如何設計多重連線追蹤系統，以用於畜牧監控、車隊管理和工業 4.0 物流活動

許多農業活動都必須即時追蹤資產和監測狀況，像是畜牧管理、食品和藥品的冷鏈倉儲、車隊管理，以及工業 4.0 彈性生產活動等。這是個複雜的流程，需利用多個感測器來監測環境狀況。此流程強調，為了確保定位資訊準確，必須以多星系全球導航衛星系統 (GNSS) 功能來掌握資產，包括 GPS、伽利略、Glonass、北斗和 QZSS。此外，無論周圍環境如何，多重連線解決方案都能及時傳達資產的位置和狀況，包括連線至雲端以支援集中式監測。還需要具備能效，將電池電力需求降到最低，系統也必須安全可靠，以免駭客入侵。

設計資產追蹤與狀況監測系統極複雜，牽涉許多領域，耗用許多資源及時間。除了硬體設計很複雜之外，資料還必須安全連線至雲端與行動裝置，才能將所產生的豐富資訊以可行的格式提供。

設計資產追蹤系統時，設計人員不必從零開始，而是可以藉助開發套件和公版設計，更輕鬆地開發原型、測試和評估先進的資產追蹤應用。本文會先探討 GNSS、感測器、連接性，以及開發資產追蹤與狀況監測系統時的其他考量，接著介紹 STMicroelectronics 的一款綜合開發套件，此套件含有多片印刷電路板，用於多種感測器、GNSS 定位及發揮通訊能力。並且提供電池與先進電源管理能力 (以達到最長的電池續航力)、軟體、韌體庫，以及應用開發工具。

資產究竟在哪裡？

追蹤資產的第一步，是利用美國國家海洋電子協會 (NMEA) 資料格式收集目前位置的資訊。所有 GPS 製造商都使用 NMEA 這項通用標準確保互通性。標準 NMEA 訊息格式稱為「語句」。NMEA 定義幾個語句，提供多種資訊，包括：

• GGA – 全球定位系統修正資料，包括 3D 座標、狀態、使用的衛星數量，以及其他資料
• GSA – 精度因子 (DOP) 和主動衛星
• GST – 位置錯誤統計
• GSV – 可見衛星數量和擬隨機雜訊 (PRN) 號碼、高度、方位角、每個衛星的訊噪比
• RMC – 位置、速度、時間
• ZDA – UTC 年月日、本地時區差距

使用 NMEA 能為多種 GPS 接收器使用同一個通用介面，還能以相應的語句輕鬆存取特定的資料集，因此能簡化定位軟體的開發。

如何提高準確度？

原始 GNSS 資料提供的定位準確度不高。現今有許多工具能改善定位的估計值，包括差分全球定位系統 (DGPS) 服務，這項服務為裝載 GPS 導航設備的船舶提供修正訊號。DGPS 利用海事無線電技術委員會 (RTCM) 協定提供更好的定位資料。此外，現今也有許多提高定位資訊準確度的衛星型增強系統 (SBAS)，包括美洲的廣域擴增系統 (WAAS)、歐洲同步衛星導航覆蓋系統 (EGNOS)、亞洲的多功能衛星增強系統 (MSAS)，以及 GPS 輔助型靜地軌道增強導航 (印度的區域性衛星型增強系統，簡稱 GAGAN) (圖 1)。

圖 1：TESEO LIV3F 多星系 GNSS 接收器包含一套工具，包括 DGPS、SBAS 與 RTCM (左下角)，以達到十分精確的定位解決方案。(圖片來源：STMicroelectronics)

資產的狀況如何？

在許多情況下，瞭解資產的位置只是其中一個難題。收集資產狀況的資訊也可能很重要，包括資產的實體狀態，以及資產是否在移動，還是維持靜止。可根據需要部署多種感測器，包括：

• 溫度感測器 - 工作溫度範圍介於 -40°C 至 +125°C、準確度高、證實已根據美國國家標準暨技術局 (NIST) 進行校準，並已如同 IATF 16949:2016 標準所要求進行驗證。
• 壓力感測器 - 可將一個小巧耐用的微機電系統 (MEMS) 壓阻式絕對感測器，作為絕對壓力介於 260 至 1260 hPa 的數位輸出氣壓計。此感測器必須十分準確並包含溫度補償能力。
• 濕度感測器 - 工作溫度範圍介於 -40°C 至 +120°C、濕度量測範圍介於 0 至 100% 相對濕度 (rH)。其應進行溫度補償；在 20% 至 80% rH 之間，準確度為 ±3.5% rH。
• 慣性量測單元 (IMU) - 包含 MEMS 型 3D 加速計和 3D 陀螺儀，以確定資產在移動還是維持靜止。
• 加速計 - 例如 MEMS 型三軸線性加速計，以測量資產是否承受衝擊和振動。

安全連線

一旦確定資產的位置和狀況後，就要傳達該資訊。視情況而定，可能需要結合遠距與短距安全連線。STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 多重連線資產追蹤平台，以主板上的幾個系統元件支援連線能力和安全性，包括 (圖 2)：

• STM32WB5MMG 是經過認證的 2.4 GHz 無線模組，整合 STM32WB 雙核心 Arm® Cortex®-M4/M0+、晶體、晶片天線與匹配網路。此模組包含低功耗藍牙 (BLE) 堆疊，並支援 Open Thread、Zigbee 及其他 2.4 GHz 協定。
• STM32WL55JC 提供遠距無線連線。也包含雙核心 Arm Cortex-M4/M0+，並能支援 GFSK、LoRa 等協定。標準版中的無線射頻前端，支援 868、915、920 MHz 頻段。更改某些元件能使模組支援較低的頻率。
• STSAFE-A110 安全元件連接至 STM32WB5MMG，以進行安全的資料管理與驗證。此元件用於支援物聯網 (IoT) 網路 (像是資產追蹤)，並包含安全的作業系統與安全的微控制器。

圖 2：STEVAL-ASTRA1B 資產追蹤平台中的主板，含有 STM32WB5MMG (用於短距連線)、STM32WL55JC (用於遠距連線)，以及 STSAFE-A110 (維護作業安全)。(圖片來源：STMicroelectronics)

資產追蹤開發環境

資產追蹤應用的開發人員可改用 STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 硬體與軟體開發套件以及公版設計，更方便開發原型、測試和評估先進的資產追蹤系統 (圖 3)。STEVAL-ASTRA1B 是以 STM32WB5MMG 模組和 STM32WL55JC SoC 為基礎打造，其結合用於短距和遠距連線 (BLE、LoRa、2.4 GHz 和 Sub-1-GHz 自行研發通訊協定)。對於 NFC 連線，可使用 ST25DV64K。STSAFE-A110 支援安全操作，Teseo-LIV3F GNSS 模組則提供戶外定位。

圖 3：STEVAL-ASTRA1B 平台含有開發先進追蹤系統所需的所有硬體、韌體和軟體工具。(圖片來源：DigiKey)

GNSS 定位接收器與六種系統相容，包括 GPS、伽利略、GLONASS、北斗、QZSS、NavIC (又名 IRNSS)。該系統還支援 WAAS、EGNOS、MSAS、WAAS、GAGAN SBAS。為防止干擾，附有陷波濾波器。

含有多種監測狀況的感測器，包括 (圖 4)：

• STTS22HTR – 一款數位溫度感測器，能在 -40°C 至 +125°C 之間使用，在 -10°C 至 +60°C 範圍內最大準確度為 ±0.5°C，並具有 16 位元溫度資料輸出。此校準取得 NIST 認可，且裝置 100% 通過測試，並以根據 IATF 16949:2016 標準所校準的設備進行驗證。
• LPS22HHTR – 一款 MEMS 壓阻式絕對壓力感測器，作為
• 數位輸出氣壓計使用，能測量 260 至 1260 hPa 的絕對壓力。此感測器的絕對壓力準確度為 0.5 hPa，低壓感測器雜訊為 0.65 Pa，產生 24 位元壓力資料輸出。
• HTS221TR – 一款相對濕度與溫度感測器。此感測器能測量 0 至 100% rH，靈敏度為 0.004% rH/最低有效位元 (LSB)，20 至 +80% rH 時的濕度準確度為 ±3.5% rH，+15°C 至 +40°C 時的溫度準確度為 ±0.5°C。
• LIS2DTW12TR – 一款 MEMS 三軸線性加速計與溫度感測器，具有滿量程 ±2g/±4g/±8g/±16g (使用者可選擇)，能測量加速度，輸出數據傳輸率介於 1.6 Hz 至 1600 Hz。
• LSM6DSO32XTR – 一款 IMU 模組，具有全時啟動 32 g 3D 數位加速計與 3D 數位陀螺儀，以及滿量程 ±4/±8/±16/±32 g，角度範圍為 ±125/±250/±500/±1000/±2000 dps 滿量程。

圖 4：STEVAL-ASTRA1B 的主板包含一系列完備的感測器 (左)、系統板 (黃色方塊)，以及 GNSS 連線元件 (TESEO LIV3F 和右下方的天線)。(圖片來源：STMicroelectronics)

電源管理對無線追蹤裝置來說很重要。為了確保電池續航力持久，STEVAL-ASTRA1B 含有廣泛的電源管理元件，例如：

• ST1PS02D1QTR 400 mA 同步降壓轉換器 - 輸入電壓範圍介於 1.8 V 至 5.5 V，輸入電壓 3.6 V 時，輸入靜態電流為 500 nA，典型效率為 92%。
• STBC03JR 電池電源管理與充電器 IC - 針對單節鋰離子電池含有一個線性電池充電器區段，此區段採用恆定電流/恆定電壓 (CC/CV) 充電演算法；並含有一個 150 mA 低降壓穩壓器 (LDO)、兩個單極雙擲 (SPDT) 負載開關，以及能在故障時保護電池的電路。
• TCPP01-M12 USB Type-C® 連接埠保護 IC - 含有 VBUS 過電壓保護功能，此功能可使用外部 N 通道 MOSFET 從 5 V 調整至 22 V；恆定電流線路上提供 6.0 V 過壓保護 (OVP)，防止 VBUS 短路；並為連接器引腳 CC1 和 CC2 提供系統級靜電放電 (ESD) 保護，此功能符合 IEC 61000-4-2 第 4 級規定。

軟體和韌體庫

含有或提供多種軟體和韌體，以利用 STEVAL-ASTRA1B 來開發資產追蹤應用。範例包括：

• FP-ATR-ASTRA1 功能套件實作完整的資產追蹤應用，並隨附 STEVAL-ASTRA1B。此功能套件從 GNSS 接收器取得定位資料、從環境與動作感測器讀取該資料，並使用 BLE 和 LoRaWAN 連線將資料傳送到雲端。含有車隊管理、畜牧監測、貨物監測和物流的使用案例，並能予以客製化。
• STAssetTracking 應用程式可從遠端配置具有 BLE、Sigfox 或 NFC 能力的資產追蹤裝置，可用於為特定的感測器記錄資料，並設定閾值觸發器以便開始和停止記錄。
• DSH-ASSETRACKING 儀表板是一種由 Amazon Web Services (AWS) 驅動的雲端應用程式，介面不僅直覺，對於收集、視覺化和分析 GNSS 定位服務及運動與環境感測器的資料，亦經過最佳化。此儀表板能繪製出即時或位置資料與感測器值，還能監測環境狀況和事件 (圖 5)。

圖 5：DSH-ASSETRACKING 儀表板是一款由 AWS 驅動的資產追蹤雲端應用程式。(圖片來源：STMicroelectronics)

結論

對於畜牧監控、車隊管理及物流等應用，資產追蹤是一種關鍵而複雜的功能。如本文所示，STMicroelectronics 的 STEVAL-ASTRA1B 硬體與軟體開發套件及公版設計，含有 GNSS 定位服務、完整一系列環境與動作感測器、電源管理能力，和加速設計高效能資產追蹤裝置的全系列軟體與韌體。