Cómo diseñar sistemas de seguimiento multiconectividad para la supervisión del ganado, la gestión de flotas y la logística de la Industria 4.0

El seguimiento de activos en tiempo real y la supervisión de su estado son esenciales en operaciones agrícolas como la gestión del ganado, el almacenamiento de la cadena de frío para alimentos y productos farmacéuticos, la gestión de flotas de vehículos y las operaciones de producción flexibles de la Industria 4.0. Es un proceso complejo en el que intervienen múltiples sensores para controlar las condiciones ambientales. Destaca que el activo está sujeto a la capacidad del sistema global de navegación por satélite (GNSS) multiconstelación, incluidos GPS, Galileo, Glonass, BeiDou y QZSS, para garantizar una información de localización precisa. Además, las soluciones multiconectividad proporcionan una comunicación oportuna de la ubicación y el estado del activo, independientemente del entorno circundante, incluida la conectividad a la nube para apoyar la supervisión centralizada. Además, tiene que ser eficiente desde el punto de vista energético para minimizar la necesidad de batería y el sistema debe ser seguro y estar a salvo de la piratería informática.

Diseñar un sistema de seguimiento y control del estado de los activos es una actividad multidisciplinar compleja que consume muchos recursos y lleva mucho tiempo. Además de las complejidades asociadas al diseño del hardware, los datos deben conectarse de forma segura a la nube y a los dispositivos móviles para que la abundante información generada esté disponible en formatos procesables.

En lugar de empezar con una página en blanco al diseñar sistemas de seguimiento de activos, los diseñadores pueden recurrir a kits de desarrollo y diseños de referencia que simplifican la creación de prototipos, las pruebas y la evaluación de aplicaciones avanzadas de seguimiento de activos. En este artículo se revisan los GNSS, los sensores, la conectividad y otras consideraciones a tener en cuenta a la hora de desarrollar sistemas de seguimiento de activos y monitorización del estado, y a continuación se presenta un completo Kit de desarrollo de STMicroelectronics que incluye múltiples placas de circuito impreso para varios tipos de sensores, posicionamiento GNSS y capacidades de comunicación. El kit también incluye batería y gestión avanzada de la energía para maximizar la duración de la batería, bibliotecas de software y firmware, y herramientas de desarrollo de aplicaciones.

¿Dónde está el activo?

El primer paso en el seguimiento de activos es recopilar información sobre la ubicación actual utilizando el formato de datos de la asociación nacional de electrónica marina (NMEA). NMEA es la norma utilizada por todos los fabricantes de GPS para garantizar la interoperabilidad. El formato estándar de los mensajes NMEA se denomina sentencia. NMEA define varias sentencias para proporcionar diversos tipos de información, entre ellos:

• GGA: datos fijos del sistema de posicionamiento global, incluidas las coordenadas 3D, el estado, el número de satélites utilizados y otros datos.
• GSA - dilución de precisión (DOP) y satélites activos
• GST - estadísticas de errores de posición
• GSV - número de satélites a la vista y número de ruido pseudoaleatorio (PRN), elevación, acimut y relación señal/ruido de cada satélite.
• RMC - posición, velocidad y tiempo
• ZDA - Día, mes y año UTC y desfase horario local

El uso de NMEA simplifica el desarrollo de software de localización, ya que se puede utilizar una interfaz común para varios tipos de receptores GPS, y se puede acceder fácilmente a conjuntos de datos específicos utilizando la sentencia correspondiente.

¿Cómo mejorar la precisión?

Los datos GNSS brutos solo proporcionan una precisión de localización limitada. Existen herramientas para mejorar la estimación de la localización, como el servicio del Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS) que proporciona señales de corrección a los equipos de navegación GPS a bordo de los buques. DGPS utiliza el protocolo de la Comisión Técnica de Radiocomunicaciones Marítimas (RTCM) para proporcionar datos de localización mejorados. Además, existen sistemas de aumento basados en satélites (SBAS) para mejorar la precisión de la información de posición, como el Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) en América, el Sistema Europeo de Navegación por Complemento Geoestacionario (EGNOS), el Sistema de Aumento de Satélites Multifuncionales (MSAS) en Asia, y la navegación aumentada GEO asistida por GPS (GAGAN), un SBAS regional en India (Figura 1).

Figura 1: El receptor GNSS multiconstelación TESEO LIV3F incluye un conjunto de herramientas, como DGPS, SBAS y RTCM (abajo a la izquierda), que permiten soluciones de localización de gran precisión. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

¿En qué estado se encuentra el activo?

En muchos casos, conocer la ubicación del activo es solo una pieza del rompecabezas. Puede ser importante recopilar información sobre el estado del activo, incluido su estado físico y si está o ha estado en movimiento o inmóvil. En función de las necesidades, pueden instalarse varios sensores, entre ellos:

• Sensor de temperatura con un rango de funcionamiento de -40 °C a +125 °C, alta precisión y calibración trazable al Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y verificada según lo exigido por la norma IATF 16949:2016.
• Sensor de presión: un sensor piezorresistivo absoluto compacto y resistente del sistema microelectromecánico (MEMS) puede utilizarse como barómetro de salida digital con un rango de presión absoluta de 260 a 1260 hectoPascales (hPa), también llamados milibares. Debe ser muy precisa e incluir compensación de temperatura.
• Sensor de humedad con un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +120 °C y un rango de medición de la humedad de 0 a 100% de humedad relativa (rH). Debe compensarse la temperatura con una precisión de ±3.5% rH de 20 a 80% rH.
• Unidad de medición inercial (IMU) que incluye un acelerómetro 3D y un giroscopio 3D basados en MEMS para determinar si el activo está en movimiento o inmóvil.
• Acelerómetro como un acelerómetro lineal de tres ejes basado en MEMS para medir la exposición del activo a golpes y vibraciones.

Conectividad segura

Una vez determinada la ubicación y el estado del activo, es hora de comunicar esa información. Según las circunstancias, eso puede requerir una combinación de conectividad segura de largo y corto alcance. En el caso de la plataforma de seguimiento de activos multiconectividad STEVAL-ASTRA1B de STMicroelectronics, la conectividad y la seguridad están respaldadas por varios elementos del sistema en la placa principal, entre ellos (Figura 2):

• El STM32WB5MMG es un módulo inalámbrico certificado de 2.4 GHz que integra un STM32WB dual-core Arm® Cortex®-M4/M0+, cristales y una antena con chip con una red de adaptación. Incluye una pila Bluetooth de baja energía (BLE) y es compatible con Open Thread, ZigBee y otros protocolos de 2.4 GHz.
• El STM32WL55JC proporciona conectividad inalámbrica de largo alcance. También incluye un ARM Cortex-M4/M0+ de doble núcleo y es compatible con protocolos como GFSK, LoRa y otros. El front-end de RF de la versión estándar admite las bandas de 868, 915 y 920 MHz. El cambio de algunos componentes permite que el módulo admita frecuencias más bajas.
• El elemento seguro STSAFE-A110 se conecta al STM32WB5MMG para la gestión segura de datos y la autenticación. Está diseñado para redes de Internet de las cosas (IoT), como las de seguimiento de activos, e incluye un sistema operativo seguro y un microcontrolador seguro.

Figura 2: La placa principal de la plataforma de seguimiento de activos STEVAL-ASTRA1B incluye el STM32WB5MMG para la conectividad de corto alcance, el STM32WL55JC para la conectividad de largo alcance y el STSAFE-A110 para el funcionamiento seguro. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Entorno de desarrollo de seguimiento de activos

Los desarrolladores de aplicaciones de seguimiento de activos pueden recurrir al kit de desarrollo de hardware y software STEVAL-ASTRA1B y al diseño de referencia de STMicroelectronics, que facilitan la creación de prototipos, la realización de pruebas y la evaluación de sistemas avanzados de seguimiento de activos (Figura 3). El STEVAL-ASTRA1B está construido alrededor del módulo STM32WB5MMG y el SoC STM32WL55JC que se combinan para la conectividad de corto y largo alcance (BLE, LoRa, y protocolos propietarios 2.4 GHz y sub-1-GHz). Para la conectividad NFC, está disponible el ST25DV64K. El STSAFE-A110 permite un funcionamiento seguro, y el módulo GNSS Teseo-LIV3F proporciona posicionamiento en exteriores.

Figura 3: La plataforma STEVAL-ASTRA1B incluye todas las herramientas de hardware, firmware y software necesarias para desarrollar sistemas de seguimiento avanzados. (Fuente de la imagen: DigiKey).

El receptor de posicionamiento GNSS es compatible con seis sistemas: GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS y NavIC (también llamado IRNSS). El sistema también incluye compatibilidad con WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS y GAGAN SBAS. Incluye un filtro supresor de interferencias.

Se incluye un amplio rango de/una amplia gama de sensores para la monitorización del estado (Figura 4):

• STTS22HTR: un sensor de temperatura digital que puede utilizarse desde -40 °C hasta +125 °C con una precisión máxima de ±0.5 °C desde -10 °C hasta +60 °C y una salida de datos de temperatura de 16 bits. La calibración es trazable al NIST, y el dispositivo se prueba y verifica al 100% con equipos calibrados según la norma IATF 16949:2016.
• LPS22HHTR: un sensor de presión absoluta piezoresistivo MEMS, que se utiliza como
• barómetro de salida digital que puede medir de 260 a 1260 hPa de presión absoluta. Ofrece precisión de presión absoluta de 0.5 hPa y ruido del sensor de baja presión de 0.65 Pa, con una salida de datos de presión de 24 bits.
• HTS221TR: sensor de humedad relativa y temperatura. Puede medir de 0 a 100% rH con una sensibilidad de 0.004% rH/bit menos significativo (LSB), una precisión de humedad de ±3.5% rH de 20 a +80% rH, y una precisión de temperatura de ±0.5 °C de +15 °C a +40 °C.
• LIS2DTW12TR: acelerómetro lineal y sensor de temperatura MEMS de tres ejes con escalas completas seleccionables por el usuario de ±2g/±4g/±8g/±16g que puede medir aceleraciones con velocidades de datos de salida de 1.6 Hz a 1600 Hz.
• LSM6DSO32XTR: un módulo IMU que cuenta con un acelerómetro digital 3D de 32 g siempre activo y un giroscopio digital 3D con rangos de ±4/±8/±16/±32 g a escala completa y un rango angular de ±125/±250/±500/±1000/±2000 grados por segundo (dps) a escala completa.

Figura 4: La placa principal del STEVAL-ASTRA1B incluye una gama completa de sensores (izquierda), la placa del sistema (recuadro amarillo) y elementos de conectividad GNSS (TESEO LIV3F y antena abajo a la derecha). (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La gestión de la energía es importante para los dispositivos de seguimiento inalámbricos. Para garantizar una larga duración de la batería, el STEVAL-ASTRA1B incluye amplios componentes de gestión de la energía como el:

• ST1PS02D1QTR Convertidor reductor síncrono de 400 miliamperios (mA) con un rango de tensión de entrada de 1.8 V a 5.5 V, corriente de reposo de entrada de 500 nanoamperios (nA) a una tensión de entrada de 3.6 V y eficiencia típica del 92%.
• CI de gestión de energía y cargador de baterías STBC03JR que incluye una sección de cargador de baterías lineal para baterías monocelulares de ión-litio (Li-ion) que utiliza un algoritmo de carga de corriente constante/tensión constante (CC/CV), un regulador de baja pérdida (LDO) de 150 mA, dos interruptores de carga unipolares de doble efecto (SPDT) y circuitos para proteger la batería en condiciones de fallo.
• CI de protección de puerto USB Type-C® TCPP01-M12 que incluye protección contra sobretensión VBUS ajustable de 5 V a 22 V (con un MOSFET de canal N externo), protección contra sobretensión (OVP) de 6.0 V en líneas CC contra cortocircuito del VBUS y protección contra descargas electrostáticas (Descarga electrostática) a nivel de sistema para clavijas de conectores CC1 y CC2 que cumple con la norma IEC 61000-4-2 nivel 4.

Bibliotecas de software y firmware

Se incluye o está disponible un amplio rango de software y firmware para desarrollar aplicaciones de seguimiento de activos utilizando la STEVAL-ASTRA1B. Algunos ejemplos son:

• El paquete de funciones FP-ATR-ASTRA1 implementa una aplicación completa de seguimiento de activos y se incluye con el STEVAL-ASTRA1B. El paquete de funciones obtiene datos de posicionamiento del receptor GNSS, lee los datos de los sensores ambientales y de movimiento y los envía a la nube mediante conectividad BLE y LoRaWAN. Se incluyen casos de uso personalizables para la gestión de flotas, la supervisión del ganado, la supervisión de mercancías y la logística.
• La aplicación STAssetTracking puede configurar a distancia un dispositivo de seguimiento de activos compatible con BLE, Sigfox o NFC. Puede utilizarse para activar el registro de datos de sensores específicos y establecer umbrales de activación para iniciar y detener el registro.
• El panel DSH-ASSETRACKING es una aplicación en la nube con tecnología de Amazon Web Services (AWS) que proporciona una interfaz intuitiva optimizada para recopilar, visualizar y analizar datos de servicios de localización GNSS y sensores de movimiento y ambientales. El cuadro de mandos puede trazar datos de posición y valores de sensores en tiempo real o históricos, así como controlar las condiciones ambientales y los eventos (Figura 5).

Figura 5: El panel DSH-ASSETRACKING es una aplicación en la nube de AWS para el seguimiento de activos. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Resumen

El seguimiento de activos es una función crítica y compleja necesaria para la vigilancia del ganado, la gestión de flotas y la logística. Como se muestra, el kit de desarrollo de hardware y software STEVAL-ASTRA1B y el diseño de referencia de STMicroelectronics incluyen los servicios de localización GNSS, una gama completa de sensores ambientales y de movimiento, gestión de energía y una gama completa de software y firmware necesarios para acelerar el diseño de dispositivos de seguimiento de activos de alto rendimiento.