Como projetar sistemas de rastreamento multi-conectividade para monitoramento de rebanhos, gerenciamento de frotas e logística da indústria 4.0

O rastreamento de ativos em tempo real e o monitoramento das condições são essenciais em operações agrícolas como o manejo de rebanhos, armazenagem em cadeia fria para alimentos e produtos farmacêuticos, gerenciamento de frotas de veículos e operações de produção flexível da Indústria 4.0. É um processo complexo que envolve vários sensores para monitorar as condições ambientais. Ele enfatiza que o ativo está sujeito à capacidade multiconstelação do sistema global de navegação por satélite (GNSS), incluindo GPS, Galileo, Glonass, BeiDou e QZSS para garantir informações precisas de localização. Além disso, as soluções de multiconectividade fornecem comunicação oportuna da localização e das condições do ativo, independentemente do ambiente ao redor, incluindo a conectividade com a nuvem para apoiar o monitoramento centralizado. Também, ele precisa ser energeticamente eficiente para minimizar a necessidade de energia da bateria, e o sistema deve estar seguro e protegido contra os ataques de hackers.

Projetar um sistema de rastreamento de ativos e monitoramento de condições é uma atividade multi-disciplinar complexa que consome muitos recursos e leva um tempo significativo. Além das complexidades associadas ao projeto de hardware, os dados precisam estar conectados com segurança à nuvem e aos dispositivos móveis para tornar disponível a riqueza de informações geradas em formatos acionáveis.

Em vez de começar com uma página em branco ao projetar sistemas de rastreamento de ativos, os projetistas podem recorrer a kits de desenvolvimento e projetos de referência que simplificam a prototipagem, testes e avaliação de aplicações avançadas de rastreamento de ativos. Este artigo revisará o GNSS, sensores, conectividade e outras considerações ao desenvolver sistemas de rastreamento de ativos e monitoramento de condições e, em seguida, apresenta um kit de desenvolvimento abrangente da STMicroelectronics que inclui múltiplas placas de circuito impresso para vários tipos de sensores, posicionamento GNSS e capacidades de comunicação. O kit também inclui bateria e gerenciamento avançado de energia para maximizar a vida útil da bateria, bibliotecas de software e firmware, além de ferramentas de desenvolvimento de aplicativos.

Onde está o ativo no mundo?

O primeiro passo no rastreamento de ativos é a coleta de informações de localização atual, usando o formato de dados da NMEA (National Marine Electronics Association). NMEA é o padrão utilizado por todos os fabricantes de GPS para garantir a interoperabilidade. O formato padrão de mensagem NMEA é citado como uma frase. NMEA define várias frases para fornecer vários tipos de informações, inclusive:

• GGA – dados fixos do sistema de posicionamento global, incluindo coordenadas 3D, status, o número de satélites utilizados e outros dados
• GSA – diluição de precisão (DOP) e satélites ativos
• GST – estatísticas de erros de posição
• GSV – número de satélites em vista e o número de ruído pseudo-aleatório (PRN), elevação, azimute e relação sinal/ruído para cada satélite
• RMC – posição, velocidade e tempo
• ZDA – dia, mês e ano UTC e compensação do fuso horário local

O uso de NMEA simplifica o desenvolvimento do software de localização, já que uma interface comum pode ser usada para vários tipos de receptores GPS, e conjuntos de dados específicos podem ser facilmente acessados usando a frase correspondente.

Como a precisão pode ser melhorada?

Os dados GNSS brutos fornecem apenas uma precisão de localização limitada. Estão disponíveis ferramentas para melhorar a estimativa de localização, incluindo o serviço DGPS (Differential Global Positioning System ), que fornece sinais de correção para o equipamento de navegação GPS a bordo de navios. O DGPS usa o protocolo RTCM (Radio Technical Commission for Maritime) para fornecer dados de localização melhorados. Além disso, estão disponíveis sistemas de aumento por satélite (SBASs) para melhorar a precisão das informações de posição, incluindo o Wide Area Augmentation System (WAAS) na América, o European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), o Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) na Ásia, e o GPS-aided GEO Augmented Navigation (GAGAN), um SBAS regional na Índia (Figura 1).

Figura 1: O receptor GNSS multi-constelação TESEO LIV3F inclui um conjunto de ferramentas, incluindo DGPS, SBAS e RTCM (canto inferior esquerdo), para permitir soluções de localização altamente precisas. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Qual é a condição do ativo?

Em muitos casos, saber a localização do ativo é apenas uma das peças do quebra-cabeça. Pode ser importante coletar informações sobre a condição do ativo, incluindo seu estado físico e se ele está ou esteve em movimento ou parado. Dependendo da necessidade, vários sensores podem ser implantados, inclusive:

• Sensor de temperatura com faixa operacional de -40°C a +125°C, alta precisão e calibração que é rastreável e verificado pelo NIST (National Institute of Standards and Technology), conforme exigido pela norma IATF 16949:2016.
• Sensor de pressão - um sensor piezorresistivo absoluto, compacto e robusto de sistema microeletromecânico (MEMS) pode ser usado como um barômetro de saída digital com uma faixa de pressão absoluta de 260 a 1260 milibares (mbar). Ele precisa ser altamente preciso e incluir compensação de temperatura.
• Sensor de umidade com uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +120°C e uma faixa de medição de umidade relativa (UR) de 0 a 100%. A temperatura deve ser compensada com uma precisão de ±3,5% UR desde 20 a 80% UR.
• Unidade de medição inercial (IMU) incluindo um acelerômetro 3D baseado em MEMS e um giroscópio 3D para determinar se o ativo está em movimento ou parado.
• Acelerômetro como um acelerômetro linear de três eixos baseado em MEMS para medir a exposição do ativo ao choque e vibração.

Conectividade segura

Uma vez determinada a localização e condição do ativo, é hora de comunicar essa informação. Dependendo das circunstâncias, isso pode exigir uma combinação de conectividade segura de longo e curto alcance. No caso da plataforma de rastreamento de ativos multi-conectividade STEVAL-ASTRA1B da STMicroelectronics, a conectividade e a segurança são suportadas por vários elementos do sistema na placa principal, incluindo (Figura 2):

• O STM32WB5MMG é um módulo sem fio certificado de 2,4 GHz que integra um Arm® Cortex®-M4/M0+ de dois núcleos STM32WB, cristais e uma antena de chip com uma rede de casamento de impedância. Ele inclui uma pilha Bluetooth de baixa energia (BLE) e suporta os protocolos Open Thread, Zigbee e outros protocolos de 2,4 GHz.
• O STM32WL55JC fornece conectividade sem fio de longo alcance. Também inclui um Arm Cortex-M4/M0+ de dois núcleos e pode suportar protocolos como GFSK, LoRa e outros. O front end RF na versão padrão suporta as faixas de 868, 915 e 920 MHz. A mudança de alguns componentes permite que o módulo suporte frequências mais baixas.
• O elemento seguro STSAFE-A110 se conecta ao STM32WB5MMG para o gerenciamento e autenticação segura dos dados. É projetado para suportar redes de Internet de coisas (IoT) como o rastreamento de ativos e inclui um sistema operacional seguro e um microcontrolador seguro.

Figura 2: A placa principal da plataforma de rastreamento de ativos STEVAL-ASTRA1B inclui o STM32WB5MMG para conectividade de curto alcance, o STM32WL55JC para conectividade de longo alcance e o STSAFE-A110 para operação segura. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Ambiente de desenvolvimento de rastreamento de ativos

Os desenvolvedores de aplicações de rastreamento de ativos podem recorrer ao kit de desenvolvimento de hardware e software STEVAL-ASTRA1B da STMicroelectronics e ao projeto de referência que facilita a prototipagem, teste e avaliação de sistemas avançados de rastreamento de ativos (Figura 3). O STEVAL-ASTRA1B é construído em torno do módulo STM32WB5MMG e do SoC STM32WL55JC que se combinam para conectividade de curto e longo alcance (BLE, LoRa e protocolos proprietários de 2,4 GHz e sub-1-GHz). Para a conectividade NFC, o ST25DV64K está disponível. O STSAFE-A110 suporta operação segura, e o módulo GNSS Teseo-LIV3F fornece posicionamento ao ar livre.

Figura 3: A plataforma STEVAL-ASTRA1B inclui todo o hardware, firmware e ferramentas de software necessárias para desenvolver sistemas avançados de rastreamento. (Fonte da imagem: DigiKey)

O receptor de posicionamento GNSS é compatível com seis sistemas, incluindo GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS e NavIC (também chamado IRNSS). O sistema também inclui suporte dos SBAs WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS e GAGAN. Um filtro rejeita-faixa está incluído para anti-interferência.

Uma ampla gama de sensores está incluída para monitoramento de condições, incluindo (Figura 4):

• STTS22HTR – um sensor digital de temperatura que pode ser usado de -40°C a +125°C com uma precisão máxima de ±0,5°C de -10°C a +60°C e uma saída de dados de temperatura de 16 bits. A calibração é rastreável pelo NIST, e o dispositivo é 100% testado e verificado com equipamentos calibrados de acordo com a norma IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR – um sensor MEMS piezorresistivo de pressão absoluta, que é usado como um
• barômetro de saída digital que pode medir de 260 a 1260 mbar de pressão absoluta. Apresenta uma precisão de pressão absoluta de 0,5 mbar e um ruído do sensor de baixa pressão de 6,5 microbar, produzindo uma saída de dados de pressão de 24 bits.
• HTS221TR – um sensor de umidade relativa e temperatura. Pode medir de 0 a 100% UR com uma sensibilidade de 0,004% UR/bit menos significativo (LSB), uma precisão de umidade de ±3,5% UR desde 20 a +80% UR, e uma precisão de temperatura de ±0,5°C desde +15°C a +40°C.
• LIS2DTW12TR – um acelerômetro linear MEMS de três eixos e sensor de temperatura com fundos de escala selecionáveis pelo usuário de ±2g/±4g/±8g/±16g que pode medir acelerações com taxas de dados de saída de 1,6 Hz a 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR – um módulo IMU que tem um acelerômetro digital 3D sempre ligado de 32 g e um giroscópio digital 3D com faixas de fundo de escala ±4/±8/±16/±32 g e faixa angular de fundo de escala ±125/±250/±500/±1000/±2000 graus por segundo (dps).

Figura 4: A placa principal do STEVAL-ASTRA1B inclui uma gama completa de sensores (esquerda), a placa do sistema (caixa amarela) e elementos de conectividade GNSS (TESEO LIV3F e antena inferior direita). (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

O gerenciamento de energia é importante para dispositivos de rastreamento sem fio. Para garantir uma longa duração da bateria, o STEVAL-ASTRA1B inclui componentes extensos de gerenciamento de energia como o:

• Conversor síncrono abaixador de 400 miliamperes (mA) ST1PS02D1QTR com uma faixa de tensão de entrada de 1,8 V a 5,5 V, corrente quiescente de entrada de 500 nanoamperes (nA) a uma tensão de entrada de 3,6 V, e eficiência típica de 92%.
• CI carregador e de gerenciamento de energia da bateria STBC03JR que inclui uma seção linear de carregador para baterias de íon-lítio (Li-ion) de célula única que usa um algoritmo de carregamento de corrente constante/tensão constante (CC/CV), um regulador de baixa queda de tensão (LDO) a 150 mA, dois interruptores de carga de um polo e curso duplo (SPDT) e circuitos para proteger a bateria durante condições de falha.
• CI de proteção de porta USB Type-C® TCPP01-M12 incluindo proteção contra sobretensão VBUS ajustável de 5 V até 22 V (com um MOSFET de canal N externo), proteção contra sobretensão (OVP) de 6,0 V em linhas CC contra curto-circuito do VBUS e proteção contra descarga eletrostática (ESD) ao nível de sistema para pinos conectores CC1 e CC2 que cumprem com a norma IEC 61000-4-2 nível 4.

Bibliotecas de software e firmware

Uma ampla gama de software e firmware está incluída ou disponível para desenvolver aplicações de rastreamento de ativos, usando o STEVAL-ASTRA1B. Os exemplos incluem:

• O pacote de funções FP-ATR-ASTRA1 implementa uma aplicação completa de rastreamento de ativos e está incluído com o STEVAL-ASTRA1B. O pacote de funções recebe dados de posicionamento do receptor GNSS, lê os dados dos sensores ambientais e de movimento e os envia para a nuvem, usando a conectividade BLE e LoRaWAN. Estão incluídos casos de uso personalizável para o gerenciamento de frotas, monitoramento de rebanhos, monitoramento de mercadorias e logística.
• O aplicativo STAssetTracking pode configurar remotamente um dispositivo de rastreamento de ativos com capacidade BLE, Sigfox ou NFC. Ele pode ser usado para permitir o registro de dados para sensores específicos e definir gatilhos limiares para iniciar e parar o registro.
• O painel de controle DSH-ASSETRACKING é um aplicativo em nuvem da Amazon Web Services (AWS) que fornece uma interface intuitiva otimizada para coleta, visualização e análise de dados dos serviços de localização GNSS e sensores de movimento e ambientais. O painel pode traçar dados de posição e valores de sensores em tempo real ou históricos e monitorar as condições e eventos ambientais (Figura 5).

Figura 5: O painel de controle DSH-ASSETRACKING é um aplicativo de nuvem mantido pela AWS para rastreamento de ativos. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Resumo

O rastreamento de ativos é uma função crítica e complexa necessária com monitoramento de rebanhos, gerenciamento de frotas e logística. Como mostrado, o kit de desenvolvimento de hardware e software STEVAL-ASTRA1B e o projeto de referência da STMicroelectronics inclui os serviços de localização GNSS, uma gama completa de sensores ambientais e de movimento, gerenciamento de energia e uma gama completa de software e firmware necessários para agilizar o projeto de dispositivos de rastreamento de ativos de alto desempenho.