【導讀】對于牲畜管理等農業(yè)經營活動、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊管理，以及工業(yè) 4.0 靈活生產操作，實時資產跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測必不可少。這是一個復雜的過程，涉及使用多個傳感器來監(jiān)測環(huán)境條件。此過程強調，為確保位置信息準確，資產必須支持多星系全球導航衛(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實時報告資產的位置和狀況，包括連接到云以支持集中監(jiān)測。同時，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。
對于牲畜管理等農業(yè)經營活動、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊管理，以及工業(yè) 4.0 靈活生產操作，實時資產跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測必不可少。這是一個復雜的過程，涉及使用多個傳感器來監(jiān)測環(huán)境條件。此過程強調，為確保位置信息準確，資產必須支持多星系全球導航衛(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實時報告資產的位置和狀況，包括連接到云以支持集中監(jiān)測。同時，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。
設計資產跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一項復雜的多學科活動，需要消耗許多資源和大量時間。除了硬件設計相當復雜外，數據還需要安全地連接到云端和移動設備，從而以可操作的格式提供產生的豐富信息。
當設計資產跟蹤系統(tǒng)時，設計人員可以借助開發(fā)套件和參考設計，簡化先進資產跟蹤應用的原型開發(fā)、測試和評估，而不必從一張白紙開始。本文將討論開發(fā)資產跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時所要考慮的 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用開發(fā)工具。
資產到底在哪里？
資產跟蹤的第一步是使用美國國家海洋電子協(xié)會 (NMEA) 數據格式收集當前位置信息。為了確保互操作性，所有 GPS 制造商都使用 NMEA 這一標準。標準 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)固定數據，包括三維坐標、狀態(tài)、使用的衛(wèi)星數量和其他數據
· GSA – 精度衰減因子 (DOP) 和主動衛(wèi)星
· GST – 位置誤差統(tǒng)計
· GSV – 可見衛(wèi)星數量以及每顆衛(wèi)星的偽隨機噪聲 (PRN) 碼、仰角、方位角和信噪比
· RMC – 位置、速度和時間
· ZDA – UTC 日、月、年，以及當地的時區(qū)偏移量
由于不同類型的 GPS 接收機可以使用同一接口，并且利用相應的語句可以輕松訪問特定數據集，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 數據只能提供有限的定位精度。有一些工具可以改善定位估計值，包括差分全球定位系統(tǒng) (DGPS) 服務，該服務向船載 GPS 導航設備提供校正信號。DGPS 使用海上無線電技術委員會 (RTCM) 協(xié)議來提供增強的定位數據。此外，星基增強系統(tǒng) (SBAS) 可用來提高位置信息的精度，這包括美國廣域增強系統(tǒng) (WAAS)、歐洲地球靜止軌道導航重疊系統(tǒng) (EGNOS)、亞洲多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng) (MSAS) 以及印度的區(qū)域 SBAS，即 GPS 輔助靜地軌道增強導航 (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），以實現(xiàn)高精度定位解決方案。（圖片來源：STMicroelectronics）
資產狀況如何？
在許多情況下，了解資產的位置只是其中一個難題。收集有關資產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狀態(tài)。根據需要，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、經過美國國家標準與技術研究所 (NIST) 可溯源校準，并按照 IATF 16949:2016 標準的要求進行了驗證。
· 壓力傳感器 - 緊湊且堅固耐用的微機電系統(tǒng) (MEMS) 壓阻式絕對傳感器可用作數字輸出氣壓計，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)。應對其進行溫度補償，使得在 20% 至 80% rH 范圍內的精度為 ±3.5% rH。
· 慣性測量裝置 (IMU) - 包括基于 MEMS 的 3D 加速度計和 3D 陀螺儀，用于確定資產是在移動還是處于靜止狀態(tài)。
· 加速度計 - 例如基于 MEMS 的三軸線性加速度計，用以測量資產遭受的沖擊和振動。
安全連接
一旦確定了資產的位置和狀況，就應該將這些信息傳送出去。根據具體情況，可能需要兼具長距離和短距離安全連接。就 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重連接資產跟蹤平臺而言，主板上的多個系統(tǒng)元件支持實現(xiàn)連接和安全性，包括（圖 2）：
· STM32WB5MMG 是一款經過認證的 2.4 GHz 無線模塊，集成了 STM32WB 雙核 Arm? Cortex?-M4/M0+、晶體和帶匹配網絡的芯片天線。該模塊包含低功耗藍牙 (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。標準版射頻前端支持 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)行安全數據管理和認證。此元件用于支持資產跟蹤等物聯(lián)網 (IoT) 網絡，并且包含安全操作系統(tǒng)和安全微控制器。
圖 2：STEVAL-ASTRA1B 資產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 和用于安全運行的 STSAFE-A110。（圖片來源：STMicroelectronics）
資產跟蹤開發(fā)環(huán)境
資產跟蹤應用的開發(fā)人員可以考慮使用 STMicroelectronics 的STEVAL-ASTRA1B 軟硬件開發(fā)套件和參考設計，其有助于高級資產跟蹤系統(tǒng)的原型開發(fā)、測試和評估（圖 3）。STEVAL-ASTRA1B 以 STM32WB5MMG 模塊和 STM32WL55JC SoC 為基礎構建，二者相結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 范圍內最大精度為 ±0.5°C，提供 16 位溫度數據輸出。校準支持 NIST 溯源，器件 100% 通過測試和驗證，測試和驗證所用設備根據 IATF 16949:2016 標準進行校準。
· LPS22HHTR – MEMS 壓阻式絕對壓力傳感器，用作
數字輸出氣壓計，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 位壓力數據輸出。
· 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 范圍內濕度精度為 ±3.5% rH，在 +15°C 到 +40°C 范圍內溫度精度為 ±0.5°C。
· LIS2DTW12TR – MEMS 三軸線性加速度計和溫度傳感器，提供用戶可選的 ±2g/±4g/±8g/±16g 滿量程，可測量加速度，輸出數據率為 1.6 Hz 至 1600 Hz。
· LSM6DSO32XTR – IMU 模塊，含有一個始終開啟的 32 g 3D 數字加速度計和一個 3D 數字陀螺儀，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) 負載開關；以及能在發(fā)生故障時保護電池的電路。
· TCPP01-M12 USB Type-C? 端口保護 IC，包括：VBUS 過壓保護，可在 5 V 至 22 V 之間調節(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 (OVP)；以及連接器引腳 CC1 和 CC2 的系統(tǒng)級靜電放電 (ESD) 保護，符合 IEC 61000-4-2 4 級標準。
軟件和固件庫
STEVAL-ASTRA1B 含有或可提供各種用于開發(fā)資產跟蹤應用的軟件和固件。實例包括：
· FP-ATR-ASTRA1 功能包可實現(xiàn)完整的資產跟蹤應用，已包括在 STEVAL-ASTRA1B 中。該功能包從 GNSS 接收器獲得定位數據，從環(huán)境和運動傳感器讀取數據，并利用 BLE 和 LoRaWAN 連接將數據發(fā)送到云端。功能包中包括車隊管理、牲畜監(jiān)測、貨物監(jiān)測和物流等可定制用例。
· STAssetTracking 應用可以遠程配置支持 BLE、Sigfox 或 NFC 的資產跟蹤設備。其可用來啟用特定傳感器的數據記錄，并設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 定位服務及運動和環(huán)境傳感器的數據進行了優(yōu)化。該儀表盤可以繪制實時或歷史位置數據和傳感器值，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 支持的資產跟蹤云應用。（圖片來源：STMicroelectronics）
總結
資產跟蹤是牲畜監(jiān)測、車隊管理和物流等應用需要的一項關鍵而復雜的功能。如本文所述，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 軟硬件開發(fā)套件和參考設計包括加快高性能資產跟蹤設備設計所需的 GNSS 定位服務、全套環(huán)境和運動傳感器、電源管理元件以及全套軟件和固件。
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