如何为牲畜监控、车队管理和工业 4.0 物流设计多连接跟踪系统
实时资产跟踪和状态监测在畜牧管理、食品和药品冷链仓储、车队管理以及工业 4.0 灵活生产运营等农业运营中至关重要。这是一个复杂的过程，涉及多个传感器来监测环境条件。它强调，该资产受制于多星座全球导航卫星系统（gnss）能力，包括gps，伽利略，glonass，北斗和qzss，以确保准确的位置信息。此外，多连接解决方案提供资产位置和状况的及时通信，无论周围环境如何，包括与云的连接以支持集中监控。此外，它需要节能以最大限度地减少对电池电源的需求，并且系统必须安全且免受黑客攻击。
设计资产跟踪和状态监测系统是一项复杂的多学科活动，会消耗大量资源并花费大量时间。除了与硬件设计相关的复杂性外，数据还需要安全地连接到云和移动设备，以便以可操作的格式提供生成的大量信息。
设计人员在设计资产跟踪系统时不必从空白页开始，而是可以转向开发套件和参考设计，以简化原型设计、测试和评估高级资产跟踪应用。本文将回顾开发资产跟踪和状态监测系统时的gnss、传感器、连接性和其他考虑因素，然后介绍意法半导体的综合开发套件，其中包括用于各种类型传感器、gnss定位和通信功能的多个印刷电路板。该套件还包括电池和高级电源管理，以最大限度地延长电池寿命，软件和固件库以及应用开发工具。
资产在世界的什么地方？
跟踪资产的第一步是使用国家海洋电子协会 （nmea） 数据格式收集当前位置信息。nmea 是所有 gps 制造商用来确保互操作性的标准。标准 nmea 消息格式称为句子。nmea 定义了几个句子来提供各种类型的信息，包括：
gga – 全球定位系统固定数据，包括 3d 坐标、状态、使用的卫星数量和其他数据
gsa – 精确稀释 （dop） 和有源卫星
gst – 位置误差统计
gsv – 视野中的卫星数量以及每颗卫星的伪随机噪声 （prn） 数量、仰角、方位角和信噪比
rmc – 位置、速度和时间
zda – utc 日、月、年以及本地时区偏移量
使用nmea简化了定位软件开发，因为通用接口可用于各种类型的gps接收器，并且可以使用相应的句子轻松访问特定的数据集。
如何提高准确性？
原始 gnss 数据仅提供有限的位置精度。可用于改进位置估计的工具，包括差分全球定位系统（dgps）服务，该服务为船上的gps导航设备提供校正信号。dgps使用海事无线电技术委员会（rtcm）协议来提供增强的位置数据。此外，基于卫星的增强系统（sbas）可用于提高位置信息的准确性，包括美国的广域增强系统（waas），欧洲地球静止导航叠加系统（egnos），亚洲的多功能卫星增强系统（msas）和印度的区域sbas的gps辅助geo增强导航（gagan）（图1）。
资产的状况如何？
在许多情况下，了解资产的位置只是拼图的一部分。收集有关资产状况的信息非常重要，包括其物理状态以及资产是移动还是静止。根据需要，可以部署各种传感器，包括：
温度传感器的工作范围为 -40°c 至 +125°c，精度高，校准符合美国国家标准与技术研究院 （nist） 可追溯，并符合 iatf 16949：2016 标准的要求。
压力传感器 - 紧凑而坚固的微机电系统（mems）压阻式绝对传感器可用作数字输出气压计，绝对压力范围为260至1260百帕斯卡（hpa），也称为毫巴。它需要高度精确并包括温度补偿。
湿度传感器的工作温度范围为 -40°c 至 +120°c，湿度测量范围为 0 至 100% 相对湿度 （rh）。在 3% 至 5% 相对湿度范围内，应以 ±20.80% rh 的精度进行温度补偿。
惯性测量单元 （imu），包括基于 mems 的 3d 加速度计和 3d 陀螺仪，用于确定资产是移动还是静止。
加速度计类似于基于mems的三轴线性加速度计，用于测量资产的冲击和振动暴露。
安全连接
一旦确定了资产的位置和状况，就该传达这些信息了。根据具体情况，这可能需要远程和短距离安全连接的组合。在意法半导体的steval-astra1b多连接资产跟踪平台中，连接性和安全性由主板上的多个系统元件支持，包括（图2）：
stm32wb5mmg是一款经过认证的2.4 ghz无线模块，集成了stm32wb双核arm® cortex-m4®/m0+、晶体和芯片天线以及匹配网络。它包括低功耗蓝牙（ble）堆栈，并支持open thread，zigbee和其他2.4 ghz协议。
stm32wl55jc提供远距离无线连接。它还包括一个双核arm cortex-m4 / m0 +，可以支持gfsk，lora等协议。标准版本的射频前端支持 868、915 和 920 mhz 频段。更改某些组件可使模块支持较低的频率。
stsafe-a110安全元件连接到stm32wb5mmg，实现安全的数据管理和认证。它旨在支持资产跟踪等物联网 （iot） 网络，并包括一个安全的操作系统和安全的微控制器。
资产跟踪开发环境
资产跟踪应用的开发人员可以使用意法半导体的steval-astra1b硬件和软件开发套件和参考设计，帮助对高级资产跟踪系统进行原型设计、测试和评估（图3）。steval-astra1b围绕stm32wb5mmg模块和stm32wl55jc soc构建，结合了短距离和远程连接（ble，lora和2.4 ghz以及sub-1 ghz专有协议）。对于nfc连接，可以使用st25dv64k。stsafe-a110支持安全操作，teseo-liv3f gnss模块提供室外定位。
gnss定位接收机兼容六个系统，包括gps，galileo，glonass，北斗，qzss和navic（也称为irnss）。该系统还包括waas，egnos，msas，waas和gagan sbas支持。包括一个陷波滤波器，用于抗干扰。
包括用于状态监测的各种传感器，包括（图 4）：
stts22htr – 数字温度传感器，可在 -40°c 至 +125°c 范围内使用，在 -0°c 至 +5°c 范围内最大精度为 ±10.60°c，并提供 16 位温度数据输出。校准是nist可追溯的，设备经过100%的测试和验证，设备根据iatf 16949：2016标准校准。
lps22hhtr – mems压阻式绝对压力传感器，用作
数字输出气压计，可测量 260 至 1260 hpa 的绝对压力。它具有 0.5 hpa 的绝对压力精度和 0.65 pa 的低压传感器噪声，可产生 24 位压力数据输出。
hts221tr – 相对湿度和温度传感器。它可以测量 0 至 100% rh，灵敏度为 0.004% rh/最低有效位 （lsb），湿度精度为 ±3.5% rh（20 至 +80 % rh），温度精度为 ±0.5°c （+15°c 至 +40°c）。
lis2dtw12tr – mems三轴线性加速度计和温度传感器，用户可选择±2g/±4g/±8g/±16g满量程，可以测量1.6 hz至1600 hz输出数据速率的加速度。
lsm6dso32xtr - 一个 imu 模块，具有始终开启的 32 g 3d 数字加速度计和一个 3d 数字陀螺仪，量程为 ±4/±8/±16/±32 g 满量程，角度范围为 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 （dps） 满量程。
电源管理对于无线跟踪设备非常重要。为了确保较长的电池寿命，steval-astra1b包括广泛的电源管理组件，例如：
st1ps02d1qtr 400毫安（ma）同步降压转换器，输入电压范围为1.8 v至5.5 v，输入静态电流为500纳安（na），输入电压为3.6 v，典型效率为92%。
stbc03jr电池电源管理和充电器ic，包括用于单节锂离子（li-ion）电池的线性电池充电器部分，该部分使用恒流/恒压（cc/cv）充电算法、150 ma低压差稳压器（ldo）、两个单刀双掷（spdt）负载开关和电路，可在故障条件下保护电池。
tcpp01-m12usb type-c® 端口保护 ic，包括可在 5 v 至 22 v 范围内调节的 vbus 过压保护（使用外部 n 沟道 mosfet）、cc 线路上的 6.0 v 过压保护 （ovp）（防止 vbus 短路）和符合 iec 1-2-61000 4 级连接器引脚 cc2 和 cc4 的系统级静电放电 （esd） 保护。
软件和固件库
包括或提供广泛的软件和固件，用于使用steval-astra1b开发资产跟踪应用程序。示例包括：
fp-atr-astra1功能包实现了完整的资产跟踪应用程序，并包含在steval-astra1b中。功能包从 gnss 接收器获取定位数据， 从环境和运动传感器读取数据， 并使用 ble 和 lorawan 连接将它们发送到云.包括车队管理、牲畜监控、货物监控和物流的可定制用例。
stassettracking应用程序可以远程配置支持ble，sigfox或nfc的资产跟踪设备。它可用于启用特定传感器的数据记录，并设置阈值触发器以启动和停止记录。
dsh-assetracking 仪表板是一个由亚马逊网络服务 （aws） 提供支持的云应用程序，它提供了一个直观的界面，该界面经过优化，用于收集、可视化和分析来自 gnss 定位服务以及运动和环境传感器的数据。仪表板可以绘制实时或历史位置数据和传感器值，并监控环境条件和事件（图 5）。
总结
资产跟踪是牲畜监控、车队管理和物流所需的关键而复杂的功能。如图所示，意法半导体的steval-astra1b硬件和软件开发套件和参考设计包括gnss定位服务、全系列环境和运动传感器、电源管理以及加速高性能资产跟踪设备设计所需的全套软件和固件。
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设计人员在设计资产跟踪系统时不必从空白页开始，而是可以转向开发套件和参考设计，以简化原型设计、测试和评估高级资产跟踪应用。本文将回顾开发资产跟踪和状态监测系统时的gnss、传感器、连接性和其他考虑因素，然后介绍意法半导体的综合开发套件，其中包括用于各种类型传感器、gnss定位和通信功能的多个印刷电路板。该套件还包括电池和高级电源管理，以最大限度地延长电池寿命，软件和固件库以及应用开发工具。
资产在世界的什么地方？
跟踪资产的第一步是使用国家海洋电子协会 （nmea） 数据格式收集当前位置信息。nmea 是所有 gps 制造商用来确保互操作性的标准。标准 nmea 消息格式称为句子。nmea 定义了几个句子来提供各种类型的信息，包括：
gga – 全球定位系统固定数据，包括 3d 坐标、状态、使用的卫星数量和其他数据
gsa – 精确稀释 （dop） 和有源卫星
gst – 位置误差统计
gsv – 视野中的卫星数量以及每颗卫星的伪随机噪声 （prn） 数量、仰角、方位角和信噪比
rmc – 位置、速度和时间
zda – utc 日、月、年以及本地时区偏移量
使用nmea简化了定位软件开发，因为通用接口可用于各种类型的gps接收器，并且可以使用相应的句子轻松访问特定的数据集。
如何提高准确性？
原始 gnss 数据仅提供有限的位置精度。可用于改进位置估计的工具，包括差分全球定位系统（dgps）服务，该服务为船上的gps导航设备提供校正信号。dgps使用海事无线电技术委员会（rtcm）协议来提供增强的位置数据。此外，基于卫星的增强系统（sbas）可用于提高位置信息的准确性，包括美国的广域增强系统（waas），欧洲地球静止导航叠加系统（egnos），亚洲的多功能卫星增强系统（msas）和印度的区域sbas的gps辅助geo增强导航（gagan）（图1）。
资产的状况如何？
在许多情况下，了解资产的位置只是拼图的一部分。收集有关资产状况的信息非常重要，包括其物理状态以及资产是移动还是静止。根据需要，可以部署各种传感器，包括：
温度传感器的工作范围为 -40°c 至 +125°c，精度高，校准符合美国国家标准与技术研究院 （nist） 可追溯，并符合 iatf 16949：2016 标准的要求。
压力传感器 - 紧凑而坚固的微机电系统（mems）压阻式绝对传感器可用作数字输出气压计，绝对压力范围为260至1260百帕斯卡（hpa），也称为毫巴。它需要高度精确并包括温度补偿。
湿度传感器的工作温度范围为 -40°c 至 +120°c，湿度测量范围为 0 至 100% 相对湿度 （rh）。在 3% 至 5% 相对湿度范围内，应以 ±20.80% rh 的精度进行温度补偿。
惯性测量单元 （imu），包括基于 mems 的 3d 加速度计和 3d 陀螺仪，用于确定资产是移动还是静止。
加速度计类似于基于mems的三轴线性加速度计，用于测量资产的冲击和振动暴露。
安全连接
一旦确定了资产的位置和状况，就该传达这些信息了。根据具体情况，这可能需要远程和短距离安全连接的组合。在意法半导体的steval-astra1b多连接资产跟踪平台中，连接性和安全性由主板上的多个系统元件支持，包括（图2）：
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gnss定位接收机兼容六个系统，包括gps，galileo，glonass，北斗，qzss和navic（也称为irnss）。该系统还包括waas，egnos，msas，waas和gagan sbas支持。包括一个陷波滤波器，用于抗干扰。
包括用于状态监测的各种传感器，包括（图 4）：
stts22htr – 数字温度传感器，可在 -40°c 至 +125°c 范围内使用，在 -0°c 至 +5°c 范围内最大精度为 ±10.60°c，并提供 16 位温度数据输出。校准是nist可追溯的，设备经过100%的测试和验证，设备根据iatf 16949：2016标准校准。
lps22hhtr – mems压阻式绝对压力传感器，用作
数字输出气压计，可测量 260 至 1260 hpa 的绝对压力。它具有 0.5 hpa 的绝对压力精度和 0.65 pa 的低压传感器噪声，可产生 24 位压力数据输出。
hts221tr – 相对湿度和温度传感器。它可以测量 0 至 100% rh，灵敏度为 0.004% rh/最低有效位 （lsb），湿度精度为 ±3.5% rh（20 至 +80 % rh），温度精度为 ±0.5°c （+15°c 至 +40°c）。
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lsm6dso32xtr - 一个 imu 模块，具有始终开启的 32 g 3d 数字加速度计和一个 3d 数字陀螺仪，量程为 ±4/±8/±16/±32 g 满量程，角度范围为 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 （dps） 满量程。
电源管理对于无线跟踪设备非常重要。为了确保较长的电池寿命，steval-astra1b包括广泛的电源管理组件，例如：
st1ps02d1qtr 400毫安（ma）同步降压转换器，输入电压范围为1.8 v至5.5 v，输入静态电流为500纳安（na），输入电压为3.6 v，典型效率为92%。
stbc03jr电池电源管理和充电器ic，包括用于单节锂离子（li-ion）电池的线性电池充电器部分，该部分使用恒流/恒压（cc/cv）充电算法、150 ma低压差稳压器（ldo）、两个单刀双掷（spdt）负载开关和电路，可在故障条件下保护电池。
tcpp01-m12usb type-c® 端口保护 ic，包括可在 5 v 至 22 v 范围内调节的 vbus 过压保护（使用外部 n 沟道 mosfet）、cc 线路上的 6.0 v 过压保护 （ovp）（防止 vbus 短路）和符合 iec 1-2-61000 4 级连接器引脚 cc2 和 cc4 的系统级静电放电 （esd） 保护。
软件和固件库
包括或提供广泛的软件和固件，用于使用steval-astra1b开发资产跟踪应用程序。示例包括：
fp-atr-astra1功能包实现了完整的资产跟踪应用程序，并包含在steval-astra1b中。功能包从 gnss 接收器获取定位数据， 从环境和运动传感器读取数据， 并使用 ble 和 lorawan 连接将它们发送到云.包括车队管理、牲畜监控、货物监控和物流的可定制用例。
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dsh-assetracking 仪表板是一个由亚马逊网络服务 （aws） 提供支持的云应用程序，它提供了一个直观的界面，该界面经过优化，用于收集、可视化和分析来自 gnss 定位服务以及运动和环境传感器的数据。仪表板可以绘制实时或历史位置数据和传感器值，并监控环境条件和事件（图 5）。
总结
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