如何为牲畜监控、车队管理和工业 4.0 物流设计多连接跟踪系统

实时资产跟踪和状态监测在畜牧管理、食品和药品冷链仓储、车队管理以及工业 4.0 灵活生产运营等农业运营中至关重要。这是一个复杂的过程，涉及多个传感器来监测环境条件。它强调，该资产受制于多星座全球导航卫星系统（GNSS）能力，包括GPS，伽利略，Glonass，北斗和QZSS，以确保准确的位置信息。此外，多连接解决方案提供资产位置和状况的及时通信，无论周围环境如何，包括与云的连接以支持集中监控。此外，它需要节能以最大限度地减少对电池电源的需求，并且系统必须安全且免受黑客攻击。

设计资产跟踪和状态监测系统是一项复杂的多学科活动，会消耗大量资源并花费大量时间。除了与硬件设计相关的复杂性外，数据还需要安全地连接到云和移动设备，以便以可操作的格式提供生成的大量信息。

设计人员在设计资产跟踪系统时不必从空白页开始，而是可以转向开发套件和参考设计，以简化原型设计、测试和评估高级资产跟踪应用。本文将回顾开发资产跟踪和状态监测系统时的GNSS、传感器、连接性和其他考虑因素，然后介绍意法半导体的综合开发套件，其中包括用于各种类型传感器、GNSS定位和通信功能的多个印刷电路板。该套件还包括电池和高级电源管理，以最大限度地延长电池寿命，软件和固件库以及应用开发工具。

资产在世界的什么地方？

跟踪资产的第一步是使用国家海洋电子协会 （NMEA） 数据格式收集当前位置信息。NMEA 是所有 GPS 制造商用来确保互操作性的标准。标准 NMEA 消息格式称为句子。NMEA 定义了几个句子来提供各种类型的信息，包括：

GGA – 全球定位系统固定数据，包括 3D 坐标、状态、使用的卫星数量和其他数据

GSA – 精确稀释 （DOP） 和有源卫星

GST – 位置误差统计

GSV – 视野中的卫星数量以及每颗卫星的伪随机噪声 （PRN） 数量、仰角、方位角和信噪比

RMC – 位置、速度和时间

ZDA – UTC 日、月、年以及本地时区偏移量

使用NMEA简化了定位软件开发，因为通用接口可用于各种类型的GPS接收器，并且可以使用相应的句子轻松访问特定的数据集。

如何提高准确性？

原始 GNSS 数据仅提供有限的位置精度。可用于改进位置估计的工具，包括差分全球定位系统（DGPS）服务，该服务为船上的GPS导航设备提供校正信号。DGPS使用海事无线电技术委员会（RTCM）协议来提供增强的位置数据。此外，基于卫星的增强系统（SBAS）可用于提高位置信息的准确性，包括美国的广域增强系统（WAAS），欧洲地球静止导航叠加系统（EGNOS），亚洲的多功能卫星增强系统（MSAS）和印度的区域SBAS的GPS辅助GEO增强导航（GAGAN）（图1）。

资产的状况如何？

在许多情况下，了解资产的位置只是拼图的一部分。收集有关资产状况的信息非常重要，包括其物理状态以及资产是移动还是静止。根据需要，可以部署各种传感器，包括：

温度传感器的工作范围为 -40°C 至 +125°C，精度高，校准符合美国国家标准与技术研究院 （NIST） 可追溯，并符合 IATF 16949：2016 标准的要求。

压力传感器 - 紧凑而坚固的微机电系统（MEMS）压阻式绝对传感器可用作数字输出气压计，绝对压力范围为260至1260百帕斯卡（hPa），也称为毫巴。它需要高度精确并包括温度补偿。

湿度传感器的工作温度范围为 -40°C 至 +120°C，湿度测量范围为 0 至 100% 相对湿度 （rH）。在 3% 至 5% 相对湿度范围内，应以 ±20.80% rH 的精度进行温度补偿。

惯性测量单元 （IMU），包括基于 MEMS 的 3D 加速度计和 3D 陀螺仪，用于确定资产是移动还是静止。

加速度计类似于基于MEMS的三轴线性加速度计，用于测量资产的冲击和振动暴露。

安全连接

一旦确定了资产的位置和状况，就该传达这些信息了。根据具体情况，这可能需要远程和短距离安全连接的组合。在意法半导体的STEVAL-ASTRA1B多连接资产跟踪平台中，连接性和安全性由主板上的多个系统元件支持，包括（图2）：

STM32WB5MMG是一款经过认证的2.4 GHz无线模块，集成了STM32WB双核Arm® Cortex-M4®/M0+、晶体和芯片天线以及匹配网络。它包括低功耗蓝牙（BLE）堆栈，并支持Open Thread，Zigbee和其他2.4 GHz协议。

STM32WL55JC提供远距离无线连接。它还包括一个双核Arm Cortex-M4 / M0 +，可以支持GFSK，LoRa等协议。标准版本的射频前端支持 868、915 和 920 MHz 频段。更改某些组件可使模块支持较低的频率。

STSAFE-A110安全元件连接到STM32WB5MMG，实现安全的数据管理和认证。它旨在支持资产跟踪等物联网 （IoT） 网络，并包括一个安全的操作系统和安全的微控制器。

资产跟踪开发环境

资产跟踪应用的开发人员可以使用意法半导体的STEVAL-ASTRA1B硬件和软件开发套件和参考设计，帮助对高级资产跟踪系统进行原型设计、测试和评估（图3）。STEVAL-ASTRA1B围绕STM32WB5MMG模块和STM32WL55JC SoC构建，结合了短距离和远程连接（BLE，LoRa和2.4 GHz以及sub-1 GHz专有协议）。对于NFC连接，可以使用ST25DV64K。STSAFE-A110支持安全操作，Teseo-LIV3F GNSS模块提供室外定位。

GNSS定位接收机兼容六个系统，包括GPS，Galileo，GLONASS，北斗，QZSS和NavIC（也称为IRNSS）。该系统还包括WAAS，EGNOS，MSAS，WAAS和GAGAN SBAS支持。包括一个陷波滤波器，用于抗干扰。

包括用于状态监测的各种传感器，包括（图 4）：

STTS22HTR – 数字温度传感器，可在 -40°C 至 +125°C 范围内使用，在 -0°C 至 +5°C 范围内最大精度为 ±10.60°C，并提供 16 位温度数据输出。校准是NIST可追溯的，设备经过100%的测试和验证，设备根据IATF 16949：2016标准校准。

LPS22HHTR – MEMS压阻式绝对压力传感器，用作

数字输出气压计，可测量 260 至 1260 hPa 的绝对压力。它具有 0.5 hPa 的绝对压力精度和 0.65 Pa 的低压传感器噪声，可产生 24 位压力数据输出。

HTS221TR – 相对湿度和温度传感器。它可以测量 0 至 100% rH，灵敏度为 0.004% rH/最低有效位 （LSB），湿度精度为 ±3.5% rH（20 至 +80 % rH），温度精度为 ±0.5°C （+15°C 至 +40°C）。

LIS2DTW12TR – MEMS三轴线性加速度计和温度传感器，用户可选择±2g/±4g/±8g/±16g满量程，可以测量1.6 Hz至1600 Hz输出数据速率的加速度。

LSM6DSO32XTR - 一个 IMU 模块，具有始终开启的 32 g 3D 数字加速度计和一个 3D 数字陀螺仪，量程为 ±4/±8/±16/±32 g 满量程，角度范围为 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 （dps） 满量程。

电源管理对于无线跟踪设备非常重要。为了确保较长的电池寿命，STEVAL-ASTRA1B包括广泛的电源管理组件，例如：

ST1PS02D1QTR 400毫安（mA）同步降压转换器，输入电压范围为1.8 V至5.5 V，输入静态电流为500纳安（nA），输入电压为3.6 V，典型效率为92%。

STBC03JR电池电源管理和充电器IC，包括用于单节锂离子（Li-ion）电池的线性电池充电器部分，该部分使用恒流/恒压（CC/CV）充电算法、150 mA低压差稳压器（LDO）、两个单刀双掷（SPDT）负载开关和电路，可在故障条件下保护电池。

TCPP01-M12USB Type-C® 端口保护 IC，包括可在 5 V 至 22 V 范围内调节的 VBUS 过压保护（使用外部 N 沟道 MOSFET）、CC 线路上的 6.0 V 过压保护 （OVP）（防止 VBUS 短路）和符合 IEC 1-2-61000 4 级连接器引脚 CC2 和 CC4 的系统级静电放电 （ESD） 保护。

软件和固件库

包括或提供广泛的软件和固件，用于使用STEVAL-ASTRA1B开发资产跟踪应用程序。示例包括：

FP-ATR-ASTRA1功能包实现了完整的资产跟踪应用程序，并包含在STEVAL-ASTRA1B中。功能包从 GNSS 接收器获取定位数据， 从环境和运动传感器读取数据， 并使用 BLE 和 LoRaWAN 连接将它们发送到云.包括车队管理、牲畜监控、货物监控和物流的可定制用例。

STAssetTracking应用程序可以远程配置支持BLE，Sigfox或NFC的资产跟踪设备。它可用于启用特定传感器的数据记录，并设置阈值触发器以启动和停止记录。

DSH-ASSETRACKING 仪表板是一个由亚马逊网络服务 （AWS） 提供支持的云应用程序，它提供了一个直观的界面，该界面经过优化，用于收集、可视化和分析来自 GNSS 定位服务以及运动和环境传感器的数据。仪表板可以绘制实时或历史位置数据和传感器值，并监控环境条件和事件（图 5）。

总结

资产跟踪是牲畜监控、车队管理和物流所需的关键而复杂的功能。如图所示，意法半导体的STEVAL-ASTRA1B硬件和软件开发套件和参考设计包括GNSS定位服务、全系列环境和运动传感器、电源管理以及加速高性能资产跟踪设备设计所需的全套软件和固件。

审核编辑 黄宇