כיצד לממש ביעילות יישומי מעקב אחר נכסים רב-חיבורי

יישומי מעקב אחר נכסים מתקדמים, כמו ניטור מקנה, ניהול ציים ולוגיסטיקה, לוכדים אוטומטית מידע על מצב נוכחי וקואורדינטות מיקום של עצמים תחת מעקב. טרנספונדר מובנה מעביר את נתוני הרישום שלו לענן ועושה אותם זמינים למרכז הבקרה או להתקן נייד. ברצפת הייצור, דרושים לרוב עדכוני נתונים אלחוטיים של טווח-קצר להחלפת נתוני לוגיסטיקה, עיבוד היסטוריה וניטור נתונים, לשנות תצורות או לבצע עדכוני קושחה בזיכרון הטרנספונדר.

מפתחים של מערכות מעקב אחר נכסים כאלו עומדים בפני האתגר של תכנון טרנספונדר חיישן רב-פונקציונלי המתקשר באמצעות פרוטוקולים שונים של רדיו טווח-קצר וארוך, אוסף תחום רחב של נתוני מדידה, עובד במשך חודשים ללא החלפת סוללה והופך את כל הנתונים לזמינים דרך שירותי אינטרנט. נוסף לכך, מתכננים חייבים לבצע את כל זה תוך הפחתת עלויות וקיצור זמן היציאה לשוק.

בעוד גודל המשימה יכול להיות מהמם, מתכננים יכולים לחסוך זמן רב ואנרגיה רבה על ידי שימוש בערכות פיתוח שכבר משלבות חלק גדול מהחומרה והתוכנה הדרושות.‏

מאמר זה דן בדרישות הטכניות של מעקב אחר נכסים מתקדם לרוחב יישומים מרובים. אחר כך מציג‏ ערכת פיתוח רב-פונקציונלית מבית STMicroelectronics המקטינה משמעותית את המאמץ הדרוש עבור תכנון אב-טיפוס, בדיקה והערכה. הוא מספק תובנה של מאפיינים פונקציונליים עיקריים של ערכת הפיתוח ומראה כיצד יכולים מפתחים להתאים אישית בקלות את הפונקציות של מודולי המערכת על שבב (SoC) המשולבים ללא הצורך לקודד, ואחר כך לאחזר ולראות את הנתונים מהענן.

מאפיינים של טרנספונדר מדידה‏ אלחוטי

למעקב אחר נכסים יש מגוון רחב של תחומי יישום, כל אחד מהם דורש ציוד טכני מאוד ספציפי עבור הטרנספונדר והרשת המקושרת. איור 1‏ הוא רשימה של המאפיינים הטכניים של טרנספונדר מדידה‏ אלחוטי בארבע קטגוריות יישום.

איור 1‏: המאפיינים של טרנספונדר מדידה‏ אלחוטי תלויים ביישום המעקב אחר נכסים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

טרנספונדר אוטונומי נישא עם האובייקט חייב לגלות השפעות סביבתיות, המיקום והמצב של האובייקט (חישה, איור 1‏), לאחסן מידע זה ולשדר אותו בהזדמנות הבאה דרך אחד ממגוון הממשקים האלחוטיים (חיבוריות). עיבוד אותות והמרה לפרוטוקולים אלחוטיים שונים חייבים להעשות על ידי מיקרו-בקר (MCU) חזק מספיק ‏עם דרגה גבוהה של אבטחת נתונים ‏('עיבוד & אבטחה'). המיקרו-בקר גם מבקר את ניהול האנרגיה ('ניהול הספק') ובכך מבטיח שסוללת הטרנספונדר היא בעלת חיי פעולה ארוכים.

זמינות הנתונים ‏הדרושה של יישום מעקב אחר נכסים משפיעה על המורכבות של החיישנים ודורשת חיבוריות מתאימה. עבור נתיבי הובלה ברי-חיזוי ידועים, כמו מסירה של חבילה, אחסון פשוט של אותות המדידה בטרנספונדר מספק. אחר כך הנתונים ניתנים לקריאה מטווח קצר תוך שימוש ב-Bluetooth low-energy‏ (BLE‏) או תקשורת שדה-קרוב (NFC) בנקודת הביקורת הבאה.

במקרה של ניהול ציים, כמו גם לוגיסטיקה והניטור של מקנה ממרחקים גדולים, העברת הנתונים מהטרנספונדר דרך הענן ליישום השימוש-הסופי חייב להתרחש קרוב ככל האפשר לזמן-אמת. לכן, הטרנספונדר דורש ממשק ‏רדיו נייד כדי לכסות‏ תחום רחב. האפשרויות כוללות LoRaWAN (טווח גדול, wide area network),‏ Sigfox ואינטרנט-של-דברים-פס-צר (NB-IoT‏) כי פרוטוקולים אלה ממוטבים עבור העברות נתונים חוסכות-אנרגיה, תפוקה נמוכה.

אקוסיסטם מעקב אחר נכסים שלם עבור פחות מאמץ‏ פיתוח

מתכנני מערכת שרוצים לממש את יישום המעקב אחר נכסים (ASTRA) שלהם בצורה יעילה מבחינת עלות וזמן יכולים להשתמש בפלטפורמת הפיתוח הרב-פונקציונלית STEVAL-ASTRA1B מבית STMicroelectronics. הפלטפורמה מורכבת ממעגלים-משולבים (ICs) ומודולי מערכת על שבב (SoC), והיא מפשטת מאוד בניית אב-טיפוס, תכנות, בדיקה והערכה של פתרונות מעקב וניטור חדשניים. ערכת הפיתוח כוללת‏ לוח הערכה מודולרי, ספריות קושחה, כלי תכנות ותעוד מעגל, כמו גם אפליקציה עבור התקנים ניידים ‏וממשק ויזואליזציה מבוססת-אינטרנט (איור 2‏).

איור 2‏: אקוסיסטם המעקב אחר נכסים המוכן-לשימוש מתפרש מטרנספונדר המדידה האלחוטי עד לענן וליישום הסופי, מקטין את מאמץ הפיתוח. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

לוח ה-STEVAL-ASTRA1B מבוסס על שני מודולי SoC הספק-נמוך ‏עבור חיבוריות טווח-קצר וארוך, יחד עם NFC. כלול על הלוח מודול עבור אבטחת נתונים. הלוח הנושא הוא בעל חיישנים סביבתיים וחיישני תנועה מרובים, כמו גם מודול Global Navigation Satellite System‏ (GNSS‏) המספק קואורדינטות מיקום ומאפשר גידור גאוגרפי. מערכת ניהול הספק מווסתת את אופן הפעולה של כל רכיבי ההתקן ומהווה בקרה על ספק-הכוח. ספק-הכוח כולל‏ ממיר ממותג, סוללה ובקר טעינה USB-C‏ כדי להאריך ככל האפשר את חיי הסוללה. עם המסירה, הערכה כוללת סוללת ליתיום-פולימר (Li-Poly) של 480 מילי-אמפר-שעה (mAh‏), קופסה, אנטנת‏ SMA ‏(LoRa‏) ואנטנת NFC.

המעגלים-המשולבים (ICs) ומערכות ה-SoC של לוח ה-STEVAL-ASTRA1B כוללים:

• שתי מערכות SoC אלחוטיות‏:
  • STM32WB5MMGH6TR: מודול SoC זה המבוסס על Arm® Cortex®-M4/M0+ MCU הספק אולטרה-נמוך אלחוטי 2.4‎ ג'יגה-הרץ (GHz) פועל כמעבד היישום העיקרי ותומך ב-802.15.4, BLE 5.0,‏ Thread ו-Zigbee
  • STM32WL55JCI6: ‏SoC אלחוטי זה מבוסס על Arm Cortex M0+ MCU הספק אולטרה-נמוך אלחוטי ‏ותומך ב-LoRa‏, Sigfox ו-GFSK בתת-1-ג'יגה-הרץ (GHz‏‏) (150 - 960 מגה-הרץ (MHz‏))
• ST25DV64K-JFR8D3: משדר NFC
• TESEO-LIV3F:‏ מודול GNSS עם Multi-Constellation בו-זמני
• חיישנים סביבתיים וחיישני תנועה:
  • STTS22HTR: חיישן טמפרטורה דיגיטלי; 40- עד 125°C
  • LPS22HHTR: חיישן לחץ; 26 עד 126 קילו-פסקל (kPa‏), אבסולוטי
  • HTS221TR: חיישן לחות וטמפרטורה; לחות יחסית (RH) מ-0 עד 100% I²C, ‏SPI ±4.5% RH‏
  • LIS2DTW12TR: מד-תאוצה צירים X‏, Y‏, Z‏; 2g±,‏ 4g,‏ 8g,‏ 16g‏ 0.8 הרץ (Hz) עד 800‎ Hz‏
  • LSM6DSO32XTR: מד-תאוצה, ג'ירוסקופ, חיישן טמפרטורה I²C‏, יציאה SPI
• STSAFE-A110: שבב Secure Element
• פתרון מוזן-סוללה עם ארכיטקטורת ניהול הספק חכמה:
  • ST1PS02BQTR: מעגל-משולב (IC) מייצב ממותג מוריד מתח (Buck); ניתן לכיוונון פוזיטיבי, 1.8 וולט‏, יציאה אחת, 400 מיליאמפר (mA‏‏)
  • STBC03JR: מעגל-משולב (IC) מטען סוללה עבור ליתיום-יון (Li-Ion) או ליתיום-פולימר (Li-Poly)
  • TCPP01-M12:‏ USB Type-C‏ והגנת אספקת כוח

לוח ההערכה עובד בטמפרטורות מ-5+ עד 3‎5°C ומשתמש בפסי התדרים הבאים:

• BLE‏: MHz ‏2400 עד 2480‎ MHz, ‏6 דציבלים מיוחסים לאחד מיליוואט (mW)‏ (dBm)‏
• LoRaWAN:‏ 863‎ MHz‏ עד ‎870 MHz‏, ‎14 dBm+‏ (מוגבל על ידי הקושחה)
• GNSS‏ (מקלט): ‎1559 MHz עד ‎1610 MHz
• NFC: ‏‎13.56 MHz

המבנה הפנימי של ה-STEVAL-ASTRA1B

טרנספונדר ה-ASTRA מתנהג כמו‏ רשם נתונים ומחלק את זרימת הנתונים שלו לשלושה בלוקים עיקריים, כל אחד מכיל חומרה ומנהלי-התקן תוכנה, כמו גם את שכבת היישום (איור 3‏). כניסת הנתונים (איור 3‏, שמאל) לוכדת את כל אותות החיישן על הלוח. הבלוק המרכזי (איור 3‏, מרכז) מעבד ומאחסן את הנתונים. לבסוף, הנתונים המאוחסנים משודרים אלחוטית (איור 3‏, ימין). במקרה של הגדרת תצורה מחדש‏, או הכתיבה של נתוני תהליך/לוגיסטיקה, זרימת האותות רצה בכיוון ההפוך.

איור 3‏: זרימת נתונים של טרנספונדר המדידה האלחוטי: אותות החיישן (שמאל) מעובדים, מאוחסנים (מרכז) ואחר כך נשלחים (ימין) כשההזדמנות נקרית. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

קושחת ה-FP-ATR-ASTRA1 מרחיבה את סביבת פיתוח ה-STM32Cube של STMicroelectronics‏ ומממשת יישום מעקב אחר נכסים שלם התומך בחיבוריות ארוכת טווח (LoRaWAN, Sigfox) וקצרת טווח (BLE, NFC). החבילה הפונקציונלית קוראת נתונים מחיישני תנועה וחיישנים סביבתיים, שולפת איכון GNSS, ושולחת הכל להתקן נייד דרך ‏BLE‏, ובמקביל לענן דרך חיבוריות LoRaWAN.

חבילת ה-FP-ATR-ASTRA1 תומכת בפרופילים של הספק-נמוך כדי להבטיח חיי סוללה ארוכים עבור אוטונומיה מקסימלית. היא גם מספקת מאפייני מפתח כגון ניהול אלמנט מאובטח, היכולת להוסיף אלגוריתמים מותאמים אישית, ממשקי ניפוי שגיאות ויכולות הרחבה.

חבילת התוכנה מחולקת לתעוד, מנהלי-ההתקנים & HAL‏, תוכנת-ביניים (Middleware) ופרויקטי דוגמה. הפרויקטים כוללים קוד מקור וקבצים בינאריים שעברו הידור עבור Keil,‏ IAR‏ וסביבות פיתוח משולבות STM32Cube‏ (IDEs). חמשת מקרי השימוש הבאים המוגדרים-מראש ניתנים להגדרת תצורה באופן אינדיבידואלי: ניהול ציים, ניטור מקנה, ניטור סחורות, לוגיסטיקה ו-custom.

ה-STEVAL-ASTRA1B פועל כמכונת מצב פשוטה המשנה את אופן פעולתה בהתאם לארועים. שני המצבים העיקריים מתוכננים עבור אופרציה מלאה (Run) או הספק נמוך (LP). במצב Run, כל הפונקציות פעילות, וכל הנתונים משודרים כפי שמוגדרים. במצב ה-LP, כל הרכיבים פרט ל-MCU מוגדרים למצב הספק-נמוך או מושבתים (איור 4‏).

איור 4‏: שני אופני העבודה העיקריים של ה-STEVAL-ASTRA1B הם עבודה מלאה (Run) או אופן LP. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

לחיצה על כפתור הצד מעורר את המעבר בין שני המצבים. כניסה אחרת יכולה להיות היציאה של ארוע מערכת מיקרומכנית ‏(MEMS) או תוצאת‏ אלגוריתם. זו רק דוגמה אחת כיצד ניתן לממש מכונת מצבים כדי לשנות את ההתנהגות של ההתקן. מצבי ביניים מרובים ניתנים גם כן למימוש כדי לאזן הענות מערכת וחיי סוללה.

ארועים אפשריים הם

• BP: ארוע כפתור לחוץ
• SD: ארוע השבתה
• ER: ארוע שגיאה
• EP: מעבר אוטומטי לצעד הבא
• RN: עבור לפקודת ריצה-מלאה
• LP: עבור לפקודת הספק-נמוך

אחזר והצג נתוני ענן

לטרנספונדר ה-STEVAL-ASTRA1B יש את חבילת הקושחה FP-ATR-ASTRA1 מותקנת מראש, כך שאותות מדידה סביבתיות ונתוני מיקום GNSS‏ ניתנים לראיה תוך דקות.

על ידי שימוש באפליקציה הניידת STAssetTracking עבור טלפונים חכמים ומחשבי לוח, כשה-Bluetooth מאופשר ומחובר לאינטרנט, הטרנספונדר רשום בשרת רשת ה-TTN‏ (The Things Network) V3 כמשתתף LoRaWAN דרך חשבון המשתמש myst.com. הוא גם מקושר ללוח המחוונים באינטרנט DSH-ASSETRACKING על Amazon Web Services‏ (AWS).

אחרי הרשמה ב-TTN, ה-STEVAL-ASTRA1B מופיע ברשימת ההתקנים המעודכנת של האפליקציה הניידת. לחיצה על כפתור ה-"Start synchronization" בתפריט ה-<Settings> מפעילה את מצב השידור של הטרנספונדר כך שהוא שולח את הנתונים השמורים במקביל דרך BLE ו-LoRaWAN. האפליקציה הניידת יכולה להציג את נתוני המדידה מזיכרון על לוח מחוונים ולספק את מיקום ה-GNSS של הטרנספונדר או להציגו כסמן על מפה (איור 5‏).

איור 5‏: האפליקציה הניידת מסייעת לרשום את הטרנספונדר ב-TTN ולחברו ללוח המחוונים של הענן; היא מראה ערכי חיישן רשומים ומסייעת בהגדרת תצורה וניפוי-באגים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

בנוסף לטרנספונדר ה-ASTRA, לוח המחוונים של האינטרנט יכול לאגור עוקבים אלחוטיים עצמאיים רבים אחרים בענן, כגון ה-P-L496G-CELL02‏ (LTE) וה-NUCLEO-S2868A2 (משדר Sigfox RF), או צמתים מצומדים לאינטרנט כגון ה-STEVAL-SMARTAG1 ‏(Wi-Fi), ה-STEVAL-MKSBOX1V1 (צומת קצה BLE) וה-STEVAL-SMARTAG1 (צומת קצה NFC). זה מאפשר את הפיתוח של אקוסיסטם אלחוטי מרובה-פרוטוקול מבוסס-ענן.‏

הגדרת תצורה ותכנות אינדיבידואלי

ברגע שהגדרות היצרן של טרנספונדר ה-ASTRA הוערכו בהצלחה במהלך הכנסה לשירות, הצעד הבא של המפתח הוא לבצע התאמה מיוחדת של הטרנספונדר עבור יישום מעקב אחר נכסיו.

עבור התאמה-מיוחדת מינורית ללא חומרה נוספת, עשוי להיות מספיק להגדיר את הפונקציות והפרמטרים השונים דרך BLE‏ והאפליקציה הניידת (לחץ על איקון ה"פטיש ומפתח ברגים" באפליקציה הניידת, איור 5‏).

דרך נוספת להגדיר תצורה של פרויקט היא שימוש ‏בשורת פקודה וקונסולת‏ ניפוי-שגיאות. בעוד‏ שתוכנית מסוף PC (לדוגמה, Tera Term) מתקשרת דרך USB‏ באמצעות נקודת-החיבור‏ COM וירטואלי, ההתקן הנייד משתמש באפליקציית STBLESensor‏ (חיישן ST BLE), ומקיים רשת דרך BLE‏ (איור 6‏).

איור 6: שורת פקודה וקונסולת‏ ניפוי-שגיאות ב-PC (שמאל) ובהתקן נייד (ימין). (מקור תמונה: STMicroelectronics)

כדי לתכנת-מחדש את לוח ה-ASTRA, כמו בשדרוג קושחה, האינטגרציה של פונקציות ספריה אחרות, או היצירה של קוד יישום‏ פרטני של מפתח, גישה דרך ממשק ה-JTAG היא נוחה. לטובת מטרה זו, מתאם התכנות וניפוי-השגיאות STLINK-V3MINIE הקיים בנפרד מחובר ללוח ה-ASTRA דרך כבל שטוח של‏ 14-פינים. סביבת פיתוח משולבת (IDE) כמו Keil,‏ IAR‏ או STM32Cube‏ מותקנת במחשב אישי (PC) יכולה לכתוב אחר כך קבצים בינאריים מקומפלים לזיכרון תוכנית היישום או לנפות שגיאות של סדרות תוכנית.

ה-STLINK-V3MINI מספק גם ממשק נקודת-חיבור COM וירטואלית‏ המאפשר ל-PC המארח לתקשר עם מיקרו-בקר המטרה דרך UART‏.

ישנן מספר דרכים להוציא לפועל שדרוגי קושחה ליחידות המיקרו-בקר Arm‏ השונות:

• מתכנת ה-STM32Cube‏ ב-PC כותב את הקובץ הבינארי לזיכרון ה-Flash‏ תוך שימוש במתאם‏ JTAG וטוען אתחול (Bootloader) מיקרו-בקר
• מתכנת ה-STM32Cube‏ ב-PC כותב את הקובץ הבינארי לזיכרון ה-Flash‏ תוך שימוש ב-USB וטוען אתחול (Bootloader) מיקרו-בקר
• שדרוג קושחה דרך-האוויר (FUOTA) מתבצע דרך BLE‏ תוך שימוש באפליקציית STBLESensor על התקן נייד

מאחר ובקר האפליקציה STM32WL55JC‏ (LoRaWAN) פועל כ-Master‏ עבור ה-STM32WB5MMG‏ (BLE‏), ליבת המיקרו-בקר המתאימה שיש להבזיקה חייבת להיבחר באמצעות מגשרים.

הגדרת תצורה של תוכנה גרפית תוך שימוש ב-STM32CubeMX

ה-STM32Cube‏ הופך את חיי המפתחים לקלים יותר על ידי צמצום זמן, עלות ומאמצי פיתוח. ה-IDE מכסה את כל סל ה-STM32 MCU. נוסף לכך, STM32CubeMX‏ מאפשר הגדרת תצורה ואת היצירה של C code תוך שימוש באשפי גרפיקה. חבילת התוכנה FP-ATR-ASTRA1 מרחיבה פונקציונליות STM32Cube‏ וניתנת להתקנה ישירות לתוך ה-TM32CubeMX IDE.

איור 7‏ מראה את מעטה ה-STM32CubeMX‏: ניווט (שמאל ולמעלה), חבילת FP-ATR-ASTRA1 להגדרת תצורה (אמצע) וארכיטקטורה שלה (ימין). חבילת ה-FP-ATR-ASTRA1 מציעה שלוש לשוניות להתאמה-מיוחדת: [פלטפורמה, הגדרות], [פרמטר, הגדרות] ו-[מנוע ASTRA].

איור 7‏: הגדרת תצורה תוכנה גרפית תוך שימוש בכלי STM32CubeMX‏: ניווט (שמאל ולמעלה), חבילת FP-ATR-ASTRA1 להגדרת תצורה (אמצע) וארכיטקטורה שלה (ימין). (מקור תמונה: STMicroelectronics)

ברגע שכל ההגדרות מוגדרות, ניתן ליצר את הקוד מה-STM32CubeMX‏ על ידי לחיצה על כפתור ה-<Generate Code>. על ידי פתיחת ה-IDE המבוקש, ניתן להתאים-במיוחד, לקמפל ולהבזיק על הלוח את קוד הקושחה.

לקוד המקור שהופק ‏יש ארכיטקטורה מודולרית במונחים של בלוקים של חומרה ופונקציות. ניהול הבלוקים של חומרה מזוהה באמצעות הגדרות ספציפיות (USE_GNSS). פונקציות מנוהלות בקבצים שונים, כמו אתחול מערכת, תצורת מכונת מצבים או ניהול נתונים.

למרות מורכבות עץ הקבצים, רק מספר קבצים מעורבים בהגדרת תצורה של האפליקציה של מקרי השימוש:

• app_astra.c/.h
  קובץ עיקרי זה הוא נקודת הכניסה, והיא קוראת לפונקציות אתחול בתוך ()MX_Astra_Init (רשימה 1)

רשימה 1: פונקציית ()MX_Astra_Init זו משמשת עבור אתחול המערכת. (מקור רשימה: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  לוח מנהל תצורה זה מכיל את המשתנים הנבחרים על ידי המשתמש כדי לאפשר/להשבית כל בלוק חומרה ולהשתמש במימוש והגדרת תצורה של מקרה.
• astra_datamng.c/.h
  בקובץ זה, הנתונים שנאספו מהחיישנים ומכניסות אחרות מאוחסנים ב-RAM. הם מוכנים להפעלה, לדוגמה, להריץ‏ אלגוריתם ספציפי על הנתונים.
• astra_sysmng.c/.h
  כאן, ממומשות הפונקציות הקשורות במערכת. הפונקציות העיקריות הן ממשק שורת הפקודה, התקשרויות חוזרות באמצעות לחצנים, אלגוריתמים, נורות LED‏, ניהול מקרה שימוש במעקב אחר נכסים וניהול קוצב-הזמן.
• SM_APP.c/.h
  קבצים אלה מכילים את מבני התצורה של מכונת המצב.

מסקנה

פיתוח אפליקציית מעקב אחר נכסים הוא תהליך מורכב, מרובה-צעדים, אך פלטפורמת הפיתוח הרב-פונקציונלית STEVAL-ASTRA1B מפשטת את המשימה. עם כל החומרה והתוכנה הדרושות על-הלוח, היא מציעה‏ דרך מהירה וקלה לראות את הנתונים הרשומים של טרנספונדר ‏אלחוטי בממשק האינטרנט או דרך אפליקציית ההתקן הנייד. כמתואר, מפתחים יכולים פשוט להתאים-במיוחד רשם נתונים אלחוטי זה לאפליקציית המעקב או הניטור שלהם תוך שימוש בכלי הגדרת תצורה גמישים ללא תכנות קוד, או הם יכולים להשתמש במחולל קוד אוטומטי.