การใช้ SiP เซลลูลาร์และ GPS เพื่อติดตามทรัพย์สินสำหรับการเกษตรและเมืองอัจฉริยะอย่างรวดเร็ว

นักพัฒนา Internet of Things (IoT) และระบบและอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินสำหรับอุตสาหกรรม การเกษตร และเมืองอัจฉริยะต้องการวิธีการสื่อสารทางไกลด้วยกำลังไฟน้อยเป็นระยะเวลานาน เทคโนโลยีไร้สาย เช่น แท็ก RFID, บลูทูธ และ Wi-Fi นั้นถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการติดตามทรัพย์สิน แต่ก็มีระยะทางที่จำกัดและใช้พลังงานมากเกินไป สิ่งที่จำเป็นคือการผสมผสานของ GPS และการปรับโครงสร้างพื้นฐาน เช่น เครือข่ายเซลลูลาร์ที่มีการปรับใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่แล้วและได้รับการออกแบบสำหรับการสื่อสารระยะไกลกว่า Wi-Fi หรือบลูทูธ

แต่เดิมเครือข่ายเซลลูลาร์ LTE ออกแบบสำหรับการเชื่อมต่อไร้สายแบนด์วิดท์กว้างสำหรับอุปกรณ์และผลิตภัณฑ์เคลื่อนที่ ในทางกลับกันการใช้งาน IoT สามารถใช้เทคโนโลยีเซลลูลาร์แบนด์วิธแคบที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น วิวัฒนาการระยะยาวสำหรับเครื่องจักร (LTE-M) และ IoT แบนด์แคบ (NB-IoT) แต่การออกแบบ RF/ไร้สายก็ยังคงยากลำบาก และนักพัฒนายังขาดประสบการณ์ที่ครอบคลุมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับเซลลูลาร์ ซึ่งพบกับความยุ่งยากเป็นอย่างยิ่งในการปรับใช้การออกแบบการทำงานที่เพิ่มประสิทธิภาพระบบไร้สายและการใช้พลังงาน ในขณะเดียวกันก็เป็นไปตามหลักข้อบังคับสากลสำหรับบริการระบุตำแหน่งเซลลูลาร์และ GPS ตลอดจนข้อกำหนดเฉพาะของผู้ให้บริการ

บทความนี้กล่าวถึงแนวโน้มและข้อกำหนดการออกแบบของระบบติดตาม จากนั้นจะแนะนำโซลูชัน System in Package (SiP) เซลลูลาร์แบนแคบและ GPS จาก Nordic Semiconductor และแสดงให้เห็นว่าการนำอุปกรณ์เซลลูลาร์ที่ใช้ GPS สำหรับการติดตามทรัพย์สินและการใช้งาน IoT ในด้านการเกษตรและในเมืองอัจฉริยะแบบอื่น ๆ มาใช้งานให้ง่ายขึ้นกว่าเดิมได้อย่างไร

เหตุใดการติดตามทรัพย์สินจึงมีความสำคัญมากขึ้น

ความสามารถในการส่งมอบผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นมีความสำคัญเป็นอย่างมากในเชิงพาณิชย์: เฉพาะ Amazon เองมีการส่งออกพัสดุถึง 5 พันล้านชิ้นโดยประมาณในปี 2019 โดยมีค่าใช้จ่ายในการขนส่งเกือบถึง 38 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ เพิ่มขึ้น 37% จากปี 2018 สำหรับบริษัทขนส่ง ความล่าช้า ความเสียหาย ความเสียหาย และการโจรกรรมสร้างความตึงเครียดให้กับผู้ผลิต ผู้จัดจำหน่าย และลูกค้า ใน Amazon เกือบหนึ่งในสี่ของพัสดุนั้นถูกส่งกลับ โดย 21 เปอร์เซ็นต์ในนั้นเนื่องมาจากลูกค้าได้รับพัสดุเสียหาย

Amazon ไม่ได้จัดสรรงบประมาณให้กับการจัดส่งเพียงอย่างเดียว จากสถานะของโลจิสติกส์ปี 2020 ที่มาจากสภาวิชาชีพชั้นสูงด้านการจัดการโซ่อุปทาน (Council of Supply Chain Management Professional : CSCMP) บริษัททั้งหลายใช้เงินเกือบ 1.7 ล้านล้านดอลล่าร์สหรัฐไปกับค่าขนส่งในปี 2019 โดยค่าใช้จ่ายที่เกิดขึ้นที่คิดเป็น 7.6% ของผลิตภัณฑ์มวลรวมประชาชาติ (GDP) ของสหรัฐฯ ในระดับเหล่านี้ ความสามารถในการติดตามพัสดุ ระบุความล่าช้า และความเสียหายอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งแก่ซัพพลายเออร์และผู้ซื้อในการแก้ไขปัญหาการจัดส่ง

นอกเหนือจากการติดตามแพ็คเกจผ่านซัพพลายเชนแล้ว องค์กรส่วนใหญ่ยังต้องการวิธีที่ดีขึ้นสำหรับการติดตามทรัพย์สินของตนเองและค้นหารายการที่จัดส่งผิด แต่ครึ่งหนึ่งของธุรกิจทั้งหมดยังคงบันทึกสินทรัพย์ด้วยตนเอง และในจำนวนนี้หลายแห่งต้องพึ่งพาพนักงานในการค้นหาในคลังสินค้า โรงงาน และสถานที่ต่าง ๆ เพื่อค้นหาทรัพย์สินที่หายไป

การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการเชื่อมต่อสำหรับการติดตามทรัพย์สิน

แม้ว่าจะมีโซลูชันมากมากเกิดขึ้นเพื่อช่วยติดตามสินค้าอัตโนมัติ เทคโนโลยีที่สำคัญก็มีพื้นที่การคลอบคลุมที่จำกัด ราคาต่อหน่วยแพง หรือการใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งอย่างหลังนั้นมีความสำคัญมาก เนื่องจากการติดตามทรัพย์สินและอุปกรณ์ IoT ระยะไกลเป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

วิธีการติดตามแบบเดิมที่อาศัยการระบุความถี่วิทยุแบบพาสซีฟ (RFID) ไม่สามารถให้ข้อมูลการขนส่งในขณะนั้น และจะต้องให้พัสดุผ่านจุดตรวจบ้างจุด เพื่อตรวจจับแท็ก RFID ที่ติดมากับพัสดุ แท็ก RFID แบบแอคทีฟที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่สามารถให้ข้อมูลตำแหน่งแบบเรียลไทม์ แต่จะต้องมีโครงสร้างพื้นฐานเพิ่มเติม และยังคงมีการคลอบคลุมพื้นที่จำกัด

เมื่อเทียบกับแท็ก RFID บลูทูธพลังงานต่ำ (BLE) และ Wi-Fi มีช่วงการคลอบคลุมที่กว้างขึ้นอย่างต่อเนื่องภายในพื้นที่ที่มีตัวระบุตำแหน่งของแต่ละเทคโนโลยี การสร้างระบบนิเวศที่สมบูรณ์ของอุปกรณ์และซอฟต์แวร์ BLE และ Wi-Fi สามารถใช้ในการใช้งานที่มีตำแหน่ง เช่น การติดตามผู้ที่สัมผัส COVID-19 และบริการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์ (RTLS) ตามลำดับ ด้วยความพร้อมของคุณสมบัติการค้นหาทิศทางในบลูทูธ 5.1 สามารถคำนวณตำแหน่งของแท็กจากข้อมูลมุมที่มาถึง (AoA) และมุมที่จากไป (AoD) (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แผนภาพของความสามารถในการค้นหาทิศทางขั้นสูงในบลูทูธรองรับการตำแหน่งที่แม่นยำของแท็กในพื้นที่สามมิติ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

ขณะที่การใช้งาน BLE ยังคงจำกัดการใช้งานในระยะสั้น ระยะที่กว้างกว่าของ Wi-Fi ทำให้การใช้งานติดตามทรัพย์สินภายในคลังสินค้าหรือภายในเขตขององค์กรมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น แต่แท็ก Wi-Fi RTLS โดยปกติแล้วจะมีราคาแพงและมีข้อจำกัดด้านพลังงานที่ทำให้ไม่สามารถใช้แบตเตอรี่ได้ ดังนั้นจึงใช้เพื่อติดตามทรัพย์สินที่มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง ในขณะเดียวกัน การปรับใช้ในระดับที่ใหญ่ขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเหล่านี้อาจได้รับผลกระทบจากการเพิ่มขึ้นของสัญญาณรบกวนในแบนด์วิดท์ที่รับสัญญาณ ซึ่งอาจทำให้พัสดุสูญหายหรือเสียหายและความสามารถในการตรวจจับตำแหน่งที่ลดลง

แม้จะมีศักยภาพในการติดตามทรัพย์สินในพื้นที่ แต่ทั้ง RFID, BLE หรือ Wi-Fi ก็ไม่สามารถให้ครอบคลุมพื้นที่ที่จำเป็นในการติดตามทรัพย์สินได้อย่างง่ายดาย เมื่อออกจากคลังสินค้าหรือเขตขององค์กร ความสามารถในการติดตามพัสดุหรือชิ้นส่วนอุปกรณ์ในระดับภูมิภาคหรือทั่วโลกขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้งานของเทคโนโลยีไร้สายที่สามารถเข้าถึงได้อย่างกว้างขวางและใช้พลังงานต่ำ

ทางเลือกที่ใช้เทคโนโลยีอัลตร้าไวด์แบนด์ (UWB) พลังงานต่ำสามารถครอบคลุมระยะที่สำคัญได้แต่การครอบคลุมของเครือข่ายยังคงจำกัด ในความเป็นจริงมีทางเลือกไม่กี่ทางที่มีอยู่ที่สามารถให้บริการครอบคลุมทั่วโลกด้วยโซลูชันเซลลูลาร์เครือข่ายบริเวณกว้าง (LPWAN) ที่ใช้พลังงานต่ำตามมาตรฐานเทคโนโลยี LPWAN ที่กำหนดโดย 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ซึ่งเป็นสมาคมระหว่างประเทศที่กำหนดมาตรฐานการสื่อสารเคลื่อนที่

การเข้าถึงทั่วโลกด้วยการเชื่อมต่อเซลลูลาร์

ในบรรดามาตรฐาน 3GPP มาตรฐานที่ใช้เทคโนโลยี LTE-M และ NB-IoT ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้โปรโตคอลเซลลูลาร์ที่มีน้ำหนักเบา ซึ่งตรงกับข้อกำหนดของ IoT สำหรับอัตราข้อมูล แบนด์วิดท์ และการใช้พลังงาน

จากที่กำหนดใน 3PPP ฉบับที่ 13 LTE Cat M1 เป็นมาตรฐาน LTE-M ที่รองรับการถ่ายโอนดาวน์ลิงก์และอัปลิงค์ที่ 1 เมกะบิตต่อวินาที มีค่าเวลาแฝง (Latency) 10 ถึง 15 มิลลิวินาที และแบนด์วิดท์ 1.4 เมกะเฮิร์ต (MHz) นอกจากนั้นยังกำหนดใน 3PPP ฉบับที่ 13 ว่า Cat-NB1 เป็นมาตรฐานที่มีความเร็วดาวน์ลิงก์ 26 กิโลไบต์/วินาที (Kbits/s) และความเร็วอัปลิงก์ 66 Kbits/s ด้วยค่าเวลาแฝง 1.6 ถึง 10 วินาที และแบนด์วิดท์ 180 กิโลเฮิร์ต (kHz) ใน 3PPP ฉบับที่ 14 เกี่ยวกับมาตรฐาน NB-IoT อีกมาตรฐานหนึ่งคือ Cat-NB2 ที่มีอัตราข้อมูลสูงกว่าที่ดาวน์ลิงก์ 127 Kbits/s และอัปลิงก์ 159 Kbits/s

แม้ว่าลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยี LPWAN ทั้งสองประเภทกว้าง ๆ นั้นจะอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความสั้น ๆ ฉบับนี้ แต่ทั้งสองประเภทสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานการติดตามทรัพย์สินทั่วไป เมื่อรวมกับเซ็นเซอร์และความสามารถของดาวเทียมระบุตำแหน่งทั่วโลก (GPS) ในขนาดกะทัดรัด โซลูชันการติดตามทรัพย์สินที่ใช้ LPWAN เซลลูลาร์ที่ใช้ LTE-M หรือ NB-IoT สามารถรองรับความสามารถที่จำเป็นสำหรับการจัดการทรัพย์สินและโลจิสติกส์แบบครบวงจร

ด้วยศักยภาพของ LPWAN ในการพัฒนาประสิทธิภาพและการประหยัดค่าใช้จ่าย LPWAN เซลลูลาร์ยังคงมีบทบาทมากขึ้นในด้านโลจิสติกส์ ด้วยความพร้อมใช้งานของ  SiP รุ่น nRF9160 จาก Nordic Semiconductor นักพัฒนาสามารถตอบสนองความต้องการอุปกรณ์ที่ใช้ LPWAN ที่เพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจำเป็นสำหรับการติดตามทรัพย์สินหรือการใช้งาน IoT อื่น ๆ ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

อุปกรณ์ SiP สามารถส่งมอบโซลูชันการติดตามทรัพย์สินแบบดร็อปอินได้อย่างไร

อุปกรณ์ SiP nRF9160 พลังงานต่ำของ Nordic Semiconductor รวมอุปกรณ์ระบบบนชิป (SoC) รุ่น nRF91 ของ Nordic Semiconductor กับวงจรสนับสนุนเพื่อที่จะได้โซลูชันการเชื่อมต่อ LPWAN สำเร็จในแพ็คเกจแบบ Land Grid Array (LGA) ขนาด 10 x 16 x 1.04 มิลลิเมตร (มม.) ควบคู่ไปกับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ Arm® Cortex®-M33 สำหรับการประมวลผลแอปพลิเคชัน อุปกรณ์ SoC ชุด nRF91 รวมกับโมเด็ม LTE-M ใน SiP NRF9160-SIAA, โมเด็ม NB-IoT ใน SiP NRF9160-SIBA และทั้งโมเด็ม LTE-M และ NB-IoT รวมทั้ง GPS ใน SiP NRF9160-SICA นอกจากนั้น SiP nRF9160 ได้รับการรับรองล่วงหน้าเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเซลลูลาร์ระดับโลก ระดับภูมิภาค และข้อกำหนดของผู้ให้บริการ ซึ่งช่วยให้นักพัฒนาสามารถใช้งานโซลูชันการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ได้อย่างรวดเร็วโดยไม่เกิดความล่าช้าที่มักจะเกี่ยวข้องกับการทดสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนด

SiP ทุกเวอร์ชันรวมตัวประมวลผลแอปพลิเคชันที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์กับโมเด็มพร้อมชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงมากมายประกอบด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) 12 บิตที่มักจำเป็นในการออกแบบเซ็นเซอร์ SiP รวม SoC เข้ากับ RF Front End, วงจรรวมจัดการวงจร (PMIC) และอุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อสร้างโซลูชันแบบครอปอินสำหรับการเชื่อมต่อ LPWAN (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: SiP รุ่น nRF9160 ของ Nordic Semiconductor รวม SoC กับตัวประมวลผลแอปพลิชันและโมเด็ม LTE กับส่วนประกอบอื่น ๆ ที่จำเป็นในการใช้การออกแบบที่ใช้เซลลูลาร์พลังงานต่ำขนาดกะทัดรัดสำหรับการติดตามทรัพย์สินหรือการใช้งาน IoT อื่น ๆ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ของ SoC ที่ทำหน้าที่เป็นตัวประมวลผลโฮสต์มีความสามารถด้านความปลอดภัยมากมายที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการการรักษาความปลอดภัยของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้น ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ IoT และระบบติดตามทรัพย์สิน จากสถาปัตยกรรม Arm TrustZone ไมโครคอนโทรลเลอร์จะฝังบล็อกความปลอดภัย Arm Cryptocell ที่มีตัวเร่งการเข้ารหัสกุญแจสาธารณะพร้อมกลไกที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องข้อมูลที่ละเอียดอ่อน นอกจากนี้หน่วยจัดการกุญแจที่ปลอดภัย (KMU) ยังมีพื้นที่จัดเก็บที่ปลอดภัยสำหรับข้อมูลลับหลายประเภทรวมถึงคู่รหัส รหัสแบบสมมาตร แฮช และข้อมูลส่วนตัว นอกจากนี้หน่วยป้องกันระบบแยกต่างหาก (SPU) ยังให้การเข้าถึงความความจำ อุปกรณ์ต่อพ่วง พินอุปกรณ์และทรัพยากรอื่น ๆ อย่างปลอดภัย

เมื่อทำงาน ไมโครคอนโทรลเลอร์ SoC จะทำหน้าที่เป็นโฮสต์เรียกใช้ซอฟต์แวร์แอปพลิเคชั่นตลอดจนเริ่มและหยุดโมเด็ม นอกเหนือจากการตอบสนองต่อคำสั่งเริ่มต้นและหยุดจากโฮสต์แล้ว โมเด็มยังจัดการการทำงานของตัวเองโดยใช้ส่วนเสริมที่สำคัญของบล็อก ซึ่งรวมถึงโปรเซสเซอร์เฉพาะ ตัวรับส่งสัญญาณ RF และเบสแบนด์โมเด็ม เมื่อใช้เฟิร์มแวร์ในตัว โมเด็มจะรองรับ Cat-M1 และ Cat-NB1 ที่เป็นไปตาม 3GPP LTE ฉบับที่ 13 อย่างเต็มที่ ฮาร์ดแวร์นั้นรองรับ Cat-NB2 ฉบับที่ 14 แต่ต้องใช้เฟิร์มแวร์เพิ่มเติมเพื่อใช้งาน

วิธีที่ SiP nRF9160 มีการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ที่ใช้พลังงานต่ำ

SiP nRF9160 รวมฟังก์ชันฮาร์ดแวร์ที่ครอบคลุมเข้ากับคุณสมบัติการจัดการพลังงานครบชุด ซึ่งประกอบไปด้วย PMIC ที่มีหน่วยจัดการพลังงาน (PMU) รองรับ ซึ่งจะคอยตรวจสอบการใช้พลังงาน และเริ่มและหยุดสัญญาณนาฬิกาและตัวควบคุมการจ่ายไฟโดยอัตโนมัติ เพื่อให้ใช้พลังงานต่ำที่สุด (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: nRF9160 SiP มี PMU ที่ควบคุมสัญญาณนาฬิกาและตัวควบคุมการจ่ายไฟโดยอัตโนมัติเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

นอกเหนือจากโหมดการใช้พลังงาน System OFF ซึ่งจะรักษาพลังงานไว้เฉพาะวงจรที่จำเป็นต้องกระตุ้นอุปกรณ์ หน่วย PMU ยังรองรับโหมดการใช้พลังงานย่อย System ON อีกคู่หนึ่ง หลังจาก Power-on Reset (POR) อุปกรณ์จะอยู่ในโหมดย่อยพลังงานต่ำ ซึ่งปรับค่าบล็อกการทำงานรวมถึงตัวประมวลผลแอปพลิเคชัน โมเด็ม และอุปกรณ์ต่อพ่วงให้อยู่ในสถานะว่าง ในสถานะนี้ PMU จะเริ่มและหยุดสัญญาณนาฬิกาและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสำหรับบล็อกต่าง ๆโดยอัตโนมัติตามต้องการ

นักพัฒนาสามารถแทนที่โหมดย่อยพลังงานต่ำเริ่มต้นเป็นโหมดย่อยค่าเวลาแฝงคงที่ ในโหมดย่อยเวลาแฝงคงที่ PMU จะเก็บรักษาพลังงานให้กับทรัพยากรบางอย่าง โดยแลกการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นกับความสามารถในการให้ค่าเวลาแฝงของการตอบสนองที่คาดเดาได้ นักพัฒนาสามารถเรียกใช้โหมดพลังงานที่สามโดยใช้พินเปิดใช้งานภายนอก ซึ่งจะหยุดจ่ายไฟให้กับระบบทั้งหมด โดยทั่วไปความสามารถนี้จะใช้ในการออกแบบระบบที่ใช้ SiP nRF9160 เป็นตัวประมวลผลร่วมสำหรับการสื่อสารที่ควบคุมโดยตัวประมวลผลหลักของระบบโฮสต์

คุณสมบัติการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานเหล่านี้ช่วยให้ SiP สามารถใช้งานพลังงานต่ำได้ตามต้องการ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อไมโครคอนโทรลเลอร์อยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งานและไม่มีการจ่ายพลังงานให้กับโมเด็ม SiP จะใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 2.2 ไมโครแอมป์ (μA) พร้อมกับตัวนับแบบเรียลไทม์ที่ใช้งานอยู่ เมื่อปิดทั้งไมโครคอนโทรลเลอร์และโมเด็ม และพลังงานจะอยู่เฉพาะกับวงจรกระตุ้นที่ใช้พอร์ตเอนกประสงค์ (GPIO) เท่านั้น ซึ่ง SiP จะใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 1.4 μA

SiP ยังคงทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยใช้พลังงานต่ำในขณะที่ใช้โหลดในการประมวลผลต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น การเรียกใช้เกณฑ์มาตรฐาน CoreMark โดยใช้สัญญาณนาฬิกา 64 MHz ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 2.2 มิลลิแอมป์ (mA) แน่นอนว่าเมื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์ต่อพ่วงมากขึ้น การใช้พลังงานก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย อย่างไรก็ตามการใช้งานด้านการตรวจสอบที่ใช้เซ็นเซอร์จำนวนมากมักจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในอัตราการทำงานที่ลดลง ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานได้โดยใช้พลังงานต่ำ ตัวอย่างเช่น การใช้กระแสไฟฟ้าสำหรับรีจิสเตอร์แบบประมาณการสำเร็จ (SAR) แบบรวมผลต่าง ADC ลดลงจาก 1288 mA เป็นน้อยกว่า 298 mA เมื่อเปลี่ยนจากสัญญาณนาฬิกาแม่นยำสูงเป็นสัญญาณนาฬิกาแม่นยำต่ำสำหรับการสุ่มตัวอย่างในสถานการณ์ใดสถานการณ์หนึ่งที่ 16,000 ตัวอย่างต่อวินาที (samples/s)

อุปกรณ์ยังใช้คุณสมบัติการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานอื่น ๆ สำหรับบล็อกการทำงานอื่น ๆ รวมถึง GPS ในโหมดการทำงานปกติ การติดตามอย่างต่อเนื่องด้วย GPS จะใช้พลังงานประมาณ 44.9 mA เมื่อเปิดใช้งานโหมดประหยัดพลังงาน GPS กระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการติดตามอย่างต่อเนื่องจะลดลงเหลือ 9.6 mA เมื่อการลดอัตราการสุ่มตัวอย่าง GPS จากต่อเนื่องเป็นทุก ๆ สองนาทีหรือมากกว่านั้นนักพัฒนาก็จะสามารถลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่นโมดูล GPS จะใช้พลังงานเพียง 2.5 mA เมื่อทำอัปเดต GPS แบบ Single-shot ทุก ๆ สองนาที

โหมดประหยัดพลังงานอื่น ๆ ยังใช้ได้กับโมเด็มของ SiP nRF9160 อีกด้วย ด้วยอุปกรณ์นี้นักพัฒนาสามารถเปิดใช้งานคุณสมบัติของโมเด็มที่รองรับโปรโตคอลเซลลูลาร์พิเศษที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อลดการใช้พลังงานในอุปกรณ์เชื่อมต่อที่ใช้แบตเตอรี่

การใช้โปรโตคอลเซลลูลาร์พลังงานต่ำ

เช่นเดียวกับอุปกรณ์ไร้สายทั่วไป อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมากที่สุดนอกเหนือจากตัวประมวลผลโฮสต์คืออุปกรณ์สัญญาณวิทยุ อุปกรณ์สัญญาณวิทยุเซลลูลาร์แบบเดิมใช้ประโยชน์จากโปรโตคอลการประหยัดพลังงานที่อยู่ในมาตรฐานเซลลูลาร์ สมาร์ทโฟนและอุปกรณ์เคลื่อนที่อื่น ๆ มักใช้ความสามารถที่เรียกว่าการรับสัญญาณไม่ต่อเนื่อง (DRX) ซึ่งทำให้อุปกรณ์สามารถปิดตัวรับสัญญาณวิทยุได้ในช่วงเวลาหนึ่งที่เครือข่ายของผู้ให้บริการรองรับ

ในทำนองเดียวกัน โปรโตคอลการรับสัญญาณแบบไม่ต่อเนื่องแบบขยาย (eDRX) ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำเช่น ตัวติดตามทรัพย์สินที่ใช้แบตเตอรี่หรืออุปกรณ์ IoT อื่น ๆ วางแผนระยะเวลาพักเครื่องก่อนที่จะตรวจสอบกับเครือข่ายอีกครั้ง จากการเปิดใช้งาน eDRX อุปกรณ์ LTE-M สามารถพักเครื่องได้สูงสุดประมาณ 43 นาที ในขณะที่อุปกรณ์ NB-IoT สามารถพักเครื่องได้นานถึง 174 นาที ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้เป็นอย่างมาก

รูปที่ 4: โมเด็ม Nordic nRF9160 SiP รองรับการรับสัญญาณแบบไม่ต่อเนื่องแบบขยาย (eDRX) ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์สามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมากโดยการพักเครื่องเป็นระยะเวลาหนึ่งตามที่ได้ต่อรองกับเครือข่ายเซลลูลาร์ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

โหมดการทำงานของเซลลูลาร์อีกโหมดหนึ่งเรียกว่าโหมดประหยัดพลังงาน (PSM) จะช่วยให้อุปกรณ์ยังคงลงทะเบียนกับเครือข่ายเซลลูลาร์ แม้ว่าจะอยู่ในโหมดพักเครื่องและเครือข่ายไม่สามารถเข้าถึงได้ โดยปกติแล้ว หากเครือข่ายเซลลูลาร์ไม่สามารถเข้าถึงอุปกรณ์ได้ภายในระยะเวลาที่กำหนด เครือข่ายจะยุติการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์และให้อุปกรณ์ดำเนินการตามขั้นตอนการติดตั้งใหม่ซึ่งใช้พลังงานเพิ่มขึ้น ในระหว่างการใช้งานอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่เป็นเวลานาน การใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยซ้ำ ๆ อาจทำให้แบตเตอรี่หมดหรือลดลงอย่างมาก

อุปกรณ์เปิดใช้โหมด PSM โดยให้ชุดค่าตัวจับเวลาแก่เครือข่าย ซึ่งระบุเวลาที่จะพร้อมใช้งานเป็นระยะ ๆ รวมถึงระยะเวลาที่สามารถเข้าถึงได้ก่อนกลับเข้าสู่โหมดพักเครื่อง

รูปที่ 5: โปรโตคอล PSM เซลลูลาร์ช่วยให้อุปกรณ์สามารถใช้ประโยชน์จากโหมดพักเครื่องที่ใช้พลังงานต่ำได้โดยไม่ต้องเสียพลังงานในการติดตั้งใหม่โดยต่อรองช่วงเวลาที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

เนื่องจากการต่อรองของ PSM เครือข่ายผู้ให้บริการจึงไม่นำอุปกรณ์ออก ในความเป็นจริงอุปกรณ์สามารถเปิดใช้งานใหม่ได้ตลอดเวลาและกลับมาสื่อสารได้ต่อ ข้อดีคือจะใช้โหมดพักเครื่องพลังงานต่ำเมื่อไม่มีการสื่อสารโดยไม่สูญเสียความสามารถในการเรียกกลับมาใช้งานใหม่ตามต้องการและสามารถสื่อสารได้ทันที

SiP รุ่น NRF9160 รองรับทั้ง eDRX และ PSM ทำให้อุปกรณ์ทำงานได้โดยใช้พลังงานน้อยที่สุด เมื่ออยู่ในสถานะที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยโหมด PSM อุปกรณ์จะใช้พลังงานเพียง 2.7 μA โดย eDRX ใช้กระแสไฟฟ้ามากกว่าเล็กน้อย โดยในการทำงานของ Cat-M1 ใช้พลังงาน 18 μA หรือใช้ 37 μA ในการทำงานของ Cat-NB1 ในขณะที่ใช้รอบ 82.91 วินาที

การพัฒนาโซลูชันการติดตามทรัพย์สินที่ใช้พลังงานต่ำ

การนำการออกแบบฮาร์ดแวร์สำหรับอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินที่ใช้ nRF9160 SiP มาใช้งานนั้นต้องมีชิ้นส่วนเพิ่มเติมเล็กน้อยนอกเหนือจากส่วนประกอบแยกชิ้นส่วน เสาอากาศ และส่วนที่จำเป็นสำหรับแยกเครือข่ายที่จับคู่กันสำหรับเสาอากาศ GPS และ LTE (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การใช้ nRF9160 SiP ของ Nordic Semiconductor นักพัฒนาต้องการชิ้นส่วนเพิ่มเติมเล็กน้อย เพื่อใช้การออกแบบฮาร์ดแวร์สำหรับตัวติดตามทรัพย์สินที่ใช้เซลลูลาร์ที่สมบูรณ์หรืออุปกรณ์ IoT อื่น ๆ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

นักพัฒนาสามารถรวม nRF9160 SiP กับอุปกรณ์บลูทูธได้อย่างง่ายดาย เช่น ไมโครคอนโทรเลอร์บลูทูธไร้สาย NRF52840 ของ Nordic Semiconductor และเซ็นเซอร์ เพื่อใช้ตัวติดตามสินทรัพย์เซลลูลาร์ที่ใช้ GPS และมีเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเข้าถึงข้อมูลผ่านสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์มือถือที่ใช้บลูทูธอื่น ๆ

Nordic Semiconductor ช่วยให้นักพัฒนาสามารถเริ่มประเมินการออกแบบที่ใช้เซลลูลาร์ได้อย่างรวดเร็วผ่านชุดการพัฒนาคู่หนึ่ง สำหรับการสร้างต้นแบบอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินที่ใช้เซ็นเซอร์ได้อย่างรวดเร็วนั้น ชุดพัฒนา IoT เซลลูลาร์ NRF6943 THINGY: 91 ของ Nordic Semiconductor มีระบบเซ็นเซอร์ที่ใช้แบตเตอรี่สำเร็จ ที่จับคู่ nRF9160 SiP กับอุปกรณ์บลูทูธ NRF52840 เซ็นเซอร์หลายตัว อุปกรณ์อินเตอร์เฟสของผู้ใช้ระดับพื้นฐาน และแบตเตอรี่ชาร์จไฟได้ขนาด 14000 มิลลิแอมป์ชั่วโมง (mAh) และซิมการ์ด เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อเซลลูลาร์ได้ทันที (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: ชุดพัฒนา IoT เซลลูลาร์ NRF6943 THINGY: 91 ของ Nordic Semiconductor เป็นแพลตฟอร์มสำเร็จรูปสำหรับการสร้างต้นแบบการใช้งานที่ใช้เซ็นเซอร์อย่างรวดเร็วด้วยการเชื่อมต่อกับทั้งเซลลูลาร์และบลูทูธ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

สำหรับการพัฒนาที่กำหนดเอง ชุดคิด NRF9160-DK ของ Nordic Semiconductor ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มการพัฒนาทันทีและการอ้างอิงสำหรับการออกแบบใหม่ แม้ว่าจะไม่มีเซ็นเซอร์เหมือนTHINGY: 91 ชุทคิท NRF9160-DK รวม nRF9160 SiP กับอุปกรณ์บลูทูธ NRF52840 และมีซิมการ์ดพร้อมกับตัวเชื่อมต่อหลายตัวรวมถึงอินเทอร์เฟซดีบัก SEGGER J-Link (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ชุดคิด NRF9160-DK ของ Nordic Semiconductor นำเสนอแพลตฟอร์มการพัฒนาที่ครอบคลุมสำหรับการใช้งานที่ใช้เซลลูลาร์แบบกำหนดเองสำหรับการติดตามทรัพย์สินและโซลูชัน IoT อื่น ๆ (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

สำหรับการพัฒนาซอฟต์แวร์ของแอปพลิเคชันติดตามทรัพย์สิน Nordic ได้รวมอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สิน nRF9160 ด้วยชุดคิทพัฒนาซอฟต์แวร์ (SDK) nRF Connect SDK รวมไลบรารีซอฟต์แวร์ nrfxlib ของ Nordic สำหรับ SoC Nordic fork ของระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ (RTOS) ของ Zephyr Project สำหรับอุปกรณ์ที่จำกัดทรัพยากร และ Nordic fork ของบูทโหลดเดอร์ที่ปลอดภัยของโปรเจ็ค MCUboot

ชุดคิท THINGY:91 และ NRF9160-DK มาพร้อมกับแอปพลิเคชันการติดตามทรัพย์สินที่ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อกับแพลตฟอร์ม IoT nRF Cloud ของ Nordic ด้วยการใช้การตั้งค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้ากับชุดคิทชุดใดชุดหนึ่ง นักพัฒนาสามารถเริ่มประเมินการติดตามทรัพย์สินแบบใช้เซลลูลาร์และสร้างต้นแบบอุปกรณ์ของตนเองได้ทันที

นอกจากเฟิร์มแวร์ที่โหลดไว้ล่วงหน้าแล้ว Nordic ยังมีซอร์สโค้ดที่สมบูรณ์สำหรับแอปพลิเคชันติดตามทรัพย์สิน จากการตรวจสอบโค้ดนี้ นักพัฒนาสามารถเข้าใจความสามารถของ NRF9160 SiP และการใช้งานในการระบุตำแหน่ง GPS และการเชื่อมต่อ LTE-M/NB-IoT ในแอปพลิเคชันการติดตามทรัพย์สิน

ขั้นตอนหลักในซอฟต์แวร์ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงรูปแบบการออกแบบพื้นฐานสำหรับแอปพลิเคชันการติดตามทรัพย์สินแบบกำหนดเอง เมื่อเริ่มต้น ขั้นตอนหลักจะเรียกใช้ชุดขั้นตอนการเริ่มต้นระบบ ในบรรดาขั้นตอนเหล่านั้น ขั้นตอนการเริ่มต้นระบบหนึ่งจะกำหนดค่าโมเด็มและสร้างการเชื่อมต่อ LTE โดยส่งชุดข้อความความสนใจ (AT) เพื่อกำหนดพารามิเตอร์การเชื่อมต่อและเรียกใช้ฟังก์ชันในตัวของโมเด็มเพื่อเชื่อมต่อกับเครือข่ายผู้ให้บริการ ขั้นตอนการเริ่มต้นอื่น work_init เริ่มต้นชุดคิวงาน Zephyr RTOS รวมถึงปุ่มเซ็นเซอร์ GPS และบอร์ดพัฒนา (รายการที่ 1)

คัดลอก
static void work_init(void)
{
       k_work_init(&sensors_start_work, sensors_start_work_fn);
       k_work_init(&send_gps_data_work, send_gps_data_work_fn);
       k_work_init(&send_button_data_work, send_button_data_work_fn);
       k_work_init(&send_modem_at_cmd_work, send_modem_at_cmd_work_fn);
       k_delayed_work_init(&send_agps_request_work, send_agps_request);
       k_delayed_work_init(&long_press_button_work, long_press_handler);
       k_delayed_work_init(&cloud_reboot_work, cloud_reboot_handler);
       k_delayed_work_init(&cycle_cloud_connection_work,
                         cycle_cloud_connection);
       k_delayed_work_init(&device_config_work, device_config_send);
       k_delayed_work_init(&cloud_connect_work, cloud_connect_work_fn);
       k_work_init(&device_status_work, device_status_send);
       k_work_init(&motion_data_send_work, motion_data_send);
       k_work_init(&no_sim_go_offline_work, no_sim_go_offline);
#if CONFIG_MODEM_INFO
       k_delayed_work_init(&rsrp_work, modem_rsrp_data_send);
#endif /* CONFIG_MODEM_INFO */
}

รายการที่ 1: แอปพลิเคชันตัวอย่างของการติดตามทรัพย์สินที่ใช้ชุดอุปกรณ์ Zephyr RTOS สำหรับการจัดการคิว เพื่อสร้างชุดของคิวที่มีขั้นตอนการเรียกกลับที่เกี่ยวข้องสำหรับการจัดการงานต่าง ๆเช่น การรับข้อมูลเซ็นเซอร์และการส่งไปยังระบบคลาวด์ (แหล่งที่มาของโค้ด: Nordic Semiconductor)

ในระหว่างขั้นตอนการเริ่มใช้งานนี้ ฟังก์ชันที่เชื่อมโยงกับการเรียกใช้การเริ่มต้นคิวงานแต่ละงานจะดำเนินงานการเริ่มต้นเฉพาะของตนเอง รวมถึงสิ่งที่ต้องใช้ในการอัปเดตที่จำเป็น ตัวอย่างเช่น ฟังก์ชัน sensors_start_work_fn ที่เรียกใช้โดย work_init จะตั้งกลไกการสำรวจที่สามารถเรียกใช้ฟังก์ชัน env_data_send เป็นระยะ ๆ ซึ่งจะส่งข้อมูลเซ็นเซอร์ไปยังระบบคลาวด์ (รายการที่ 2)

คัดลอก
static void env_data_send(void)
{
[code deleted]
       if (env_sensors_get_temperature(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_TEMP, env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
 
       if (env_sensors_get_humidity(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_HUMID,
                                    env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
[code deleted]

รายการที่ 2: แอปพลิเคชันตัวอย่างของอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินของ Nordic แสดงให้เห็นรูปแบบการออกแบบพื้นฐานสำหรับการส่งข้อมูลรวมถึงข้อมูลเซ็นเซอร์ดังที่แสดงในโค้ดนี้ (แหล่งที่มาของโค้ด: Nordic Semiconductor)

เมื่อเรียกใช้แอปพลิเคชันตัวอย่างของอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินบนชุดพัฒนา IoT เซลลูลาร์ Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY: 91 แอปพลิเคชันจะส่งข้อมูลจริงจากเซ็นเซอร์ออนบอร์ดของ THINGY: 91 เมื่อเรียกใช้โค้ดบนชุดพัฒนา NRF9160-DK ของ Nordic Semiconductor จะส่งข้อมูลจำลองโดยใช้ขั้นตอนจำลองเซ็นเซอร์ที่อยู่ใน SDK นักพัฒนาสามารถใช้ชุดซอฟต์แวร์นี้ได้อย่างง่ายดาย เพื่อใช้งานแอปพลิเคชันติดตามทรัพย์สินของตนเองหรือใช้ตัวอย่างโค้ดเพื่อใช้สถาปัตยกรรมแอปพลิเคชันของตนเอง

สรุป

ด้วยวิธีการดั้งเดิม ความสามารถในการติดตามพัสดุที่มีค่าหรือการค้นหาทรัพย์สินมูลค่าสูงในสภาพแวดล้อมทางการเกษตรและเมืองอัจฉริยะนั้นถูกจำกัดไว้ที่เทคโนโลยีไร้สาย เช่น แท็ก RFID บลูทูธ และ Wi-Fi นักออกแบบต้องการข้อมูลตำแหน่งที่หลากหลายและ แม่นยำมากขึ้นและมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน มาตรฐานเซลลูลาร์ LTE ที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น LTE-M หรือ NB-IoT รวมกับ GPS สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้ แต่การนำไปใช้งานอาจเป็นสิ่งท้าทาย เนื่องจากความยากและความแตกต่างกันของการออกแบบ RF

ดังที่แสดงไว้ SiP ของ Nordic Semiconductor เป็นโซลูชันแบบดรอปอินสำหรับการติดตามทรัพย์สินระยะไกลที่ใช้พลังงานต่ำใน ด้วยการใช้ SiP ที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าและชุดการพัฒนา นักพัฒนาสามารถประเมินการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ได้อย่างรวดเร็ว สร้างต้นแบบแอปพลิเคชันติดตามทรัพย์สินที่ใช้ GPS แบบเซลลูลาร์ และสร้างอุปกรณ์ติดตามทรัพย์สินที่กำหนดเองซึ่งใช้ประโยชน์จากช่วงการใช้งานกว้างและความต้องการพลังงานต่ำของ LTE-M และการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ NB-IoT