วิธีการออกแบบระบบติดตามแบบหลายการเชื่อมต่อสำหรับการตรวจสอบปศุสัตว์ การจัดการกลุ่มยานพาหนะ และโลจิสติกส์ในอุตสาหกรรม 4.0

การติดตามทรัพย์สินแบบเรียลไทม์และการตรวจสอบสภาพเป็นสิ่งสำคัญในการดำเนินงานด้านการเกษตร เช่น การจัดการปศุสัตว์ คลังสินค้าควบคุมอุณหภูมิสำหรับอาหารและยา การจัดการกลุ่มยานพาหนะ และการผลิตที่ยืดหยุ่นของอุตสาหกรรม 4.0 ซึ่งการติดตามทรัพย์สินเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อตรวจสอบสภาพแวดล้อม โดยทรัพย์สินจะอยู่ภายใต้ระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลกหลายระบบ (GNSS) ซึ่งรวมถึง GPS, Galileo, Glonass, BeiDou และ QZSS เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลตำแหน่งถูกต้อง นอกจากนี้โซลูชันหลายเชื่อมต่อก็ได้ให้การสื่อสารตำแหน่งและสภาพของทรัพย์สินได้ทันท่วงทีโดยไม่คำนึงถึงสภาพแวดล้อมโดยรอบ โดยมีการเชื่อมต่อกับระบบคลาวด์เพื่อรองรับการตรวจสอบจากส่วนกลาง และจะต้องประหยัดพลังงานเพื่อลดความต้องการพลังงานจากแบตเตอรี่ และระบบต้องปลอดภัยจากการแฮ็ค

การออกแบบระบบการติดตามทรัพย์สินและการตรวจสอบสภาพเป็นงานที่ใช้หลายเทคนิคและมีความซับซ้อนซึ่งใช้ทรัพยากรและเวลาจำนวนมาก นอกเหนือจากความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบฮาร์ดแวร์แล้ว ข้อมูลจำเป็นต้องเชื่อมต่ออย่างปลอดภัยกับระบบคลาวด์และอุปกรณ์พกพาเพื่อให้ข้อมูลจำนวนมากที่สร้างขึ้นอยู่ในรูปแบบที่ดำเนินการได้

แทนที่จะเริ่มต้นออกแบบระบบติดตามทรัพย์สินจากศูนย์ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ชุดพัฒนาและการออกแบบอ้างอิงที่ทำให้การสร้างต้นแบบ การทดสอบ และการประเมินการติดตามทรัพย์สินขั้นสูงง่ายขึ้น บทความนี้จะกล่าวถึง GNSS, เซ็นเซอร์, การเชื่อมต่อ และข้อควรพิจารณาอื่น ๆ เมื่อพัฒนาระบบการติดตามทรัพย์สินและการตรวจสอบสภาพ จากนั้นจะนำเสนอ ชุดพัฒนา ที่ครอบคลุมจาก STMicroelectronics ซึ่งรวมถึงแผงวงจรพิมพ์หลายแผ่นสำหรับเซ็นเซอร์ประเภทต่าง ๆ การวางตำแหน่ง GNSS และความสามารถในการสื่อสาร ชุดพัฒนานี้ยังมีแบตเตอรี่และการจัดการพลังงานขั้นสูงเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ ซอฟต์แวร์ ไลบรารีเฟิร์มแวร์ และเครื่องมือพัฒนาแอปพลิเคชัน

ทรัพย์สินอยู่ที่ไหน

ขั้นตอนแรกในการติดตามทรัพย์สินคือการรวบรวมข้อมูลตำแหน่งปัจจุบันโดยใช้รูปแบบข้อมูล National Marine Electronics Association (NMEA) โดย NMEA เป็นมาตรฐานที่ใช้โดยผู้ผลิต GPS ทุกรายเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถทำงานร่วมกันได้ รูปแบบข้อความ NMEA มาตรฐานเรียกว่าประโยค ซึ่ง NMEA ได้กำหนดประโยคหลายประโยคเพื่อให้ข้อมูลประเภทต่าง ๆ รวมถึง:

• GGA – ข้อมูลแก้ไขระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลก รวมถึงพิกัด 3 มิติ สถานะ จำนวนดาวเทียมที่ใช้ และข้อมูลอื่น ๆ
• GSA – ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบ (DOP) และดาวเทียมที่ใช้งานอยู่
• GST – สถิติข้อผิดพลาดของตำแหน่ง
• GSV – จำนวนดาวเทียมและจำนวนสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม (PRN) ระดับความสูง มุมทิศ และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสำหรับดาวเทียมแต่ละดวง
• RMC – ตำแหน่ง ความเร็ว และเวลา
• ZDA – วัน เดือน และปีสากลเชิงพิกัด (UTC) และออฟเซ็ตโซนเวลาท้องถิ่น

การใช้ NMEA ช่วยให้การพัฒนาซอฟต์แวร์ระบุตำแหน่งง่ายขึ้น เนื่องจากสามารถใช้อินเทอร์เฟซทั่วไปสำหรับเครื่องรับ GPS ประเภทต่าง ๆ และสามารถเข้าถึงชุดข้อมูลเฉพาะได้ง่ายโดยใช้ประโยคที่เกี่ยวข้อง

จะปรับปรุงความแม่นยำได้อย่างไร

ข้อมูล GNSS ให้ความแม่นยำของตำแหน่งที่จำกัดเท่านั้น มีเครื่องมือต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงการประมาณพิกัดตำแหน่ง รวมถึงบริการ Differential Global Positioning System (DGPS) ที่ให้สัญญาณแก้ไขไปยังอุปกรณ์นำทาง GPS บนเรือ DGPS ใช้โปรโตคอล Radio Technical Commission for Maritime (RTCM) เพื่อให้ข้อมูลตำแหน่งที่ได้รับการปรับปรุง นอกจากนี้ยังมีระบบการเสริมด้วยดาวเทียม (SBAS) เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของข้อมูลตำแหน่ง รวมถึง Wide Area Augmentation System (WAAS) ในอเมริกา, European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) ในเอเชีย และ GPS-aided GEO augmented navigation (GAGAN) ซึ่งเป็น SBAS ระดับภูมิภาคในอินเดีย (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: เครื่องรับ GNSS หลายระบบ TESEO LIV3F ประกอบด้วยชุดเครื่องมือ ได้แก่ DGPS, SBAS และ RTCM (ซ้ายล่าง) เพื่อใช้งานโซลูชันตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูง (แหล่งที่มาภาพ: STMicroelectronics)

ทรัพย์สินมีสภาพอย่างไร

ในหลายกรณี การทราบตำแหน่งของทรัพย์สินเป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น การรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสภาพของทรัพย์สินอาจเป็นสิ่งสำคัญ ทั้งสถานะทางกายภาพและมีการเคลื่อนย้ายหรือหรือไม่ โดยสามารถติดตั้งเซ็นเซอร์ต่าง ๆ ได้ตามต้องการ รวมถึง:

• เซ็นเซอร์อุณหภูมิ ด้วยช่วงอุณภูมิทำงานที่ -40°C ถึง +125°C มีความแม่นยำสูง และการสอบเทียบที่ National Institute of Standards and Technology (NIST) สามารถสอบเทียบย้อนกลับและตรวจสอบได้ตามที่กำหนดโดยมาตรฐาน IATF 16949:2016
• เซ็นเซอร์วัดแรงดัน เซ็นเซอร์ค่าสัมบูรณ์ระบบกลไกไฟฟ้าจุลภาค (MEMS) ขนาดกะทัดรัดและทนทานสามารถใช้เป็นบารอมิเตอร์เอาต์พุตดิจิตอลโดยมีช่วงความดันสัมบูรณ์ 260 ถึง 1260 เฮกโตปาสกาล (hPa) หรือที่เรียกว่ามิลลิบาร์ ซึ่งจะต้องมีความแม่นยำสูงและมีการชดเชยอุณหภูมิ
• เซ็นเซอร์ความชื้น ด้วยช่วงอุณหภูมิการทำงาน -40°C ถึง +120°C และช่วงการวัดความชื้นสัมพัทธ์ (rH) 0 ถึง 100% ควรชดเชยอุณหภูมิด้วยความแม่นยำ ±3.5% rH จาก 20 ถึง 80% rH
• หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) รวมถึงตัววัดความเร่ง 3 มิติที่ใช้ MEMS และไจโรสโคป 3 มิติ เพื่อระบุว่าสินทรัพย์กำลังเคลื่อนที่หรือไม่
• ตัววัดความเร่ง เช่น มาตรวัดความเร่งเชิงเส้นสามแกนที่ใช้ MEMS เพื่อวัดระดับการกระแทกและการสั่นสะเทือนของวัตถุ

การเชื่อมต่อที่ปลอดภัย

เมื่อระบุตำแหน่งและสภาพของทรัพย์สินแล้ว ก็ถึงเวลาสื่อสารข้อมูลเหล่านั้น ซึ่งอาจต้องใช้การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยทั้งระยะไกลและระยะสั้นร่วมกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ ในกรณีของแพลตฟอร์มการติดตามสินทรัพย์แบบหลายการเชื่อมต่อ STEVAL-ASTRA1B จาก STMicroelectronics โดยการเชื่อมต่อและความปลอดภัยได้รับการสนับสนุนโดยองค์ประกอบระบบหลายอย่างบนเมนบอร์ด รวมถึง (รูปที่ 2):

• STM32WB5MMG เป็นโมดูลไร้สาย 2.4 GHz ที่ได้รับการรับรองซึ่งรวมเอา Arm® Cortex®-M4/M0+ แบบดูอัลคอร์ STM32WB, คริสตัล และเสาอากาศแบบชิปเข้ากับเครือข่ายที่ตรงกัน ประกอบด้วยสแต็ค Bluetooth Low Energy (BLE) และรองรับ Open Thread, Zigbee และโปรโตคอล 2.4 GHz อื่นๆ
• STM32WL55JC ให้การเชื่อมต่อไร้สายระยะไกล นอกจากนี้ยังมี Dual-core Arm Cortex-M4/M0+ และสามารถรองรับโปรโตคอลอย่าง GFSK, LoRa และอื่นๆ โดยส่วนหน้า RF ในรุ่นมาตรฐานรองรับย่านความถี่ 868, 915 และ 920 MHz การเปลี่ยนส่วนประกอบบางอย่างทำให้โมดูลสามารถรองรับความถี่ที่ต่ำกว่าได้
• ส่วนประกอบความปลอดภัย STSAFE-A110 เชื่อมต่อกับ STM32WB5MMG เพื่อการจัดการข้อมูลที่ปลอดภัยและการรับรองความถูกต้อง ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับเครือข่าย Internet of Things (IoT) เช่น การติดตามทรัพย์สิน รวมถึงระบบปฏิบัติการที่ปลอดภัยและไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ปลอดภัย

รูปที่ 2: เมนบอร์ดในแพลตฟอร์มการติดตามสินทรัพย์ STEVAL-ASTRA1B ประกอบด้วย STM32WB5MMG สำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้น STM32WL55JC สำหรับการเชื่อมต่อระยะไกล และ STSAFE-A110 สำหรับการทำงานที่ปลอดภัย (แหล่งที่มาภาพ: STMicroelectronics)

สภาพแวดล้อมการพัฒนาการติดตามทรัพย์สิน

นักพัฒนาแอปพลิเคชันติดตามทรัพย์สินสามารถหันไปใช้ STEVAL-ASTRA1B ของ STMicroelectronics ซึ่งเป็นชุดพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์และการออกแบบอ้างอิงที่ช่วยในการสร้างต้นแบบ ทดสอบ และประเมินระบบติดตามสินทรัพย์ขั้นสูง (รูปที่ 3) ซึ่ง STEVAL-ASTRA1B สร้างขึ้นจากโมดูล STM32WB5MMG และ STM32WL55JC SoC ที่รวมกันสำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้นและระยะยาว (โปรโตคอลที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ BLE, LoRa และ 2.4 GHz และ sub-1-GHz) สำหรับการเชื่อมต่อ NFC นั้นสามารถใช้ ST25DV64K ได้ โดย STSAFE-A110 รองรับการทำงานที่ปลอดภัยและโมดูล GNSS รุ่น Teseo-LIV3F ให้ตำแหน่งกลางแจ้ง

รูปที่ 3: แพลตฟอร์ม STEVAL-ASTRA1B ประกอบด้วยเครื่องมือฮาร์ดแวร์ เฟิร์มแวร์ และซอฟต์แวร์ที่จำเป็นทั้งหมดในการพัฒนาระบบติดตามขั้นสูง (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ตัวรับตำแหน่ง GNSS เข้ากันได้กับหกระบบ ได้แก่ GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS และ NavIC (เรียกอีกอย่างว่า IRNSS) ระบบยังรวมถึงการสนับสนุน WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS และ GAGAN SBAS มีวงจรกรองช่วงความถี่สำหรับป้องกันการรบกวน

มีเซ็นเซอร์หลากหลายประเภทสำหรับการตรวจสอบสภาพ รวมถึง (รูปที่ 4):

• STTS22HTR – เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบดิจิตอลที่ใช้งานได้ตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C โดยมีความแม่นยำสูงสุด ±0.5°C ตั้งแต่ -10°C ถึง +60°C และเอาต์พุตข้อมูลอุณหภูมิ 16 บิต การสอบเทียบเป็นไปตาม NIST ที่สามารถสอบเทียบย้อนหลับได้ และอุปกรณ์ได้รับการทดสอบและตรวจสอบ 100% ด้วยอุปกรณ์ที่สอบเทียบตามมาตรฐาน IATF 16949:2016
• LPS22HHTR – เซ็นเซอร์แรงดันสัมบูรณ์แบบเพียโซรีซิสทีฟ MEMS ซึ่งใช้เป็น
• บารอมิเตอร์เอาต์พุตดิจิตอลที่สามารถวัดความดันสัมบูรณ์ได้ตั้งแต่ 260 ถึง 1260 hPa มีความแม่นยำของแรงดันสัมบูรณ์ที่ 0.5 hPa และสัญญาณรบกวนเซ็นเซอร์แรงดันต่ำที่ 0.65 Pa ทำให้ได้เอาต์พุตข้อมูลแรงดัน 24 บิต
• HTS221TR – เซ็นเซอร์ความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิ สามารถวัด 0 ถึง 100% rH ด้วยความไว 0.004% rH/บิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุด (LSB) ความแม่นยำของความชื้น ±3.5% rH ตั้งแต่ 20 ถึง +80 % rH และความแม่นยำของอุณหภูมิ ±0.5°C ตั้งแต่ +15°C ถึง +40°C
• LIS2DTW12TR – มาตรวัดความเร่งเชิงเส้นสามแกน MEMS และเซ็นเซอร์อุณหภูมิพร้อมสเกลเต็ม ±2g/±4g/±8g/±16g ที่ผู้ใช้เลือกได้ ซึ่งสามารถวัดความเร่งด้วยอัตราข้อมูลเอาต์พุตตั้งแต่ 1.6 Hz ถึง 1600 Hz
• LSM6DSO32XTR - โมดูล IMU ที่มีมาตรวัดความเร่งแบบดิจิตอล 3D 32 g ที่เปิดตลอดเวลาและไจโรสโคปแบบดิจิตอล 3D ที่มีช่วงเต็มสเกล ±4/±8/±16/±32 g และช่วงความเร่งเชิงมุมเต็มสเกล ±125/±250/±500 /±1000/±2000 องศาต่อวินาที (dps)

รูปที่ 4: เมนบอร์ดของ STEVAL-ASTRA1B ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ต่าง ๆ (ซ้าย) แผงระบบ (กล่องสีเหลือง) และส่วนประกอบสำหรับการเชื่อมต่อ GNSS (TESEO LIV3F และเสาอากาศด้านล่างขวา) (แหล่งที่มาภาพ: STMicroelectronics)

การจัดการพลังงานเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ติดตามแบบไร้สาย เพื่อรับประกันอายุแบตเตอรี่ที่ยาวนาน STEVAL-ASTRA1B มีส่วนประกอบการจัดการพลังงานมากมาย เช่น:

• ซิงโครนัสสเต็ปดาวน์คอนเวอร์เตอร์ 400 มิลลิแอมป์ (mA) ST1PS02D1QTR ที่มีช่วงแรงดันอินพุต 1.8 V ถึง 5.5 V, กระแสอินพุตในสภาวะปกติ 500 นาโนแอมแปร์ (nA) ที่แรงดันอินพุต 3.6 V และประสิทธิภาพทั่วไป 92%
• ไอซีการจัดการพลังงานแบตเตอรี่และอุปกรณ์ชาร์จ STBC03JR ที่มีส่วนอุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่เชิงเส้นสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์เดียว (Li-ion) ที่ใช้อัลกอริทึมการชาร์จแบบกระแสคงที่/แรงดัน (CC/CV) คงที่, ตัวควบคุมการปล่อยกระแสไฟต่ำ 150 mA (LDO), สวิตช์โหลดแบบ Single Pole Double Throw (SPDT) สองตัว และวงจรเพื่อป้องกันแบตเตอรี่ระหว่างสภาวะความผิดปกติ
• ไอซีการป้องกันพอร์ต USB Type-C® TCPP01-M12 มีการป้องกันแรงดันไฟเกิน VBUS ที่ปรับได้ตั้งแต่ 5 V ถึง 22 V (พร้อม N-channel MOSFET ภายนอก), การป้องกันแรงดันเกิน 6.0 V (OVP) บนสาย CC เพื่อป้องกันการลัดวงจรของ VBUS และระดับระบบ การป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) สำหรับพินคอนเนคเตอร์ CC1 และ CC2 ที่เป็นไปตามาตรฐาน IEC 61000-4-2 ระดับ 4

ไลบรารีซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์

มีซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์ที่หลากหลายและพร้อมใช้งานสำหรับการพัฒนาการติดตามทรัพย์สินโดยใช้ STEVAL-ASTRA1B ตัวอย่าง ได้แก่:

• ชุดฟังก์ชัน FP-ATR-ASTRA1 ใช้ในการติดตามทรัพย์สินที่สมบูรณ์และรวมอยู่ใน STEVAL-ASTRA1B ชุดฟังก์ชันจะรับข้อมูลตำแหน่งจากตัวรับ GNSS อ่านข้อมูลจากเซ็นเซอร์สภาพแวดล้อมและการเคลื่อนไหว และส่งไปยังคลาวด์โดยใช้การเชื่อมต่อ BLE และ LoRaWAN มีเคสการใช้งานที่ปรับแต่งได้สำหรับการจัดการกลุ่มยานพาหนะ การตรวจสอบปศุสัตว์ การตรวจสอบสินค้า และโลจิสติกส์
• แอปพลิเคชัน STAssetTracking สามารถกำหนดค่าอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สิน BLE, Sigfox หรือ NFC จากระยะไกลได้ สามารถใช้เพื่อเปิดใช้งานการบันทึกข้อมูลสำหรับเซ็นเซอร์เฉพาะและตั้งค่าเกณฑ์เพื่อเริ่มและหยุดการบันทึก
• แดชบอร์ด DSH-ASSETTRAACKING เป็นแอปพลิเคชันระบบคลาวด์ที่ขับเคลื่อนโดย Amazon Web Services (AWS) ซึ่งมีอินเทอร์เฟซที่ใช้งานง่ายซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับการเก็บรวบรวม แสดงภาพ และวิเคราะห์ข้อมูลจากบริการระบุตำแหน่ง GNSS และเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวและสิ่งแวดล้อม แดชบอร์ดสามารถวางแผนข้อมูลและค่าเซ็นเซอร์ตำแหน่งตามแบบเรียลไทม์หรือย้อนหลังและตรวจสอบสภาพแวดล้อมและเหตุการณ์ต่าง ๆ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แดชบอร์ด DSH-ASSETTRACKING เป็นแอปพลิเคชันระบบคลาวด์ที่ใช้ AWS สำหรับการติดตามทรัพย์สิน (แหล่งที่มาภาพ: STMicroelectronics)

สรุป

การติดตามทรัพย์สินเป็นฟังก์ชันที่สำคัญและซับซ้อนซึ่งจำเป็นสำหรับการตรวจสอบปศุสัตว์ การจัดการกลุ่มยานพาหนะ และโลจิสติกส์ ดังที่แสดงไว้ข้างต้น ชุดพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ STEVAL-ASTRA1B และการออกแบบอ้างอิงจาก STMicroelectronics รวมถึงบริการระบุตำแหน่ง GNSS เซ็นเซอร์ตรวจจับสภาพแวดล้อมและการเคลื่อนไหวเต็มรูปแบบ การจัดการพลังงาน และซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์ที่สมบูรณ์นั้นจำเป็นต่อการออกแบบความเร็วอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินที่มีประสิทธิภาพสูง