如何设计用于牲畜监测、车队管理和工业 4．0 物流的多重连接跟踪系统

作者：Jeff Shepard

对于牲畜管理等农业经营活动、食品和药品冷链仓储、车队管理，以及工业 4.0 灵活生产操作，实时资产跟踪和状态监测必不可少。这是一个复杂的过程，涉及使用多个传感器来监测环境条件。此过程强调，为确保位置信息准确，资产必须支持多星系全球导航卫星系统 (GNSS) 功能，包括 GPS、Galileo、Glonass、北斗和 QZSS。此外，无论周围环境如何，多重连接解决方案都必须能够实时报告资产的位置和状况，包括连接到云以支持集中监测。同时，还需要节能，以最大程度减少对电池电量的需求，并且系统必须安全可靠，能阻止黑客入侵。

设计资产跟踪和状态监测系统是一项复杂的多学科活动，需要消耗许多资源和大量时间。除了硬件设计相当复杂外，数据还需要安全地连接到云端和移动设备，从而以可操作的格式提供产生的丰富信息。

当设计资产跟踪系统时，设计人员可以借助开发套件和参考设计，简化先进资产跟踪应用的原型开发、测试和评估，而不必从一张白纸开始。本文将讨论开发资产跟踪和状态监测系统时所要考虑的 GNSS、传感器、连接及其他因素，然后介绍 STMicroelectronics 的一款综合开发套件，其中包括用于各类传感器、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。

资产到底在哪里？

资产跟踪的第一步是使用美国国家海洋电子协会 (NMEA) 数据格式收集当前位置信息。为了确保互操作性，所有 GPS 制造商都使用 NMEA 这一标准。标准 NMEA 信息格式称为语句。NMEA 定义了多个语句来提供不同类型的信息，包括：

· GGA – 全球定位系统固定数据，包括三维坐标、状态、使用的卫星数量和其他数据
· GSA – 精度衰减因子 (DOP) 和主动卫星
· GST – 位置误差统计
· GSV – 可见卫星数量以及每颗卫星的伪随机噪声 (PRN) 码、仰角、方位角和信噪比
· RMC – 位置、速度和时间
· ZDA – UTC 日、月、年，以及当地的时区偏移量

由于不同类型的 GPS 接收机可以使用同一接口，并且利用相应的语句可以轻松访问特定数据集，因此使用 NMEA 可简化定位软件的开发。

如何提高精度？

原始 GNSS 数据只能提供有限的定位精度。有一些工具可以改善定位估计值，包括差分全球定位系统 (DGPS) 服务，该服务向船载 GPS 导航设备提供校正信号。DGPS 使用海上无线电技术委员会 (RTCM) 协议来提供增强的定位数据。此外，星基增强系统 (SBAS) 可用来提高位置信息的精度，这包括美国广域增强系统 (WAAS)、欧洲地球静止轨道导航重叠系统 (EGNOS)、亚洲多功能卫星增强系统 (MSAS) 以及印度的区域 SBAS，即 GPS 辅助静地轨道增强导航 (GAGAN)（图 1）。

图 1：TESEO LIV3F 多星系 GNSS 接收器包括一套工具，例如 DGPS、SBAS 和 RTCM（左下），以实现高精度定位解决方案。（图片来源：STMicroelectronics）

资产状况如何？

在许多情况下，了解资产的位置只是其中一个难题。收集有关资产状况的信息可能也很重要，这些信息包括其物理状态以及是在移动还是处于静止状态。根据需要，可以部署各种传感器，包括：

· 温度传感器 - 工作温度范围为 -40°C 至 +125°C、高精度、经过美国国家标准与技术研究所 (NIST) 可溯源校准，并按照 IATF 16949:2016 标准的要求进行了验证。
· 压力传感器 - 紧凑且坚固耐用的微机电系统 (MEMS) 压阻式绝对传感器可用作数字输出气压计，其绝对压力范围为 260 至 1260 hPa（也称为毫巴）。此传感器必须高度精确，并包含温度补偿。
· 湿度传感器 - 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)。应对其进行温度补偿，使得在 20% 至 80% rH 范围内的精度为 ±3.5% rH。
· 惯性测量装置 (IMU) - 包括基于 MEMS 的 3D 加速度计和 3D 陀螺仪，用于确定资产是在移动还是处于静止状态。
· 加速度计 - 例如基于 MEMS 的三轴线性加速度计，用以测量资产遭受的冲击和振动。

安全连接

一旦确定了资产的位置和状况，就应该将这些信息传送出去。根据具体情况，可能需要兼具长距离和短距离安全连接。就 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重连接资产跟踪平台而言，主板上的多个系统元件支持实现连接和安全性，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+、晶体和带匹配网络的芯片天线。该模块包含低功耗蓝牙 (BLE) 协议栈，并支持 Open Thread、Zigbee 和其他 2.4 GHz 协议。
· STM32WL55JC 提供长距离无线连接。其也包含双核 Arm Cortex-M4/M0+，并且支持 GFSK、LoRa 等协议。标准版射频前端支持 868、915 和 920 MHz 频段。若更换一些元器件，该模块可以支持更低的频率。
· STSAFE-A110 安全元件连接到 STM32WB5MMG，用于执行安全数据管理和认证。此元件用于支持资产跟踪等物联网 (IoT) 网络，并且包含安全操作系统和安全微控制器。

图 2：STEVAL-ASTRA1B 资产跟踪平台的主板包括用于短距离连接的 STM32WB5MMG、用于长距离连接的 STM32WL55JC 和用于安全运行的 STSAFE-A110。（图片来源：STMicroelectronics）

资产跟踪开发环境

资产跟踪应用的开发人员可以考虑使用 STMicroelectronics 的STEVAL-ASTRA1B 软硬件开发套件和参考设计，其有助于高级资产跟踪系统的原型开发、测试和评估（图 3）。STEVAL-ASTRA1B 以 STM32WB5MMG 模块和 STM32WL55JC SoC 为基础构建，二者相结合以提供短距离和长距离连接（BLE、LoRa 以及 2.4 GHz 和 sub-1-GHz 专有协议）。如需 NFC 连接，可以使用 ST25DV64K。STSAFE-A110 支持安全运行，而 Teseo-LIV3F GNSS 模块则提供户外定位。

图 3：STEVAL-ASTRA1B 平台包括高级跟踪系统开发所需的所有硬件、固件和软件工具。（图片来源：Digi-Key）

该 GNSS 定位接收器与 GPS、Galileo、GLONASS、北斗、QZSS 和 NavIC（也称为 IRNSS）等六个系统兼容。该系统还包括 WAAS、EGNOS、MSAS、WAAS 和 GAGAN SBAS 支持。系统中有一个陷波滤波器用于抗干扰。

还包括一系列用于状态监测的传感器（图 4）：

· STTS22HTR – 数字温度传感器，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，在 -10°C 至 +60°C 范围内最大精度为 ±0.5°C，提供 16 位温度数据输出。校准支持 NIST 溯源，器件 100% 通过测试和验证，测试和验证所用设备根据 IATF 16949:2016 标准进行校准。
· 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。其绝对压力精度为 0.5 hPa，压力传感器噪声低至 0.65 Pa，提供 24 位压力数据输出。
· HTS221TR – 相对湿度和温度传感器。其可以测量 0 到 100% 的 rH，灵敏度为 0.004% rH/最低有效位 (LSB)，在 20% 到 +80% rH 范围内湿度精度为 ±3.5% rH，在 +15°C 到 +40°C 范围内温度精度为 ±0.5°C。
· LIS2DTW12TR – MEMS 三轴线性加速度计和温度传感器，提供用户可选的 ±2g/±4g/±8g/±16g 满量程，可测量加速度，输出数据率为 1.6 Hz 至 1600 Hz。
· LSM6DSO32XTR – IMU 模块，含有一个始终开启的 32 g 3D 数字加速度计和一个 3D 数字陀螺仪，范围为 ±4/±8/±16/±32g 满量程，角度范围为 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 (dps) 满量程。

图 4：STEVAL-ASTRA1B 的主板包括全套传感器（左）、系统板（黄框）和 GNSS 连接元件（右下方的 TESEO LIV3F 和天线）。（图片来源：STMicroelectronics）

电源管理对于无线跟踪设备非常重要。为确保电池续航力持久，STEVAL-ASTRA1B 包含许多电源管理元器件，例如：

· ST1PS02D1QTR 400 mA 同步降压转换器，输入电压范围为 1.8 V 至 5.5 V，输入电压为 3.6 V 时输入静态电流为 500 nA，典型效率为 92%。
· STBC03JR 电池电源管理和充电器 IC，包括：一个用于单节锂离子 (Li-ion) 电池的线性电池充电器部分，采用恒流/恒压 (CC/CV) 充电算法；一个 150 mA 低压差稳压器 (LDO)；两个单刀双掷 (SPDT) 负载开关；以及能在发生故障时保护电池的电路。
· TCPP01-M12 USB Type-C® 端口保护 IC，包括：VBUS 过压保护，可在 5 V 至 22 V 之间调节（通过外部 N 沟道 MOSFET）；CC 线路上防范 VBUS 短路的 6.0 V 过压保护 (OVP)；以及连接器引脚 CC1 和 CC2 的系统级静电放电 (ESD) 保护，符合 IEC 61000-4-2 4 级标准。

软件和固件库

STEVAL-ASTRA1B 含有或可提供各种用于开发资产跟踪应用的软件和固件。实例包括：

· FP-ATR-ASTRA1 功能包可实现完整的资产跟踪应用，已包括在 STEVAL-ASTRA1B 中。该功能包从 GNSS 接收器获得定位数据，从环境和运动传感器读取数据，并利用 BLE 和 LoRaWAN 连接将数据发送到云端。功能包中包括车队管理、牲畜监测、货物监测和物流等可定制用例。
· STAssetTracking 应用可以远程配置支持 BLE、Sigfox 或 NFC 的资产跟踪设备。其可用来启用特定传感器的数据记录，并设置开始和停止记录的触发阈值。
· DSH-ASSETRACKING 仪表盘是一款由 Amazon Web Services (AWS) 支持的云应用，提供了一个直观的界面，针对收集、可视化和分析来自 GNSS 定位服务及运动和环境传感器的数据进行了优化。该仪表盘可以绘制实时或历史位置数据和传感器值，并可监测环境条件和事件（图 5）。

图 5：DSH-ASSETRACKING 仪表盘是一款 AWS 支持的资产跟踪云应用。（图片来源：STMicroelectronics）

总结

资产跟踪是牲畜监测、车队管理和物流等应用需要的一项关键而复杂的功能。如本文所述，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 软硬件开发套件和参考设计包括加快高性能资产跟踪设备设计所需的 GNSS 定位服务、全套环境和运动传感器、电源管理元件以及全套软件和固件。