Come utilizzare i moduli GNSS per creare soluzioni location awareness per città intelligenti

I servizi location awareness (LAS) nelle città intelligenti si stanno diffondendo in vari settori, tra cui i servizi pubblici, i trasporti, la gestione del traffico, l'energia, la sanità, l'acqua e i rifiuti, creando città più sicure, più sostenibili e meglio connesse. In queste applicazioni è spesso necessario capire le distanze tra i dispositivi vicini. La domanda di funzionalità basate sulla posizione è in crescita nelle applicazioni LAS, grazie ai ricevitori di un sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) multicostellazione per i sistemi di navigazione satellitare Galileo in Europa, GPS negli Stati Uniti, GLONASS in Russia e BeiDou in Cina. I benefici dell'utilizzo di ricevitori GNSS multicostellazione includono una migliore disponibilità dei segnali di posizione, navigazione e temporizzazione (PNT), una maggiore precisione e integrità e una migliore robustezza. Ma lo sviluppo di ricevitori multicostellazione è complesso e richiede molto tempo.

Questo articolo passa in rassegna importanti considerazioni sulla progettazione del sistema quando si utilizzano ricevitori GNSS multicostellazione prima di presentare le piattaforme GNSS e gli ambienti di sviluppo di u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales e Arduino per lo sviluppo efficiente ed economico di applicazioni location awareness per città intelligenti.

I miglioramenti della tecnologia GNSS, in particolare la riduzione dei requisiti di potenza, hanno contribuito all'aumento dell'uso del GNSS e alla proliferazione dei LAS nelle applicazioni per città intelligenti. La riduzione del consumo energetico dei ricevitori GNSS è passata da 120 mW nel 2010 a 25 mW nel 2020 (Figura 1). In effetti, la domanda di potenza del ricevitore GNSS è diminuita più rapidamente rispetto alle esigenze di potenza della maggior parte degli altri componenti del sistema LAS. Le vecchie tecnologie GNSS erano energivore rispetto agli altri elementi del sistema. Oggi, il fabbisogno energetico del GNSS è spesso una minima percentuale della potenza disponibile complessiva.

Figura 1: Il consumo energetico dei ricevitori GNSS è diminuito da 120 mW nel 2010 a 25 mW nel 2020. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Sfide del consumo energetico

Se da un lato il consumo energetico dei ricevitori GNSS è diminuito drasticamente, dall'altro si è moltiplicata la complessità di creare una soluzione ottimale in termini di potenza/prestazioni. Non tutti i progetti LAS necessitano di stime continue della posizione GNSS o di elevati livelli di precisione di posizionamento. I progettisti dispongono di vari strumenti per ottimizzare le prestazioni e il consumo energetico del GNSS, tra cui l'ottimizzazione hardware e gli approcci basati sul firmware.

L'uso di componenti a basso consumo, in particolare amplificatori RF a basso rumore (LNA), oscillatori e clock in tempo reale (RTC), è il primo passo per sviluppare soluzioni GNSS a basso consumo. La scelta tra antenne attive e passive è un buon esempio. Le antenne passive sono più economiche e più efficienti, ma non soddisfano le esigenze di tutte le applicazioni. Un'antenna attiva può essere una buona scelta nei "canyon urbani", all'interno di edifici o in altri luoghi con una scarsa intensità del segnale. LNA nell'antenna attiva aumenta notevolmente la capacità di ricevere segnali deboli, ma consuma anche una quantità significativa di energia. Quando il consumo energetico è fondamentale e le dimensioni dell'antenna non sono molto importanti, un'antenna passiva più grande può spesso fornire le stesse prestazioni di un'antenna attiva più piccola, garantendo comunque elevati livelli di disponibilità e precisione di posizionamento.

La maggior parte dei ricevitori GNSS è in grado di fornire frequenze di aggiornamento di 10 Hz o superiori, ma la maggior parte delle applicazioni LAS funziona bene con frequenze di aggiornamento molto inferiori, che consumano meno energia. La selezione della frequenza di aggiornamento ottimale può avere il massimo impatto sul consumo energetico. Oltre alle considerazioni basate sull'hardware, i progettisti hanno a disposizione una serie di strumenti firmware per ottimizzare il consumo energetico, tra cui la frequenza di aggiornamento, il numero di costellazioni GNSS tracciate simultaneamente, il GNSS assistito e una serie di modalità di risparmio energetico (Figura 2).

Figura 2: Oltre a utilizzare la soluzione hardware più efficiente, i progettisti dispongono di diversi strumenti firmware per ottimizzare le prestazioni GNSS e il consumo energetico. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Può essere necessario tracciare più costellazioni GNSS contemporaneamente in ambienti difficili. Se da un lato la ricezione di segnali su diverse bande può garantire la determinazione della posizione, dall'altro aumenta il consumo energetico. È importante capire l'ambiente operativo specifico, in particolare la visuale libera del cielo, e utilizzare il numero minimo di segnali GNSS necessari per supportare le esigenze della particolare applicazione LAS.

La disattivazione della funzione GNSS consente di risparmiare la maggior parte dell'energia, ma comporta un avvio a freddo a ogni accensione. Il TTFF (Time-To-First-Fix) per un avvio a freddo può essere di 30 secondi o più, a seconda della disponibilità e della forza dei segnali GNSS e delle dimensioni e del posizionamento dell'antenna. Il GNSS assistito può ridurre il TTFF pur fornendo informazioni precise. Il GNSS assistito può essere implementato in diversi modi, tra cui la posizione attuale e prevista dei satelliti e i parametri di temporizzazione (chiamati "dati delle effemeridi"), l'almanacco e i dati precisi di correzione dell'ora e dello stato dei satelliti per i sistemi satellitari scaricati su Internet in tempo reale o a intervalli fino a diversi giorni. Alcuni ricevitori GNSS dispongono di una modalità autonoma che calcola internamente le previsioni dell'orbita GNSS, eliminando la necessità di dati e connettività esterni. Tuttavia, l'utilizzo della modalità autonoma può richiedere l'accensione periodica del ricevitore per scaricare i dati delle effemeridi correnti.

Modalità di risparmio energetico

Oltre alle opzioni di connettività come il GNSS assistito, molti ricevitori GNSS consentono ai progettisti di vagliare una serie di compromessi tra velocità di aggiornamento e consumo energetico, tra cui il tracciamento continuo, il tracciamento ciclico, il funzionamento on/off e il posizionamento istantaneo (Figura 3). La selezione della modalità di tracciamento ottimale è un'altra considerazione importante per definire le prestazioni di un'applicazione specifica. Se le condizioni operative cambiano, rendendo indisponibile la modalità di risparmio energetico ottimale, il sistema deve passare automaticamente alla modalità di risparmio energetico successiva per garantire il funzionamento continuo.

Figura 3: Le modalità operative a risparmio energetico devono essere abbinate alle velocità di aggiornamento richieste per ottimizzare le prestazioni del sistema GNSS. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Il tracciamento continuo è adatto alle applicazioni che richiedono pochi aggiornamenti al secondo. Il ricevitore GNSS acquisisce la sua posizione in questa modalità, stabilisce una posizione fissa, scarica i dati dell'almanacco e delle effemeridi, quindi passa alla modalità di tracciamento per ridurre il consumo energetico.

Il tracciamento ciclico comporta un intervallo di alcuni secondi tra gli aggiornamenti della posizione ed è utile quando i segnali e/o le antenne sono sufficientemente grandi da garantire che i segnali di posizione siano accessibili quando necessario. Per ulteriore risparmio energetico, si può far in modo che il tracciamento non richieda l'acquisizione di nuovi satelliti.

Il funzionamento on/off comporta la commutazione tra le attività di acquisizione/tracciamento e la modalità di sospensione. Il tempo di sospensione è in genere di diversi minuti e il funzionamento on/off richiede forti segnali GNSS per ridurre al minimo il TTFF e, quindi, il consumo energetico dopo ogni periodo di sospensione.

Il posizionamento istantaneo consente di risparmiare energia utilizzando il ricevitore GNSS per l'elaborazione locale del segnale e le risorse di cloud computing per l'elaborazione della stima della posizione, ad alta intensità di calcoli. Quando è disponibile una connessione a Internet, il posizionamento istantaneo può ridurre di dieci volte il consumo energetico del ricevitore GNSS. Questa soluzione può essere un'efficace strategia di risparmio energetico quando sono necessari solo pochi aggiornamenti di posizione al giorno.

L'antenna integrata supporta l'aumento del GNSS

I progettisti possono rivolgersi al modulo di antenna patch SAM-M8Q di u-blox per i sistemi che beneficiano della ricezione simultanea dei segnali GNSS GPS, Galileo e GLONASS (Figura 4). L'utilizzo di tre costellazioni contemporaneamente consente di ottenere un'elevata precisione di posizione in ambienti difficili come i canyon urbani o quando si ricevono segnali deboli. Per accelerare il posizionamento e migliorare l'accuratezza, il SAM-M8Q supporta funzioni di potenziamento, tra cui il sistema satellitare quasi zenitale (QZSS), la navigazione aumentata GEO assistita da GPS (GAGAN) e il sistema di messaggistica indoor (IMES), insieme al sistema di potenziamento per aree ampie (WAAS), al servizio di sovrapposizione della navigazione geostazionaria europea (EGNOS) e al sistema di potenziamento satellitare MTSAT (MSAS).

Figura 4: Il modulo SAM-M8Q supporta la ricezione simultanea di un massimo di tre sorgenti GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Il modulo SAM-M8Q può anche utilizzare il servizio di assistenza AssistNow di u-blox, che fornisce parametri di trasmissione GNSS, compresi i dati delle effemeridi, l'almanacco e l'ora o la posizione approssimativa, per ridurre in modo significativo il TTFF. La validità estesa dei dati AssistNow Offline (fino a 35 giorni) e AssistNow Autonomous (fino a 3 giorni) assicura un TTFF più rapido anche dopo un lungo periodo di tempo.

La piattaforma di sviluppo per Google Cloud IoT è un modo semplice per connettere e proteggere applicazioni PIC basate su MCU. La click board GNSS 4 di MikroElektronika contiene un modulo SAM-M8Q ed è progettata con la scheda di sviluppo PIC®-IoT WG di Microchip Technology per accelerare lo sviluppo di applicazioni LAS per città intelligenti (Figura 5). La scheda di sviluppo PIC-IoT WG offre ai clienti di Google Cloud IoT un modo per accelerare lo sviluppo di applicazioni sicure connesse al cloud. Inoltre, la scheda PIC-IoT WG offre ai progettisti strumenti di analisi e apprendimento automatico.

Figura 5: La click board GNSS 4 integra il modulo antenna patch SAM-M8Q di u-blox. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

GNSS multicostellazione e connettività wireless

Per i piccoli dispositivi LAS, come i tracker, che possono beneficiare del supporto GNSS multicostellazione (GPS/Galileo/ GLONASS) e della connettività LPWAN LTE globale da un unico modulo che sfrutta Rel. 14 2Gen Cat. M1/NB1/NB2, i progettisti possono rivolgersi al modulo Cinterion TX62 di Thales (Figura 6). Le dimensioni della soluzione possono essere ulteriormente ottimizzate grazie all'architettura flessibile del modulo che supporta l'esecuzione di applicazioni tramite un processore host o all'interno del modulo stesso tramite il processore integrato. TX62 supporta la modalità di risparmio energetico (PSM) 3GPP e la ricezione discontinua estesa (eDRx) per le applicazioni sensibili al consumo energetico. I tempi di sospensione PSM tendono a essere molto più lunghi di quelli eDRx. Questi tempi di sospensione più lunghi consentono al dispositivo di passare a una modalità di sospensione più profonda e a basso consumo energetico rispetto a eDRx. La potenza di sospensione PSM è inferiore a 10 µA, mentre quella eDRx arriva fino a 30 µA.

Figura 6: Il modulo IoT TX62 supporta le comunicazioni LTE-M, NB1 e NB2 e il GNSS multicostellazione. (Immagine per gentile concessione di Thales)

Le caratteristiche di sicurezza di TX62 includono l'archiviazione sicura delle chiavi e la gestione dei certificati per supportare l'iscrizione attendibile alle piattaforme cloud, proteggendo al contempo il dispositivo e i dati, oltre a identità attendibili pre-integrate nella radice di TX62 durante la produzione. Se necessario, i progettisti possono specificare una eSIM integrata opzionale per semplificare i processi logistici e produttivi e migliorare la flessibilità sul campo, grazie agli aggiornamenti dinamici degli abbonamenti e al provisioning remoto.

Lo sviluppo LAS nelle applicazioni Arduino Portenta H7 è semplificato grazie allo shield Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS (Figura 7). Lo shield combina la potenza dell'edge computing di Portenta H7 con la connettività di TX62 per lo sviluppo di applicazioni LAS di tracciamento delle risorse in movimento e di monitoraggio a distanza in applicazioni per città intelligenti, industriali, agricole, di pubblica utilità e in altri settori. Il modello base dello shield Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS non include un'antenna GSM/UMTS. Anziché cercare un'antenna compatibile, i progettisti possono utilizzare l'antenna impermeabile pentabanda a dipolo di Arduino.

Figura 7: Lo shield Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS include il modulo IoT TX62-W (grande quadrato giallo). (Immagine per gentile concessione di Arduino)

Ulteriori vantaggi dello shield Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS:

• Possibilità di modificare la connettività senza cambiare la scheda
• Aggiunta di posizionamento più NB-IoT, CAT.M1 a qualsiasi progetto basato su Portenta
• Riduzione significativa dei requisiti di larghezza di banda di comunicazione nei dispositivi IoT
• Ingombro compatto di 66 x 25,4 mm
• Funzionamento da -40 a +85 °C

Riepilogo

I progressi della tecnologia GNSS a bassa potenza e ad alte prestazioni sono i fattori che guidano la crescita delle applicazioni LAS per le per città intelligenti. Tuttavia, il semplice utilizzo dell'hardware ad alta efficienza energetica è solo il punto di partenza; è altrettanto importante ottimizzare il firmware per ottenere una soluzione ottimale ed efficiente. Per lo sviluppo di applicazioni LAS basate su GNSS è possibile scegliere tra numerose combinazioni di hardware e firmware e i progettisti possono ricorrere a una serie di strumenti di valutazione per accelerare lo sviluppo.