Como implementar de forma eficaz aplicações de rastreamento de ativos com multiconectividade

Aplicações avançadas de rastreamento de ativos, tais como monitoramento agropecuário, gerenciamento de frota e logística, capturam automaticamente informações da situação atual e coordenadas da posição dos objetos rastreados. Um transponder embarcado retransmite seus dados de registro para a nuvem e os torna disponíveis para o centro de controle ou para um dispositivo móvel. No chão de fábrica, atualizações de dados sem fio de curto alcance são frequentemente necessárias para trocar dados logísticos, histórico de processos e dados de monitoramento, alterar configurações ou realizar atualizações de firmware na memória do transponder.

Os desenvolvedores de tais sistemas de rastreamento de ativos enfrentam o desafio de projetar um transponder sensor multifuncional que se comunique através de vários protocolos de rádio de longo e curto alcance, colete uma ampla gama de dados de medição, opere durante meses sem substituição de bateria e disponibilize todos os dados via serviços da Internet. Além disso, os projetistas devem realizar tudo isso e ainda reduzir os custos e o tempo de colocação no mercado.

Embora a grandeza da tarefa possa ser desafiadora, os projetistas podem economizar muito tempo e energia utilizando kits de desenvolvimento que já integram grande parte do hardware e software necessários.

Este artigo discute os requisitos técnicos do rastreamento avançado de ativos em múltiplas aplicações. Em seguida, apresenta um kit de desenvolvimento multifuncional da STMicroelectronics que reduz significativamente o esforço necessário para o projeto de protótipos, teste e avaliação. Ele fornece uma visão das principais características funcionais do kit de desenvolvimento e mostra como os desenvolvedores podem facilmente personalizar as funções dos módulos System-on-Chip (SoC) combinados sem precisar programar, recuperar e visualizar os dados da nuvem.

Características de um transponder de medição sem fio

O rastreamento de ativos tem uma ampla gama de áreas de aplicação, e cada uma delas requer equipamento técnico muito específico para o transponder e a rede interligada. A Figura 1 lista as características técnicas de um transponder de medição sem fio em quatro categorias de aplicação.

Figura 1: as características de um transponder de medição sem fio dependem da aplicação de rastreamento de ativos. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Um transponder autônomo carregado com o objeto deve detectar influências ambientais, a posição e a situação do objeto (Detecção, Figura 1), armazenar e transmitir isso na próxima oportunidade através de qualquer uma das diversas interfaces sem fio (Conectividade). O processamento de sinais e a conversão para vários protocolos sem fio devem ser tratados por um microcontrolador (MCU) suficientemente potente com um alto grau de segurança dos dados ("Processamento & segurança"). O MCU também controla o gerenciamento de energia ("Gerenciamento de energia") e assim garante que a bateria do transponder tenha uma longa vida útil.

A disponibilidade de dados exigida por uma aplicação de rastreamento de ativos afeta a complexidade dos sensores e exige conectividade apropriada. Para rotas de transporte conhecidas e previsíveis, como a entrega de encomendas, basta simplesmente armazenar os sinais de medição no transponder. Os dados podem então ser lidos a curta distância usando Bluetooth de baixa energia (BLE) ou comunicação de campo próximo (NFC) no ponto de verificação logística seguinte.

No caso da gestão de frotas, bem como da logística e do monitoramento agropecuário em longas distâncias, a transferência de dados do transponder através da nuvem para a aplicação de uso final deve ocorrer o mais próximo possível do tempo real. O transponder, portanto, requer uma interface de rádio móvel para cobrir um amplo alcance. As opções incluem LoRaWAN (rede de longa distância e grande extensão), Sigfox, e Internet das coisas de banda estreita (NB-IoT), pois esses protocolos são otimizados para baixas taxas de transferência e economia de energia.

Um ecossistema completo de rastreamento de ativos com menos trabalho no desenvolvimento

Os projetistas de sistemas que desejam construir sua aplicação de rastreamento de ativos (ASTRA) de forma eficiente em termos de custo e tempo podem usar a plataforma de desenvolvimento multifuncional STEVAL-ASTRA1B da STMicroelectronics. A plataforma compreende vários CIs e módulos SoC, simplificando muito a prototipagem, programação, testes e avaliação de soluções inovadoras de rastreamento e monitoramento. O kit de desenvolvimento consiste em uma placa de avaliação modular, bibliotecas de firmware, ferramentas de programação e documentação de circuitos, bem como um aplicativo para dispositivos móveis e uma interface de visualização baseada na web (Figura 2).

Figura 2: O ecossistema de rastreamento de ativos pronto para uso inclui desde o transponder de medição sem fio para a nuvem até a aplicação final, reduzindo o trabalho de desenvolvimento. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

A placa STEVAL-ASTRA1B é baseada em dois módulos SoC de baixa potência para conectividade de curto e longo alcance, juntamente com NFC. Embarcado está incluído um módulo para funções de segurança de dados. A placa portadora possui múltiplos sensores ambientais e de movimento, bem como um módulo do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) que fornece coordenadas de posição e permite a delimitação geográfica. Um sistema de gerenciamento de energia regula o modo de operação de todos os componentes do dispositivo e controla a fonte de alimentação. A fonte de alimentação consiste em um conversor de comutação, uma bateria e um controlador de carga USB-C para prolongar a vida útil da bateria o máximo possível. Na entrega, o kit inclui uma bateria de 480 miliamperes-hora (mAh) de polímero de lítio (Li-Poly), um estojo, uma antena SMA (LoRa) e uma antena NFC.

A placa STEVAL-ASTRA1B compreende os CIs e SoCs:

• Dois SoCs sem fio:
  • STM32WB5MMGH6TR: esse módulo SoC baseado em uma MCU Arm® Cortex®-M4/M0+ sem fio de 2,4 gigahertz (GHz) de ultra-baixo consumo atua como o principal processador da aplicação e tem suporte para 802.15.4, BLE 5.0, Thread e Zigbee
  • STM32WL55JCI6: esse SoC sem fio é baseado em uma MCU Arm Cortex M0+ sem fio de ultra-baixo consumo e tem suporta para LoRa, Sigfox e GFSK abaixo de 1 gigahertz (GHz) (150 - 960 megahertz (MHz))
• ST25DV64K-JFR8D3: transmissor NFC
• TESEO-LIV3F: módulo GNSS com multiconstelação simultânea
• Sensores ambientais e de movimento:
  • STTS22HTR: sensor digital de temperatura; -40 a 125 °C
  • LPS22HHTR: sensor de pressão; 26 a 126 quilopascals (kPa), absoluto
  • HTS221TR: sensor de umidade e temperatura; 0 a 100% de umidade relativa (UR) I²C, SPI ±4,5% UR
  • LIS2DTW12TR: acelerômetro eixos X, Y e Z; ±2g, 4g, 8g, 16g 0,8 Hertz (Hz) a 800 Hz
  • LSM6DSO32XTR: acelerômetro, giroscópio, sensor de temperatura I²C, saída SPI
• STSAFE-A110: elemento seguro
• Solução operada por bateria com arquitetura de gerenciamento de energia inteligente:
  • ST1PS02BQTR: CI regulador de chaveamento Buck; positivo ajustável, 1,8 volts, 1 saída, 400 miliamperes (mA)
  • STBC03JR: CI carregador de bateria para íon de lítio (Li-ion) ou Li-Poly
  • TCPP01-M12: USB Tipo C e proteção de fornecimento de energia

A placa de avaliação opera a temperaturas de +5 a 35 °C e utiliza as seguintes bandas de frequência:

• BLE: 2400 MHz a 2480 MHz, +6 decibéis referidos a um miliwatt (mW) (dBm)
• LoRaWAN: 863 MHz a 870 MHz, +14 dBm (limitado pelo firmware)
• GNSS (receptor): 1559 MHz a 1610 MHz
• NFC: 13,56 MHz

A estrutura interna da STEVAL-ASTRA1B

O transponder ASTRA se comporta como um registrador de dados e divide seu fluxo de dados em três blocos principais, cada um consistindo de drivers de hardware e software, assim como a camada de aplicação (Figura 3). A entrada de dados (Figura 3, à esquerda) captura todos os sinais dos sensores embarcados. O bloco central (Figura 3, centro) processa e armazena os dados. Finalmente, os dados armazenados são transmitidos sem fio (Figura 3, à direita). No caso de uma reconfiguração, uma atualização de firmware ou a escrita de dados de processo/logística, o fluxo do sinal corre na direção oposta.

Figura 3: Fluxo de dados do transponder de medição sem fio: os sinais do sensor (esquerda) são processados, armazenados (centro), e então enviados (direita) quando surge a oportunidade. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

O firmware FP-ATR-ASTRA1 amplia o ambiente de desenvolvimento STM32Cube da STMicroelectronics e implementa uma aplicação completa de rastreamento de ativos que suporta conectividade de longo alcance (LoRaWAN, Sigfox) e curto alcance (BLE, NFC). O pacote funcional lê dados de sensores ambientais e de movimento, recupera o geoposicionamento GNSS e envia tudo para um dispositivo móvel via BLE e, em paralelo, para a nuvem via conectividade LoRaWAN.

O pacote FP-ATR-ASTRA1 suporta perfis de baixa potência para garantir uma longa vida útil da bateria para a máxima autonomia. Ele também fornece características-chave, tais como gerenciamento seguro de elementos, a capacidade de adicionar algoritmos personalizados, interfaces de depuração e capacidade de expansão.

O pacote de software é dividido em: documentação, drivers & HAL, middleware e projetos de exemplo. Os projetos incluem código fonte e binários compilados para ambientes de desenvolvimento integrados (IDEs) Keil, IAR e STM32Cube. Os cinco casos de uso pré-definidos a seguir são configuráveis individualmente: gerenciamento de frota, monitoramento agropecuário, monitoramento de bens, logística e customização.

A STEVAL-ASTRA1B opera como uma máquina de estado simples que muda seu modo de operação dependendo dos eventos. Os dois estados principais são projetados para operação plena (Run) ou baixa potência (LP). No modo Run, todas as funções estão ativas, e todos os dados são transmitidos conforme configurado. No estado LP, todos os componentes, exceto a MCU, são configurados para o modo de baixa potência ou desativados (Figura 4).

Figura 4: os dois principais modos de operação da STEVAL-ASTRA1B são o modo de operação plena (Run) ou LP. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Pressionar a tecla lateral aciona a transição entre os dois estados. Outro comando pode ser a saída de um evento de sistemas microeletromecânicos (MEMS) ou o resultado de um algoritmo. Esse é apenas um exemplo de como um estado da máquina pode ser implementado para mudar o comportamento do dispositivo. Múltiplos estados intermediários também podem ser implementados para equilibrar a responsividade do sistema e a vida útil da bateria.

Possíveis eventos são

• BP: Evento com botão pressionado
• SD: Evento de desligamento
• ER: Evento de erro
• EP: Transição automática para a próxima etapa
• RN: Ir para o comando de operação plena
• LP: Ir para o comando de baixa potência

Recuperar e visualizar os dados da nuvem

O transponder STEVAL-ASTRA1B tem o pacote de firmware FP-ATR-ASTRA1 pré-instalado, para que os sinais de medição ambiental e os dados de posição GNSS possam ser visualizados em minutos.

Usando o aplicativo móvel STAssetTracking para smartphones e tablets, tendo Bluetooth habilitado e conectado à Internet, o transponder é registrado no servidor de rede TTN (The Things Network) V3 como um participante LoRaWAN através da conta de usuário do myst.com. Ele também está conectado ao painel da web DSH-ASSETRACKING na Amazon Web Services (AWS).

Após o registro TTN, a STEVAL-ASTRA1B aparece na lista atualizada de dispositivos do aplicativo móvel. Pressionar o botão "Iniciar sincronização" no menu <Configurações> ativa o modo de transmissão do transponder para que ele envie os dados armazenados via BLE e LoRaWAN em paralelo. O aplicativo móvel pode exibir os dados de medição a partir da memória em um painel e emitir a posição GNSS do transponder ou mostrá-la como um marcador em um mapa (Figura 5).

Figura 5: o aplicativo móvel ajuda a registrar o transponder na TTN e conectá-lo ao painel da nuvem; ele visualiza os valores registrados do sensor e auxilia na configuração e depuração. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Além do transponder ASTRA, o painel da web pode agregar muitos outros rastreadores sem fio autônomos como o P-L496G-CELL02 (LTE) e o NUCLEO-S2868A2 (transmissor RF Sigfox), ou nós acoplados à Internet como o STEVAL-SMARTAG1 (Wi-Fi), o STEVAL-MKSBOX1V1 (nó terminal BLE) e o STEVAL-SMARTAG1 (nó terminal NFC) na nuvem. Isso permite o desenvolvimento de um ecossistema sem fio multiprotocolo baseado na nuvem.

Configuração e programação individual

Uma vez que as configurações de fábrica do transponder ASTRA tenham sido avaliadas com sucesso durante o comissionamento inicial, o próximo passo é o desenvolvedor personalizar o transponder para sua própria aplicação de rastreamento de ativos.

Para pequenos trabalhos de customização sem hardware adicional, pode ser suficiente configurar os vários parâmetros e funções via BLE e aplicativo móvel (pressione o ícone "martelo & chave" no aplicativo móvel, Figura 5).

Outra maneira de configurar o projeto é usando uma linha de comando e um console de depuração. Enquanto um programa terminal de PC (por exemplo, Tera Term) se comunica via USB através de uma porta COM virtual, o dispositivo móvel usa o aplicativo STBLESensor (ST BLE Sensor) e as redes via BLE (Figura 6).

Figura 6: linha de comando e console de depuração em um PC (esquerda) e em um dispositivo móvel (direita). (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Para reprogramar a placa ASTRA, como com uma atualização de firmware, a integração de outras funções da biblioteca ou a geração de um código de aplicação próprio do desenvolvedor, o acesso através da interface JTAG é conveniente. Para esse fim, o depurador e adaptador de programação STLINK-V3MINIE disponível separadamente é conectado à placa ASTRA por um cabo de fita de 14 pinos. Uma IDE como Keil, IAR ou STM32Cube instalada em um PC pode então escrever arquivos binários compilados na memória do programa da aplicação ou depurar sequências de programas.

O STLINK-V3MINI também fornece uma interface de porta COM virtual que permite que o PC host se comunique com o microcontrolador de destino via UART.

Há várias maneiras de fazer atualizações de firmware para as diferentes MCUs Arm:

• O gravador de memória STM32Cube em um PC grava o arquivo binário na memória flash usando um adaptador JTAG e um carregador de inicialização MCU
• O gravador de memória STM32Cube em um PC grava o arquivo binário na memória flash usando o USB e um carregador de inicialização MCU
• Atualização do firmware sem fio (FUOTA) é feita via BLE utilizando o aplicativo STBLESensor em um dispositivo móvel

Como o controlador de aplicação STM32WL55JC (LoRaWAN) atua como mestre para o STM32WB5MMG (BLE), o respectivo núcleo MCU a ser carregado deve ser selecionado através de jumpers.

Configuração de software gráfico usando o STM32CubeMX

O STM32Cube facilita a vida dos desenvolvedores ao reduzir o trabalho de desenvolvimento, o tempo e o custo. A IDE cobre todo o portfólio da MCU STM32. Além disso, o STM32CubeMX permite a configuração e a geração de código C usando assistentes gráficos. O pacote de software FP-ATR-ASTRA1 expande a funcionalidade do STM32Cube e pode ser instalado diretamente na IDE STM32CubeMX.

A figura 7 mostra a carcaça STM32CubeMX: navegação (esquerda & topo), configuração do pacote FP-ATR-ASTRA1 (meio) e sua arquitetura (direita). O pacote FP-ATR-ASTRA1 oferece três abas para personalização: [Configurações da plataforma], [Configurações dos parâmetros] e [MOTOR ASTRA].

Figura 7: configuração de software gráfico utilizando a ferramenta STM32CubeMX: navegação (esquerda & topo), configuração do pacote FP-ATR-ASTRA1 (meio) e sua arquitetura (direita). (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Uma vez feitas todas as configurações, o código pode ser gerado a partir do STM32CubeMX, pressionando o botão <Gerar Código>. Ao abrir a IDE desejada, o código do firmware pode então ser personalizado, compilado e carregado na placa.

O código fonte gerado tem uma arquitetura modular em termos de blocos e funções de hardware. O gerenciamento de blocos de hardware é identificado pelas definições específicas (USE_GNSS). As funções são gerenciadas em diferentes arquivos, tais como inicialização do sistema, configuração do estado da máquina ou gerenciamento de dados.

Apesar da complexidade da árvore de arquivos, apenas alguns poucos arquivos estão envolvidos na configuração da aplicação dos casos de uso:

• app_astra.c/.h
  Esse arquivo principal é o ponto de entrada e inicia funções de inicialização dentro de MX_Astra_Init() (Listagem 1)

Lista 1: essa função MX_Astra_Init() é utilizada para a inicialização do sistema. (Fonte das Listas: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  Esse gerenciador de configuração de placas contém as variáveis selecionadas pelo usuário para habilitar/desabilitar cada bloco de hardware e usar a implementação e configuração de caso.
• astra_datamng.c/.h
  Nesse arquivo, os dados coletados dos sensores e outras entradas são armazenados na RAM. Eles estão prontos para serem manipulados, por exemplo, para executar um algoritmo específico nos dados.
• astra_sysmng.c/.h
  Aqui, as funções relacionadas ao sistema são implementadas. As principais funcionalidades são a interface de linha de comando, retorno de chamadas de botões, algoritmos, LEDs, gerenciamento de casos de uso de rastreamento de ativos e o gerenciamento do temporizador.
• SM_APP.c/.h
  Esses arquivos contêm as estruturas de configuração do estado da máquina .

Conclusão

O desenvolvimento de aplicações de rastreamento de ativos é um processo complexo, com várias etapas, mas a plataforma de desenvolvimento multifuncional STEVAL-ASTRA1B simplifica a tarefa. Com todo o hardware e software necessários embarcados, ela oferece uma maneira rápida e fácil de visualizar os dados registrados de um transponder sem fio na interface web ou através do aplicativo para dispositivo móvel. Como mostrado, os desenvolvedores podem simplesmente personalizar esse registrador de dados sem fio para sua aplicação de rastreamento ou monitoramento usando ferramentas flexíveis de configuração sem programação de código ou podem usar o gerador automático de código.