同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V，輸入電壓為 3.6 V 時(shí)輸入靜態(tài)電流為 500 nA，典型效率為 92%。
· STBC03JR 電池電源管理和充電器 IC，包括：一個用于單節(jié)鋰離子 (Li-ion) 電池的線性電池充電器部分，采用恒流/恒壓 (CC/CV) 充電算法；一個 150 mA 低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)；兩個單刀雙擲 (SPDT) 負(fù)載開關(guān)；以及能在發(fā)生故障時(shí)保護(hù)電池的電路。
· TCPP01-M12 USB Type-C? 端口保護(hù) IC，包括：VBUS 過壓保護(hù)，可在 5 V 至 22 V 之間調(diào)節(jié)（通過外部 N 溝道 MOSFET）；CC 線路上防范 VBUS 短路的 6.0 V 過壓保護(hù) (OVP)；以及連接器引腳 CC1 和 CC2 的系統(tǒng)級靜電放電 (ESD) 保護(hù)，符合 IEC 61000-4-2 4 級標(biāo)準(zhǔn)。
軟件和固件庫
STEVAL-ASTRA1B 含有或可提供各種用于開發(fā)資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的軟件和固件。實(shí)例包括：
· FP-ATR-ASTRA1 功能包可實(shí)現(xiàn)完整的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，已包括在 STEVAL-ASTRA1B 中。該功能包從 GNSS 接收器獲得定位數(shù)據(jù)，從環(huán)境和運(yùn)動傳感器讀取數(shù)據(jù)，并利用 BLE 和 LoRaWAN 連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。功能包中包括車隊(duì)管理、牲畜監(jiān)測、貨物監(jiān)測和物流等可定制用例。
· STAssetTracking 應(yīng)用可以遠(yuǎn)程配置支持 BLE、Sigfox 或 NFC 的資產(chǎn)跟蹤設(shè)備。其可用來啟用特定傳感器的數(shù)據(jù)記錄，并設(shè)置開始和停止記錄的觸發(fā)閾值。
· DSH-ASSETRACKING 儀表盤是一款由 Amazon Web Services (AWS) 支持的云應(yīng)用，提供了一個直觀的界面，針對收集、可視化和分析來自 GNSS 定位服務(wù)及運(yùn)動和環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化。該儀表盤可以繪制實(shí)時(shí)或歷史位置數(shù)據(jù)和傳感器值，并可監(jiān)測環(huán)境條件和事件（圖 5）。

圖 5：DSH-ASSETRACKING 儀表盤是一款 AWS 支持的資產(chǎn)跟蹤云應(yīng)用。（圖片來源：STMicroelectronics）

總結(jié)
資產(chǎn)跟蹤是牲畜監(jiān)測、車隊(duì)管理和物流等應(yīng)用需要的一項(xiàng)關(guān)鍵而復(fù)雜的功能。如本文所述，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 軟硬件開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)包括加快高性能資產(chǎn)跟蹤設(shè)備設(shè)計(jì)所需的 GNSS 定位服務(wù)、全套環(huán)境和運(yùn)動傳感器、電源管理元件以及全套軟件和固件。