實時資產跟蹤和狀態監測在畜牧管理、食品和藥品冷鏈倉儲、車隊管理以及工業 4.0 靈活生產運營等農業運營中至關重要。這是一個復雜的過程，涉及多個傳感器來監測環境條件。它強調，該資產受制于多星座全球導航衛星系統（GNSS）能力，包括GPS，伽利略，Glonass，北斗和QZSS，以確保準確的位置信息。此外，多連接解決方案提供資產位置和狀況的及時通信，無論周圍環境如何，包括與云的連接以支持集中監控。此外，它需要節能以最大限度地減少對電池電源的需求，并且系統必須安全且免受黑客攻擊。

設計資產跟蹤和狀態監測系統是一項復雜的多學科活動，會消耗大量資源并花費大量時間。除了與硬件設計相關的復雜性外，數據還需要安全地連接到云和移動設備，以便以可操作的格式提供生成的大量信息。

設計人員在設計資產跟蹤系統時不必從空白頁開始，而是可以轉向開發套件和參考設計，以簡化原型設計、測試和評估高級資產跟蹤應用。本文將回顧開發資產跟蹤和狀態監測系統時的GNSS、傳感器、連接性和其他考慮因素，然后介紹意法半導體的綜合開發套件，其中包括用于各種類型傳感器、GNSS定位和通信功能的多個印刷電路板。該套件還包括電池和高級電源管理，以最大限度地延長電池壽命，軟件和固件庫以及應用開發工具。

資產在世界的什么地方？

跟蹤資產的第一步是使用國家海洋電子協會 （NMEA） 數據格式收集當前位置信息。NMEA 是所有 GPS 制造商用來確保互操作性的標準。標準 NMEA 消息格式稱為句子。NMEA 定義了幾個句子來提供各種類型的信息，包括：

GGA – 全球定位系統固定數據，包括 3D 坐標、狀態、使用的衛星數量和其他數據

GSA – 精確稀釋 （DOP） 和有源衛星

GST – 位置誤差統計

GSV – 視野中的衛星數量以及每顆衛星的偽隨機噪聲 （PRN） 數量、仰角、方位角和信噪比

RMC – 位置、速度和時間

ZDA – UTC 日、月、年以及本地時區偏移量

使用NMEA簡化了定位軟件開發，因為通用接口可用于各種類型的GPS接收器，并且可以使用相應的句子輕松訪問特定的數據集。

如何提高準確性？

原始 GNSS 數據僅提供有限的位置精度。可用于改進位置估計的工具，包括差分全球定位系統（DGPS）服務，該服務為船上的GPS導航設備提供校正信號。DGPS使用海事無線電技術委員會（RTCM）協議來提供增強的位置數據。此外，基于衛星的增強系統（SBAS）可用于提高位置信息的準確性，包括美國的廣域增強系統（WAAS），歐洲地球靜止導航疊加系統（EGNOS），亞洲的多功能衛星增強系統（MSAS）和印度的區域SBAS的GPS輔助GEO增強導航（GAGAN）（圖1）。

資產的狀況如何？

在許多情況下，了解資產的位置只是拼圖的一部分。收集有關資產狀況的信息非常重要，包括其物理狀態以及資產是移動還是靜止。根據需要，可以部署各種傳感器，包括：

溫度傳感器的工作范圍為 -40°C 至 +125°C，精度高，校準符合美國國家標準與技術研究院 （NIST） 可追溯，并符合 IATF 16949：2016 標準的要求。

壓力傳感器 - 緊湊而堅固的微機電系統（MEMS）壓阻式絕對傳感器可用作數字輸出氣壓計，絕對壓力范圍為260至1260百帕斯卡（hPa），也稱為毫巴。它需要高度精確并包括溫度補償。

濕度傳感器的工作溫度范圍為 -40°C 至 +120°C，濕度測量范圍為 0 至 100% 相對濕度 （rH）。在 3% 至 5% 相對濕度范圍內，應以 ±20.80% rH 的精度進行溫度補償。

慣性測量單元 （IMU），包括基于 MEMS 的 3D 加速度計和 3D 陀螺儀，用于確定資產是移動還是靜止。

加速度計類似于基于MEMS的三軸線性加速度計，用于測量資產的沖擊和振動暴露。

安全連接

一旦確定了資產的位置和狀況，就該傳達這些信息了。根據具體情況，這可能需要遠程和短距離安全連接的組合。在意法半導體的STEVAL-ASTRA1B多連接資產跟蹤平臺中，連接性和安全性由主板上的多個系統元件支持，包括（圖2）：

STM32WB5MMG是一款經過認證的2.4 GHz無線模塊，集成了STM32WB雙核Arm? Cortex-M4?/M0+、晶體和芯片天線以及匹配網絡。它包括低功耗藍牙（BLE）堆棧，并支持Open Thread，Zigbee和其他2.4 GHz協議。

STM32WL55JC提供遠距離無線連接。它還包括一個雙核Arm Cortex-M4 / M0 +，可以支持GFSK，LoRa等協議。標準版本的射頻前端支持 868、915 和 920 MHz 頻段。更改某些組件可使模塊支持較低的頻率。

STSAFE-A110安全元件連接到STM32WB5MMG，實現安全的數據管理和認證。它旨在支持資產跟蹤等物聯網 （IoT） 網絡，并包括一個安全的操作系統和安全的微控制器。

資產跟蹤開發環境

資產跟蹤應用的開發人員可以使用意法半導體的STEVAL-ASTRA1B硬件和軟件開發套件和參考設計，幫助對高級資產跟蹤系統進行原型設計、測試和評估（圖3）。STEVAL-ASTRA1B圍繞STM32WB5MMG模塊和STM32WL55JC SoC構建，結合了短距離和遠程連接（BLE，LoRa和2.4 GHz以及sub-1 GHz專有協議）。對于NFC連接，可以使用ST25DV64K。STSAFE-A110支持安全操作，Teseo-LIV3F GNSS模塊提供室外定位。

GNSS定位接收機兼容六個系統，包括GPS，Galileo，GLONASS，北斗，QZSS和NavIC（也稱為IRNSS）。該系統還包括WAAS，EGNOS，MSAS，WAAS和GAGAN SBAS支持。包括一個陷波濾波器，用于抗干擾。

包括用于狀態監測的各種傳感器，包括（圖 4）：

STTS22HTR – 數字溫度傳感器，可在 -40°C 至 +125°C 范圍內使用，在 -0°C 至 +5°C 范圍內最大精度為 ±10.60°C，并提供 16 位溫度數據輸出。校準是NIST可追溯的，設備經過100%的測試和驗證，設備根據IATF 16949：2016標準校準。

LPS22HHTR – MEMS壓阻式絕對壓力傳感器，用作

數字輸出氣壓計，可測量 260 至 1260 hPa 的絕對壓力。它具有 0.5 hPa 的絕對壓力精度和 0.65 Pa 的低壓傳感器噪聲，可產生 24 位壓力數據輸出。

HTS221TR – 相對濕度和溫度傳感器。它可以測量 0 至 100% rH，靈敏度為 0.004% rH/最低有效位 （LSB），濕度精度為 ±3.5% rH（20 至 +80 % rH），溫度精度為 ±0.5°C （+15°C 至 +40°C）。

LIS2DTW12TR – MEMS三軸線性加速度計和溫度傳感器，用戶可選擇±2g/±4g/±8g/±16g滿量程，可以測量1.6 Hz至1600 Hz輸出數據速率的加速度。

LSM6DSO32XTR - 一個 IMU 模塊，具有始終開啟的 32 g 3D 數字加速度計和一個 3D 數字陀螺儀，量程為 ±4/±8/±16/±32 g 滿量程，角度范圍為 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 （dps） 滿量程。

電源管理對于無線跟蹤設備非常重要。為了確保較長的電池壽命，STEVAL-ASTRA1B包括廣泛的電源管理組件，例如：

ST1PS02D1QTR 400毫安（mA）同步降壓轉換器，輸入電壓范圍為1.8 V至5.5 V，輸入靜態電流為500納安（nA），輸入電壓為3.6 V，典型效率為92%。

STBC03JR電池電源管理和充電器IC，包括用于單節鋰離子（Li-ion）電池的線性電池充電器部分，該部分使用恒流/恒壓（CC/CV）充電算法、150 mA低壓差穩壓器（LDO）、兩個單刀雙擲（SPDT）負載開關和電路，可在故障條件下保護電池。

TCPP01-M12USB Type-C? 端口保護 IC，包括可在 5 V 至 22 V 范圍內調節的 VBUS 過壓保護（使用外部 N 溝道 MOSFET）、CC 線路上的 6.0 V 過壓保護 （OVP）（防止 VBUS 短路）和符合 IEC 1-2-61000 4 級連接器引腳 CC2 和 CC4 的系統級靜電放電 （ESD） 保護。

軟件和固件庫

包括或提供廣泛的軟件和固件，用于使用STEVAL-ASTRA1B開發資產跟蹤應用程序。示例包括：

FP-ATR-ASTRA1功能包實現了完整的資產跟蹤應用程序，并包含在STEVAL-ASTRA1B中。功能包從 GNSS 接收器獲取定位數據， 從環境和運動傳感器讀取數據， 并使用 BLE 和 LoRaWAN 連接將它們發送到云.包括車隊管理、牲畜監控、貨物監控和物流的可定制用例。

STAssetTracking應用程序可以遠程配置支持BLE，Sigfox或NFC的資產跟蹤設備。它可用于啟用特定傳感器的數據記錄，并設置閾值觸發器以啟動和停止記錄。

DSH-ASSETRACKING 儀表板是一個由亞馬遜網絡服務 （AWS） 提供支持的云應用程序，它提供了一個直觀的界面，該界面經過優化，用于收集、可視化和分析來自 GNSS 定位服務以及運動和環境傳感器的數據。儀表板可以繪制實時或歷史位置數據和傳感器值，并監控環境條件和事件（圖 5）。

總結

資產跟蹤是牲畜監控、車隊管理和物流所需的關鍵而復雜的功能。如圖所示，意法半導體的STEVAL-ASTRA1B硬件和軟件開發套件和參考設計包括GNSS定位服務、全系列環境和運動傳感器、電源管理以及加速高性能資產跟蹤設備設計所需的全套軟件和固件。

審核編輯黃宇