作者：Jens Wallmann

先進的資產(chǎn)跟蹤應用，如牲畜監(jiān)測、車隊管理和物流，都能自動捕獲被跟蹤對象的當前狀態(tài)信息和位置坐標。內(nèi)置的應答器會將其記錄數(shù)據(jù)轉發(fā)到云端，供控制中心或移動設備使用。在工廠車間，經(jīng)常需要進行短程無線數(shù)據(jù)更新，以交換物流數(shù)據(jù)、處理歷史記錄和監(jiān)測數(shù)據(jù)、更改配置或在應答器存儲器中執(zhí)行固件更新。

這類資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)人員面臨以下挑戰(zhàn)：設計多功能傳感器應答器，通過各種遠程和短程無線電協(xié)議進行通信，收集廣泛的測量數(shù)據(jù)，在不更換電池的情況下運行數(shù)月，并通過互聯(lián)網(wǎng)服務提供所有數(shù)據(jù)。此外，設計人員還必須在克服以上挑戰(zhàn)的同時，降低成本并縮短上市時間。

雖然任務極其艱巨，但設計人員仍可通過使用已廣泛集成所需軟硬件的開發(fā)套件，來節(jié)省大量的時間和精力。

本文討論多種應用的先進資產(chǎn)跟蹤技術要求。然后，介紹 STMicroelectronics的多功能開發(fā)套件，該套件可大幅減少原型設計、測試和評估的工作量。文中還深入介紹了該開發(fā)套件的關鍵功能特性，并展示了開發(fā)人員如何在不必編碼的情況下輕松定制組合片上系統(tǒng)（SoC） 模塊的功能，然后從云端進行數(shù)據(jù)檢索和可視化。

無線測量應答器的特性

資產(chǎn)跟蹤涵蓋廣泛的應用領域，每個領域都需要用于應答器和所連接網(wǎng)絡的專門技術設備。圖 1 列出了四個應用類別的無線測量應答器的技術特性。

物體攜帶的自主應答器必須檢測環(huán)境影響、物體的位置和狀態(tài)（感測，圖1），將其存儲起來，并在下一次機會中通過各種無線接口（連接）進行廣播。各種無線協(xié)議的信號處理和轉換必須由一個足夠強大的微控制器 （MCU）進行處理，并實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)安全性（“處理和安全性”）。該 MCU 還會控制能源管理（“電源管理”），從而確保應答器電池具有長工作壽命。

資產(chǎn)跟蹤應用所需的數(shù)據(jù)可用性會影響傳感器的復雜性，并需要適當?shù)倪B接。對于可預測的已知運輸路線，如包裹運送，只需將測量信號存儲在應答器中即可。然后可以在下一個物流檢查站使用低功耗藍牙
（BLE） 或近場通信 （NFC） 近距離讀出數(shù)據(jù)。

在車隊管理以及物流和遠程牲畜監(jiān)測等案例中，從應答器通過云端到最終應用的數(shù)據(jù)傳輸，應盡可能地接近于實時傳輸。因此，應答器需要一個移動無線電接口來覆蓋廣泛的范圍。選擇包括LoRaWAN（遠程廣域網(wǎng)）、Sigfox 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT），因為這些協(xié)議經(jīng)過優(yōu)化，適用于低吞吐量、節(jié)能型數(shù)據(jù)傳輸。

完整的資產(chǎn)跟蹤生態(tài)系統(tǒng)可減少開發(fā)工作

系統(tǒng)設計人員如果想要以具有成本和時間效益的方式實現(xiàn)其資產(chǎn)跟蹤應用 （ASTRA），他們可以使用 STMicroelectronics 的多功能STEVAL-ASTRA1B 開發(fā)平臺。該平臺包含多個 IC 和 SoC模塊，極大地簡化了創(chuàng)新型跟蹤和監(jiān)測解決方案的原型開發(fā)、編程、測試和評估。開發(fā)套件包括一個模塊化評估板、固件庫、編程工具和電路文檔，以及一個用于移動設備的 App和基于網(wǎng)絡的可視化界面（圖 2）。

STEVAL-ASTRA1B 板以兩個用于短程和遠程連接的低功耗 SoC 模塊為基礎，并搭配了
NFC。板上包括一個用于數(shù)據(jù)安全功能的模塊。載板具有多個環(huán)境和運動傳感器，以及一個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng) （GNSS）模塊，用于提供位置坐標并支持地理邊界功能。一個電源管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)所有設備組件的工作模式并控制電源。電源由一個開關轉換器、一塊電池和一個 USB-C充電控制器構成，以盡可能地延長電池續(xù)航時間。該套件在交付時包括一個 480 mAh 的鋰聚合物 （Li-Poly） 電池、一個外殼、一根 SMA 天線（LoRa） 和一根 NFC 天線。

STEVAL-ASTRA1B 板的 IC 和 SoC 包括：

兩個無線 SoC：

STM32WB5MMGH6TR：這款 SoC 模塊基于 2.4 GHz 無線超低功耗 Arm? Cortex?-M4/M0+
MCU，用作主應用處理器并支持 802.15.4、BLE 5.0、Thread 和 Zigbee

STM32WL55JCI6：這款無線 SoC 基于無線超低功耗 Arm Cortex M0+ MCU，并支持 LoRa、Sigfox 和亞千兆赫
（GHz） GFSK （150 - 960 MHz）

ST25DV64K-JFR8D3：NFC 發(fā)射器

TESEO-LIV3F：具有同步多星系的 GNSS 模塊

環(huán)境和運動傳感器：

STTS22HTR：數(shù)字溫度傳感器；-40 至 125°C

LPS22HHTR：壓力傳感器；26 至 126 kPa，絕對值

HTS221TR：濕度和溫度傳感器；0 至 100% 相對濕度 （RH） I2C、SPI ±4.5% RH

LIS2DTW12TR：加速計 X、Y、Z 軸；±2g、4g、8g、16g，0.8 Hz 至 800 Hz

LSM6DSO32XTR：加速計、陀螺儀、溫度傳感器 I2C、SPI 輸出

STSAFE-A110：安全元件

具有智能電源管理架構的電池供電解決方案：

ST1PS02BQTR：降壓開關穩(wěn)壓器 IC；正可調(diào)，1.8 V，1 個輸出，400 mA

STBC03JR：用于鋰離子 （Li-ion） 或鋰聚合物的電池充電器 IC

TCPP01-M12：USB Type-C 和功率輸送保護

評估板的工作溫度為 +5 至 35°C，并使用以下頻段：

BLE：2400 MHz 至 2480 MHz，+6 dBm（分貝數(shù)基準為 1 mW）

LoRaWAN：863 MHz 至 870 MHz，+14 dBm（受固件限制）

GNSS（接收器）：1559 MHz 至 1610 MHz

NFC：13.56 MHz

STEVAL-ASTRA1B 的內(nèi)部結構

ASTRA 應答器的行為類似于一個數(shù)據(jù)記錄器，并將其數(shù)據(jù)流拆分到三個主要模塊，每個模塊都由硬件和軟件驅(qū)動程序以及應用層構成（圖 3）。數(shù)據(jù)輸入（圖3，左圖）用于捕獲所有板載傳感器信號。中間模塊（圖 3，中圖）用于處理和存儲數(shù)據(jù)。最后，將存儲的數(shù)據(jù)以無線方式進行廣播（圖3，右圖）。在重新配置、固件更新或?qū)懭肓鞒?物流數(shù)據(jù)的情況下，信號流以相反的方向運行。

FP-ATR-ASTRA1 固件擴展了 STMicroelectronics 的 STM32Cube開發(fā)環(huán)境，并實現(xiàn)了完整的資產(chǎn)跟蹤應用，可支持遠程（LoRaWAN、Sigfox）和短程（BLE、NFC）連接。該功能包從環(huán)境和運動傳感器讀取數(shù)據(jù)，檢索 GNSS地理定位，并將所有數(shù)據(jù)通過 BLE 發(fā)送到移動設備，同時通過 LoRaWAN 連接發(fā)送到云端。

FP-ATR-ASTRA1
軟件包支持低功耗配置文件，以確保較長的電池續(xù)航時間，實現(xiàn)最大的自主性。它還提供了多項關鍵功能，如安全元件管理、添加定制算法的功能、調(diào)試接口和擴展能力。

該軟件包劃分為：文檔、驅(qū)動程序和 HAL、中間件，以及示例項目。項目包括適用于 Keil、IAR 和 STM32Cube 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）的源代碼和經(jīng)編譯的二進制文件。以下五個預定義用例均可單獨配置：車隊管理、牲畜監(jiān)測、貨物監(jiān)測、物流和定制應用。

STEVAL-ASTRA1B 作為一個簡單的狀態(tài)機運行，并根據(jù)事件改變其運行模式。兩種主要狀態(tài)設計用于全速工作（運行）或低功耗 （LP）模式。在運行模式下，所有功能都被激活，所有數(shù)據(jù)都按照配置進行廣播。而在 LP 狀態(tài)下，除 MCU 外，所有元器件都被設置為低功耗模式或被禁用（圖 4）。

按下側邊鍵將觸發(fā)兩種狀態(tài)之間的轉換。另一個輸入可以是微機電系統(tǒng) （MEMS）事件的輸出或算法的結果。這只是一個例子，說明如何實施狀態(tài)機以改變設備的行為。也可以實施多個中間狀態(tài)，以平衡系統(tǒng)響應能力與電池續(xù)航時間。

可能的事件包括

BP：按下按鈕事件

SD：關機事件

ER：錯誤事件

EP：自動轉換至下一個步驟

RN：轉到全速運行命令

LP：轉到低功耗命令

云數(shù)據(jù)檢索和可視化

STEVAL-ASTRA1B 應答器預裝了 FP-ATR-ASTRA1 固件包，因此環(huán)境測量信號和 GNSS 位置數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)可視化。

使用智能手機和平板電腦的 STAssetTracking 移動 App，啟用藍牙并連接到互聯(lián)網(wǎng)后，通過 myst.com 用戶帳戶在 TTN （TheThings Network） V3 網(wǎng)絡服務器上將應答器注冊為 LoRaWAN 參與者。此外，應答器還與 Amazon Web Services （AWS）上的 DSH-ASSETRACKING 網(wǎng)絡儀表盤相連接。

完成 TTN 注冊后，STEVAL-ASTRA1B 會出現(xiàn)在移動 App 的更新設備列表中。按下 《Settings》 菜單中的“Start synchronization”按鈕將會激活應答器的發(fā)射模式，使其通過 BLE 和 LoRaWAN 并行發(fā)送存儲的數(shù)據(jù)。移動 App可以在儀表盤上顯示存儲器中的測量數(shù)據(jù)，并輸出應答器的 GNSS 位置，或?qū)⑵滹@示為地圖上的一個標（圖 5）。

除了 ASTRA 應答器外，網(wǎng)絡儀表盤還可以聚合網(wǎng)絡中其他許多獨立的無線跟蹤器，如 P-L496G-CELL02 （LTE） 和NUCLEO-S2868A2（Sigfox 射頻發(fā)射器），或互聯(lián)網(wǎng)耦合節(jié)點，如 STEVAL-SMARTAG1
（Wi-Fi）、STEVAL-MKSBOX1V1（BLE 終端節(jié)點）和 STEVAL-SMARTAG1（NFC終端節(jié)點）。這使得發(fā)展基于云的多協(xié)議無線生態(tài)系統(tǒng)成為可能。

單獨配置和編程

在初始調(diào)試期間成功評估 ASTRA 應答器的出廠設置后，下一步是讓開發(fā)人員根據(jù)自己的資產(chǎn)跟蹤應用定制應答器。

對于無需額外硬件的小型定制工作，通過 BLE 和移動 App（按移動 App 中的“錘子和扳手”圖標，圖 5）便足以配置各種參數(shù)和功能。

另一種配置項目的方法是使用命令行和調(diào)試控制臺。PC 終端程序（如 Tera Term）通過虛擬 COM 端口使用 USB 進行通信，而移動設備則使用STBLESensor（ST BLE 傳感器）App，并通過 BLE 進行聯(lián)網(wǎng)（圖 6）。

要對 ASTRA 板重新編程，就像固件更新、集成其他庫函數(shù)或生成開發(fā)人員自己的應用代碼那樣，通過 JTAG 接口進行訪問非常方便。為此，通過一條 14針帶狀電纜將單獨提供的 STLINK-V3MINIE 調(diào)試和編程適配器連接到 ASTRA 板。然后，安裝在 PC 上的 Keil、IAR 或 STM32Cube等 IDE 可以將編譯后的二進制文件寫入到應用程序存儲器或調(diào)試程序序列中。

STLINK-V3MINI 還提供了虛擬 COM 端口接口，以便主機 PC 通過 UART 與目標微處理器通信。

有幾種方法可以對不同的 Arm MCU 進行固件更新：

PC 上的 STM32Cube 編程器使用 JTAG 適配器和 MCU 引導程序?qū)⒍M制文件寫入閃存中

PC 上的 STM32Cube 編程器使用 USB 和 MCU 引導程序?qū)⒍M制文件寫入閃存中

通過 BLE，使用移動設備上的 STBLESensor App 進行空中固件升級 （FUOTA）

由于應用控制器 STM32WL55JC （LoRaWAN） 用作 STM32WB5MMG （BLE） 的主控，因此必須通過跳線選擇各自的 MCU核心來進行閃寫。

使用 STM32CubeMX 的圖形化軟件配置

STM32Cube 通過減少開發(fā)工作、時間和成本，讓開發(fā)人員的生活更加輕松。該 IDE 涵蓋了整個 STM32 MCU產(chǎn)品組合。此外，STM32CubeMX 還允許使用圖形化向?qū)нM行配置和生成 C 代碼。FP-ATR-ASTRA1 軟件包擴展了 STM32Cube的功能，并可以直接安裝到 STM32CubeMX IDE 中。

圖 7 顯示了 STM32CubeMX 的 Shell：導航（左側和頂部），F(xiàn)P-ATR-ASTRA1包配置（中間），及其架構（右側）。FP-ATR-ASTRA1 包提供了三個用于定制的選項卡：［Platform Settings］、［Parameter Settings］ 和 ［ASTRA ENGINE］。

在配置好所有設置后，可通過按下 《Generate Code》 按鈕從 STM32CubeMX 生成代碼。之后，可以通過打開所需的 IDE來定制、編譯固件代碼并在電路板上閃寫。

生成的源代碼在硬件模塊和功能方面具有模塊化架構。硬件模塊管理是通過特定的定義 （USE_GNSS）
來識別的。函數(shù)在不同的文件中進行管理，例如系統(tǒng)初始化、狀態(tài)機配置或數(shù)據(jù)管理。

盡管文件樹非常復雜，但在用例的應用配置中僅涉及幾個文件：

App_astra.c/.h

此主文件為入口點，它在 MX_Astra_Init（） 中調(diào)用初始化函數(shù)（清單 1）

astra_confmng.c/.h

此板配置管理器包含了供用戶選擇的變量，以啟用/禁用每個硬件模塊及用例的實現(xiàn)和配置。

astra_datamng.c/.h

在此文件中，從傳感器和其他輸入收集的數(shù)據(jù)存儲在 RAM 中。它們已做好操作準備，例如，對數(shù)據(jù)運行特定的算法。

astra_sysmng.c/.h

在這里實現(xiàn)與系統(tǒng)有關的功能。主要功能包括命令行界面、按鈕回調(diào)、算法、LED、資產(chǎn)跟蹤用例管理和定時器管理。

SM_App.c/.h

這些文件包含狀態(tài)機的配置結構。

總結

資產(chǎn)跟蹤應用的開發(fā)是一個復雜的多步驟過程，但多功能 STEVAL-ASTRA1B開發(fā)平臺簡化了這項任務。由于板載了所有必要的硬件和軟件，它提供了一種快速、簡單的方法，在網(wǎng)絡界面或通過移動設備 App來可視化無線應答器記錄的數(shù)據(jù)。如上所述，開發(fā)人員只需使用靈活的配置工具，無需代碼編程便能根據(jù)其跟蹤或監(jiān)測應用定制此無線數(shù)據(jù)記錄器，或者也可以使用自動代碼生成器。