Innowacyjne narzędzia do wdrażania systemów śledzenia zasobów z oferty Mouser Electronics

We współczesnej rzeczywistości rację bytu ma szereg scenariuszy dla przypadków użycia komórkowego śledzenia zasobów. Pojawienie się Internetu rzeczy otworzyło wiele możliwości dla niewielkich urządzeń wbudowanych. Czujniki IoT zaczęły zbierać użyteczne dane dla systemów sterowania i analizy, od automatyki domowej po monitorowanie stanu technicznego w przemyśle. Łączność bezprzewodowa szybko stała się de facto medium komunikacyjnym dla większości zastosowań, w połączeniu z zasilaniem bateryjnym definiując dwa atrybuty projektowe każdego urządzenia IoT lub przemysłowego IoT (IIoT, ang. Industrial Internet of Things).

Bez przewodów łączących, różnorodność i rozwój bezprzewodowych urządzeń IoT oszałamia. Zastosowania IoT w domu obejmują inteligentne głośniki, sterowniki ogrzewania, inteligentne przełączniki oświetlenia i dzwonki do drzwi. Urządzenia IIoT w domenie przemysłowej mierzą mnóstwo różnych parametrów, takich jak temperatura i wilgotność, wykrywają poziomy cieczy i ciał stałych w zbiornikach oraz nasłuchują sygnatur dźwiękowych hałasu łożysk w silnikach.

Początkowo budżet energetyczny wymuszał stosowanie protokołów łączności bezprzewodowej o krótkim zasięgu i małej mocy, takich jak Bluetooth i Zigbee, lecz pojawienie się sieci bezprzewodowych o dużym zasięgu i małej mocy (LPWAN, ang. Low Power Wide Area Network), takich jak komórkowy Narrowband IoT (NB-IoT), znacznie poszerzyło zakres możliwych zastosowań Internetu rzeczy.

Podobnie, jak w każdej technologii, także przy śledzeniu zasobów występują pewne ograniczenia projektowe. Jednym z możliwych zastosowań IoT LPWAN jest lokalizator zasobów. Śledzenie zasobów wiąże się z wiedzą o położeniu wartościowych dóbr, takich jak np. spychacz, lub cennych przesyłek, na przykład pilnie potrzebnych leków. Oprócz danych lokalizacji, zwykle dostarczanych przez odbiornik GNSS (ang. Global Navigation Satelite System), mogą być przesyłane niewielkie ilości innych informacji, na przykład napięcie baterii i temperatura. 

Kontenery transportowe są wszechobecne w przesyłaniu towarów pomiędzy lokalizacjami. Rozważmy, w jaki sposób lokalizator zasobów z funkcją IoT, przymocowany do kontenera, może zapewnić istotne informacje o położeniu i parametrach środowiskowych podczas jego podróży. Kontenery transportowe są multimodalne, więc przemieszczanie ich z fabryki do miejsca przeznaczenia może obejmować transport ciężarówkami, koleją i statkami. Podróż może oznaczać kilka tygodni pracy bez nadzoru, więc podstawowym wymogiem jest tu przedłużona żywotność baterii. Czujnik musi być niewielki, wytrzymały mechanicznie i zdolny do komunikowania się za pośrednictwem niejednorodnej, a czasami zawodnej i minimalnie dostępnej komórkowej sieci bezprzewodowej. Na kontenerowcu, z dala od lądu, lokalizator kontenera nie będzie w stanie przekazać informacji o jego położeniu bez korzystania z zewnętrznej infrastruktury sieciowej. Przykładowo, średni czas trwania podróży z Azji do Europy wynosi 40 dni, co jest bardzo długim czasem. Dlatego większość kontenerowców jest obecnie wyposażona w bramki łączące komunikację komórkową z satelitarną, więc położenie kontenera jest znane przez cały czas.

Tworzenie lokalizatora zasobów na potrzeby globalnego wdrożenia jest procesem wymagającym podjęcia wielu decyzji. Ograniczenia projektowe dla dewelopera systemów wbudowanych, którego zadaniem jest prototypowanie lokalizatora zasobów z funkcją IoT, obejmują profil zużycia energii, protokoły komunikacyjne, wykrywanie lokalizacji, zasoby procesora aplikacyjnego i wymiary urządzenia. Wiele z tych czynników jest od siebie zależnych; na przykład większa bateria pozwoliłaby na dłuższy czas pracy i wyższy stosunek trybu aktywności do uśpienia, lecz kosztem zwiększenia fizycznych wymiarów urządzenia. Przeanalizujemy tu wszystkie te czynniki i przedstawimy niektóre decyzje, które deweloper musi podjąć.

Pobór energii to chyba najważniejszy atrybut, który trzeba wziąć pod uwagę. Ogólnie rzecz biorąc, tracker będzie aktywny lub w trybie głębokiego uśpienia. Faza aktywna obejmuje monitorowanie i gromadzenie danych o położeniu oraz wszelkich innych parametrów środowiskowych, przetwarzanie ich do postaci komunikatu gotowego do transmisji, a następnie wysyłanie ich do platformy śledzącej zgodnie z ustalonym harmonogramem. Platforma aplikacji hosta śledzenia może również wymagać, aby lokalizator zasobów odpowiadał na żądania ad hoc. Ten wymóg oznacza, że niektóre funkcje narzędzia do śledzenia zasobów powinny działać niezależnie od siebie na bardziej szczegółowym poziomie – na przykład, odbiornik GNSS nie musi być aktywny, gdy nadajnik nawiązuje połączenie. 

Kolejna kluczowa decyzja dotyczy metod komunikacji. Transceiver radiowy urządzenia musi obsługiwać funkcje łączności niskiej mocy LPWAN oferowane przez LTE-M i NB-IoT w całym przydzielonym paśmie częstotliwości radiowych. Dostawca usług eSIM/SIM musi zapewnić globalny zasięg łączności. Komunikacja bezprzewodowa jest ściśle regulowana, zarówno przez wymogi homologacji typu, jak i operatorów sieci komórkowych. Wybór modułu modemu komórkowego, który uzyskał certyfikację zgodnie z globalnymi wymogami regulacyjnymi, znacznie zmniejsza koszty i skraca czas opracowania modemu.

Dla realizacji podstawowego zadania konieczne jest wykrywanie położenia. Zdolność do przyjmowania danych dotyczących lokalizacji z dowolnej dostępnej konstelacji GNSS jest absolutnie niezbędna. Również do tego celu dostępne są powszechnie moduły GNSS/GPS, oferujące możliwość korzystania z wielu konstelacji. Ze względu na pracę przy zasilaniu bateryjnym, moduł powinien wykazywać się ultraniskim poborem mocy.

Zależnie od złożoności planowanych funkcji, należy wybrać odpowiedni procesor aplikacyjny. Wbudowany procesor steruje działaniem lokalizatora zasobów, od planowania cykli aktywności aż po wprowadzanie siebie i podłączonych modułów w tryby uśpienia w celu oszczędzania baterii. Jeśli wymagania projektowe obejmują dodatkowe czujniki do pomiaru warunków środowiskowych lokalizatora lub stanu baterii, procesor aplikacyjny również musi je obsłużyć. Także dla procesora kluczowe znaczenie mają parametry poboru mocy w trybie aktywnym i uśpienia.

Nieuniknionym „wnioskiem” z poprzednich decyzji będzie wybór odpowiedniej obudowy. Rozmiary geometryczne wymagane dla wszystkich wbudowanych komponentów, czujników i baterii dyktuje całkowite wymiary lokalizatora. Obudowa musi być wytrzymała i montowana na zewnątrz, aby w naszym przykładzie kontenera morskiego zapewnić łączność komórkową i odbiór GNSS. Użycie odrębnych modułów bezprzewodowych i GNSS, mimo zwykle niewielkich rozmiarów, nadal może zająć dużą część dostępnej powierzchni płytki drukowanej. Procesor aplikacyjny, układ scalony zarządzania energią (PMIC, ang. Power Management Integrated Circuit), moduł radiowy, anteny na płytce drukowanej, inne czujniki i powiązane z nimi elementy pasywne zajmą resztę miejsca. Dostępność odpowiedniego wysoce zintegrowanego układu SoC lub SiP może znacznie zmniejszyć wymogi wynikające z rozmiarów płytki drukowanej. 

Poza kwestiami ściśle związanymi z fizycznym lokalizatorem, istotny jest też jego „środowisko pracy”. Zaprojektowanie lokalizatora zasobów to tylko część rozwiązania do zarządzania tymi urządzeniami. Potrzebny jest też odporny i niezawodny system informacji o lokalizatorach oparty na chmurze oraz zestaw funkcji zarządzania, upraszczający włączanie urządzeń do eksploatacji, aktywowanie kart SIM i aktualizacje drogą radiową.

W procesie wyboru komponentów zespół projektowy musi sprawdzić dostępność zestawów do tworzenia oprogramowania, not aplikacyjnych i płytek ewaluacyjnych. Dostęp do tych zasobów niewątpliwie pomoże w przyspieszeniu procesów prototypowania i projektowania do produkcji, a w dzisiejszych czasach problemów z łańcuchem dostaw jest to absolutnie kluczowe zagadnienie.

W tym miejscu możemy już śmiało przedstawić czytelnikowi moduł SiP lokalizatora zasobów Nordic nRF9160. Moduł ten jest elementem ekosystemu komórkowego IoT. Jest to wysoce zintegrowane urządzenie o niskim poborze mocy, które zawiera procesor aplikacyjny 64 MHz ARM Cortex-M33, modem LTE-M i NB-IoT o mocy nadawania 23 dBm, front-end RF, odbiornik wspomaganego GPS oraz PMIC w jednym pakiecie LGA (ang. Land Grid Array).  Moduł SiP nRF9160 o wymiarach zaledwie 10 mm × 16 mm × 1 mm nadaje się do globalnie wdrażanych rozwiązań śledzenia zasobów. Posiada certyfikację w większości przydzielonych pasm LTE, zatwierdzenie do użytku przez wiodących międzynarodowych operatorów sieci komórkowych (MNO) i regionalne homologacje typu. Ilustracja 1 przedstawia schemat funkcjonalny nRF9160.

Schemat funkcjonalny modułu SiP komórkowego IoT nRF9160 firmy Nordic Semiconductor w prostym przypadku użycia lokalizatora zasobów

Rysunek ten przedstawia schemat funkcjonalny modułu SiP (ang. System-in-Package) komórkowego IoT nRF9160 w prostym przypadku użycia lokalizatora zasobów. Charakterystyka niskiego poboru mocy tego modułu SiP  obejmuje tryb oszczędzania energii PSM (ang. Power Saving Mode) łączności komórkowej oraz tryb rozszerzonego nieciągłego odbioru eDRX, dzięki którym SiP może pozostawać w uśpieniu przez dłuższy czas. Prąd minimalny w PSM spada do 2,7 µA, a w trybie eDRX (ang. Extended Discontinuous Reception) 655,36 sekundy z LTE-M do 6 µA. Nordic udostępnia szczegółową notę aplikacyjną, która dokładnie wyjaśnia działanie tych funkcji 3GPP (ang. 3rd Generation Partnership Project). Podczas nadawania z mocą 23 dBm, z szybkością transmisji danych 180 kb/s i zasilaniem 3,7 VDC, maksymalny pobór prądu przez urządzenie wynosi 100 mA.

Inne funkcje procesora Cortex-M33 obejmują obsługę ARM TrustZone, która zapewnia bezpieczne środowisko, oraz funkcję ARM CryptoCell 310 przyspieszającą wywoływanie funkcji kryptograficznych. Do obsługi zewnętrznych urządzeń peryferyjnych moduł oferuje cztery interfejsy SPI/UART/TWI oraz 32 wyprowadzenia GPIO. Dostępne są również funkcje PDM (ang. Pulse Density Modulation, czyli modulacja gęstości impulsów), I²S, PWM i A/C. 

Firma Nordic udostępnia gotową do użycia usługę w chmurze, nRF Cloud, przyspieszającą rozwój, testy i wdrożenie urządzenia opartego na tym module. Otoczenie nRF Cloud oferuje podstawowe możliwości śledzenia lokalizatora zasobów w terenie, monitorowania jego stanu i zarządzania aktualizacjami oprogramowania sprzętowego drogą radiową OTA (ang. Over-The-Air). Twórcy lokalizatorów zasobów mogą stosować nRF Cloud do wstępnego testowania urządzenia śledzącego albo jako komercyjną platformę chmury klasy korporacyjnej, działającą 24/7.

Zestaw usług wspomaganego GPS również jest dostępny w ramach nRF Cloud. Obejmują one A-GPS, w której nRF9160 pobiera dane wspomagające przez LTE, znacznie skracając czas do pierwszego ustalenia położenia TTFF (ang. Time To First Fix). Można również pobrać dwa tygodnie przewidywanych danych pozycji GPS (P-GPS), unikając potrzeby regularnego żądania danych wspomagających. Zastosowanie A-GPS lub P-GPS, jak przedstawia Ilustracja 2, szybko dostarcza danych pozycyjnych o wysokiej dokładności, oszczędzając zużycie energii. 

Dostęp do danych wspomagających w celu skrócenia TTFF przy użyciu nRF Cloud

Metody jednokomórkowe (SCELL) lub wielokomórkowe (MCELL) mogą dodatkowo oszczędzać energię, gdy precyzja lokalizacji nie jest istotna. To podejście wykorzystuje dane lokalizacji stacji bazowych i nadaje się do zastosowań, w których odbiór GPS może być marginalny lub niedostępny, np. w pomieszczeniach. W przypadku MCELL aplikacja może triangulować dane z maksymalnie 17 stacji, aby określić lokalizację bez GPS.

W odpowiedzi na duże zapotrzebowanie rynku na tego typu urządzenia i jednocześnie dużą ich złożoność, aby przyspieszyć tworzenie komórkowych lokalizatorów zasobów, firma Nordic oferuje kilka przydatnych materiałów dla nRF9160.

Zestaw rozwojowy nRF9160 DK to dedykowana platforma do prototypowania wstępnego projektu lokalizatora zasobów. Oprócz modułu SiP nRF9160 płytka zawiera zintegrowane anteny i sterownik SoC płytki nRF52840 z obsługą Bluetooth Low Energy i NFC, całość przedstawia Ilustracja 3. 

Zestaw Nordic nRF9160 DK

Jako dodatkowa pomoc w prototypowaniu dodatkowych czujników, płytka jest wyposażona w złącze Arduino Uno R3 pozwalające na nieskomplikowane korzystanie z ogromnych zasobów „shieldów” z peryferiami w tym standardzie. Zestaw ten posiada również interfejs programatora/debuggera SEGGER J-Link, diody LED dla użytkownika, przyciski/przełączniki oraz gniazdo karty SIM Nano/4FF. Szczegóły znajdziemy w dołączonej do artykułu karcie katalogowej.

Kolejną wartą poznania platformą do prototypowania IoT jest Thingy:91. Moduł ten to zasilany z baterii system dedykowany do testowania aplikacji śledzącej zasoby w terenie. Widok układu przedstawia rysunek 4.

Platforma prototypowa Nordic Semiconductor Thingy:91

Oprócz modułu SiP nRF9160 i sterownika płytki SoC nRF52840, to wysoce zintegrowane i urządzenie – zawiera szeroką gamę czujników. Czujniki środowiskowe mierzą temperaturę, wilgotność oraz ciśnienie i jakość powietrza; "na pokładzie” znajdziemy też przetworniki koloru i jasności oświetlenia i akcelerometr. Zasilanie zapewnia akumulator Li-Po o pojemności 1440 mAh. Obok części hardwareowej, producent przygotował także otoczenie softwareowe. Aplikacja nRF9160 Asset Tracker: to kompletne rozwiązanie do śledzenia zasobów, wykorzystujące funkcje oszczędzania energii modułu SiP nRF9160. Otwarty, oparty na maszynie stanu kod wbudowany pobiera dane pozycji i dane z czujników, które może publikować w serwisach nRF Cloud, Azure IoT Hub i AWS IoT Core. Aplikacja obsługuje platformy rozwojowe nRF9160 DK i Thingy:91, pełen opis tego urządzenia możemy znaleźć w dołączonej do artykułu karcie katalogowej.

Kolejnym bardzo potrzebnym narzędziem jest zestaw Power Profiler Kit II przedstawiony na rysunku 5.

Narzędzie Power Profiler Kit II

Jest to narzędzie do profilowania zasilania i optymalizacji zużycia energii. Może pracować zarówno jako źródło zasilania, konfigurowalne w zakresie od 0,8 V do 5,0 V, jak i w trybie amperomierza, w którym zestaw wykonuje tylko pomiary prądu.

Rozdzielczość pomiaru zależy od zakresu i waha się od 100 nA do 1 mA. Zarówno sterowanie parametrami pracy, jak i archiwizowanie wyników pomiarów realizowane jest przez specjalizowaną aplikację. Producent przygotował bardzo szczegółową kartę katalogową która jest dołączona do artykułu.

Podsumowując, można powiedzieć, że kwestia śledzenia zasobów z założonym projektowo ultraniskim poborem energii stało się nieodzowne dla firm świadczących usługi logistyczne i łańcucha dostaw. Opracowanie niezawodnego komórkowego lokalizatora zasobów wymaga niskiego poboru mocy i możliwości działania na całym świecie. Układ SiP nRF9160, ze swoją charakterystyką ultraniskiego poboru mocy, międzynarodowymi certyfikatami MNO i przepisowymi zatwierdzeniami typów, jest idealnym wyborem do prototypowania projektów.

Powyższa publikacja to artykuł techniczny firmy Mouser, jego wersja polska została przygotowana przez firmę specjalnie do publikacji na Blogu ElPortalu. Firma Mouser zamieszcza dużo interesujących materiałów na swoim Twitterze.