作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

對于牲畜管理等農業經營活動、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊管理，以及工業 4.0 靈活生產操作，實時資產跟蹤和狀態監測必不可少。這是一個復雜的過程，涉及使用多個傳感器來監測環境條件。此過程強調，為確保位置信息準確，資產必須支持多星系全球導航衛星系統 (GNSS) 功能，包括 GPS、Galileo、Glonass、北斗和 QZSS。此外，無論周圍環境如何，多重連接解決方案都必須能夠實時報告資產的位置和狀況，包括連接到云以支持集中監測。同時，還需要節能，以最大程度減少對電池電量的需求，并且系統必須安全可靠，能阻止黑客入侵。

設計資產跟蹤和狀態監測系統是一項復雜的多學科活動，需要消耗許多資源和大量時間。除了硬件設計相當復雜外，數據還需要安全地連接到云端和移動設備，從而以可操作的格式提供產生的豐富信息。

當設計資產跟蹤系統時，設計人員可以借助開發套件和參考設計，簡化先進資產跟蹤應用的原型開發、測試和評估，而不必從一張白紙開始。本文將討論開發資產跟蹤和狀態監測系統時所要考慮的 GNSS、傳感器、連接及其他因素，然后介紹 [STMicroelectronics] 的一款綜合[開發套件]，其中包括用于各類傳感器、GNSS 定位和通信功能的多個印刷電路板。該套件還包括電池和高級電源管理（以最大限度地延長電池壽命）、軟件和固件庫以及應用開發工具。

資產到底在哪里？

資產跟蹤的第一步是使用美國國家海洋電子協會 (NMEA) 數據格式收集當前位置信息。為了確保互操作性，所有 GPS 制造商都使用 NMEA 這一標準。標準 NMEA 信息格式稱為語句。NMEA 定義了多個語句來提供不同類型的信息，包括：

• GGA – 全球定位系統固定數據，包括三維坐標、狀態、使用的衛星數量和其他數據
• GSA – 精度衰減因子 (DOP) 和主動衛星
• GST – 位置誤差統計
• GSV – 可見衛星數量以及每顆衛星的偽隨機噪聲 (PRN) 碼、仰角、方位角和信噪比
• RMC – 位置、速度和時間
• ZDA – UTC 日、月、年，以及當地的時區偏移量

由于不同類型的 GPS 接收機可以使用同一接口，并且利用相應的語句可以輕松訪問特定數據集，因此使用 NMEA 可簡化定位軟件的開發。

如何提高精度？

原始 GNSS 數據只能提供有限的定位精度。有一些工具可以改善定位估計值，包括差分全球定位系統 (DGPS) 服務，該服務向船載 GPS 導航設備提供校正信號。DGPS 使用海上無線電技術委員會 (RTCM) 協議來提供增強的定位數據。此外，星基增強系統 (SBAS) 可用來提高位置信息的精度，這包括美國廣域增強系統 (WAAS)、歐洲地球靜止軌道導航重疊系統 (EGNOS)、亞洲多功能衛星增強系統 (MSAS) 以及印度的區域 SBAS，即 GPS 輔助靜地軌道增強導航 (GAGAN)（圖 1）。

圖 1：[TESEO LIV3F]多星系 GNSS 接收器包括一套工具，例如 DGPS、SBAS 和 RTCM（左下），以實現高精度定位解決方案。（圖片來源：STMicroelectronics）

資產狀況如何？

在許多情況下，了解資產的位置只是其中一個難題。收集有關資產狀況的信息可能也很重要，這些信息包括其物理狀態以及是在移動還是處于靜止狀態。根據需要，可以部署各種傳感器，包括：

• 溫度傳感器 - 工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C、高精度、經過美國國家標準與技術研究所 (NIST) 可溯源校準，并按照 IATF 16949:2016 標準的要求進行了驗證。
• 壓力傳感器 - 緊湊且堅固耐用的微機電系統 (MEMS) 壓阻式絕對傳感器可用作數字輸出氣壓計，其絕對壓力范圍為 260 至 1260 hPa（也稱為毫巴）。此傳感器必須高度精確，并包含溫度補償。
• 濕度傳感器 - 工作溫度范圍為 -40°C 至 +120°C，濕度測量范圍為 0 至 100% 相對濕度 (rH)。應對其進行溫度補償，使得在 20% 至 80% rH 范圍內的精度為 ±3.5% rH。
• 慣性測量裝置 (IMU) - 包括基于 MEMS 的 3D 加速度計和 3D 陀螺儀，用于確定資產是在移動還是處于靜止狀態。
• 加速度計 - 例如基于 MEMS 的三軸線性加速度計，用以測量資產遭受的沖擊和振動。

安全連接

一旦確定了資產的位置和狀況，就應該將這些信息傳送出去。根據具體情況，可能需要兼具長距離和短距離安全連接。就 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重連接資產跟蹤平臺而言，主板上的多個系統元件支持實現連接和安全性，包括（圖 2）：

• STM32WB5MMG 是一款經過認證的 2.4 GHz 無線模塊，集成了 STM32WB 雙核 Arm? Cortex?-M4/M0+、晶體和帶匹配網絡的芯片天線。該模塊包含低功耗藍牙 (BLE) 協議棧，并支持 Open Thread、Zigbee 和其他 2.4 GHz 協議。
• STM32WL55JC 提供長距離無線連接。其也包含雙核 Arm Cortex-M4/M0+，并且支持 GFSK、LoRa 等協議。標準版射頻前端支持 868、915 和 920 MHz 頻段。若更換一些元器件，該模塊可以支持更低的頻率。
• STSAFE-A110 安全元件連接到 STM32WB5MMG，用于執行安全數據管理和認證。此元件用于支持資產跟蹤等物聯網 (IoT) 網絡，并且包含安全操作系統和安全微控制器。

圖 2：STEVAL-ASTRA1B 資產跟蹤平臺的主板包括用于短距離連接的 STM32WB5MMG、用于長距離連接的 STM32WL55JC 和用于安全運行的 STSAFE-A110。（圖片來源：STMicroelectronics）

資產跟蹤開發環境

資產跟蹤應用的開發人員可以考慮使用 STMicroelectronics 的[STEVAL-ASTRA1B]軟硬件開發套件和參考設計，其有助于高級資產跟蹤系統的原型開發、測試和評估（圖 3）。STEVAL-ASTRA1B 以 [STM32WB5MMG] 模塊和 [STM32WL55JC] SoC 為基礎構建，二者相結合以提供短距離和長距離連接（BLE、LoRa 以及 2.4 GHz 和 sub-1-GHz 專有協議）。如需 NFC 連接，可以使用 [ST25DV64K]。[STSAFE-A110]支持安全運行，而 [Teseo-LIV3F] GNSS 模塊則提供戶外定位。

圖 3：STEVAL-ASTRA1B 平臺包括高級跟蹤系統開發所需的所有硬件、固件和軟件工具。（圖片來源：DigiKey）

該 GNSS 定位接收器與 GPS、Galileo、GLONASS、北斗、QZSS 和 NavIC（也稱為 IRNSS）等六個系統兼容。該系統還包括 WAAS、EGNOS、MSAS、WAAS 和 GAGAN SBAS 支持。系統中有一個陷波濾波器用于抗干擾。

還包括一系列用于狀態監測的傳感器（圖 4）：

• [STTS22HTR] – 數字溫度傳感器，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，在 -10°C 至 +60°C 范圍內最大精度為 ±0.5°C，提供 16 位溫度數據輸出。校準支持 NIST 溯源，器件 100% 通過測試和驗證，測試和驗證所用設備根據 IATF 16949:2016 標準進行校準。
• [LPS22HHTR] – MEMS 壓阻式絕對壓力傳感器，用作
• 數字輸出氣壓計，可測量 260 至 1260 hPa 的絕對壓力。其絕對壓力精度為 0.5 hPa，壓力傳感器噪聲低至 0.65 Pa，提供 24 位壓力數據輸出。
• [HTS221TR] – 相對濕度和溫度傳感器。其可以測量 0 到 100% 的 rH，靈敏度為 0.004% rH/最低有效位 (LSB)，在 20% 到 +80% rH 范圍內濕度精度為 ±3.5% rH，在 +15°C 到 +40°C 范圍內溫度精度為 ±0.5°C。
• [LIS2DTW12TR] – MEMS 三軸線性加速度計和溫度傳感器，提供用戶可選的 ±2g/±4g/±8g/±16g 滿量程，可測量加速度，輸出數據率為 1.6 Hz 至 1600 Hz。
• [LSM6DSO32XTR] – IMU 模塊，含有一個始終開啟的 32 g 3D 數字加速度計和一個 3D 數字陀螺儀，范圍為 ±4/±8/±16/±32g 滿量程，角度范圍為 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 (dps) 滿量程。

圖 4：STEVAL-ASTRA1B 的主板包括全套傳感器（左）、系統板（黃框）和 GNSS 連接元件（右下方的 TESEO LIV3F 和天線）。（圖片來源：STMicroelectronics）

電源管理對于無線跟蹤設備非常重要。為確保電池續航力持久，STEVAL-ASTRA1B 包含許多電源管理元器件，例如：

• [ST1PS02D1QTR]400 mA 同步降壓轉換器，輸入電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V，輸入電壓為 3.6 V 時輸入靜態電流為 500 nA，典型效率為 92%。
• [STBC03JR] 電池電源管理和充電器 IC，包括：一個用于單節鋰離子 (Li-ion) 電池的線性電池充電器部分，采用恒流/恒壓 (CC/CV) 充電算法；一個 150 mA 低壓差穩壓器 (LDO)；兩個單刀雙擲 (SPDT) 負載開關；以及能在發生故障時保護電池的電路。
• [TCPP01-M12]USB Type-C? 端口保護 IC，包括：VBUS 過壓保護，可在 5 V 至 22 V 之間調節（通過外部 N 溝道 MOSFET）；CC 線路上防范 VBUS 短路的 6.0 V 過壓保護 (OVP)；以及連接器引腳 CC1 和 CC2 的系統級靜電放電 (ESD) 保護，符合 IEC 61000-4-2 4 級標準。

軟件和固件庫

STEVAL-ASTRA1B 含有或可提供各種用于開發資產跟蹤應用的軟件和固件。實例包括：

• FP-ATR-ASTRA1 功能包可實現完整的資產跟蹤應用，已包括在 STEVAL-ASTRA1B 中。該功能包從 GNSS 接收器獲得定位數據，從環境和運動傳感器讀取數據，并利用 BLE 和 LoRaWAN 連接將數據發送到云端。功能包中包括車隊管理、牲畜監測、貨物監測和物流等可定制用例。
• [STAssetTracking]應用可以遠程配置支持 BLE、Sigfox 或 NFC 的資產跟蹤設備。其可用來啟用特定傳感器的數據記錄，并設置開始和停止記錄的觸發閾值。
• [DSH-ASSETRACKING 儀表盤]是一款由 Amazon Web Services (AWS) 支持的云應用，提供了一個直觀的界面，針對收集、可視化和分析來自 GNSS 定位服務及運動和環境傳感器的數據進行了優化。該儀表盤可以繪制實時或歷史位置數據和傳感器值，并可監測環境條件和事件（圖 5）。

圖 5：DSH-ASSETRACKING 儀表盤是一款 AWS 支持的資產跟蹤云應用。（圖片來源：STMicroelectronics）

總結

資產跟蹤是牲畜監測、車隊管理和物流等應用需要的一項關鍵而復雜的功能。如本文所述，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 軟硬件開發套件和參考設計包括加快高性能資產跟蹤設備設計所需的 GNSS 定位服務、全套環境和運動傳感器、電源管理元件以及全套軟件和固件。