Como usar os módulos GNSS para criar soluções de reconhecimento de localização em cidades Inteligentes

Os serviços de reconhecimento de localização (LAS em inglês) em cidades inteligentes estão sendo implantados em várias áreas, incluindo serviços governamentais, transporte, gestão de tráfego, energia, saúde, água e esgoto, e criando cidades mais seguras, mais sustentáveis e mais bem conectadas. Muitas vezes há necessidade de entender as distâncias entre dispositivos próximos nestas aplicações. A demanda por capacidade baseada na posição utilizando receptores do sistema global de navegação por satélite (GNSS) multiconstelação para o Galileo da Europa, o GPS dos EUA, o GLONASS da Rússia e os sistemas de navegação por satélite BeiDou da China está crescendo em aplicações LAS. Os benefícios do uso de receptores GNSS de multiconstelação incluem: melhor disponibilidade dos sinais de posição, navegação e temporização (PNT), maior precisão e integridade, e melhor robustez. Mas desenvolver receptores de multiconstelação é uma atividade complexa e demorada.

Este artigo revisa importantes considerações de projeto de sistema ao utilizar receptores GNSS de multiconstelação antes de apresentar plataformas GNSS e ambientes de desenvolvimento da u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales e Arduino para o desenvolvimento eficiente e econômico de aplicações de reconhecimento de localização em cidades inteligentes.

As melhorias na tecnologia GNSS, especialmente a redução dos requisitos de potência, têm contribuído para o aumento do uso do GNSS e para a proliferação do LAS em aplicações de cidades inteligentes. A redução do consumo de potência do receptor GNSS foi de 120 miliwatt (mW) em 2010 para 25 mW em 2020 (Figura 1). Na verdade, a demanda de potência do receptor GNSS diminuiu mais rapidamente do que as necessidades de potência da maioria dos outros componentes do sistema LAS. As tecnologias GNSS mais antigas eram famintas por energia em comparação com os outros elementos do sistema. Hoje em dia, as necessidades de potência do GNSS são frequentemente apenas uma porcentagem de um dígito do balanço total de energia.

Figura 1: O consumo de potência do receptor GNSS diminuiu de 120 mW em 2010 para 25 mW em 2020. (Fonte da imagem: u-blox)

Desafios do consumo de potência

Embora o consumo de potência do receptor GNSS diminuiu drasticamente, as complexidades de obter a solução ideal de potência/desempenho se multiplicaram. Nem todo projeto LAS precisa de estimativas contínuas da posição GNSS ou altos níveis de precisão da posição. Os projetistas têm várias ferramentas para otimizar o desempenho do GNSS e o consumo de potência, incluindo a otimização de hardware e abordagens baseadas em firmwares.

O uso de componentes de baixa potência, especialmente amplificadores RF de baixo ruído (LNAs), osciladores e relógios de tempo real (RTCs), é o primeiro passo para o desenvolvimento de soluções GNSS com eficiência energética. A escolha entre antenas ativas e passivas é um bom exemplo. As antenas passivas são de menor custo e mais eficientes, mas não atendem às necessidades de cada aplicação. Uma antena ativa pode ser uma boa escolha em desfiladeiros urbanos, dentro de edifícios ou em outros locais com pouca força de sinal. O LNA na antena ativa aumenta significativamente a capacidade de receber sinais fracos, mas também consome quantidades significativas de energia. Quando o consumo de potência for crítico, e o tamanho da antena não for tão importante, uma antena passiva maior pode muitas vezes proporcionar o mesmo desempenho que uma antena ativa menor, além de fornecer alta disponibilidade de posição e níveis de precisão.

A maioria dos receptores GNSS pode fornecer taxas de atualização de 10 Hertz (Hz) ou maior, mas a maioria das aplicações LAS funciona bem com taxas de atualização muito mais lentas e com menor consumo de potência. Selecionar a taxa ideal de atualização pode ter o maior impacto no consumo de potência. Além das considerações baseadas em hardware, os projetistas têm uma gama de ferramentas de firmware disponíveis quando otimizam o consumo de potência, incluindo taxas de atualização, a quantidade de constelações GNSS rastreadas simultaneamente, GNSS assistido e uma variedade de modos de economia de energia (Figura 2).

Figura 2: Além de utilizar a solução de hardware mais eficiente, os projetistas têm várias ferramentas de firmware para otimizar o desempenho do GNSS e o consumo de potência. (Fonte da imagem: u-blox)

Pode ser necessário acompanhar várias constelações GNSS ao mesmo tempo em ambientes desafiadores. Embora a recepção de sinais utilizando várias faixas possa garantir uma determinação robusta de posição, ela também aumenta o consumo de potência. É importante entender o ambiente operacional específico, especialmente o quão aberta é a vista do céu, e usar o número mínimo necessário de sinais GNSS para auxiliar as necessidades da aplicação LAS em particular.

Desligar a função GNSS economiza o máximo de energia, mas resulta em uma partida a frio toda vez que for ligado. O tempo para a primeira correção (TTFF) de uma partida a frio pode ser de 30 segundos, ou mais, dependendo da disponibilidade e força dos sinais GNSS e do tamanho e colocação da antena. O GNSS assistido pode reduzir o TTFF, além de fornecer informações precisas. O GNSS assistido pode ser implementado de várias maneiras, incluindo a localização atual e prevista do satélite e parâmetros de temporização (chamados 'dados de efemérides'), almanaque e dados precisos de correção de tempo e status do satélite para os sistemas de satélite baixados pela Internet em tempo real ou em intervalos de até vários dias. Alguns receptores GNSS têm um modo autônomo que calcula internamente as previsões de órbita GNSS, eliminando a necessidade de dados externos e conectividade. Entretanto, o uso do modo autônomo pode exigir que o receptor seja ligado periodicamente para baixar os dados atuais da efeméride.

Modos de economia de energia

Além das opções de conectividade, tais como GNSS assistido, muitos receptores GNSS permitem que os projetistas selecionem, a partir de uma gama de compensações, entre taxas de atualização e consumo de potência, incluindo rastreamento contínuo, rastreamento cíclico, operação de liga/desliga e posicionamento instantâneo (Figura 3). Selecionar o modo de rastreamento ideal é outra consideração importante ao definir o desempenho de uma aplicação específica. Se as condições de operação mudarem, tornando indisponível o modo de economia de energia ideal, o sistema deverá mudar automaticamente para o próximo modo de economia de energia para garantir uma funcionalidade contínua.

Figura 3: Os modos de operação de economia de energia precisam ser combinados com as taxas de atualização necessárias para otimizar o desempenho do sistema GNSS. (Fonte da imagem: u-blox)

O rastreamento contínuo é adequado para aplicações que requerem algumas atualizações por segundo. O receptor GNSS adquire sua posição neste modo, estabelece uma posição fixa, descarrega dados de almanaque e efemérides, e então muda para o modo de rastreamento para reduzir o consumo de potência.

O rastreamento cíclico envolve vários segundos entre atualizações de posição e é útil quando os sinais e/ou as antenas são suficientemente grandes para garantir que os sinais de posição sejam acessíveis conforme necessário. Economia de energia adicional pode ser alcançada se o rastreamento não exigir a aquisição de novos satélites.

A operação liga/desliga envolve a alternância entre as atividades de aquisição/rastreamento e o modo de suspensão. O tempo de suspensão é normalmente de vários minutos e a operação liga/desliga requer fortes sinais GNSS para minimizar o TTFF e, portanto, o consumo de potência após cada período de suspensão.

O posicionamento instantâneo economiza energia ao usar o receptor GNSS para o processamento local do sinal combinado com recursos de computação em nuvem para o processamento mais intensivo em computação da estimativa de posição. Quando uma conexão de internet estiver disponível, o posicionamento instantâneo pode reduzir o consumo de potência do receptor GNSS em um fator de dez. Esta solução pode ser uma estratégia eficaz de economia de energia quando são necessárias apenas algumas atualizações de posição por dia.

Antena embutida suporta o aumento do GNSS

Os projetistas podem recorrer ao módulo de antena patch SAM-M8Q da u-blox para sistemas que se beneficiam da recepção simultânea de sinais GNSS do GPS, Galileo e GLONASS (Figura 4). O uso de três constelações ao mesmo tempo, resulta em alta precisão de posição em ambientes desafiadores, como desfiladeiros urbanos ou quando se recebe sinais fracos. Para acelerar o posicionamento e melhorar a precisão, o SAM-M8Q suporta funções de aumento, incluindo um sistema de satélite quase-zênite (QZSS), navegação GEO aumentada auxiliada por GPS (GAGAN) e sistema de mensagens internas (IMES), com o sistema de aumento de área ampla (WAAS), serviço europeu de sobreposição de navegação geoestacionária (EGNOS) e o sistema de aumento de satélite MTSAT (MSAS).

Figura 4: O módulo SAM-M8Q suporta a recepção simultânea de até três fontes GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Fonte da imagem: u-blox)

O módulo SAM-M8Q também pode usar o serviço de assistência u-blox AssistNow que fornece parâmetros de transmissão GNSS, incluindo dados de efemérides, almanaque, mais tempo ou posição aproximada, para reduzir significativamente o TTFF. A validade estendida dos dados do AssistNow Offline (até 35 dias) e do AssistNow Autonomous (até 3 dias) suporta TTFF mais rápido, mesmo após um tempo prolongado.

Esta plataforma de desenvolvimento da Internet das coisas (IoT) Google Cloud oferece uma maneira simples de conectar e proteger aplicações baseadas em PIC MCU. A GNSS 4 click da MikroElektronika contém um módulo SAM-M8Q e é projetada com a Placa de Desenvolvimento PIC®-IoT WG da Microchip Technology para acelerar o desenvolvimento de aplicações LAS de cidades inteligentes (Figura 5). A placa de desenvolvimento PIC-IoT WG oferece aos usuários do Google Cloud IoT uma maneira de acelerar o desenvolvimento de aplicações seguras conectadas à nuvem. Além disso, a placa PIC-IoT WG fornece aos projetistas ferramentas analíticas e de aprendizagem de máquinas.

Figura 5: A placa GNSS 4 Click carrega o módulo de antena patch SAM-M8Q da u-blox. (Fonte da imagem: DigiKey)

GNSS multiconstelação mais conectividade sem fio

Para dispositivos LAS pequenos, como rastreadores que podem se beneficiar do suporte GNSS multiconstelação (GPS/Galileo/GLONASS) e conectividade global LPWAN LTE a partir de um único módulo aproveitando o Rel. geração de 14 segundos Cat. M1/NB1/NB2, os projetistas podem recorrer ao módulo Cinterion TX62 da Thales (Figura 6). O tamanho da solução pode ser ainda mais otimizado usando a arquitetura flexível do módulo que suporta aplicações em execução usando um processador host ou dentro do módulo usando o processador integrado. O TX62 suporta o modo de economia de energia 3GPP (PSM) e recepção descontínua estendida (eDRx) para aplicações sensíveis à potência. Os tempos de suspensão do PSM tendem a ser muito mais longos do que o eDRX. Estes tempos de suspensão mais longos permitem que o dispositivo entre em um modo de suspensão mais profundo e de menor potência do que o eDRX. O consumo de suspensão do PSM é inferior a dez microamperes, enquanto no eDRX é de até 30 microamperes.

Figura 6: O módulo TX62 IoT suporta comunicações LTE-M, NB1 e NB2 e GNSS multiconstelação. (Fonte da imagem: Thales)

Os recursos de segurança do TX62 incluem armazenamento seguro de chaves e manuseio de certificados para dar suporte a inscrição confiável em plataformas de nuvem, enquanto protege o dispositivo e os dados, além de identidades confiáveis pré-integradas na raiz do TX62 durante a fabricação. Quando necessário, os projetistas podem especificar um eSIM integrado opcional que pode simplificar a logística e os processos de fabricação e melhorar a flexibilidade no campo através de atualizações dinâmicas de assinatura e provisionamento remoto.

O desenvolvimento do LAS em aplicações Arduino Portenta H7 é simplificado utilizando o Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield (Figura 7). O Shield combina o poder computacional de borda da Portenta H7 com a conectividade do TX62 para permitir o desenvolvimento do rastreamento de ativos LAS e monitoramento remoto em aplicações de cidades inteligentes, bem como em áreas industriais, agrícolas, utilitárias e outras. O Portenta Cat. M1/NB IoT GNSS Shield básico não inclui uma antena GSM/UMTS. Em vez de procurar uma antena compatível, os projetistas podem usar a antena dipolo de pentabanda à prova d'água da Arduino.

Figura 7: A Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield inclui o módulo TX62-W IoT (grande quadrado amarelo). (Fonte da imagem: Arduino)

Os benefícios adicionais da Portenta CAT.M1/NB IoT GNSS Shield inclui:

• Capacidade de mudar a conectividade sem mudar a placa
• Adiciona posicionamento mais NB-IoT, CAT.M1 qualquer projeto baseado em Portenta
• Redução significativa dos requisitos da largura de banda de comunicação nos dispositivos IoT
• Formato compacto de 66 mm x 25,4 mm
• Operação de -40°C a +85°C (-104°F a 185°F)

Resumo

Os avanços na tecnologia GNSS de baixa potência e alto desempenho são fatores que impulsionam o crescimento das aplicações LAS em cidades inteligentes. Entretanto, a simples utilização do hardware mais eficiente em termos energéticos é apenas o ponto de partida; é igualmente importante otimizar o firmware para chegar a uma solução ótima e eficiente em eficiência energética. Há numerosas combinações disponíveis de hardware e firmware para escolher quando desenvolver aplicações LAS baseadas em GNSS e os projetistas podem recorrer a uma variedade de ferramentas de avaliação para acelerar o processo de desenvolvimento.