原標題：如何有效實施多連接資產跟蹤應用程序

　　先進的資產跟蹤應用程序，如牲畜監控、車隊管理和物流，自動捕獲被跟蹤對象的當前狀態信息和位置坐標。內置應答器將其日志記錄數據中繼到云，并使其可用于控制中心或移動設備。在工廠車間，通常需要短距離無線數據更新來交換物流數據、過程歷史記錄和監控數據、更改配置或在應答器存儲器中執行固件更新。

　　此類資產跟蹤系統的開發人員面臨著設計多功能傳感器應答器的挑戰，該應答器通過各種長距離和短程無線電協議進行通信，收集各種測量數據，無需更換電池即可運行數月，并通過互聯網服務提供所有數據。此外，設計人員必須在降低成本和縮短上市時間的同時完成所有這些工作。

　　雖然任務的艱巨性可能令人不知所措，但設計人員可以通過使用已經集成了許多所需硬件和軟件的開發套件來節省大量時間和精力。

　　本文討論了跨多個應用程序的高級資產跟蹤的技術要求。然后，它介紹了一個多功能開發套件，來自 意法半導體 這大大減少了原型設計、測試和評估所需的工作量。它提供了對開發套件關鍵功能特性的洞察，并展示了開發人員如何輕松定制組合片上系統 (SoC) 模塊的功能，而無需編碼，然后從云中檢索和可視化數據。

　　無線測量應答器的特點

　　資產跟蹤具有廣泛的應用領域，每個領域都需要非常具體的應答器和鏈接網絡技術設備。圖 1 列出了無線測量應答器在四個應用類別中的技術特性。

　　圖 1：無線測量應答器的功能取決于資產跟蹤應用。(圖片來源：意法半導體)

　　隨物體攜帶的自主應答器必須檢測環境影響、物體的位置和狀態(傳感，圖 1)，存儲它，并在下一次機會通過各種無線接口中的任何一個廣播它(連接)。信號處理和轉換為各種無線協議必須由具有高度數據安全性(“處理和安全”)的足夠強大的微控制器(MCU)處理。MCU還控制能量管理(“電源管理”)，從而確保應答器電池具有較長的使用壽命。

　　資產跟蹤應用程序所需的數據可用性會影響傳感器的復雜性，并需要適當的連接。對于可預測的已知運輸路線，例如包裹遞送，只需將測量信號存儲在應答器中就足夠了。然后，可以在下一個物流檢查站使用藍牙低功耗 (BLE) 或近場通信 (NFC) 近距離讀取數據。

　　在車隊管理以及物流和長距離牲畜監控的情況下，應盡可能接近實時地從應答器通過云傳輸到最終用途應用程序的數據傳輸。因此，應答器需要一個移動無線電接口來覆蓋廣泛的范圍。選項包括 LoRaWAN (遠程， 廣域網)， Sigfox， 和窄帶物聯網 (NB-IoT) 因為這些協議針對低吞吐量進行了優化， 節能數據傳輸.

　　完整的資產跟蹤生態系統，減少開發工作量

　　希望以經濟和省時的方式實現其資產跟蹤應用程序(ASTRA)的系統設計人員可以使用多功能 STEVAL-ASTRA1B 意法半導體的開發平臺。該平臺包含多個IC和SoC模塊，大大簡化了創新跟蹤和監控解決方案的原型設計、編程、測試和評估。該開發套件包括模塊化評估板、固件庫、編程工具和電路文檔，以及用于移動設備的應用程序和基于 Web 的可視化界面(圖 2)。

　　圖 2：即用型資產跟蹤生態系統從無線測量應答器擴展到云再到最終應用，從而減少了開發工作。(圖片來源：意法半導體)

　　STEVAL-ASTRA1B板基于兩個低功耗SoC模塊，用于短距離和遠程連接以及NFC。板載包括一個用于數據安全功能的模塊。載板具有多個環境和運動傳感器，以及提供位置坐標并啟用地理圍欄的全球導航衛星系統(GNSS)模塊。電源管理系統調節所有設備組件的操作模式并控制電源。電源由開關轉換器、電池和USB-C充電控制器組成，以盡可能延長電池壽命。交付后，該套件包括一個 480 毫安小時 (mAh) 鋰聚合物 (Li-Poly) 電池、一個外殼、一個 SMA 天線 (LoRa) 和一個 NFC 天線。

　　STEVAL-ASTRA1B板的IC和SoC包括：

　　兩個無線 SoC：

　　STM32WB5MMGH6TR：此SoC模塊基于2.4千兆赫(GHz)無線超低功耗 手臂? Cortex-M4?/M0+ MCU作為主應用處理器，支持802.15.4、BLE 5.0、Thread和Zigbee。

　　STM32WL55JCI6：該無線SoC基于無線超低功耗Arm Cortex M0+ MCU，支持低于1千兆赫(GHz)(150 - 960兆赫(MHz))的LoRa，Sigfox和GFSK

　　ST25DV64K-JFR8D3： NFC發射器

　　特西奧-LIV3F：具有同步多星座的GNSS模塊

　　環境和運動傳感器：

　　STTS22HTR：數字溫度傳感器;-40 至 125°C

　　LPS22HHTR：壓力傳感器;26 至 126 千帕 (kPa)，絕對

　　高溫超導221TR：濕度和溫度傳感器;0 至 100% 相對濕度 (RH) I2C， SPI ±4.5% 相對濕度

　　LIS2DTW12TR：加速度計X，Y，Z軸;±2 克、4 克、8 克、16 克 0.8 赫茲 (Hz) 至 800 赫茲

　　LSM6DSO32XTR： 加速度計、陀螺儀、溫度傳感器 I2C、SPI 輸出

　　STSAFE-A110：安全元件

　　采用智能電源管理架構的電池供電解決方案：

　　ST1PS02BQTR： 降壓開關穩壓器IC;正可調，1.8 伏，1 路輸出，400 毫安 (mA)

　　機頂盒03JR： 鋰離子(Li-ion)或鋰聚合物電池充電器IC

　　TCPP01-M12： USB Type-C 和供電保護

　　該評估板的工作溫度范圍為+5至35°C，使用以下頻段：

　　BLE：2400 MHz 至 2480 MHz，+6 分貝，參考 1 毫瓦 (dBm)

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

　　全球導航衛星系統(接收器)：1559 MHz 至 1610 MHz

　　NFC： 13.56兆赫

　　STEVAL-ASTRA1B的內部結構

　　ASTRA應答器的行為類似于數據記錄器，并將其數據流分為三個主要塊，每個塊由硬件和軟件驅動程序以及應用層組成(圖3)。數據輸入(圖3，左)捕獲所有板載傳感器信號。中央塊(圖 3，中心)處理和存儲數據。最后，對存儲的數據進行無線廣播(圖3右)。在重新配置、固件更新或寫入過程/物流數據的情況下，信號流以相反的方向運行。

　　圖 3：無線測量應答器的數據流：傳感器信號(左)被處理、存儲(中)，然后在機會出現時發送(右)。(圖片來源：意法半導體)

　　這 FP-ATR-ASTRA1 固件擴展了意法半導體的STM32Cube開發環境，并實現了完整的資產跟蹤應用，支持遠程(LoRaWAN、Sigfox)和短距離(BLE、NFC)連接。該功能包從環境和運動傳感器讀取數據， 檢索 GNSS 地理定位， 并通過 BLE 將所有內容發送到移動設備， 并通過 LoRaWAN 連接并行到云.

　　FP-ATR-ASTRA1封裝支持低功耗配置文件，以確保較長的電池壽命，從而實現最大的續航時間。它還提供關鍵功能，例如安全元素管理、添加自定義算法的能力、調試接口和擴展功能。

　　軟件包分為;文檔、驅動程序和 HAL、中間件和示例項目。這些項目包括Keil、IAR和STM32Cube集成開發環境(IDE)的源代碼和編譯二進制文件。以下五個預定義用例可單獨配置：車隊管理、牲畜監控、貨物監控、物流和定制。

　　STEVAL-ASTRA1B作為一個簡單的狀態機運行，根據事件改變其操作模式。兩種主要狀態設計用于完全運行(運行)或低功耗(LP)。在運行模式下，所有功能都處于活動狀態，并且所有數據都按配置進行廣播。在 LP 狀態下，除 MCU 外，所有組件均設置為低功耗模式或禁用(圖 4)。

　　圖 4：STEVAL-ASTRA1B 的兩種主要操作模式是完全操作(運行)或 LP 模式。(圖片來源：意法半導體)

　　按下側鍵會觸發兩種狀態之間的轉換。另一個輸入可以是微機電系統(MEMS)事件的輸出或算法的結果。這只是如何實現狀態機以更改設備行為的一個示例。還可以實現多個中間狀態，以平衡系統響應能力和電池壽命。

　　可能的事件是

　　BP：按鈕按下事件

　　SD：關機事件

　　ER：錯誤事件

　　EP：自動過渡到下一步

　　RN：轉到完整運行命令

　　LP：轉到低功耗命令

　　檢索和可視化云數據

　　STEVAL-ASTRA1B應答器預裝了FP-ATR-ASTRA1固件包，因此可以在幾分鐘內可視化環境測量信號和GNSS位置數據。

　　使用 STAssetTracking 智能手機和平板電腦的移動應用程序， 啟用藍牙并連接到互聯網， 轉發器通過 myst.com 用戶帳戶在 TTN (物聯網) V3 網絡服務器上注冊為 LoRaWAN 參與者.它還鏈接到 DSH-ASSETRACKING 亞馬遜網絡服務 (AWS) 上的 Web 控制面板。

　　TTN注冊后，STEVAL-ASTRA1B將顯示在移動應用程序的更新設備列表中。按下<設置>菜單中的“開始同步”按鈕可激活應答器的傳輸模式，以便它通過BLE和LoRaWAN并行發送存儲的數據.移動應用程序可以在儀表板上顯示內存中的測量數據，并輸出應答器的GNSS位置或將其顯示為地圖上的標記(圖5)。

　　圖 5：移動應用程序有助于在 TTN 上注冊應答器并將其鏈接到云儀表板;它可視化記錄的傳感器值，并協助配置和調試。(圖片來源：意法半導體)

　　除了ASTRA應答器之外，網絡儀表板還可以聚合許多其他獨立的無線跟蹤器，例如 P-L496G-電池02 (LTE) 和 核苷酸-S2868A2 (Sigfox 射頻發射器)或互聯網耦合節點，例如 STEVAL-SMARTAG1 (無線網絡)， STEVAL-MKSBOX1V1 (BLE終端節點)和 STEVAL-SMARTAG1 (NFC 終端節點)在云中。這使得基于云的多協議無線生態系統的開發成為可能。

　　個性化配置和編程

　　在初始調試期間成功評估 ASTRA 應答器的出廠設置后，下一步是開發人員根據自己的資產跟蹤應用程序定制應答器。

　　對于沒有額外硬件的小型定制工作，通過BLE和移動應用程序配置各種參數和功能可能就足夠了(按移動應用程序中的“錘子和扳手”圖標，圖5)。

　　配置項目的另一種方法是使用命令行和調試控制臺。當PC終端程序(例如，Tera Term)通過虛擬COM端口通過USB進行通信時，移動設備使用STBLESensor(ST BLE傳感器)應用程序，并通過BLE進行網絡(圖6)。

　　圖 6：PC 上的命令行和調試控制臺(左)和移動設備(右)。(圖片來源：意法半導體)

　　要重新編程ASTRA板，就像固件更新，集成其他庫功能或生成開發人員自己的應用程序代碼一樣，通過JTAG接口訪問很方便。為此，單獨可用的 STLINK-V3MINIE 調試和編程適配器通過 14 針帶狀電纜連接到 ASTRA 板。然后，安裝在PC上的Keil，IAR或STM32Cube等IDE可以將編譯的二進制文件寫入應用程序存儲器或調試程序序列。

　　STLINK-V3MINI還提供虛擬COM端口接口，允許主機PC通過UART與目標微控制器進行通信。

　　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引導加載程序將二進制文件寫入閃存

　　PC上的STM32Cube編程器使用USB和MCU引導加載程序將二進制文件寫入閃存

　　無線固件升級(FUOTA)是通過BLE使用移動設備上的STBLESensor應用程序完成的

　　由于應用控制器STM32WL55JC (LoRaWAN)充當STM32WB5MMG (BLE)的主控制器，因此必須通過跳線選擇要刷新的相應MCU內核。

　　使用STM32CubeMX進行圖形化軟件配置

　　STM32Cube通過減少開發工作量、時間和成本，讓開發人員的生活更輕松。IDE涵蓋了整個STM32 MCU產品組合。另外 STM32立方體MX 允許使用圖形向導配置和生成 C 代碼。FP-ATR-ASTRA1軟件包擴展了STM32Cube功能，可以直接安裝到STM32CubeMX IDE中。

　　圖7顯示了STM32CubeMX外殼：導航(左和上)，FP-ATR-ASTRA1包配置(中)及其架構(右)。FP-ATR-ASTRA1包提供了三個用于自定義的選項卡：[平臺設置]，[參數設置]和[ASTRA引擎]。

　　圖7：使用STM32CubeMX工具的圖形軟件配置：導航(左上)，FP-ATR-ASTRA1包配置(中)及其架構(右)。(圖片來源：意法半導體)

　　配置完所有設置后，只需按<生成代碼>按鈕即可從STM32CubeMX生成代碼。通過打開所需的IDE，可以在電路板上自定義、編譯和刷新固件代碼。

　　生成的源代碼在硬件塊和功能方面具有模塊化架構。硬件塊管理通過特定定義 (USE_GNSS) 進行標識。函數在不同的文件中管理，例如系統初始化、狀態機配置或數據管理。

　　盡管文件樹很復雜，但用例的應用程序配置中只涉及少數文件：

　　app_astra.c/.h

　　此主文件是入口點，它在 MX_Astra_Init() 中調用初始化函數(清單 1)

　　清單 1：此 MX_Astra_Init() 函數用于系統初始化。(上市來源：意法半導體)

　　astra_confmng.c/.h

　　該板配置管理器包含用戶選擇的變量，用于啟用/禁用每個硬件模塊以及用例實現和配置。

　　astra_datamng.c/.h

　　在此文件中，從傳感器和其他輸入收集的數據存儲在RAM中。它們已準備好縱，例如，對數據運行特定算法。

　　astra_sysmng.c/.h

　　在這里，實現了與系統相關的功能。主要功能是命令行界面、按鈕回調、算法、LED、資產跟蹤用例管理和計時器管理。

　　SM_APP.c/.h

　　這些文件包含狀態機的配置結構。

　　結論

　　資產跟蹤應用程序開發是一個復雜的多步驟過程，但多功能STEVAL-ASTRA1B開發平臺簡化了任務。憑借所有必要的硬件和軟件，它提供了一種快速簡便的方法，可以在Web界面中或通過移動設備應用程序可視化無線應答器的記錄數據。如圖所示，開發人員可以使用靈活的配置工具簡單地將這款無線數據記錄器定制為跟蹤或監控應用，而無需代碼編程，或者他們可以使用自動代碼生成器。