如何有效地實現(xiàn)多連接資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用

作者：Jens Wallmann

先進(jìn)的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，如牲畜監(jiān)測、車隊管理和物流，都能自動捕獲被跟蹤對象的當(dāng)前狀態(tài)信息和位置坐標(biāo)。內(nèi)置的應(yīng)答器會將其記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端，供控制中心或移動設(shè)備使用。在工廠車間，經(jīng)常需要進(jìn)行短程無線數(shù)據(jù)更新，以交換物流數(shù)據(jù)、處理歷史記錄和監(jiān)測數(shù)據(jù)、更改配置或在應(yīng)答器存儲器中執(zhí)行固件更新。

這類資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)人員面臨以下挑戰(zhàn)：設(shè)計多功能傳感器應(yīng)答器，通過各種遠(yuǎn)程和短程無線電協(xié)議進(jìn)行通信，收集廣泛的測量數(shù)據(jù)，在不更換電池的情況下運行數(shù)月，并通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供所有數(shù)據(jù)。此外，設(shè)計人員還必須在克服以上挑戰(zhàn)的同時，降低成本并縮短上市時間。

雖然任務(wù)極其艱巨，但設(shè)計人員仍可通過使用已廣泛集成所需軟硬件的開發(fā)套件，來節(jié)省大量的時間和精力。

本文討論多種應(yīng)用的先進(jìn)資產(chǎn)跟蹤技術(shù)要求。然后，介紹 STMicroelectronics的多功能開發(fā)套件，該套件可大幅減少原型設(shè)計、測試和評估的工作量。文中還深入介紹了該開發(fā)套件的關(guān)鍵功能特性，并展示了開發(fā)人員如何在不必編碼的情況下輕松定制組合片上系統(tǒng)（SoC） 模塊的功能，然后從云端進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和可視化。

無線測量應(yīng)答器的特性

資產(chǎn)跟蹤涵蓋廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都需要用于應(yīng)答器和所連接網(wǎng)絡(luò)的專門技術(shù)設(shè)備。圖 1 列出了四個應(yīng)用類別的無線測量應(yīng)答器的技術(shù)特性。

物體攜帶的自主應(yīng)答器必須檢測環(huán)境影響、物體的位置和狀態(tài)（感測，圖1），將其存儲起來，并在下一次機會中通過各種無線接口（連接）進(jìn)行廣播。各種無線協(xié)議的信號處理和轉(zhuǎn)換必須由一個足夠強大的微控制器 （MCU）進(jìn)行處理，并實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)安全性（“處理和安全性”）。該 MCU 還會控制能源管理（“電源管理”），從而確保應(yīng)答器電池具有長工作壽命。

資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)可用性會影響傳感器的復(fù)雜性，并需要適當(dāng)?shù)倪B接。對于可預(yù)測的已知運輸路線，如包裹運送，只需將測量信號存儲在應(yīng)答器中即可。然后可以在下一個物流檢查站使用低功耗藍(lán)牙
（BLE） 或近場通信 （NFC） 近距離讀出數(shù)據(jù)。

在車隊管理以及物流和遠(yuǎn)程牲畜監(jiān)測等案例中，從應(yīng)答器通過云端到最終應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)盡可能地接近于實時傳輸。因此，應(yīng)答器需要一個移動無線電接口來覆蓋廣泛的范圍。選擇包括LoRaWAN（遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)）、Sigfox 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT），因為這些協(xié)議經(jīng)過優(yōu)化，適用于低吞吐量、節(jié)能型數(shù)據(jù)傳輸。

完整的資產(chǎn)跟蹤生態(tài)系統(tǒng)可減少開發(fā)工作

系統(tǒng)設(shè)計人員如果想要以具有成本和時間效益的方式實現(xiàn)其資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用 （ASTRA），他們可以使用 STMicroelectronics 的多功能STEVAL-ASTRA1B 開發(fā)平臺。該平臺包含多個 IC 和 SoC模塊，極大地簡化了創(chuàng)新型跟蹤和監(jiān)測解決方案的原型開發(fā)、編程、測試和評估。開發(fā)套件包括一個模塊化評估板、固件庫、編程工具和電路文檔，以及一個用于移動設(shè)備的 App和基于網(wǎng)絡(luò)的可視化界面（圖 2）。

STEVAL-ASTRA1B 板以兩個用于短程和遠(yuǎn)程連接的低功耗 SoC 模塊為基礎(chǔ)，并搭配了
NFC。板上包括一個用于數(shù)據(jù)安全功能的模塊。載板具有多個環(huán)境和運動傳感器，以及一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （GNSS）模塊，用于提供位置坐標(biāo)并支持地理邊界功能。一個電源管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)所有設(shè)備組件的工作模式并控制電源。電源由一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器、一塊電池和一個 USB-C充電控制器構(gòu)成，以盡可能地延長電池續(xù)航時間。該套件在交付時包括一個 480 mAh 的鋰聚合物 （Li-Poly） 電池、一個外殼、一根 SMA 天線（LoRa） 和一根 NFC 天線。

STEVAL-ASTRA1B 板的 IC 和 SoC 包括：

兩個無線 SoC：

STM32WB5MMGH6TR：這款 SoC 模塊基于 2.4 GHz 無線超低功耗 Arm? Cortex?-M4/M0+
MCU，用作主應(yīng)用處理器并支持 802.15.4、BLE 5.0、Thread 和 Zigbee

STM32WL55JCI6：這款無線 SoC 基于無線超低功耗 Arm Cortex M0+ MCU，并支持 LoRa、Sigfox 和亞千兆赫
（GHz） GFSK （150 - 960 MHz）

ST25DV64K-JFR8D3：NFC 發(fā)射器

TESEO-LIV3F：具有同步多星系的 GNSS 模塊

環(huán)境和運動傳感器：

STTS22HTR：數(shù)字溫度傳感器；-40 至 125°C

LPS22HHTR：壓力傳感器；26 至 126 kPa，絕對值

HTS221TR：濕度和溫度傳感器；0 至 100% 相對濕度 （RH） I2C、SPI ±4.5% RH

LIS2DTW12TR：加速計 X、Y、Z 軸；±2g、4g、8g、16g，0.8 Hz 至 800 Hz

LSM6DSO32XTR：加速計、陀螺儀、溫度傳感器 I2C、SPI 輸出

STSAFE-A110：安全元件

具有智能電源管理架構(gòu)的電池供電解決方案：

ST1PS02BQTR：降壓開關(guān)穩(wěn)壓器 IC；正可調(diào)，1.8 V，1 個輸出，400 mA

STBC03JR：用于鋰離子 （Li-ion） 或鋰聚合物的電池充電器 IC

TCPP01-M12：USB Type-C 和功率輸送保護(hù)

評估板的工作溫度為 +5 至 35°C，并使用以下頻段：

BLE：2400 MHz 至 2480 MHz，+6 dBm（分貝數(shù)基準(zhǔn)為 1 mW）

LoRaWAN：863 MHz 至 870 MHz，+14 dBm（受固件限制）

GNSS（接收器）：1559 MHz 至 1610 MHz

NFC：13.56 MHz

STEVAL-ASTRA1B 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ASTRA 應(yīng)答器的行為類似于一個數(shù)據(jù)記錄器，并將其數(shù)據(jù)流拆分到三個主要模塊，每個模塊都由硬件和軟件驅(qū)動程序以及應(yīng)用層構(gòu)成（圖 3）。數(shù)據(jù)輸入（圖3，左圖）用于捕獲所有板載傳感器信號。中間模塊（圖 3，中圖）用于處理和存儲數(shù)據(jù)。最后，將存儲的數(shù)據(jù)以無線方式進(jìn)行廣播（圖3，右圖）。在重新配置、固件更新或?qū)懭肓鞒?物流數(shù)據(jù)的情況下，信號流以相反的方向運行。

FP-ATR-ASTRA1 固件擴展了 STMicroelectronics 的 STM32Cube開發(fā)環(huán)境，并實現(xiàn)了完整的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，可支持遠(yuǎn)程（LoRaWAN、Sigfox）和短程（BLE、NFC）連接。該功能包從環(huán)境和運動傳感器讀取數(shù)據(jù)，檢索 GNSS地理定位，并將所有數(shù)據(jù)通過 BLE 發(fā)送到移動設(shè)備，同時通過 LoRaWAN 連接發(fā)送到云端。

FP-ATR-ASTRA1
軟件包支持低功耗配置文件，以確保較長的電池續(xù)航時間，實現(xiàn)最大的自主性。它還提供了多項關(guān)鍵功能，如安全元件管理、添加定制算法的功能、調(diào)試接口和擴展能力。

該軟件包劃分為：文檔、驅(qū)動程序和 HAL、中間件，以及示例項目。項目包括適用于 Keil、IAR 和 STM32Cube 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）的源代碼和經(jīng)編譯的二進(jìn)制文件。以下五個預(yù)定義用例均可單獨配置：車隊管理、牲畜監(jiān)測、貨物監(jiān)測、物流和定制應(yīng)用。

STEVAL-ASTRA1B 作為一個簡單的狀態(tài)機運行，并根據(jù)事件改變其運行模式。兩種主要狀態(tài)設(shè)計用于全速工作（運行）或低功耗 （LP）模式。在運行模式下，所有功能都被激活，所有數(shù)據(jù)都按照配置進(jìn)行廣播。而在 LP 狀態(tài)下，除 MCU 外，所有元器件都被設(shè)置為低功耗模式或被禁用（圖 4）。

按下側(cè)邊鍵將觸發(fā)兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。另一個輸入可以是微機電系統(tǒng) （MEMS）事件的輸出或算法的結(jié)果。這只是一個例子，說明如何實施狀態(tài)機以改變設(shè)備的行為。也可以實施多個中間狀態(tài)，以平衡系統(tǒng)響應(yīng)能力與電池續(xù)航時間。

可能的事件包括

BP：按下按鈕事件

SD：關(guān)機事件

ER：錯誤事件

EP：自動轉(zhuǎn)換至下一個步驟

RN：轉(zhuǎn)到全速運行命令

LP：轉(zhuǎn)到低功耗命令

云數(shù)據(jù)檢索和可視化

STEVAL-ASTRA1B 應(yīng)答器預(yù)裝了 FP-ATR-ASTRA1 固件包，因此環(huán)境測量信號和 GNSS 位置數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)可視化。

使用智能手機和平板電腦的 STAssetTracking 移動 App，啟用藍(lán)牙并連接到互聯(lián)網(wǎng)后，通過 myst.com 用戶帳戶在 TTN （TheThings Network） V3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上將應(yīng)答器注冊為 LoRaWAN 參與者。此外，應(yīng)答器還與 Amazon Web Services （AWS）上的 DSH-ASSETRACKING 網(wǎng)絡(luò)儀表盤相連接。

完成 TTN 注冊后，STEVAL-ASTRA1B 會出現(xiàn)在移動 App 的更新設(shè)備列表中。按下 《Settings》 菜單中的“Start synchronization”按鈕將會激活應(yīng)答器的發(fā)射模式，使其通過 BLE 和 LoRaWAN 并行發(fā)送存儲的數(shù)據(jù)。移動 App可以在儀表盤上顯示存儲器中的測量數(shù)據(jù)，并輸出應(yīng)答器的 GNSS 位置，或?qū)⑵滹@示為地圖上的一個標(biāo)（圖 5）。

除了 ASTRA 應(yīng)答器外，網(wǎng)絡(luò)儀表盤還可以聚合網(wǎng)絡(luò)中其他許多獨立的無線跟蹤器，如 P-L496G-CELL02 （LTE） 和NUCLEO-S2868A2（Sigfox 射頻發(fā)射器），或互聯(lián)網(wǎng)耦合節(jié)點，如 STEVAL-SMARTAG1
（Wi-Fi）、STEVAL-MKSBOX1V1（BLE 終端節(jié)點）和 STEVAL-SMARTAG1（NFC終端節(jié)點）。這使得發(fā)展基于云的多協(xié)議無線生態(tài)系統(tǒng)成為可能。

單獨配置和編程

在初始調(diào)試期間成功評估 ASTRA 應(yīng)答器的出廠設(shè)置后，下一步是讓開發(fā)人員根據(jù)自己的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用定制應(yīng)答器。

對于無需額外硬件的小型定制工作，通過 BLE 和移動 App（按移動 App 中的“錘子和扳手”圖標(biāo)，圖 5）便足以配置各種參數(shù)和功能。

另一種配置項目的方法是使用命令行和調(diào)試控制臺。PC 終端程序（如 Tera Term）通過虛擬 COM 端口使用 USB 進(jìn)行通信，而移動設(shè)備則使用STBLESensor（ST BLE 傳感器）App，并通過 BLE 進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)（圖 6）。

要對 ASTRA 板重新編程，就像固件更新、集成其他庫函數(shù)或生成開發(fā)人員自己的應(yīng)用代碼那樣，通過 JTAG 接口進(jìn)行訪問非常方便。為此，通過一條 14針帶狀電纜將單獨提供的 STLINK-V3MINIE 調(diào)試和編程適配器連接到 ASTRA 板。然后，安裝在 PC 上的 Keil、IAR 或 STM32Cube等 IDE 可以將編譯后的二進(jìn)制文件寫入到應(yīng)用程序存儲器或調(diào)試程序序列中。

STLINK-V3MINI 還提供了虛擬 COM 端口接口，以便主機 PC 通過 UART 與目標(biāo)微處理器通信。

有幾種方法可以對不同的 Arm MCU 進(jìn)行固件更新：

PC 上的 STM32Cube 編程器使用 JTAG 適配器和 MCU 引導(dǎo)程序?qū)⒍M(jìn)制文件寫入閃存中

PC 上的 STM32Cube 編程器使用 USB 和 MCU 引導(dǎo)程序?qū)⒍M(jìn)制文件寫入閃存中

通過 BLE，使用移動設(shè)備上的 STBLESensor App 進(jìn)行空中固件升級 （FUOTA）

由于應(yīng)用控制器 STM32WL55JC （LoRaWAN） 用作 STM32WB5MMG （BLE） 的主控，因此必須通過跳線選擇各自的 MCU核心來進(jìn)行閃寫。

使用 STM32CubeMX 的圖形化軟件配置

STM32Cube 通過減少開發(fā)工作、時間和成本，讓開發(fā)人員的生活更加輕松。該 IDE 涵蓋了整個 STM32 MCU產(chǎn)品組合。此外，STM32CubeMX 還允許使用圖形化向?qū)нM(jìn)行配置和生成 C 代碼。FP-ATR-ASTRA1 軟件包擴展了 STM32Cube的功能，并可以直接安裝到 STM32CubeMX IDE 中。

圖 7 顯示了 STM32CubeMX 的 Shell：導(dǎo)航（左側(cè)和頂部），F(xiàn)P-ATR-ASTRA1包配置（中間），及其架構(gòu)（右側(cè)）。FP-ATR-ASTRA1 包提供了三個用于定制的選項卡：［Platform Settings］、［Parameter Settings］ 和 ［ASTRA ENGINE］。

在配置好所有設(shè)置后，可通過按下 《Generate Code》 按鈕從 STM32CubeMX 生成代碼。之后，可以通過打開所需的 IDE來定制、編譯固件代碼并在電路板上閃寫。

生成的源代碼在硬件模塊和功能方面具有模塊化架構(gòu)。硬件模塊管理是通過特定的定義 （USE_GNSS）
來識別的。函數(shù)在不同的文件中進(jìn)行管理，例如系統(tǒng)初始化、狀態(tài)機配置或數(shù)據(jù)管理。

盡管文件樹非常復(fù)雜，但在用例的應(yīng)用配置中僅涉及幾個文件：

App_astra.c/.h

此主文件為入口點，它在 MX_Astra_Init（） 中調(diào)用初始化函數(shù)（清單 1）

astra_confmng.c/.h

此板配置管理器包含了供用戶選擇的變量，以啟用/禁用每個硬件模塊及用例的實現(xiàn)和配置。

astra_datamng.c/.h

在此文件中，從傳感器和其他輸入收集的數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中。它們已做好操作準(zhǔn)備，例如，對數(shù)據(jù)運行特定的算法。

astra_sysmng.c/.h

在這里實現(xiàn)與系統(tǒng)有關(guān)的功能。主要功能包括命令行界面、按鈕回調(diào)、算法、LED、資產(chǎn)跟蹤用例管理和定時器管理。

SM_App.c/.h

這些文件包含狀態(tài)機的配置結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用的開發(fā)是一個復(fù)雜的多步驟過程，但多功能 STEVAL-ASTRA1B開發(fā)平臺簡化了這項任務(wù)。由于板載了所有必要的硬件和軟件，它提供了一種快速、簡單的方法，在網(wǎng)絡(luò)界面或通過移動設(shè)備 App來可視化無線應(yīng)答器記錄的數(shù)據(jù)。如上所述，開發(fā)人員只需使用靈活的配置工具，無需代碼編程便能根據(jù)其跟蹤或監(jiān)測應(yīng)用定制此無線數(shù)據(jù)記錄器，或者也可以使用自動代碼生成器。