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  • 如何设计用于牲畜监测、车队管理和工业 4.0 物流的多重连接跟踪系统

    如何设计用于牲畜监测、车队管理和工业 4.0 物流的多重连接跟踪系统

             对于牲畜管理等农业经营活动、食品和药品冷链仓储、车队管理，以及工业 4.0 灵活生产操作，实时资产跟踪和状态监测必不可少。这是一个复杂的过程，涉及使用多个传感器来监测环境条件。此过程强调，为确保位置信息准确，资产必须支持多星系全球导航卫星系统 (GNSS) 功能，包括 GPS、Galileo、Glonass、北斗和 QZSS。此外，无论周围环境如何，多重连接解决方案都必须能够实时报告资产的位置和状况，包括连接到云以支持集中监测。同时，还需要节能，以最大程度减少对电池电量的需求，并且系统必须安全可靠，能阻止黑客入侵。设计资产跟踪和状态监测系统是一项复杂的多学科活动，需要消耗许多资源和大量时间。除了硬件设计相当复杂外，数据还需要安全地连接到云端和移动设备，从而以可操作的格式提供产生的丰富信息。当设计资产跟踪系统时，设计人员可以借助开发套件和参考设计，简化先进资产跟踪应用的原型开发、测试和评估，而不必从一张白纸开始。本文将讨论开发资产跟踪和状态监测系统时所要考虑的 GNSS、传感器、连接及其他因素，然后介绍 STMicroelectronics 的一款综合开发套件，其中包括用于各类传感器、GNSS 定位和通信功能的多个印刷电路板。该套件还包括电池和高级电源管理（以最大限度地延长电池寿命）、软件和固件库以及应用开发工具。资产到底在哪里？资产跟踪的第一步是使用美国国家海洋电子协会 (NMEA) 数据格式收集当前位置信息。为了确保互操作性，所有 GPS 制造商都使用 NMEA 这一标准。标准 NMEA 信息格式称为语句。NMEA 定义了多个语句来提供不同类型的信息，包括：GGA – 全球定位系统固定数据，包括三维坐标、状态、使用的卫星数量和其他数据GSA – 精度衰减因子 (DOP) 和主动卫星GST – 位置误差统计GSV – 可见卫星数量以及每颗卫星的伪随机噪声 (PRN) 码、仰角、方位角和信噪比RMC – 位置、速度和时间ZDA – UTC 日、月、年，以及当地的时区偏移量由于不同类型的 GPS 接收机可以使用同一接口，并且利用相应的语句可以轻松访问特定数据集，因此使用 NMEA 可简化定位软件的开发。如何提高精度？原始 GNSS 数据只能提供有限的定位精度。有一些工具可以改善定位估计值，包括差分全球定位系统 (DGPS) 服务，该服务向船载 GPS 导航设备提供校正信号。DGPS 使用海上无线电技术委员会 (RTCM) 协议来提供增强的定位数据。此外，星基增强系统 (SBAS) 可用来提高位置信息的精度，这包括美国广域增强系统 (WAAS)、欧洲地球静止轨道导航重叠系统 (EGNOS)、亚洲多功能卫星增强系统 (MSAS) 以及印度的区域 SBAS，即 GPS 辅助静地轨道增强导航 (GAGAN)（图 1）。图 1：TESEO LIV3F 多星系 GNSS 接收器包括一套工具，例如 DGPS、SBAS 和 RTCM（左下），以实现高精度定位解决方案。（图片来源：STMicroelectronics）资产状况如何？在许多情况下，了解资产的位置只是其中一个难题。收集有关资产状况的信息可能也很重要，这些信息包括其物理状态以及是在移动还是处于静止状态。根据需要，可以部署各种传感器，包括：温度传感器 - 工作温度范围为 -40°C 至 +125°C、高精度、经过美国国家标准与技术研究所 (NIST) 可溯源校准，并按照 IATF 16949:2016 标准的要求进行了验证。压力传感器 - 紧凑且坚固耐用的微机电系统 (MEMS) 压阻式绝对传感器可用作数字输出气压计，其绝对压力范围为 260 至 1260 hPa（也称为毫巴）。此传感器必须高度精确，并包含温度补偿。湿度传感器 - 工作温度范围为 -40°C 至 +120°C，湿度测量范围为 0 至 100% 相对湿度 (rH)。应对其进行温度补偿，使得在 20% 至 80% rH 范围内的精度为 ±3.5% rH。惯性测量装置 (IMU) - 包括基于 MEMS 的 3D 加速度计和 3D 陀螺仪，用于确定资产是在移动还是处于静止状态。加速度计 - 例如基于 MEMS 的三轴线性加速度计，用以测量资产遭受的冲击和振动。安全连接一旦确定了资产的位置和状况，就应该将这些信息传送出去。根据具体情况，可能需要兼具长距离和短距离安全连接。就 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重连接资产跟踪平台而言，主板上的多个系统元件支持实现连接和安全性，包括（图 2）：STM32WB5MMG 是一款经过认证的 2.4 GHz 无线模块，集成了 STM32WB 双核 Arm® Cortex®-M4/M0+、晶体和带匹配网络的芯片天线。该模块包含低功耗蓝牙 (BLE) 协议栈，并支持 Open Thread、Zigbee 和其他 2.4 GHz 协议。STM32WL55JC 提供长距离无线连接。其也包含双核 Arm Cortex-M4/M0+，并且支持 GFSK、LoRa 等协议。标准版射频前端支持 868、915 和 920 MHz 频段。若更换一些元器件，该模块可以支持更低的频率。STSAFE-A110 安全元件连接到 STM32WB5MMG，用于执行安全数据管理和认证。此元件用于支持资产跟踪等物联网 (IoT) 网络，并且包含安全操作系统和安全微控制器。图 2：STEVAL-ASTRA1B 资产跟踪平台的主板包括用于短距离连接的 STM32WB5MMG、用于长距离连接的 STM32WL55JC 和用于安全运行的 STSAFE-A110。（图片来源：STMicroelectronics）资产跟踪开发环境资产跟踪应用的开发人员可以考虑使用 STMicroelectronics 的STEVAL-ASTRA1B 软硬件开发套件和参考设计，其有助于高级资产跟踪系统的原型开发、测试和评估（图 3）。STEVAL-ASTRA1B 以 STM32WB5MMG 模块和 STM32WL55JC SoC 为基础构建，二者相结合以提供短距离和长距离连接（BLE、LoRa 以及 2.4 GHz 和 sub-1-GHz 专有协议）。如需 NFC 连接，可以使用 ST25DV64K。STSAFE-A110 支持安全运行，而 Teseo-LIV3F GNSS 模块则提供户外定位。图 3：STEVAL-ASTRA1B 平台包括高级跟踪系统开发所需的所有硬件、固件和软件工具。（图片来源：Digi-Key）该 GNSS 定位接收器与 GPS、Galileo、GLONASS、北斗、QZSS 和 NavIC（也称为 IRNSS）等六个系统兼容。该系统还包括 WAAS、EGNOS、MSAS、WAAS 和 GAGAN SBAS 支持。系统中有一个陷波滤波器用于抗干扰。还包括一系列用于状态监测的传感器（图 4）：STTS22HTR – 数字温度传感器，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，在 -10°C 至 +60°C 范围内最大精度为 ±0.5°C，提供 16 位温度数据输出。校准支持 NIST 溯源，器件 100% 通过测试和验证，测试和验证所用设备根据 IATF 16949:2016 标准进行校准。LPS22HHTR – MEMS 压阻式绝对压力传感器，用作数字输出气压计，可测量 260 至 1260 hPa 的绝对压力。其绝对压力精度为 0.5 hPa，压力传感器噪声低至 0.65 Pa，提供 24 位压力数据输出。HTS221TR – 相对湿度和温度传感器。其可以测量 0 到 100% 的 rH，灵敏度为 0.004% rH/最低有效位 (LSB)，在 20% 到 +80% rH 范围内湿度精度为 ±3.5% rH，在 +15°C 到 +40°C 范围内温度精度为 ±0.5°C。LIS2DTW12TR – MEMS 三轴线性加速度计和温度传感器，提供用户可选的 ±2g/±4g/±8g/±16g 满量程，可测量加速度，输出数据率为 1.6 Hz 至 1600 Hz。LSM6DSO32XTR – IMU 模块，含有一个始终开启的 32 g 3D 数字加速度计和一个 3D 数字陀螺仪，范围为 ±4/±8/±16/±32g 满量程，角度范围为 ±125/±250/±500/±1000/±2000 度/秒 (dps) 满量程。图 4：STEVAL-ASTRA1B 的主板包括全套传感器（左）、系统板（黄框）和 GNSS 连接元件（右下方的 TESEO LIV3F 和天线）。（图片来源：STMicroelectronics）电源管理对于无线跟踪设备非常重要。为确保电池续航力持久，STEVAL-ASTRA1B 包含许多电源管理元器件，例如：ST1PS02D1QTR 400 mA 同步降压转换器，输入电压范围为 1.8 V 至 5.5 V，输入电压为 3.6 V 时输入静态电流为 500 nA，典型效率为 92%。STBC03JR 电池电源管理和充电器 IC，包括：一个用于单节锂离子 (Li-ion) 电池的线性电池充电器部分，采用恒流/恒压 (CC/CV) 充电算法；一个 150 mA 低压差稳压器 (LDO)；两个单刀双掷 (SPDT) 负载开关；以及能在发生故障时保护电池的电路。TCPP01-M12 USB Type-C® 端口保护 IC，包括：VBUS 过压保护，可在 5 V 至 22 V 之间调节（通过外部 N 沟道 MOSFET）；CC 线路上防范 VBUS 短路的 6.0 V 过压保护 (OVP)；以及连接器引脚 CC1 和 CC2 的系统级静电放电 (ESD) 保护，符合 IEC 61000-4-2 4 级标准。软件和固件库STEVAL-ASTRA1B 含有或可提供各种用于开发资产跟踪应用的软件和固件。实例包括：FP-ATR-ASTRA1 功能包可实现完整的资产跟踪应用，已包括在 STEVAL-ASTRA1B 中。该功能包从 GNSS 接收器获得定位数据，从环境和运动传感器读取数据，并利用 BLE 和 LoRaWAN 连接将数据发送到云端。功能包中包括车队管理、牲畜监测、货物监测和物流等可定制用例。STAssetTracking 应用可以远程配置支持 BLE、Sigfox 或 NFC 的资产跟踪设备。其可用来启用特定传感器的数据记录，并设置开始和停止记录的触发阈值。DSH-ASSETRACKING 仪表盘是一款由 Amazon Web Services (AWS) 支持的云应用，提供了一个直观的界面，针对收集、可视化和分析来自 GNSS 定位服务及运动和环境传感器的数据进行了优化。该仪表盘可以绘制实时或历史位置数据和传感器值，并可监测环境条件和事件（图 5）。图 5：DSH-ASSETRACKING 仪表盘是一款 AWS 支持的资产跟踪云应用。（图片来源：STMicroelectronics）总结资产跟踪是牲畜监测、车队管理和物流等应用需要的一项关键而复杂的功能。如本文所述，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 软硬件开发套件和参考设计包括加快高性能资产跟踪设备设计所需的 GNSS 定位服务、全套环境和运动传感器、电源管理元件以及全套软件和固件。

    牲畜监测 工业 4.0

    2023.06.13

  • 用“算力”提升城市管理能力

    用“算力”提升城市管理能力　　“五一”假期，山东青岛市民陈鹏程带着家人来到本市栈桥景区，在停车系统的指引下，把车停在了繁华街区的智慧停车库。从开车入库到停进预订车位，用时不到2分钟。“以前，这里一到节假日就很拥堵。现在，不仅可以实时查看停车库里车位余量，还可以提前半小时预订好车位，导航到停车场，并根据车库显示屏指引找到车位。”陈鹏程说。　　“这套停车系统由我们开发，是用‘算力’提升城市管理能力的场景之一。”松立控股集团股份有限公司(以下简称“松立集团”)总裁刘寒松告诉记者，公司搭建了“1+3+N”数字城市云脑，以智能算法仓为核心，以星光物联平台、大数据平台、数字孪生平台为支撑，通过算力赋能智慧停车、智慧社区、智慧园区、智慧景区、智慧城市等多个场景。　　打破信息孤岛　　在刘寒松办公桌上，有一张2016年他带领团队成功竞标一座城市的停车智能化改造项目时拍摄的合影。刘寒松指着照片对记者说：“那是松立梦开始的地方。”　　智能侧向视频识别技术，是松立集团竞标成功的关键。“以前，停车桩上的摄像机侧向拍照很难实现图像的清晰识别。解决摄像头侧向数据采集是我们重点攻克的难关。”刘寒松说，经过多次逻辑优化和算法提升，研发出基于智能侧向视频识别技术的交通解决方案——“慧停车”。　　慧停车系统将大数据、云计算、人工智能等技术引入停车场景，通过前端感知采集设备、智慧停车管理平台与车主手机APP的数据交互，实现了停车资源的数字化、可视化和平台化管理。车主可以在该系统管理运营的路内、路外停车场快速进出，驶入、驶离时间、订单缴费信息会自动发送到车主手机上，实现停车管理的无人值守、无感支付。　　通过应用智能侧向视频识别技术，松立集团积累了庞大的停车、社区、城市数据，并通过自身强大的算力从复杂的数据中挖掘价值，赋能城市管理。　　2022年，松立集团携手青岛静态交通投资运营有限公司，成立青岛华通松立静态交通科技有限公司，开展青岛路内、路外停车资源统筹规划、智能化改造、城市级智慧停车管理平台搭建、运营管理及汽车后市场生态服务。智慧停车一体化管理平台实现应用后，将停车资源进行梳理，统一纳入平台运营，根据大数据的计算、分析，将机关事业单位、经营性停车场实施错时共享，打破停车场信息孤岛，将停车资源利用起来，有效破解停车难题。　　创新无止境。松立集团将研发作为发展的第一驱动力，逐渐建立起研发中心、技术研究院，研发人员占集团总部人数的一半以上。“公司通过开发可视化的大数据平台、星光物联平台、运营管理平台，从车主、车辆、车场、道路、城市等多个维度进行精准画像和运营数据分析，可实现静态交通数据的采集、分析、预知、控制、指引等。同时，通过各个停车场利用率、周转率数据分析，为规划建设停车设施、提升运营效能提供依据。”刘寒松说。　　实现精准导航　　当车行驶到地下车库，卫星导航有时不够灵敏。为了解决这一难题，今年2月份，松立集团推出全息感知系统。该系统利用松立集团在目标检测等计算机视觉技术方面的优势，通过对图像、视频进行关键信息提取、分析，对地下停车场进行三维建模，对停车场景进行实时视觉感知，运用停车场里电子屏为驾驶员引导，实现精准导航，解决信号缺失问题。　　“全息感知系统有‘三多’，即多设备协同、多技术融合、多场景覆盖。”松立集团副总经理王永介绍，公司通过对停车场原有摄像头的改造和增设，让摄像头变身为全息感知系统的“眼睛”，随时感知车辆进出，为后台提供基础信息数据，实现各类摄像头、诱导屏等终端之间的感知协同。　　同时，松立集团采用大数据、人工智能、数字孪生等技术，将图像与历史数据进行信息标注，并通过人工智能的深度学习进行建模和训练后，能够以毫秒级的速度完成系统从视觉感知、信息分析到生成决策等一系列操作，为车主提供全流程服务。　　“全息感知系统最大的难点就是如何提高精准度。”王永说，为了给车主提供最准确的停车信息和最优路径规划，公司需要对各种行车场景进行智能分析，对历史停车数据、人流、车流甚至停车场内临时杂物摆放等情况都要进行建模和训练。　　“这个系统非常考验模型泛化能力，譬如带窗户的停车楼，因为每个时段的光照不一样，或者受恶劣天气的影响，图像识别结果和决策制定都会有偏差。”王永说，为了提升系统对图像的识别精度，公司技术团队经过几十次技术迭代和版本优化，将整体识别率提升到99%以上。　　“未来出行场景会更加复杂，需要考虑的因素也更加多元，对我们既是挑战，也是机遇。”刘寒松说，松立集团目前已拥有发明专利40项、实用新型专利9项、外观设计专利40项、软件著作权400余项，并通过国际顶级软件工程管理标准认证，但作为一家互联网科技型企业，要始终坚持核心算法与技术自主研发不放松，持续提高技术实力，夯实算力底座。　　构建智慧生活　　近年来，松立集团从“慧停车、慧出行、慧生活”的运营理念出发，积极打造全场景智慧生活新生态。在慧停车方面，公司整合加油、充电、洗车、维修、保险等汽车后市场服务，为车主提供一站式出行服务。同时，公司进一步加大与国家电网合作，通过充电桩建设以及与国网底层数据的交互，让车主更快找到充电桩。　　松立集团不断延伸应用场景，通过大数据、云计算、人工智能等手段积极推进城市基层综合治理现代化。2020年，松立集团将业务场景延伸向智慧社区建设领域，创立了“慧安佳”品牌。　　位于青岛市金门路街道的一个半开放式小区，住宅、商铺、企业、幼儿园业态复杂，外来穿行的行人和车辆给小区居民造成了不少安全隐患。“慧安佳”智慧社区管控平台落地后，建立起车牌识别、人脸识别、音频识别报警、消防安全报警等智能化系统，为基层社区综合治理提供数字化、可视化、平台化支持。　　智慧社区管控平台还为智慧养老提供了新的解决方案。老人孙建华因子女都在外地工作，常年独居在家。为了保证老人的生活安全，在老人的同意下，子女为老人安装了监测系统，不仅可以实时监测老人的生命体征，还具备水电煤气监控、一键报警等功能，一旦发生意外，可直接通知社区和老人子女。　　“松立集团推出的智慧社区管控平台包含了养老、家政、物业管理、社区团购等20余项服务，并配有专门的线下服务人员。”慧安佳运营部总监杜中广说。目前，松立集团智慧社区项目已落地1000多个社区，赋能基层社区治理体系，致力于为居民打造智慧、安全、美好的生活体验。

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    2023.05.26

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