כיצד לתכנן מערכות מעקב מרובות-חיבוריות‏ עבור ניטור מקנה, ניהול ציים ולוגיסטיקה Industry 4.0‏

מעקב נכסים בזמן-אמת וניטור מצב הם חיוניים בפעילות חקלאית כמו ניהול משק החי, אחסנה בקירור של מזון ותרופות, ניהול ציים של כלי-רכב ופעילות ייצור גמיש Industry 4.0. זהו תהליך מורכב המערב חיישנים רבים לניטור תנאי סביבה. הוא מדגיש שהנכס נתון ליכולת Multi-Constellation Global Navigation Satellite System‏ (GNSS‏) כולל GPS‏, Galileo,‏ Glonass‏, BeiDou ו-QZSS כדי להבטיח מידע מיקום מדויק. נוסף לכך, פתרונות מרובי-חיבוריות מספקים תקשורת זמן-אמת על המיקום והמצב של הנכס ללא קשר לסביבה הסובבת, כולל קישוריות לענן כדי לתמוך בניטור מרכזי. כמו כן, מערכת‏ מעקב נכסים וניטור מצב חייבת להיות יעילה אנרגטית כדי להקטין למינימום את הצורך באספקת-כוח סוללה, והיא חייבת להיות מאובטחת ובטוחה מפני פריצה.

תכנון של מערכת‏ מעקב נכסים וניטור מצב הוא פעילות מורכבת רב-תחומית הצורכת משאבים רבים וגוזלת זמן משמעותי. נוסף למורכבויות הקשורות בתכנון החומרה, הנתונים חייבים להיות מקושרים בבטחה אל הענן והתקנים ניידים כדי להפוך את עושר המידע הנוצר לזמין בפורמטים מעשיים.

במקום להתחיל בדף ריק כשמתכננים מערכות מעקב נכסים, מתכננים יכולים לפנות אל ערכות פיתוח ותכני ייחוס המפשטים בניית אב-טיפוס, בדיקה והערכה של יישומי מעקב נכסים מתקדמים. מאמר זה יסקור את ה-GNSS‏, חיישנים, חיבוריות ושיקולים אחרים כשמפתחים מערכות מעקב נכסים וניטור מצב, ואחר כך יציג‏ ערכת פיתוח מבית STMicroelectronics הכוללת לוחות מעגל מודפס רבים עבור סוגים שונים של חיישנים, מיקום GNSS‏ ויכולות תקשורת. הערכה גם כוללת סוללה וניהול הספק מתקדם כדי למקסם חיי סוללה, תוכנה, ספריות קושחה וכלי פיתוח יישומים.

היכן בעולם נמצא הנכס?

הצעד הראשון במעקב‏ נכסים הוא איסוף מידע על המיקום הנוכחי תוך שימוש בפורמט נתונים של ה-National Marine Electronics Association‏ (NMEA). פורמט נתונים NMEA הוא התקן בו משתמשים כל יצרני ה-GPS‏ כדי להבטיח תפעוליות-בינית (Interoperability). מתיחסים לפורמט מסר NMEA התקני כאל משפט (sentence). NMEA מגדיר מספר משפטים כדי לספק סוגים שונים של מידע, כולל:

• GGA – נתונים קבועים של מערכת מיקום כלל-עולמית כולל קואורדינטות 3D‏, סטטוס, מספר הלוויינים בו השתמשו ונתונים אחרים
• GSA – דילול דיוק (DOP) ולווינים פעילים
• GST – סטטיסטיקת שגיאת מיקום
• GSV – מספר הלווינים הנראים וספרת הרעש הפסאודו-אקראית (PRN), גובה (elevation), אזימוט ויחס אות-לרעש עבור כל לווין
• RMC – מיקום, מהירות וזמן
• UTC – ‎ZDA יום, חודש ושנה, והיסט אזור זמן מקומי

שימוש ב-NMEA מפשט את פיתוח תוכנת המיקום מאחר וניתן להשתמש בממשק משותף עבור סוגים שונים של מקלטי GPS,‏ וניתן לגשת בקלות לסטים של נתונים ספציפיים תוך שימוש במשפט המתאים.

כיצד ניתן לשפר דיוק?

נתוני GNSS‏ גולמיים מספקים דיוק מיקום מוגבל בלבד. קיימים כלים לשפר את הערכת המיקום, כולל השירות Differential Global Positioning System‏ (DGPS) המספק אותות תיקון לציוד ניווט GPS‏ על סיפון אוניות. DGPS משתמש בפרוטוקול ה-Radio Technical Commission for Maritime‏ (RTCM) כדי לספק נתוני מיקום משופרים. נוסף לכך, קיימות מערכות אוגמנטציה מבוססות-לוויינים (SBASs) כדי לשפר את הדיוק של מידע מיקום, כולל ה-Wide Area Augmentation System‏ (WAAS) באמריקה, ה-European Geostationary Navigation Overlay System‏ (EGNOS), ‏Multi-functional Satellite Augmentation System‏ (MSAS) באסיה, ו-GPS-aided GEO augmented navigation‏ (GAGAN), ‏SBAS אזורי ‏בהודו (איור 1‏).

איור 1‏: מקלט ה-TESEO LIV3F Multi-Constellation GNSS‏ כולל‏ קבוצת כלים, כולל DGPS,‏ SBAS ו-RTCM (למטה, שמאל), כדי לאפשר פתרונות מיקום מדויקים ביותר. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מה מצב הנכס?

במקרים רבים, ידיעת המיקום של הנכס היא רק חלק אחד של הפאזל. יכול להיות חשוב לאסוף מידע אודות מצב הנכס, כולל המצב הפיזי ובאם הוא נע או נייח. בהתאם לצורך, יכולים להיות פרוסים חיישנים שונים, כולל:

• חיישן טמפרטורה עם תחום עבודה של‏ C‏°‏40‏- עד 125‎°C+, דיוק גבוה, וכיול שניתן למעקב על ידי National Institute of Standards and Technology‏ (NIST) ומאומת כנדרש על ידי תקן ה-IATF 16949:2016.
• חיישן לחץ - ניתן להשתמש בחיישן מוחלט פיאזו-התנגדותי מערכת מיקרו-אלקטרו-מכנית‏ (MEMS) קשיחה וקומפקטית כברומטר יציאה דיגיטלית עם תחום לחץ מוחלט של 260 עד ‎1260 הקטו-פסקאל‏ (hPa‏), הנקרא גם מיליבר. הוא חייב להיות מדויק ביותר ולכלול קיזוז טמפרטורה.
• חיישן לחות עם תחום טמפרטורות עבודה של 40°C- עד ‎120°C+ ותחום מדידת לחות של 0 עד 100% לחות יחסית (rH). הוא חייב להיות מקוזז טמפרטורה עם דיוק של ‎±3.5% rH מ-20 עד ‎80% rH.
• יחידת מדידה אינרציאלית (IMU) כולל מד-תאוצה ‏3D וג'ירוסקופ 3D מבוססים-MEMS כדי לקבוע אם המערכת נעה או נייחת.
• מד-תאוצה כמו מד תאוצה ליניארי שלושה-צירים מבוסס-MEMS כדי למדוד את חשיפת הנכס ‏לזעזועים ורעידות.

קישוריות מאובטחת

ברגע שהמיקום והמצב של הנכס נקבעו, מגיע הזמן להעביר מידע זה בתקשורת. בהתאם לנסיבות, העברה זו יכולה לדרוש שילוב של חיבוריות מאובטחת לטווח גדול או קטן. במקרה של פלטפורמת מעקב הנכסים מרובת החיבוריות STEVAL-ASTRA1B מבית STMicroelectronics, חיבוריות ואבטחה נתמכות על ידי מספר אלמנטים של המערכת על הלוח הראשי, כולל (איור 2‏):

• ה-STM32WB5MMG‏ הוא מודול אלחוטי GHz‏ 2.4‏ מוסמך המשלב STM32WB שתי-ליבות +ARM® Cortex®-M4/M0, גבישים ואנטנת שבב עם רשת ‏תאום. הוא כולל מחסנית Bluetooth Low-Energy‏ (BLE‏) ותומך ב-Open Thread,‏ Zigbee ופרוטוקולים 2.4‎ GHz אחרים.
• ה-STM32WL55JC מספק קישוריות אלחוטית לטווח-גדול. הוא גם כולל +Arm Cortex-M4/M0 שתי-ליבות ‏ויכול לתמוך בפרוטוקולים כמו GFSK‏, LoRa‏ ואחרים. הקצה הקדמי (front end) ‏RF בגרסה הסטנדרטית תומך בפסי ה-868,‏ 915 ו-920‎ MHz‏. שינוי של מספר רכיבים מאפשר למודול לתמוך בתדרים נמוכים יותר.
• ה-STSAFE-A110 Secure Element מתחבר ל-STM32WB5MMG עבור ניהול נתונים מאובטח ואימות. הוא מתוכנן לתמוך ברשתות אינטרנט-של-דברים (IoT‏) כמו מעקב נכסים וכולל ‏מערכת הפעלה מאובטחת ומיקרו-בקר מאובטח.

איור 2‏: הלוח הראשי בפלטפורמת מעקב הנכסים STEVAL-ASTRA1B כולל את ה-STM32WB5MMG עבור חיבוריות לטווח-קטן, ה-STM32WL55JC עבור חיבוריות לטווח-גדול וה-STSAFE-A110 עבור עבודה מאובטחת. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

סביבת פיתוח מעקב נכסים

מפתחים של יישומי מעקב נכסים יכולים לפנות אל ערכת הפיתוח חומרה ותוכנה ותכן הייחוס STEVAL-ASTRA1B של STMicroelectronics המסייע בבניית אב-טיפוס, בדיקה והערכה של מערכות מעקב נכסים מתקדמות (איור 3). ה-STEVAL-ASTRA1B בנוי סביב מודול ה-STM32WB5MMG וה-STM32WL55JC SoC המשלבים חיבוריות לטווח-גדול וקטן (פרוטוקולים קנייניים BLE‏, LoRa‏, ו-GHz‏ 2.4‏ ו-תת-‎1 GHz). עבור חיבוריות NFC, זמין ה-ST25DV64K. ה-STSAFE-A110 תומך בעבודה מאובטחת ומודול ה-Teseo-LIV3F GNSS מספק מיקום חוץ.

איור 3‏: פלטפורמת ה-STEVAL-ASTRA1B כוללת את כל כלי החומרה, הקושחה והתוכנה הדרושות כדי לפתח מערכות מעקב מתקדמות. (מקור תמונה: DigiKey)

מקלט המיקום GNSS‏ תואם עם שש מערכות, כולל GPS‏, Galileo,‏ GLONASS‏, BeiDou,‏ QZSS ו-NavIC (נקרא גם IRNSS). המערכת כוללת גם תמיכת WAAS,‏ EGNOS,‏ MSAS,‏ WAAS ו-GAGAN SBASs. כלול מסנן חריץ נגד-שיבוש.

כלול מגוון רחב של חיישנים עבור ניטור מצב, כולל (איור 4‏):

• STTS22HTR –‏ חיישן טמפרטורה דיגיטלי היכול לשמש מ-C‏°‏40‏- עד ‎125°C+ עם דיוק מקסימלי של ±0,5°C מ-‎10°C- עד 60‎°C+ ויציאה של נתוני טמפרטורה של‏ bit‏-16‏. הכיול ניתן למעקב NIST‏, וההתקן נבדק ומאומת 100% עם ציוד מכויל לפי תקן ה-IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR – חיישן לחץ מוחלט פייזו-התנגדותי MEMS, שמשמש‏
• כברומטר יציאה דיגיטלית היכול למדוד לחץ מוחלט מ-260 עד ‎1260 hPa. הוא מתאפיין בדיוק‏ לחץ מוחלט של ‎0.5 hPa ורעש חיישן לחץ-נמוך של 0.65‎ Pa‏, ומספק יציאה של נתוני לחץ של ‎24-bit‏.
• HTS221TR – חיישן טמפרטורה ולחות יחסית. הוא יכול למדוד 0 עד ‎100% rH עם‏ רגישות של ‎0.004% rH/LSB‏, דיוק לחות של ‎±3.5% rH מ-‏20‏ עד ‎80% rH ודיוק טמפרטורה של ‎±0,5°C מ-‎15°C+ עד 40‎°C+.
• LIS2DTW12TR – מד תאוצה ליניארי שלושה-צירים וחיישן טמפרטורה MEMS עם סקלה מלאה ניתנת-לבחירת-משתמש של ±2g/±4g/±8g/±16g היכול למדוד תאוצות עם קצבי נתונים ביציאה מ-‎1.6 Hz‏ עד ‎1600 Hz‏.
• LSM6DSO32XTR - מודול IMU שיש לו מד תאוצה דיגיטלי ‏‎32 g 3D במצב-מופעל-תמידי ו‏ג'ירוסקופ דיגיטלי עם תחומי סקלה מלאה של ‎±4/±8/±16/±32 g ותחום‏ זוויתי של ±125‎/±250/±500/±1000/±2000 מעלות לשנייה (dps), סקלה מלאה.

איור 4‏: הלוח הראשי של ה-STEVAL-ASTRA1B כולל‏ מגוון שלם של חיישנים (שמאל), את לוח המערכת (קופסה צהובה), ואלמנטים של חיבוריות GNSS‏ (TESEO LIV3F ואנטנה ימין למטה). (מקור תמונה: STMicroelectronics)

ניהול הספק הוא חשוב עבור התקני מעקב אלחוטיים. כדי להבטיח חיי סוללה ארוכים, ה-STEVAL-ASTRA1B כולל רכיבי ניהול הספק נרחבים כמו:

• ST1PS02D1QTR ממיר מוריד-מתח סינכרוני 400 מילי-אמפר (mA‏‏) עם‏ תחום מתח כניסה של 1.8‎ V‏ עד ‏5.5‎ V‏, זרם רוגע כניסה 500 ננו-אמפר (nA‏) ב‏מתח כניסה של 3.6‎ V‏, ונצילות אופיינית של 92%.
• STBC03JR ‏IC ניהול הספק סוללה ומטען הכולל‏ יחידת טעינה ליניארית של סוללה עבור סוללות ליתיום-יון (Li-Ion) תא-יחיד המשתמשת באלגוריתם טעינה‏ זרם קבוע/מתח קבוע (CC/CV), מיצב LDO ‏‎150 mA,‏ שני מתגי עומס קוטב יחיד השלכה כפולה (SPDT‏) ומעגלים להגנת הסוללה במהלך תנאי תקלה.
• TCPP01-M12 ‏IC הגנה על יציאת ®USB Type-C‏ כולל הגנת מתח-יתר VBUS הניתנת לכיוונון מ-5‎ V‏ עד 22‎ V (באמצעות MOSFET‏ תעלת-N‏ חיצוני‏), הגנת מתח-יתר (OVP‏) 6.0‎ V‏ על קווי CC מפני קצר של ה-VBUS והגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD‏) ברמת-מערכת עבור פיני מחבר CC1 ו-CC2 התואמת עם IEC 61000-4-2 level 4.

ספריות תוכנה וקושחה

מגוון רחב של תוכנה וקושחה כלול או זמין עבור פיתוח יישומי מעקב נכסים תוך שימוש ב-STEVAL-ASTRA1B. הדוגמאות כוללות:

• חבילת הפונקציה FP-ATR-ASTRA1 מממשת יישום שלם של‏ מעקב נכסים והיא כלולה עם ה-STEVAL-ASTRA1B. חבילת הפונקציה מקבלת נתוני מיקום ממקלט ה-GNSS, ‏קוראת את הנתונים מחיישני התנועה והחיישנים הסביבתיים, ושולחת אותם לענן תוך שימוש בקישוריות BLE‏ ו-LoRaWAN. כלולים מקרי שימוש הניתנים-להתאמה-מיוחדת עבור ניהול ציים, ניטור מקנה, ניטור סחורות ולוגיסטיקה.
• יישום ה-STAssetTracking יכול להגדיר תצורה מרחוק של התקני מעקב נכסים BLE‏, Sigfox או בעלי יכולת NFC. ניתן להשתמש בו לאפשור רישום נתונים עבור חיישנים ספציפיים ולהגדרת טריגרים של סף להתחלה וסיום רישום.
• לוח-המחוונים DSH-ASSETRACKING הוא יישום ענן מוזן Amazon Web Services‏ (AWS‏) המספק ממשק‏ אינטואיטיבי ממוטב-במיוחד עבור איסוף, הדמיה וניתוח נתונים משירותי מיקום GNSS, ‏חיישני תנועה וחיישנים סביבתיים. לוח-המחוונים יכול להתוות נתוני מיקום בזמן אמת או היסטוריים וערכי חיישנים ולנטר תנאים וארועים סביבתיים (איור 5‏).

איור 5‏: לוח-המחוונים DSH-ASSETRACKING‏ AWS‏ הוא יישום ענן מוזן AWS עבור מעקב נכסים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

סיכום

מעקב נכסים הוא פונקציה קריטית‏ ומורכבת נחוצה עם ניטור מקנה, ניהול ציים ולוגיסטיקה. כמתואר, ערכת הפיתוח חומרה ותוכנה ותכן הייחוס STEVAL-ASTRA1B מבית STMicroelectronics כולל את שירותי המיקום GNSS, מגוון שלם של חיישני תנועה וחיישנים סביבתיים, ניהול הספק, ומגוון שלם של תוכנה וקושחה הנחוץ לזרז את התכנון של התקני מעקב נכסים ביצועים-עיליים.