Come progettare sistemi di tracciatura multiconnettività per il monitoraggio del bestiame, la gestione delle flotte e la logistica dell'Impresa 4.0

La tracciabilità delle risorse e il monitoraggio delle condizioni in tempo reale sono essenziali nelle operazioni agricole come la gestione del bestiame, lo stoccaggio della catena del freddo per alimenti e prodotti farmaceutici, la gestione di flotte di veicoli e le operazioni di produzione flessibili dell'Impresa 4.0. Si tratta di un processo complesso che coinvolge più sensori per monitorare le condizioni ambientali. Si impernia sul fatto che una risorsa dipende dalle funzionalità di un sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) multicostellazione, tra cui GPS, Galileo, Glonass, BeiDou e QZSS, per garantire informazioni precise sulla posizione. Inoltre, le soluzioni multi-connettività forniscono una comunicazione tempestiva della posizione e delle condizioni della risorsa indipendentemente dall'ambiente circostante, compresa la connettività al cloud per supportare il monitoraggio centralizzato. Deve anche essere ad alta efficienza energetica per ridurre al minimo il fabbisogno di alimentazione a batteria e il sistema deve essere sicuro e protetto dagli hacker.

La progettazione di un sistema di tracciabilità patrimoniale e di monitoraggio delle condizioni è un'attività multidisciplinare complessa che richiede molte risorse e molto tempo. Oltre alle complessità associate alla progettazione dell'hardware, i dati devono essere collegati in modo sicuro al cloud e ai dispositivi mobili per rendere fruibile la ricchezza di informazioni generate in formati utilizzabili.

Invece di iniziare a tabula rasa quando si progettano sistemi di tracciabilità delle risorse, i progettisti possono rivolgersi a kit di sviluppo e progetti di riferimento che semplificano la prototipazione, il test e la valutazione di applicazioni avanzate allo scopo. Questo articolo passa in rassegna il GNSS, i sensori, la connettività e altri fattori da considerare quando si sviluppano sistemi di tracciabilità delle risorse e di monitoraggio delle condizioni, per poi presentare un kit di sviluppo completo di STMicroelectronics che comprende più schede a circuiti stampati per vari tipi di sensori, posizionamento GNSS e capacità di comunicazione. Il kit comprende anche una batteria e la gestione avanzata del consumo energetico per massimizzare la durata della batteria, librerie software e firmware e strumenti di sviluppo delle applicazioni.

Dov'è una risorsa?

Il primo passo per la localizzazione delle risorse è la raccolta delle informazioni sulla posizione corrente utilizzando il formato di dati NMEA (National Marine Electronics Association). NMEA è lo standard utilizzato da tutti i produttori di GPS per garantire l'interoperabilità. Il formato standard dei messaggi NMEA è la frase. NMEA definisce diverse frasi per fornire vari tipi di informazioni, tra cui:

• GGA - dati fissi del sistema di posizionamento globale, comprese le coordinate 3D, lo stato, il numero di satelliti utilizzati e altri dati
• GSA - diluizione della precisione (DOP) e satelliti attivi
• GST - statistiche sugli errori di posizione
• GSV - numero di satelliti in vista e numero di rumore pseudocasuale (PRN), altitudine, azimut e rapporto segnale/rumore per ogni satellite
• RMC - posizione, velocità e tempo
• ZDA - giorno, mese e anno UTC e differenza del fuso orario locale

L'uso di NMEA semplifica lo sviluppo del software di localizzazione, poiché è possibile utilizzare un'interfaccia comune per vari tipi di ricevitori GPS e accedere facilmente a set di dati specifici utilizzando la frase corrispondente.

Come si può migliorare la precisione?

I dati GNSS grezzi forniscono una precisione di localizzazione limitata. Sono disponibili strumenti per migliorare la stima della posizione, tra cui il servizio fornito da DGPS (Differential Global Positioning System) che fornisce segnali di correzione alle apparecchiature di navigazione GPS a bordo delle navi. DGPS utilizza il protocollo RTCM (Radio Technical Commission for Maritime) per fornire dati di localizzazione avanzati. Inoltre, per migliorare l'accuratezza delle informazioni sulla posizione sono disponibili sistemi di incremento satellitare (SBAS), tra cui Wide Area Augmentation System (WAAS) in America, European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) in Asia e GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN), un tipo di SBAS regionale in India (Figura 1).

Figura 1: Il ricevitore GNSS multicostellazione TESEO LIV3F comprende una serie di strumenti, tra cui DGPS, SBAS e RTCM (in basso a sinistra), per consentire soluzioni di localizzazione estremamente precise. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Qual è la condizione della risorsa?

In molti casi, conoscere l'ubicazione di una risorsa è solo una tessera del puzzle. Può essere importante raccogliere informazioni sulle sue condizioni, compreso il suo stato fisico e se è o è stata in movimento o se è ferma. A seconda delle esigenze, è possibile utilizzare diversi sensori, tra cui:

• Sensore di temperatura con un intervallo di funzionamento da -40 a +125 °C, elevata precisione e calibrazione tracciabile dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e verificata come richiesto dallo standard IATF 16949:2016.
• Sensore di pressione, un sensore assoluto piezoresistivo compatto e robusto in sistema microelettromeccanico (MEMS) utile come barometro con uscita digitale con un intervallo di pressione assoluta da 260 a 1260 hPa (detti anche millibar). Deve essere estremamente preciso e includere la compensazione della temperatura.
• Sensore di umidità con un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +120 °C e un intervallo di misurazione dell'umidità da 0 a 100% (RH). Deve essere compensato in temperatura con una precisione di ±3,5% RH da 20 a 80% RH.
• Unità di misura inerziale (IMU) comprendente un accelerometro 3D e un giroscopio 3D basati su MEMS per determinare se la risorsa è in movimento o ferma.
• Accelerometro ad esempio di tipo lineare a tre assi basato su MEMS per misurare l'esposizione della risorsa a urti e vibrazioni.

Connettività sicura

Una volta determinate la posizione e le condizioni della risorsa, è il momento di comunicare queste informazioni. A seconda delle circostanze, questo può richiedere una combinazione di connettività sicura a lungo e corto raggio. Nel caso della piattaforma STEVAL-ASTRA1B di STMicroelectronics per la tracciabilità delle risorse a connettività multipla, la connettività e la sicurezza sono supportate da diversi elementi di sistema sulla scheda principale, tra cui (Figura 2):

• STM32WB5MMG è un modulo wireless certificato a 2,4 GHz che integra un STM32WB dual core ARM® Cortex®-M4/M0+, cristalli e un'antenna a chip con rete di adattamento. Include uno stack Bluetooth Low Energy (BLE) e supporta Open Thread, Zigbee e altri protocolli a 2,4 GHz.
• STM32WL55JC offre connettività wireless a lungo raggio. Include anche un ARM Cortex-M4/M0+ dual core e può supportare protocolli come GFSK, LoRa e altri. Il front-end RF della versione standard supporta le bande a 868, 915 e 920 MHz. La modifica di alcuni componenti consente al modulo di supportare frequenze più basse.
• L'elemento sicuro STSAFE-A110 si connette a STM32WB5MMG per la gestione e l'autenticazione sicura dei dati. È stato progettato per supportare le reti per Internet delle cose (IoT), come la tracciabilità delle risorsa, e comprende un sistema operativo e un microcontroller sicuro.

Figura 2: La scheda principale della piattaforma di tracciabilità delle risorse STEVAL-ASTRA1B comprende STM32WB5MMG per la connettività a corto raggio, STM32WL55JC per la connettività a lungo raggio e STSAFE-A110 per il funzionamento sicuro. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Ambiente di sviluppo per la tracciabilità delle risorse

Gli sviluppatori di applicazioni di tracciabilità patrimoniale possono rivolgersi al kit di sviluppo hardware e software STEVAL-ASTRA1B di STMicroelectronics e al progetto di riferimento che facilita la prototipazione, il test e la valutazione di sistemi avanzati a tale scopo (Figura 3). STEVAL-ASTRA1B è costruito attorno al modulo STM32WB5MMG e al SoC STM32WL55JC che si combinano per la connettività a corto e lungo raggio (BLE, LoRa e protocolli proprietari a 2,4 GHz e sub-1 GHz). Per la connettività NFC è disponibile il modello ST25DV64K. STSAFE-A110 supporta il funzionamento sicuro e il modulo GNSS Teseo-LIV3F garantisce il posizionamento all'aperto.

Figura 3: La piattaforma STEVAL-ASTRA1B comprende tutti gli strumenti hardware, firmware e software necessari per sviluppare sistemi di tracciabilità avanzati. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il ricevitore di posizionamento GNSS è compatibile con sei sistemi, tra cui GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS e NavIC (detto anche IRNSS). Il sistema comprende anche il supporto di WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS e GAGAN SBAS. È incluso un filtro notch per contrastare il jamming.

Per il monitoraggio delle condizioni è inclusa un'ampia gamma di sensori, tra cui (Figura 4):

• STTS22HTR, un sensore di temperatura digitale da -40 a +125 °C con una precisione massima di ±0,5 °C da -10 a +60 °C e un'uscita dati di temperatura a 16 bit. La calibrazione è tracciabile NIST e il dispositivo è testato e verificato al 100% con apparecchiature calibrate secondo lo standard IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR, un sensore di pressione assoluta piezoresistivo MEMS, utilizzato come
• barometro con uscita digitale in grado di misurare la pressione assoluta da 260 a 1260 hPa. È dotato di una precisione di pressione assoluta di 0,5 hPa e di un rumore a bassa pressione di 0,65 Pa, producendo un'uscita di dati di pressione a 24 bit.
• HTS221TR, sensore di umidità relativa e temperatura. Può misurare da 0 a 100% RH con una sensibilità di 0,004% RH/bit meno significativo (LSB), un'accuratezza di umidità di ±3,5% RH da 20 a +80% RH e un'accuratezza di temperatura di ±0,5 °C da +15 a +40 °C.
• LIS2DTW12TR, un accelerometro lineare MEMS a tre assi e sensore di temperatura con fondo scala selezionabile dall'utente di ±2/±4/±8/±16 g, in grado di misurare l'accelerazione con velocità di uscita da 1,6 a 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR, un modulo IMU dotato di un accelerometro digitale 3D da 32 g sempre attivo e di un giroscopio digitale 3D con intervalli di ±4/±8/±16/±32 g a fondo scala e un intervallo angolare di ±125/±250/±500/±1000/±2000 dps a fondo scala.

Figura 4: La scheda principale di STEVAL-ASTRA1B comprende una gamma completa di sensori (a sinistra), la scheda di sistema (riquadro giallo) e gli elementi di connettività GNSS (TESEO LIV3F e antenna, in basso a destra). (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

La gestione dell'alimentazione è importante per i dispositivi di tracciatura wireless. Per la lunga durata della batteria, STEVAL-ASTRA1B include componenti di gestione dell'alimentazione come:

• Convertitore step-down sincrono ST1PS02D1QTR da 400 mA con un intervallo della tensione di ingresso compreso tra 1,8 e 5,5 V, corrente di quiescenza in ingresso di 500 nA a una tensione di ingresso di 3,6 V ed efficienza tipica del 92%.
• Il CI di gestione dell'alimentazione e del caricabatterie STBC03JR comprende una sezione di caricabatterie lineare per batterie agli ioni di litio (Li-ion) a cella singola che utilizza un algoritmo di carica a corrente costante/tensione costante (CC/CV), un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) da 150 mA, due interruttori di carico unipolari a due vie (SPDT) e un circuito di protezione della batteria in caso di guasto.
• CI di protezione della porta USB Type-C® TCPP01-M12, che include protezione da sovratensione VBUS regolabile da 5 a 22 V (con un MOSFET esterno a canale N), protezione da sovratensione (OVP) di 6,0 V sulle linee CC contro il cortocircuito di VBUS e protezione da scariche elettrostatiche (ESD) a livello di sistema per i pin del connettore CC1 e CC2 conforme a IEC 61000-4-2 livello 4.

Librerie software e firmware

È inclusa o disponibile un'ampia gamma di opzioni software e firmware per lo sviluppo di applicazioni di tracciabilità delle risorse con STEVAL-ASTRA1B. Gli esempi includono:

• Il pacchetto di funzioni FP-ATR-ASTRA1 implementa un'applicazione completa di tracciabilità delle risorsa ed è incluso in STEVAL-ASTRA1B. Il pacchetto di funzioni riceve i dati di posizionamento dal ricevitore GNSS, legge i dati dai sensori ambientali e di movimento e li invia al cloud utilizzando la connettività BLE e LoRaWAN. Sono inclusi casi d'uso personalizzabili per la gestione delle flotte, il monitoraggio del bestiame, il monitoraggio delle merci e la logistica.
• L'applicazione STAssetTracking può configurare a distanza un dispositivo di tracciabilità delle risorse compatibile con BLE, Sigfox o NFC. Può essere utilizzato per abilitare la registrazione dei dati per sensori specifici e impostare trigger di soglia per avviare e interrompere la registrazione.
• Il dashboard DSH-ASSETRACKING è un'applicazione cloud di Amazon Web Services (AWS) che fornisce un'interfaccia intuitiva ottimizzata per la raccolta, la visualizzazione e l'analisi dei dati provenienti dai servizi di localizzazione GNSS e dai sensori di movimento e ambientali. Il dashboard può tracciare i dati di posizione e i valori dei sensori in tempo reale o storici e monitorare le condizioni ambientali e gli eventi (Figura 5).

Figura 5: Il dashboard DSH-ASSETRACKING è un'applicazione cloud basata su AWS per la tracciabilità delle risorse. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Conclusione

La tracciabilità delle risorse è una funzione critica e complessa necessaria per il monitoraggio del bestiame, la gestione delle flotte e la logistica. Come illustrato, il kit di sviluppo hardware e software STEVAL-ASTRA1B e il progetto di riferimento di STMicroelectronics includono i servizi di localizzazione GNSS, una gamma completa di sensori ambientali e di movimento, la gestione dell'alimentazione e una serie completa di software e firmware necessari per accelerare la progettazione di dispositivi di tracciabilità delle risorse ad alte prestazioni.