Utilizarea unui SiP GPS + celular pentru a implementa rapid aplicații de urmărire a bunurilor în agricultură și în orașe inteligente

11 APRILIE 2021

Acest articol descrie tendințele și cerințele de proiectare ale aplicațiilor de urmărire a bunurilor. Apoi descrie o soluție SiP (System-in-package) GPS + celular de bandă îngustă de la Nordic Semiconductor și prezintă cum se poate simplifica foarte mult implementarea dispozitivelor celulare cu GPS pentru urmărirea bunurilor, precum și alte aplicații IoT pentru agricultură și orașe inteligente.

Dezvoltatorii dispozitivelor pentru Internetul Lucrurilor (IoT) și al sistemelor de urmărire a bunurilor pentru industrie, agricultură și orașe inteligente au nevoie de o modalitate de a comunica pe distanțe mari, la o putere minimă, pentru perioade lungi de timp. Tehnologiile wireless, cum ar fi tag-uri RFID, Bluetooth și Wi-Fi, sunt deja utilizate pe scară largă pentru soluțiile de urmărire a bunurilor, dar au o autonomie limitată și consumă prea multă energie. Ceea ce este necesar, este o combinație între GPS și adaptarea infrastructurii existente, cum ar fi rețelele celulare, care sunt deja implementate pe scară largă și sunt proiectate pentru comunicații la distanțe mai mari decât cele disponibile cu Wi-Fi sau Bluetooth.

Rețelele celulare bazate pe LTE au fost inițial create pentru conectivitate wireless cu lățime de bandă largă pentru produse și dispozitive mobile. Pe de altă parte și aplicațiile IoT pot utiliza tehnologii celulare cu bandă îngustă și consum redus de energie, cum ar fi LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) și IoT cu bandă îngustă (NB-IoT). Totuși, proiectarea RF / wireless este dificilă, iar dezvoltatorii care nu au o experiență extinsă, în special în ceea ce privește rețeaua celulară, se confruntă cu mari dificultăți în implementarea unui proiect funcțional, care optimizează performanța wireless și consumul de energie, îndeplinind în același timp criteriile internaționale de reglementare, atât pentru serviciile de localizare celulară, cât și pentru GPS, precum și cerințele specifice ale transportatorului.

De ce este din ce în ce mai importantă urmărirea bunurilor

Capabilitatea de a livra produse în mod eficient este vitală pentru comerț: doar Amazon a livrat aproximativ 5 miliarde de pachete în 2019, cheltuind aproape 38 de miliarde de dolari cu costurile de expediere − o creștere cu 37%, comparativ cu anul 2018. Pentru orice companie de transport, întârzierile, avariile și furtul produc o presiune semnificativă asupra producătorilor, distribuitorilor și clienților. Pentru Amazon, aproape un sfert din pachetele livrate au fost returnate, motivul pentru 21% dintre acestea fiind acela că pachetele ajunse la clienți erau deteriorate.

Amazon nu este singura companie care alocă transportului o parte semnificativă din bugetul ei. Potrivit raportului „State of Logistics” din 2020 al Council of Supply Chain Management Professionals (CSCMP), companiile au cheltuit aproape 1,7 trilioane de dolari pe costurile de transport în 2019 − o cheltuială care reprezintă 7,6% din produsul intern brut (PIB) al SUA. La acest nivel, abilitatea de a urmări coletele, de a identifica întârzierile și cazurile de daune poate oferi un beneficiu semnificativ furnizorilor și cumpărătorilor pentru a corecta problemele de expediere.

În afară de urmărirea pachetelor prin lanțul de aprovizionare, majoritatea întreprinderilor au nevoie de metode îmbunătățite pentru a-și urmări propriile bunuri și pentru a localiza articolele livrate greșit. Cu toate acestea, jumătate din companii, încă, înregistrează manual bunurile, iar dintre acestea, multe se bazează pe angajați pentru a căuta prin depozite, fabrici și alte locații fizice pentru a găsi bunurile lipsă.

Compararea tehnologiilor de conectivitate pentru urmărirea bunurilor

Deși au apărut o serie de soluții care ajută la automatizarea urmăririi bunurilor, tehnologiile aflate la baza acestora au o suprafață de acoperire limitată, sunt scumpe din punct de vedere al costului unitar sau au cerințe ridicate de alimentare cu energie electrică. Această condiție din urmă este esențială deoarece dispozitivele IoT comandate de la distanță precum și cele de urmărire a bunurilor sunt dispozitive alimentate de la baterii.

Figura 1: Capabilitățile avansate de găsire a direcției oferite de tehnologia Bluetooth permit localizarea precisă a unei etichete în spațiul tridimensional. (© Nordic Semiconductor)

Metodele de urmărire convenționale bazate pe identificarea pasivă a frecvenței radio (RFID) nu pot furniza date în timp real în timpul tranzitului și necesită ca pachetele să treacă prin anumite puncte fizice de control pentru a detecta eticheta RFID atașată unui pachet. Etichetele RFID active, alimentate cu baterii sunt capabile să furnizeze date de localizare în timp real, dar necesită infrastructură suplimentară și rămân limitate în materie de acoperire.

Comparativ cu etichetele RFID, tehnologiile Bluetooth de joasă energie (BLE) și Wi-Fi oferă o autonomie mai mare într-o zonă de acoperire echipată cu locatoare pentru fiecare tehnologie. Dispunând de un ecosistem bogat de dispozitive și software, tehnologiile BLE și Wi-Fi sunt deja utilizate în aplicații bazate pe locație, cum ar fi urmărirea contactelor COVID-19 și, respectiv, serviciile convenționale de localizare în timp real (RTLS). Datorită funcției de găsire a direcției, existente în Bluetooth 5.1, locația unei etichete poate fi calculată cu precizie pe baza datelor AoA (Angle-of-Arrival unghi de sosire) și AoD (Angle-of-Departure – unghi de plecare) (Figura 1).

În timp ce aplicațiile BLE rămân limitate la aplicații cu rază scurtă de acțiune, raza mai mare a conexiunii Wi-Fi poate fi mai eficientă pentru utilizarea în aplicații de urmărire a bunurilor dintr-un depozit sau campus de întreprindere. Cu toate acestea, etichetele Wi-Fi RTLS sunt în mod obișnuit dispozitive scumpe cu cerințe de alimentare, care fac bateriile impracticabile, limitându-și astfel utilizarea la urmărirea bunurilor mai mari și mai scumpe. În același timp, o soluție cu implementare la scară largă, ce utilizează oricare dintre aceste tehnologii, poate suferi din cauza zgomotului crescut în lățimea de bandă a recepției, ducând la pachete pierdute sau corupte și degradarea capabilităților de detectare a locației.

În ciuda utilizării lor potențiale pentru urmărirea bunurilor la nivel local, niciuna dintre cele trei tehnologii (RFID, BLE și Wi-Fi) nu poate oferi plaja de acoperire necesară pentru a urmări cu ușurință un bun, odată ce acesta părăsește depozitul sau campusul întreprinderii. Abilitatea de a urmări un pachet sau o parte a unui echipament, la nivel regional sau chiar global, depinde de disponibilitatea unei tehnologii wireless, care este capabilă să ofere atât o acoperire extinsă, cât și operarea la un consum redus de putere.

Alternativele bazate pe tehnologii de bandă ultra-largă (UWB) cu consum mic de putere pot atinge o autonomie semnificativă, dar acoperirea rețelei rămâne limitată. De fapt, există puține alternative care pot oferi o acoperire globală deja disponibilă prin soluții de rețele WAN cu consum redus de putere (LPWAN), bazate pe standardele tehnologice LPWAN definite de 3GPP (3rd Generation Partnership Project) − consorțiul internațional care definește standardele de comunicații mobile.

Obținerea acoperirii globale prin conectivitate celulară

Printre standardele 3GPP, cele bazate pe tehnologiile LTE-M și NB-IoT au fost create special pentru a oferi un protocol celular relativ ușor, potrivit cu cerințele IoT pentru viteza de transfer de date, lățimea de bandă și consumul de putere.

Definit în 3GPP, Versiunea 13, LTE Cat M1 este un standard LTE-M, care acceptă 1 Mbit/s, atât pentru descărcare (downlink) cât și pentru încărcare (uplink), cu o latență de 10 până la 15 milisecunde (ms) și o lățime de bandă de 1,4 MHz. De asemenea, definit în 3GPP, Versiunea 13, Cat-NB1 este un standard NB-IoT, care oferă 26 Kbiți/s la descărcare și 66 Kbiți/s la încărcare cu latență de 1,6 până la 10 s și lățime de bandă de 180 kilohertz (kHz). Definit în 3GPP, Versiunea 14, un alt standard NB-IoT − Cat-NB2 − oferă viteze de transfer de date mai mari, la 127 Kbiți/s descărcare și 159 Kbiți/s încărcare.

Deși caracteristicile specifice acestor două clase de tehnologie LPWAN depășesc cu mult scopul acestui scurt articol, ambele pot servi în mod eficient pentru aplicații tipice de urmărire a bunurilor. Combinate cu senzori și capabilități de poziționare globală prin satelit (GPS) în pachete compacte, soluțiile de urmărire a bunurilor bazate pe rețele celulare LPWAN (LTE-M sau NB-IoT) pot suporta cerințele necesare pentru managementul bunurilor și pentru logistica de tip end-to-end.

Având în vedere potențialul LPWAN de a obține o eficiență mai mare și economii legate de costuri, tehnologia celulară LPWAN continuă să joace un rol mare în logistică. Odată cu disponibilitatea soluției nRF9160 SiP de la Nordic Semiconductor, dezvoltatorii pot satisface mai rapid și mai ușor cererea tot mai mare de dispozitive bazate pe LPWAN necesare pentru urmărirea mai eficientă a bunurilor sau pentru alte aplicații IoT.

Cum poate un dispozitiv SiP să ofere o soluție utilă pentru urmărirea bunurilor

Dispozitivul de la Nordic Semiconductor, nRF9160 SiP cu consum redus de putere, combină un sistem pe cip (SoC) Nordic Semiconductor nRF91 cu circuite de suport pentru a oferi o soluție completă de conectivitate LPWAN într-o capsulă LGA (Land Grid Array) de 10 mm × 16 mm × 1,04 mm. Împreună cu un microcontroler bazat pe Arm® Cortex®-M33 dedicat procesării aplicațiilor, variantele nRF91 SoC integrează un modem LTE-M în NRF9160-SIAA SiP, modemul NB-IoT în NRF9160-SIBA SiP și ambele (LTE-M și NB-IoT), precum și GPS în NRF9160-SICA SiP. Mai mult, nRF9160 SiP este pre-certificat pentru a îndeplini cerințele celulare globale, regionale și de transport, permițând dezvoltatorilor să implementeze rapid soluții de conectivitate celulară fără întârzierile asociate în mod obișnuit cu testarea conformității.

Figura 2: nRF9160 SiP de la Nordic Semiconductor combină un SoC cu procesor de aplicații și modem LTE cu alte componente necesare pentru a implementa un model compact bazat pe rețea celulară cu consum redus de putere, utilizat pentru urmărirea bunurilor sau pentru alte aplicații IoT. (© Nordic Semiconductor)

Toate versiunile SiP combină procesorul de aplicații bazat pe microcontroler și modemul cu un set extins de componente periferice, inclusiv un convertor analog-digital pe 12-biți (ADC) adesea necesar în proiectarea senzorilor. SiP-ul mai include, în plus, un SoC cu un front-end RF, un circuit integrat de management a puterii (PMIC) și componente suplimentare pentru a crea o soluție de conectivitate LPWAN (Figura 2).

Funcționând ca procesor gazdă, microcontrolerul de pe SoC integrează o serie de capabilități de securitate, create pentru a satisface cererea tot mai mare de securitate a dispozitivelor conectate, inclusiv dispozitivele IoT și sistemele de urmărire a bunurilor. Bazându-se pe arhitectura Arm TrustZone, microcontrolerul încorporează un bloc de securitate Arm Cryptocell, care combină un accelerator criptografic cu cheie publică, cu mecanisme destinate pentru a proteja datele sensibile. În plus, o unitate securizată de management a cheilor (KMU) oferă stocare sigură pentru mai multe tipuri de date secrete, inclusiv perechi de chei, chei simetrice, hash-uri și date private. O unitate separată de protecție a sistemului (SPU − System Protection Unit) oferă, de asemenea, acces sigur la memorii, periferice, pini ai dispozitivului și alte resurse.

În timpul operării, microcontrolerul de pe SoC acționează ca gazdă, executând software-ul aplicației, precum și pornirea și oprirea modemului. În afară de răspunsul la comenzile de pornire și oprire provenite de la gazdă, modemul gestionează propriile operațiuni folosind blocurile sale complementare integrate, inclusiv un procesor dedicat, un transceiver RF și un modem baseband. Rulând firmware-ul său integrat, modemul suportă complet 3GPP LTE versiunea 13 Cat-M1 și Cat-NB1. Versiunea 14 Cat-NB2 este suportată în hardware, dar necesită firmware suplimentar pentru a funcționa.

Cum realizează nRF9160 SiP o conectivitate celulară cu consum mic de putere

Figura 3: nRF9160 SiP include un PMU care controlează automat semnalele de ceas și alimentează stabilizatoarele pentru a optimiza consumul de putere. (© Nordic Semiconductor)

nRF9160 SiP combină funcționalitatea sa hardware extinsă cu un set complet de caracteristici de management a puterii. PMIC-ul său inclus este susținut de o unitate de management a puterii (PMU − Power Management Unit) care monitorizează consumul de putere și pornește și oprește automat semnalele de ceas și stabilizatoarele de pe alimentare pentru a atinge cel mai mic consum de putere posibil (Figura 3).

Pe lângă un mod de putere “System OFF”, al cărui rol este de a menține alimentarea doar pentru circuitele necesare pentru “trezirea” dispozitivului, PMU acceptă o pereche de sub-moduri de putere “System ON”. După pornirea la reinițializare (POR), dispozitivul intră în sub-modul de consum redus de putere, care plasează anumite blocuri funcționale într-o stare inactivă, inclusiv procesorul aplicației, modemul și perifericele. În această stare, PMU pornește și oprește automat ceasurile și stabilizatoarele de tensiune pentru diferite blocuri, după cum este necesar.

Dezvoltatorii pot înlocui modul implicit de consum redus de putere, trecând, în schimb, la un sub-mod cu latență constantă. În acest sub-mod, PMU menține alimentarea pentru anumite resurse, tranzacționând o creștere incrementală a consumului de putere pentru a avea abilitatea de a oferi o latență de răspuns previzibilă. Dezvoltatorii pot beneficia și de un al treilea mod de putere folosind pinul de activare extern, care oprește întregul sistem. Această capabilitate ar fi (tipic) folosită în proiectarea unui sistem care ar utiliza nRF9160 SiP drept coprocesor de comunicații, fiind controlat de procesorul principal al sistemului gazdă.

Aceste caracteristici de optimizare a puterii permit SiP-ului să realizeze o funcționare cu consum redus, necesară pentru a asigura o durată de viață extinsă a bateriei într-un dispozitiv de urmărire a bunurilor. De exemplu, cu microcontrolerul în stare de repaus și cu modemul oprit, SiP consumă doar 2,2 microamperi (μA) cu contorul în timp real activ. Cu microcontrolerul și modemul oprite și alimentarea menținută doar pe circuitele de „trezire” bazate pe intrările și ieșirile de scop general (GPIO), SiP consumă doar 1,4 μA.

SiP continuă să ofere operare cu consum redus de putere în timp ce execută diverse sarcini de procesare. De exemplu, rularea valorii de referință CoreMark la un ceas de 64 MHz necesită doar aproximativ 2,2 miliamperi (mA). Desigur, pe măsură ce sunt activate mai multe periferice, consumul de putere crește în consecință. Cu toate acestea, multe aplicații de monitorizare bazate pe senzori pot funcționa, adesea, eficient la rate de operare reduse, care ajută la menținerea unui consum minim de putere. De exemplu, consumul de curent pentru registrul de aproximare succesivă (SAR) ADC scade de la 1288 mA la mai puțin de 298 mA la trecerea de la un ceas de precizie ridicată la un ceas de precizie scăzută, cu o eșantionare, în ambele scenarii, de 16000 de eșantioane pe secundă.

Dispozitivul folosește și alte caracteristici de optimizare a puterii pentru celelalte blocuri funcționale, inclusiv GPS. În modul normal de operare, urmărirea continuă cu GPS consumă aproximativ 44,9 mA. Activând un mod de economisire a puterii pentru GPS, consumul de curent pentru urmărirea continuă scade la 9,6 mA. Prin reducerea ratei de eșantionare GPS de la continuu la fiecare două minute, aproximativ, dezvoltatorii pot reduce semnificativ consumul de putere. De exemplu, modulul GPS consumă doar 2,5 mA atunci când efectuează o transmisie unică GPS la fiecare două minute.

Suportul dispozitivului pentru alte moduri de operare, cu scopul economisirii puterii se extinde și la modemul nRF9160 SiP. Cu acest dispozitiv, dezvoltatorii pot activa funcții de modem care suportă protocoale celulare create special pentru a reduce consumul de putere al dispozitivelor conectate, alimentate de la baterie.

Utilizarea protocoalelor celulare de mică putere

Figura 4: Modemul sistemului nRF9160 SiP suportă recepție discontinuă extinsă, care permite dispozitivelor să realizeze economii considerabile de putere, utilizând modul sleep pentru o perioadă de timp negociată cu rețeaua celulară. (© Nordic Semiconductor)

La fel ca în cazul oricărui dispozitiv wireless, cel mai mare factor care contribuie la consumul de putere, în afară de procesorul gazdă, este, uzual, subsistemul radio. Subsistemele radio celulare convenționale profită de protocoalele de economisire a puterii, încorporate în standardul celular. Telefoanele inteligente și alte dispozitive mobile folosesc, tipic, o capabilitate numită recepție discontinuă (DRX − Discontinuous Reception), care permite dispozitivului să oprească receptorul radio pentru o perioadă de timp acceptată de rețeaua operatorului.

Figura 5: Protocolul PSM celular, permite dispozitivelor să profite de modurile de repaus cu consum redus de putere, fără a suporta consumul de putere în timpul reconectării, prin negocierea unor perioade specifice în care acestea nu sunt accesibile. (© Nordic Semiconductor)

În mod similar, protocolul extins de recepție discontinuă (eDRX) permite dispozitivelor cu consum redus de putere, precum dispozitivele de urmărire a bunurilor sau alte dispozitive IoT, alimentate de la baterii, să specifice cât timp intenționează să „doarmă” înainte de a reveni în rețea. Activând operarea eDRX, un dispozitiv LTE-M poate sta în modul de repaus (sleep) timp de aproximativ 43 de minute, iar un dispozitiv NB-IoT poate ajunge să “doarmă” chiar și 174 de minute, prelungind considerabil durata de viață a bateriei (Figura 4).

Un alt mod de operare celular, numit mod de economisire a puterii (PSM − power save mode), permite dispozitivelor să rămână înregistrate în rețeaua celulară chiar și în timp ce sunt în modul sleep și nu pot fi accesate de rețea. În mod normal, dacă o rețea celulară nu poate să găsească un dispozitiv într-o anumită perioadă de timp, va încheia conexiunea cu dispozitivul și va solicita dispozitivului să execute o procedură de reconectare, care consumă o cantitate incrementală de putere. În timpul operării pe termen lung a unui dispozitiv alimentat de la baterii, acest mic consum repetat de energie poate epuiza sau reduce semnificativ încărcarea bateriei.

Figura 6: Utilizând Nordic Semiconductor nRF9160 SiP, dezvoltatorii au nevoie de câteva componente suplimentare pentru a implementa proiectarea hardware a unui dispozitiv complet de urmărire a bunurilor sau a unui alt dispozitiv IoT − bazat pe tehnologia celulară. (© Nordic Semiconductor).

Un dispozitiv activează PSM-ul furnizând rețelei un set de valori ale timer-ului, care indică momentul când acesta va deveni disponibil periodic și cât timp va rămâne accesibil înainte de a reveni la modul de repaus (Figura 5).

Datorită negocierii PSM, rețeaua operatorului nu deconectează dispozitivul. De fapt, dispozitivul se poate activa oricând și poate relua comunicările. Avantajul este că își folosește modul de repaus cu putere redusă atunci când nu are nimic de comunicat, fără a-și pierde abilitatea de a se activa după cum este necesar și de a comunica instantaneu.

NRF9160 SiP suportă atât eDRX, cât și PSM, permițând dispozitivului să mențină funcționarea cu un consum minim de putere. Când este inaccesibil, cu modul PSM, dispozitivul consumă doar 2,7 μA. eDRX folosește doar ceva mai mult curent, consumând 18 μA în operare Cat-M1 sau 37 μA în operare Cat-NB1, în timp ce utilizează cicluri de 82,91 secunde.

Figura 7: Kit-ul de dezvoltare pentru rețele celulare, IoT NRF6943 THINGY: 91, de la Nordic Semiconductor oferă o platformă completă pentru prototiparea rapidă a aplicațiilor bazate pe senzori cu conectivitate atât celulară, cât și Bluetooth. (© Nordic Semiconductor)

Dezvoltarea soluțiilor de urmărire a bunurilor, cu consum redus de putere

Implementarea proiectării hardware pentru un dispozitiv de urmărire a bunurilor bazat pe nRF9160 SiP necesită câteva componente suplimentare, precum componente de decuplare, antene și alte circuite de potrivire pentru antene GPS și LTE (Figura 6).

Dezvoltatorii pot combina cu ușurință nRF9160 SiP cu un dispozitiv Bluetooth, cum ar fi microcontrolerul NRF52840 cu conexiune Bluetooth de la Nordic Semiconductor și cu senzori, pentru a implementa un dispozitiv sofisticat de urmărire a bunurilor, bazat pe GPS, prin intermediul rețelei celulare, care oferă utilizatorilor acces la date cu ajutorul telefoanelor inteligente și a altor dispozitive mobile cu comunicație Bluetooth.

Oferind o pereche de kituri de dezvoltare, Nordic Semiconductor asigură suport dezvoltatorilor pentru a începe rapid să creeze și să evalueze proiecte bazate pe rețele celulare. Pentru prototiparea rapidă a aplicațiilor de urmărire a bunurilor, platforma de dezvoltare pentru rețele celulare IoT NRF6943 THINGY:91 de la Nordic Semiconductor oferă un sistem complet alimentat de la baterie, care integrează sistemul nRF9160 SiP, un dispozitiv Bluetooth NRF52840, o mulțime de senzori, componente de bază pentru interfața cu utilizatorul, un acumulator reîncărcabil de 1400 mAh și o cartelă SIM pentru a permite conectivitatea celulară prealabilă (Figura 7).

Figura 8: Kit-ul NRF9160-DK de la Nordic Semiconductor oferă o platformă de dezvoltare cuprinzătoare pentru implementarea aplicațiilor personalizate bazate pe rețele celulare pentru urmărirea bunurilor și alte soluții IoT. (© Nordic Semiconductor)

Pentru o dezvoltare personalizată, kitul Nordic Semiconductor NRF9160-DK servește atât ca platformă de dezvoltare imediată, dar și ca referință pentru noi proiecte. Deși nu include senzori, precum THINGY:91, kitul NRF9160-DK combină un circuit nRF9160 SiP cu un dispozitiv Bluetooth NRF52840 și include o cartelă SIM împreună cu mai mulți conectori, inclusiv o interfață de depanare SEGGER J-Link (Figura 8).

Pentru dezvoltarea software a unei aplicații de urmărire a bunurilor, Nordic include un exemplu complet de aplicație bazat pe nRF9160, cu ajutorul kitului său de dezvoltare software (SDK) nRF Connect. SDK combină biblioteca de software nrfxlib de la Nordic pentru sistemele sale pe cip (SoC), o variantă a sistemului de operare în timp real (RTOS) Zephyr Project pentru dispozitive cu resurse limitate și o variantă a bootload-erului securizat al proiectului MCUboot de la Nordic.

Kiturile THINGY: 91 și NRF9160-DK sunt preîncărcate cu aplicația de urmărire a bunurilor creată pentru a se conecta cu propria platformă Nordic nRF Cloud IoT. Folosind parametrii pre-configurați cu oricare dintre kituri, dezvoltatorii pot începe imediat să evalueze o aplicație de urmărire a bunurilor dezvoltată pe baza unei rețele celulare, dar și să-și proiecteze propriile aplicații.

Împreună cu firmware-ul preprogramat, Nordic oferă cod sursă complet pentru aplicația de urmărire a bunurilor. Examinând acest cod, dezvoltatorii pot dobândi o înțelegere mai profundă a capabilităților NRF9160 SiP și a modului cum acesta poate fi utilizat pentru a suporta localizare GPS și conectivitate LTE-M/NB-IoT într-o aplicație de urmărire de bunurilor.

Rutina principală din următorul exemplu ilustrează modelele de proiectare de bază pentru implementarea unei aplicații personalizate de urmărire a bunurilor. La început, rutina principală apelează o serie de rutine de inițializare. Printre acestea, o rutină de inițializare configurează modemul și stabilește conexiunea LTE prin trimiterea unei serii de șiruri de atenționare (AT) pentru a defini parametrii de conexiune și apoi utilizează funcționalitatea încorporată a modemului pentru a se conecta la rețeaua operatorului. O altă rutină, work_init, inițializează un set de cozi de așteptare Zephyr RTOS, inclusiv cele pentru senzori, GPS și butoanele plăcii de dezvoltare (Listing 1).

Copy

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 */

}

Listing 1: Exemplul de aplicație de urmărire a bunurilor de la Nordic se bazează pe utilitățile Zephyr RTOS pentru managementul cozii de așteptare, pentru a crea o serie de cozi de așteptare cu rutine asociate de apel invers, pentru gestionarea diverselor sarcini, cum ar fi achiziția datelor de la senzori și transmiterea lor în cloud. (Sursa codului: Nordic Semiconductor)

În timpul acestei faze de inițializare, funcțiile asociate fiecărui apel de inițializare a cozii de așteptare își îndeplinesc propriile sarcini de inițializare specifice, inclusiv cele necesare pentru a efectua actualizările necesare. De exemplu, funcția sensors_start_work_fn apelată de work_init configurează un mecanism de interogare, care poate apela periodic o funcție, env_data_send, ce trimite datele senzoriale în cloud (Listing 2).

Copy

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]

Listarea 2: Exemplul de aplicație de urmărire a bunurilor de la Nordic demonstrează modelul de proiectare de bază pentru transmiterea datelor, inclusiv datele senzorilor, așa cum se arată în acest fragment de cod. (Sursa codului: Nordic Semiconductor)

Atunci când exemplul de aplicație de urmărire a bunurilor rulează pe kitul de dezvoltare IoT NRF6943 THINGY:91 de la Nordic Semiconductor, aplicația trimite datele curente de la senzorii integrați pe THINGY:91. Când aplicația rulează pe kitul de dezvoltare NRF9160-DK, aceasta trimite date simulate folosind o rutină de simulare a senzorului inclusă în SDK. Dezvoltatorii pot extinde cu ușurință acest pachet software pentru a implementa propriile aplicații de urmărire a bunurilor sau pot folosi exemplele de cod pentru a implementa propria lor arhitectură de aplicații.

Concluzie

Folosind metode convenționale, abilitatea de a urmări pachete importante sau de a localiza bunuri de mare valoare în mediul agricol sau în orașele inteligente a fost limitată la tehnologiile wireless, precum RFID, Bluetooth și Wi-Fi. Proiectanții au nevoie de o rază mai mare de acțiune, precum și de informații mai precise despre locul în care se află bunul pentru perioade mai lungi de timp. Standardele celulare LTE de consum redus, precum LTE-M sau NB-IoT, combinate cu GPS, pot îndeplini aceste cerințe, dar implementarea poate fi o provocare, datorită dificultății și diferitelor aspecte ale proiectării RF.

După cum a fost prezentat în acest articol, sistemul SiP de la Nordic Semiconductor oferă o soluție utilă în urmărirea bunurilor cu o rază lungă de acțiune și cu consum redus de putere. Folosind acest SiP pre-certificat și kiturile sale de dezvoltare, dezvoltatorii pot evalua rapid conectivitatea celulară, pot realiza prototipuri de aplicații GPS pentru urmărirea bunurilor bazate pe rețele celulare și pot construi dispozitive personalizate de urmărire a bunurilor, care beneficiază din plin de acoperirea extinsă și de cerințele de consum redus de putere ale conectivității celulare LTE-M și NB-IoT.


Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații

Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările veni­te din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platfor­mele TechForum și  https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.

Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).

Digi-Key Electronics   |    https://www.digikey.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre