Entwicklung von mehrfachvernetzten Bestandsüberwachungssystemen für die Überwachung von Viehbeständen, Flottenmanagement und Industrie-4.0-Logistik

Bestands- und Zustandsüberwachung in Echtzeit sind in landwirtschaftlichen Betrieben wie der Viehwirtschaft, der Kühlkettenlagerung von Lebensmitteln und Arzneimitteln, der Verwaltung von Fahrzeugflotten und flexiblen Produktionsbetrieben im Bereich Industrie 4.0 unerlässlich. Es ist ein komplexer Prozess, bei dem mehrere Sensoren zur Überwachung der Umweltbedingungen eingesetzt werden. Das System muss über ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS) mit mehreren Konstellationen verfügen, darunter GPS, Galileo, Glonass, BeiDou und QZSS, um genaue Standortinformationen zu gewährleisten. Darüber hinaus bieten Mehrfachvernetzungslösungen eine zeitnahe Kommunikation des Standorts und des Zustands der Anlage, unabhängig von der Umgebung, einschließlich der Anbindung an die Cloud zur Unterstützung der zentralen Überwachung. Außerdem muss es energieeffizient sein, um den Bedarf an Batteriestrom zu minimieren, und das System muss sicher und gegen Hackerangriffe geschützt sein.

Die Entwicklung eines Systems zur Bestands- und Zustandsüberwachung ist eine komplexe, multidisziplinäre Tätigkeit, die viele Ressourcen verbraucht und viel Zeit in Anspruch nimmt. Neben der Komplexität des Hardware-Designs müssen die Daten sicher mit der Cloud und mobilen Geräten verbunden werden, um die Vielzahl der generierten Informationen in verwertbaren Formaten verfügbar zu machen.

Anstatt bei der Entwicklung von Systemen zur Bestandsüberwachung mit einem leeren Blatt Papier zu beginnen, können Entwickler auf Entwicklungskits und Referenzdesigns zurückgreifen, die das Prototyping, Testen und Bewerten von modernen Anwendungen zur Bestandsüberwachung vereinfachen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über GNSS, Sensoren, Vernetzung und andere Überlegungen bei der Entwicklung von Bestandsüberwachungs- und Zustandsüberwachungssystemen und stellt dann ein umfassendes Entwicklungskit von STMicroelectronics vor, das mehrere Boards für verschiedene Arten von Sensoren, GNSS-Positionierung und Kommunikationsfunktionen enthält. Das Kit enthält außerdem eine Batterie und ein erweitertes Energiemanagement zur Maximierung der Batterielebensdauer, Software- und Firmware-Bibliotheken sowie Tools zur Anwendungsentwicklung.

Wo in der Welt befindet sich mein Bestand?

Der erste Schritt bei der Verfolgung von Beständen besteht in der Erfassung aktueller Standortinformationen unter Verwendung des Datenformats der National Marine Electronics Association (NMEA). NMEA ist der von allen GPS-Herstellern verwendete Standard, um die Interoperabilität zu gewährleisten. Das Standard-NMEA-Meldungsformat wird als Satz bezeichnet. NMEA definiert mehrere Sätze, um verschiedene Arten von Informationen zu liefern, darunter:

• GGA - Fixdaten des globalen Positionierungssystems, einschließlich 3D-Koordinaten, Status, Anzahl der verwendeten Satelliten und andere Daten
• GSA - Verdünnung der Präzision (DOP) und aktive Satelliten
• GST - Positionsfehlerstatistik
• GSV - Anzahl der Satelliten im Sichtfeld und Pseudozufallsrauschen (PRN), Höhe, Azimut und Signal-Rausch-Verhältnis für jeden Satelliten
• RMC - Position, Geschwindigkeit und Zeit
• ZDA - UTC-Tag, -Monat und -Jahr sowie Offset der lokalen Zeitzone

Die Verwendung von NMEA vereinfacht die Entwicklung von Ortungssoftware, da eine gemeinsame Schnittstelle für verschiedene Arten von GPS-Empfängern verwendet werden kann und der Zugriff auf bestimmte Datensätze mit dem entsprechenden Satz leicht möglich ist.

Wie kann die Genauigkeit verbessert werden?

GNSS-Rohdaten bieten nur eine begrenzte Standortgenauigkeit. Es gibt Hilfsmittel zur Verbesserung der Standortbestimmung, darunter das Differential Global Positioning System (DGPS), das Korrektursignale für GPS-Navigationsgeräte an Bord von Schiffen liefert. DGPS verwendet das Protokoll der Radio Technical Commission for Maritime (RTCM), um erweiterte Standortdaten zu liefern. Darüber hinaus stehen satellitengestützte Erweiterungssysteme (SBAS) zur Verfügung, um die Genauigkeit der Positionsdaten zu verbessern, darunter das Wide Area Augmentation System (WAAS) in Amerika, das European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), das Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) in Asien und GPS-gestützte GEO-augmentierte erweiterte Navigation (GAGAN), ein regionales SBAS in Indien (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der GNSS-Multikonstellationsempfänger TESEO LIV3F enthält eine Reihe von Tools, darunter DGPS, SBAS und RTCM (unten links), die hochgenaue Ortungslösungen ermöglichen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

In welchem Zustand befindet sich der Bestand?

In vielen Fällen ist die Kenntnis des Standorts des Bestands nur ein Teil des Puzzles. Es kann wichtig sein, Informationen über den Zustand des Bestands zu sammeln, einschließlich seines physischen Zustands und ob er sich bewegt oder gestanden hat. Je nach Bedarf können verschiedene Sensoren eingesetzt werden, darunter:

• Temperatursensoren mit einem Betriebsbereich von -40°C bis +125°C, hoher Genauigkeit und einer Kalibrierung, die gemäß der Norm IATF 16949:2016 vom National Institute of Standards and Technology (NIST) rückführbar und verifiziert ist.
• Drucksensoren - ein kompakter und robuster piezoresistiver MEMS-Absolutsensor kann als Barometer mit digitalem Ausgang und einem Absolutdruckbereich von 260 bis 1260 Hektopascal (hPa), auch Millibar genannt, verwendet werden. Sie müssen sehr genau sein und eine Temperaturkompensation beinhalten.
• Feuchtesensoren mit einem Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +120°C und einem Messbereich von 0 bis 100% relativer Luftfeuchtigkeit (rH). Sie sollten temperaturkompensiert sein mit einer Genauigkeit von ±3,5% rH von 20 bis 80% rH.
• Trägheitsmesseinheiten (IMU) mit einem MEMS-basierten 3D-Beschleunigungsmesser und 3D-Gyroskop, um festzustellen, ob sich das Objekt bewegt oder steht.
• Beschleunigungssensoren wie ein MEMS-basierter dreiachsiger linearer Beschleunigungssensor zur Messung der Schock- und Vibrationseinwirkung auf den Bestand.

Sichere Vernetzung

Sobald der Standort und der Zustand des Objekts bestimmt wurden, ist es an der Zeit, diese Informationen zu übermitteln. Je nach den Umständen kann dies eine Kombination aus sicherer Lang- und Kurzstrecken-Vernetzung erfordern. Im Falle der mehrfachvernetzten Plattform STEVAL-ASTRA1B von STMicroelectronics für die Bestandsüberwachung werden Vernetzung und Sicherheit durch mehrere Systemelemente auf der Hauptplatine unterstützt, darunter (Abbildung 2):

• Das STM32WB5MMG ist ein zertifiziertes 2,4-GHz-Wireless-Modul, das den Dual-Core-Arm®-Cortex®-M4/M0+-Prozessor STM32WB, Quarze und eine Chip-Antenne mit einem Anpassungsnetzwerk enthält. Es enthält einen BLE-Stack (Bluetooth Low Energy) und unterstützt Open Thread, Zigbee und andere 2,4-GHz-Protokolle.
• Der STM32WL55JC bietet drahtlose Verbindungen mit großer Reichweite. Er enthält außerdem einen Dual-Core-Arm-Cortex-M4/M0+ und unterstützt Protokolle wie GFSK, LoRa und andere. Das HF-Frontend der Standardversion unterstützt die Bänder 868, 915 und 920 MHz. Durch die Änderung einiger Komponenten kann das Modul niedrigere Frequenzen unterstützen.
• Das sichere Element STSAFE-A110 ist mit dem STM32WB5MMG verbunden und dient der sicheren Datenverwaltung und Authentifizierung. Er ist für die Unterstützung von IoT-Netzwerken (Internet der Dinge), wie z. B. der Bestandsüberwachung, konzipiert und enthält ein sicheres Betriebssystem und einen sicheren Mikrocontroller.

Abbildung 2: Die Hauptplatine der Bestandsüberwachungsplattform STEVAL-ASTRA1B enthält den STM32WB5MMG für die Nahbereichsvernetzung, den STM32WL55JC für die Weitbereichsvernetzung und den STSAFE-A110 für den sicheren Betrieb. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Entwicklungsumgebung für die Bestandsüberwachung

Entwickler von Anwendungen zur Bestandsüberwachung können das Hardware- und Software-Entwicklungskit und Referenzdesign STEVAL-ASTRA1B von STMicroelectronics verwenden, das die Erstellung von Prototypen, das Testen und die Evaluierung moderner Bestandsüberwachungssysteme erleichtert (Abbildung 3). Der STEVAL-ASTRA1B basiert auf dem Modul STM32WB5MMG und dem SoC STM32WL55JC, die für Kurz- und Langstrecken-Vernetzung (BLE, LoRa und proprietäre 2,4-GHz- und Sub-1-GHz-Protokolle) kombiniert werden. Für NFC-Verbindungen ist das ST25DV64K erhältlich. Der STSAFE-A110 unterstützt den sicheren Betrieb, und das GNSS-Modul Teseo-LIV3F ermöglicht die Positionsbestimmung im Freien.

Abbildung 3: Die Plattform STEVAL-ASTRA1B umfasst alle Hardware-, Firmware- und Software-Tools, die für die Entwicklung moderner Tracking-Systeme erforderlich sind. (Bildquelle: DigiKey)

Der GNSS-Positionsempfänger ist mit sechs Systemen kompatibel, darunter GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS und NavIC (auch IRNSS genannt). Das System unterstützt auch WAAS, EGNOS, MSAS und GAGAN SBASs. Ein Sperrfilter ist zum Schutz vor Störungen enthalten.

Für die Zustandsüberwachung steht eine breite Palette von Sensoren zur Verfügung (Abbildung 4):

• STTS22HTR - ein digitaler Temperatursensor, der von -40°C bis +125°C mit einer maximalen Genauigkeit von ±0,5°C von -10°C bis +60°C und einem 16-Bit-Temperaturdatenausgang eingesetzt werden kann. Die Kalibrierung ist NIST-rückführbar, und das Gerät wird zu 100 % mit Geräten getestet und verifiziert, die gemäß der Norm IATF 16949:2016 kalibriert sind.
• LPS22HHTR - ein piezoresistiver MEMS-Absolutdrucksensor, der als
• Barometer mit digitalem Ausgang verwendet wird, der einen Absolutdruck von 260 bis 1260 hPa messen kann. Er zeichnet sich durch eine Absolutdruckgenauigkeit von 0,5 hPa und ein Niederdruck-Sensorrauschen von 0,65 Pa aus und liefert einen 24-Bit-Druckdatenausgang.
• HTS221TR - ein Sensor für relative Luftfeuchtigkeit (rF) und Temperatur. Er kann 0 bis 100 % rF mit einer Empfindlichkeit von 0,004 % rF/kleinstem signifikanten Bit (LSB), einer Luftfeuchtigkeitsgenauigkeit von ±3,5 % rF von 20 bis +80 % rF und einer Temperaturgenauigkeit von ±0,5 °C von +15 °C bis +40 °C messen.
• LIS2DTW12TR - ein MEMS-Drei-Achsen-Linearbeschleunigungsmesser und Temperatursensor mit vom Benutzer wählbaren Vollskalen von ±2g/±4g/±8g/±16g, der Beschleunigungen mit Ausgangsdatenraten von 1,6 Hz bis 1600 Hz messen kann.
• LSM6DSO32XTR - ein Trägheitsmessmodul mit einem ständig eingeschalteten digitalen 32g-Beschleunigungsmesser und einem digitalen 3D-Gyroskop mit Messbereichen von ±4/±8/±16/±32 g und einem Winkelbereich von ±125/±250/±500/±1000/±2000 Grad pro Sekunde (dps).

Abbildung 4: Die Hauptplatine des STEVAL-ASTRA1B enthält eine ganze Reihe von Sensoren (links), die Systemplatine (gelber Kasten) und GNSS-Netzwerkelemente (TESEO LIV3F und Antenne unten rechts). (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Energieverwaltung ist wichtig für drahtlose Ortungsgeräte. Um eine lange Akkulaufzeit zu gewährleisten, enthält das STEVAL-ASTRA1B umfangreiche Energiemanagement-Komponenten:

• Ein synchroner Abwärtswandler ST1PS02D1QTR für 400 Milliampere (mA) mit einem Eingangsspannungsbereich von 1,8 V bis 5,5 V, 500 Nanoampere (nA) Eingangsruhestrom bei einer Eingangsspannung von 3,6 V und einem typischen Wirkungsgrad von 92 %.
• Akku-Energiemanagement- und -Lade-IC STBC03JR, der einen linearen Akkuladeteil für einzellige Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und einem Ladealgorithmus mit konstantem Strom/konstanter Spannung (CC/CV) enthält, einen 150-mA-Regler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO), zwei einpolige Wechselschalter (SPDT) und eine Schaltung zum Schutz des Akkus bei Störungen.
• USB-Typ-C®-Portschutz-IC TCPP01-M12, einschließlich VBUS-Überspannungsschutz, der von 5 V bis 22 V einstellbar ist (mit einem externen N-Kanal-MOSFET), 6,0 V Überspannungsschutz (OVP) auf CC-Leitungen gegen Kurzschluss des VBUS und Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) auf Systemebene für die Anschlusspins CC1 und CC2 gemäß IEC 61000-4-2 Stufe 4.

Software und Firmware-Bibliotheken

Eine breite Palette von Software und Firmware ist enthalten oder verfügbar für die Entwicklung von Anwendungen zur Bestandsüberwachung mit dem STEVAL-ASTRA1B. Beispiele sind:

• Das FP-ATR-ASTRA1 Funktionspaket implementiert eine vollständige Anwendung zur Bestandsüberwachung und ist im Lieferumfang des STEVAL-ASTRA1B enthalten. Das Funktionspaket erhält Positionsdaten vom GNSS-Empfänger, liest die Daten von den Umgebungs- und Bewegungssensoren und sendet sie über BLE- und LoRaWAN-Verbindungen an die Cloud. Anpassbare Anwendungsfälle für Flottenmanagement, Viehüberwachung, Warenüberwachung und Logistik sind enthalten.
• Die Anwendung STAssetTracking kann ein BLE-, Sigfox- oder NFC-fähiges Gerät zur Bestandsüberwachung aus der Ferne konfigurieren. Sie kann verwendet werden, um die Datenaufzeichnung für bestimmte Sensoren zu aktivieren und Schwellenwertauslöser zum Starten und Stoppen der Aufzeichnung festzulegen.
• Das Dashboard DSH-ASSETRACKING ist eine AWS-gestützte (Amazon Web Services) Cloud-Anwendung, die eine intuitive Schnittstelle bietet, die für das Sammeln, Visualisieren und Analysieren von Daten aus GNSS-Ortungsdiensten sowie Bewegungs- und Umgebungssensoren optimiert ist. Das Dashboard kann Echtzeit- oder historische Positionsdaten und Sensorwerte aufzeichnen und Umgebungsbedingungen und Ereignisse überwachen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Dashboard DSH-ASSETRACKING ist eine AWS-gestützte Cloud-Anwendung für die Asset-Verfolgung. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Zusammenfassung

Die Bestandsüberwachung ist eine wichtige und komplexe Funktion, die für die Überwachung von Viehbeständen, das Flottenmanagement und die Logistik benötigt wird. Wie gezeigt, enthält das Hardware- und Software-Entwicklungskit und Referenzdesign STEVAL-ASTRA1B von STMicroelectronics die GNSS-Ortungsdienste, eine ganze Reihe von Umgebungs- und Bewegungssensoren, Energiemanagement und eine vollständige Palette von Software und Firmware, die für die Entwicklung von Hochleistungsgeräten zur Bestandsüberwachung erforderlich sind.