Cómo implantar eficazmente aplicaciones de seguimiento de activos multiconectividad

Las aplicaciones avanzadas de seguimiento de activos, como la vigilancia del ganado, la gestión de flotas y la logística, capturan automáticamente la información sobre el estado actual y las coordenadas de posición de los objetos rastreados. Un transpondedor integrado reléa sus datos de registro a la nube y los pone a disposición del centro de control o de un dispositivo móvil. En la fábrica, las actualizaciones de datos inalámbricas de corto alcance suelen ser necesarias para intercambiar datos logísticos, procesar datos históricos y de supervisión, cambiar configuraciones o realizar actualizaciones de firmware en la memoria del transpondedor.

Los desarrolladores de estos sistemas de seguimiento de activos se enfrentan al reto de diseñar un transpondedor sensor multifuncional que se comunique a través de varios protocolos de radio de largo y corto alcance, recoja un amplio rango de/una amplia gama de datos de medición, funcione durante meses sin necesidad de cambiar la batería/pila y ponga todos los datos a disposición a través de servicios de Internet. Además, los diseñadores deben conseguir todo esto reduciendo costos y plazos de comercialización más rápidos.

Aunque la enormidad de la tarea puede resultar abrumadora, los diseñadores pueden ahorrar mucho tiempo y energía utilizando kits de desarrollo que ya integran gran parte del hardware y el software necesarios.

En este artículo se analizan los requisitos técnicos del seguimiento avanzado de activos en múltiples aplicaciones. A continuación, presenta un kit de desarrollo multifuncional de STMicroelectronics que reduce considerablemente el esfuerzo necesario para el diseño, la prueba y la evaluación de prototipos. Proporciona información sobre las características funcionales clave del kit de desarrollo y muestra cómo los desarrolladores pueden personalizar fácilmente las funciones de los módulos combinados del sistema en chip (SoC) sin tener que codificar, y luego recuperar y visualizar los datos desde la nube.

Características de un transpondedor de medición inalámbrico

La localización de activos tiene un amplio rango de áreas de aplicación, cada una de las cuales requiere un equipamiento técnico muy específico para el transpondedor y la red conectada. La figura 1 enumera las características técnicas de un transpondedor de medición inalámbrico en cuatro categorías de aplicación.

Figura 1: Características de un transpondedor de medición inalámbrico en función de la aplicación de seguimiento de activos. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Un transpondedor autónomo transportado con el objeto debe detectar las influencias ambientales, la posición y el estado del objeto (Sensing, Figura 1), almacenarlo y transmitirlo en la siguiente oportunidad a través de cualquiera de una variedad de interfaces inalámbricas (Conectividad). El procesamiento de señales y la conversión a diversos protocolos inalámbricos deben correr a cargo de una unidad de microcontrolador (MCU) suficientemente potente y con un alto grado de seguridad de los datos ("Procesamiento y seguridad"). La unidad de microcontrolador también controla la gestión de la energía ("Power management") y garantiza así una larga duración de la batería/pila del transpondedor.

La disponibilidad de datos necesaria para una aplicación de seguimiento de activos afecta a la complejidad de los sensores y requiere una conectividad adecuada. Para rutas de transporte predecibles y conocidas, como la entrega de paquetes, basta con almacenar las señales de medición en el transpondedor. Los datos pueden leerse a corta distancia mediante Bluetooth de baja energía (BLE) o comunicaciones de campo cercano (NFC) en el siguiente punto de control logístico.

En el caso de la gestión de flotas, así como de la logística y el seguimiento del ganado a larga distancia, la transferencia de datos desde el transpondedor a través de la nube hasta la aplicación de uso final debe producirse lo más cerca posible del tiempo real. Por lo tanto, el transpondedor requiere una interfaz de radio móvil que cubra un amplio espectro. Las opciones incluyen LoRaWAN (red de área amplia y largo alcance), Sigfox y Narrowband-Internet de las cosas (NB-IoT) porque estos protocolos están optimizados para transferencias de datos de bajo rendimiento y bajo consumo.

Un completo ecosistema de seguimiento de activos para un menor esfuerzo de desarrollo

Los diseñadores de sistemas que deseen realizar su aplicación de seguimiento de activos (ASTRA) de forma rentable y rápida pueden utilizar la plataforma de desarrollo multifuncional STEVAL-ASTRA1B de STMicroelectronics. La plataforma consta de varios CI y módulos SoC, lo que simplifica enormemente la creación de prototipos, la programación, las pruebas y la evaluación de soluciones innovadoras de seguimiento y supervisión. El kit de desarrollo consta de una placa de evaluación modular, bibliotecas de firmware, herramientas de programación y documentación de circuitos, así como una app para dispositivos móviles y una interfaz de visualización basada en web (Figura 2).

Figura 2: El ecosistema de seguimiento de activos listo para usar abarca desde el transpondedor de medición inalámbrico hasta la nube y la aplicación final, lo que reduce el esfuerzo de desarrollo. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La placa STEVAL-ASTRA1B se basa en dos módulos SoC de bajo consumo para conectividad de corto y largo alcance, junto con NFC. Se incluye un módulo para funciones de seguridad de datos. La placa base dispone de múltiples sensores ambientales y de movimiento, así como de un módulo del Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS) que proporciona coordenadas de posición y permite la geolocalización. Un sistema de gestión de la alimentación regula el modo de funcionamiento de todos los componentes del aparato y controla la fuente de alimentación. La fuente de alimentación consta de un convertidor de conmutación, una batería y un controlador de carga USB-C para prolongar al máximo la vida útil de la batería. El kit incluye una batería/pila de polímero de litio (Li-Poly) de 480 miliamperios-hora (mAh), una funda, una antena SMA (LoRa) y una antena NFC.

Los CI y SoC de la placa STEVAL-ASTRA1B comprenden:

• Dos SoC inalámbricos:
  • STM32WB5MMGH6TR: Este módulo SoC basado en una MCU Arm® Cortex®-M4/M0+ inalámbrica de bajo consumo a 2.4 gigahercios (GHz) actúa como procesador principal de aplicaciones y es compatible con 802.15.4, BLE 5.0, Thread yZigbee.
  • STM32WL55JCI6: este SoC inalámbrico está basado en una MCU inalámbrica ARM Cortex-M0+ de consumo ultrabajo y admite LoRa, Sigfox y GFSK a menos de 1 gigahercio (GHz) (150 - 960 megahercios (MHz)).
• ST25DV64K-JFR8D3: transmisor NFC
• TESEO-LIV3F: módulo GNSS con multiconstelación simultánea
• Sensores ambientales y de movimiento:
  • STTS22HTR: sensor de temperatura digital; -40 a 125 °C
  • LPS22HHTR: sensor de presión; 26 a 126 kilopascales (kPa), absoluto
  • HTS221TR: sensor de humedad y temperatura; 0 a 100% de humedad relativa (HR) I²C, SPI ±4.5% HR
  • LIS2DTW12TR: acelerómetro ejes X, Y, Z; ±2g, 4g, 8g, 16g 0,8 Hertz (Hz) a 800 Hz
  • LSM6DSO32XTR: acelerómetro, giroscopio, sensor de temperatura I²C, salida SPI
• STSAFE-A110: elemento seguro
• Solución a pilas con arquitectura de gestión inteligente de la energía:
  • ST1PS02BQTR: CI regulador de conmutación reductor; positivo ajustable, 1.8 voltios, 1 salida, 400 miliamperios (mA)
  • STBC03JR: CI cargador de baterías para ion de litio (Li-ion) o Li-Poly
  • TCPP01-M12: USB Type-C y protección del suministro eléctrico

La placa de evaluación funciona a temperaturas comprendidas entre +5 y 35 °C y utiliza las siguientes bandas de frecuencia:

• BLE: 2400 MHz a 2480 MHz, +6 decibelios referidos a un milivatio (mW) (dBm)
• LoRaWAN: 863 MHz a 870 MHz, +14 dBm (limitado por el firmware)
• GNSS (receptor): 1559 MHz a 1610 MHz
• NFC: 13.56 MHz

La estructura interna de STEVAL-ASTRA1B

El transpondedor ASTRA se comporta como un registrador de datos y divide su flujo de datos en tres bloques principales, cada uno de los cuales consta de controladores de hardware y software, así como de la capa de aplicación (Figura 3). La entrada de datos (Figura 3, izquierda) capta todas las señales de los sensores integrados. El bloque central (Figura 3, centro) procesa y almacena los datos. Por último, los datos almacenados se transmiten de forma inalámbrica (Figura 3, derecha). En caso de reconfiguración, actualización del firmware o escritura de datos de proceso/logística, el flujo de señales se ejecuta en sentido contrario.

Figura 3: Flujo de datos del transpondedor de medición inalámbrico: las señales de los sensores (izquierda) se procesan, se almacenan (centro) y luego se envían (derecha) cuando surge la oportunidad. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El firmware FP-ATR-ASTRA1 amplía el entorno de desarrollo STM32Cube de STMicroelectronics e implementa una completa aplicación de seguimiento de activos compatible con conectividad de largo alcance (LoRaWAN, Sigfox) y corto alcance (BLE, NFC). El paquete funcional lee datos de sensores ambientales y de movimiento, recupera el geoposicionamiento GNSS y lo envía todo a un dispositivo móvil a través de BLE y, en paralelo, a la nube mediante conectividad LoRaWAN.

El encapsulado FP-ATR-ASTRA1 admite perfiles de bajo consumo para garantizar una larga duración de las baterías y lograr la máxima autonomía. También ofrece características clave como la gestión segura de elementos, la posibilidad de añadir algoritmos personalizados, interfaces de depuración y capacidades de ampliación.

El paquete de software se divide en: documentación, controladores y HAL, middleware y proyectos de ejemplo. Los proyectos incluyen código fuente y binarios compilados para los entornos de desarrollo integrados (IDE) Keil, IAR y STM32Cube. Los siguientes cinco casos de uso predefinidos son configurables individualmente: gestión de flotas, control del ganado, control de mercancías, logística y personalizado.

La STEVAL-ASTRA1B funciona como una simple máquina de estados que cambia su modo de funcionamiento en función de los acontecimientos. Los dos estados principales están diseñados para pleno funcionamiento (Run) o bajo consumo (LP). En el modo Run, todas las funciones están activas y todos los datos se emiten según lo configurado. En el estado LP, todos los componentes, excepto la MCU, están en modo de bajo consumo o desactivados (Figura 4).

Figura 4: Los dos modos principales de funcionamiento de la STEVAL-ASTRA1B son funcionamiento completo (Run) o modo LP. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Al pulsar la tecla lateral se activa la transición entre los dos estados. Otra entrada puede ser la salida de un evento de sistemas microelectromecánicos (MEMS) o el resultado de un algoritmo. Este es sólo un ejemplo de cómo puede implementarse una máquina de estados para cambiar el comportamiento del dispositivo. También pueden implementarse múltiples estados intermedios para equilibrar la capacidad de respuesta del sistema y la duración de la batería.

Los posibles acontecimientos son

• BP: Evento de botón pulsado
• SD: Evento de apagado
• ER: Evento de error
• PE: Transición automática al siguiente paso
• RN: Ir al comando de ejecución completa
• LP: Pasar a comando de bajo consumo

Recuperar y visualizar datos de la nube

El transpondedor STEVAL-ASTRA1B tiene preinstalado el paquete de firmware FP-ATR-ASTRA1, por lo que las señales de medición ambiental y los datos de posición GNSS pueden visualizarse en cuestión de minutos.

Mediante la aplicación móvil STAssetTracking para teléfonos inteligentes y tabletas, con Bluetooth activado y conectado a Internet, el transpondedor se registra en el servidor de red TTN (The Things Network) V3 como participante LoRaWAN a través de la cuenta de usuario myst.com. También está vinculado al panel web DSH-ASSETRACKING en Amazon Web Services (AWS).

Después del registro TTN, la STEVAL-ASTRA1B aparece en la lista actualizada de dispositivos de la aplicación móvil. Al pulsar el botón "Start synchronization" (Iniciar sincronización) en el menú, se activa el modo de transmisión del transpondedor para que envíe los datos almacenados a través de BLE y LoRaWAN en paralelo. La aplicación móvil puede mostrar los datos de medición de la memoria en un salpicadero e indicar la posición GNSS del transpondedor o mostrarla como marcador en un mapa (Figura 5).

Figura 5: La aplicación móvil ayuda a registrar el transpondedor en TTN y a enlazarlo con el panel de control en la nube; visualiza los valores registrados de los sensores y ayuda a la configuración y depuración. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Además del transpondedor ASTRA, el panel web puede agregar muchos otros rastreadores inalámbricos autónomos como el P-L496G-CELL02 (LTE) y el NUCLEO-S2868A2 (transmisor Sigfox RF), o nodos acoplados a Internet como el STEVAL-SMARTAG1 (Wi-Fi), el STEVAL-MKSBOX1V1 (nodo final BLE), y el STEVAL-SMARTAG1 (nodo final NFC) en la nube. Esto permite desarrollar un ecosistema inalámbrico multiprotocolo basado en la nube.

Configuración y programación individuales

Una vez evaluados con éxito los ajustes de fábrica del transpondedor ASTRA durante la puesta en servicio inicial, el siguiente paso es que el desarrollador personalice el transpondedor para su propia aplicación de seguimiento de activos.

Para pequeños trabajos de personalización sin hardware adicional, puede bastar con configurar los distintos parámetros y funciones a través de BLE y la aplicación móvil (pulse el icono "martillo y llave inglesa" en la aplicación móvil, figura 5).

Otra forma de configurar el proyecto es utilizando una línea de comandos y una consola de depuración. Mientras que un programa de terminal de PC (por ejemplo, Tera Term) se comunica por USB a través de un puerto COM virtual, el dispositivo móvil utiliza la aplicación STBLESensor (ST BLE Sensor) y se conecta en red a través de BLE (Figura 6).

Figura 6: Línea de comandos y consola de depuración en un PC (izquierda), y en un dispositivo móvil (derecha). (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Para reprogramar la placa ASTRA, como en el caso de una actualización del firmware, la integración de otras funciones de biblioteca o la generación de un código de aplicación propio del desarrollador, resulta conveniente acceder a través de la interfaz JTAG. Para ello, el adaptador de depuración y programación STLINK-V3MINIE, disponible por separado, se conecta a la placa ASTRA mediante un cable plano de 14 patillas. A continuación, un entorno completo de desarrollo integrado (IDE) como Keil, IAR o STM32Cube instalado en un PC puede escribir archivos binarios compilados en la memoria de programa de la aplicación o depurar secuencias de programa.

El STLINK-V3MINI también proporciona una interfaz de puerto COM virtual que permite al PC host comunicarse con el microcontrolador de destino a través de UART.

Existen varias formas de actualizar el firmware de las diferentes MCU de Arm:

• El programador STM32Cube en un PC escribe el archivo binario en la memoria Flash utilizando un adaptador JTAG y un gestor de arranque MCU.
• El programador STM32Cube en un PC escribe el archivo binario en la memoria Flash utilizando USB y un gestor de arranque MCU.
• La actualización del firmware por aire (FUOTA) se realiza mediante bluetooth de baja energía utilizando la aplicación STBLESensor en un dispositivo móvil.

Dado que el controlador de aplicaciones STM32WL55JC (LoRaWAN) actúa como maestro para el STM32WB5MMG (BLE), el núcleo de MCU correspondiente que se va a flashear debe seleccionarse mediante puentes.

Configuración gráfica del software mediante STM32CubeMX

STM32Cube facilita la vida de los desarrolladores reduciendo los esfuerzos, el tiempo y los costos de desarrollo. El entorno completo de desarrollo integrado (IDE) abarca toda la gama de unidades de microcontrolador STM32. Además, STM32CubeMX permite la configuración y la generación de código C mediante asistentes gráficos. El paquete de software FP-ATR-ASTRA1 amplía la funcionalidad de STM32Cube y puede instalarse directamente en el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) STM32CubeMX.

La figura 7 muestra la carcasa del STM32CubeMX: navegación (izquierda y arriba), configuración del pack FP-ATR-ASTRA1 (centro) y su arquitectura (derecha). El pack FP-ATR-ASTRA1 ofrece tres lengüetas de personalización: [Ajustes de plataforma], [Ajustes de parámetros] y [MOTOR ASTRA].

Figura 7: Configuración gráfica del software mediante la herramienta STM32CubeMX: Navegación (izquierda y arriba), configuración del pack FP-ATR-ASTRA1 (centro) y su arquitectura (derecha). (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Una vez configurados todos los ajustes, se puede generar el código desde el STM32CubeMX pulsando el botón <Generate Code> (Generar código). Al abrir el IDE deseado, el código del firmware se puede personalizar, compilar y flashear en la placa.

El código fuente generado tiene una arquitectura modular en términos de bloques de hardware y funciones. La gestión del bloque de hardware se identifica mediante definiciones específicas (USE_GNSS). Las funciones se gestionan en distintos archivos, como la inicialización del sistema, la configuración de la máquina de estados o la gestión de datos.

A pesar de la complejidad del árbol de archivos, sólo unos pocos archivos intervienen en la configuración de la aplicación de los casos de uso:

• app_astra.c/.h
  Este archivo principal es el punto de entrada, y llama a las funciones de inicialización dentro de MX_Astra_Init() (Listado 1)

Listado 1: Esta función MX_Astra_Init() se utiliza para la inicialización del sistema. (Fuente del listado: STMicroelectronics)

• astra_confmng.c/.h
  Este gestor de configuración de placas contiene las variables seleccionadas por el usuario para habilitar/deshabilitar cada bloque de hardware y la implementación y configuración de casos de uso.
• astra_datamng.c/.h
  En este archivo, los datos recogidos de los sensores y otras entradas se almacenan en la RAM. Están listos para ser manipulados, por ejemplo, para ejecutar un algoritmo específico en los datos.
• astra_sysmng.c/.h
  Aquí se implementan las funciones relacionadas con el sistema. Las principales funcionalidades son la interfaz de línea de comandos, las devoluciones de llamada de botones, los algoritmos, los LED, la gestión de casos de uso de seguimiento de activos y la gestión del Temporizador.
• SM_APP.c/.h
  Estos archivos contienen las estructuras de configuración de la máquina de estados.

Conclusión:

El desarrollo de aplicaciones de seguimiento de activos es un proceso complejo que consta de varios pasos, pero la plataforma de desarrollo multifuncional STEVAL-ASTRA1B simplifica la tarea. Con todo el hardware y el software necesarios a bordo, ofrece una forma rápida y sencilla de visualizar los datos registrados de un transpondedor inalámbrico en la interfaz web o a través de la aplicación para dispositivos móviles. Como se muestra, los desarrolladores pueden personalizar simplemente este registrador de datos inalámbrico a su aplicación de seguimiento o monitorización utilizando herramientas de configuración flexibles sin programación de código, o pueden utilizar el generador de código automático.