가축 모니터링, 기업 차량 관리 및 Industry 4.0 물류를 위한 다중 연결 추적 시스템을 설계하는 방법

실시간 자산 추적과 상태 모니터링은 가축 관리, 식품 및 의약품의 콜드 체인 보관, 차량 관리, Industry 4.0 유연한 생산 운영과 같은 농업 운영에 필수적인 요소입니다. 이는 환경 상태를 모니터링하기 위해 여러 센서가 수반되는 복잡한 공정으로, 정확한 위치 정보를 보장하기 위해 자산이 GPS, Galileo, Glonass, BeiDou, QZSS를 비롯한 다중 위성군 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 기능에 노출된다고 강조합니다. 또한 다중 연결 솔루션은 중앙 집중식 모니터링을 지원하기 위한 클라우드 연결을 비롯하여 주변 환경에 상관없이 자산의 위치와 상태를 적시에 전달합니다. 또한 배터리 전력에 대한 필요성을 최소화하기 위해 에너지 효율적이어야 하며 해킹으로부터 시스템을 안전하게 보호해야 합니다.

자산 추적 및 상태 모니터링 시스템을 설계하는 것은 많은 리소스와 시간을 수반하는 복잡하고 종합적인 작업입니다. 하드웨어 설계와 관련된 복잡성 이외에, 생성되는 풍부한 정보를 실행 가능한 형식으로 제공하려면 데이터를 클라우드에 안전하게 연결해야 합니다.

자산 추적 시스템을 설계할 때 빈 페이지에서 시작하는 대신, 설계자는 개발 키트로 전환한 후 설계를 참조하여 고급 자산 추적 응용 제품의 시제품 제작, 테스트 및 평가를 간소화할 수 있습니다. 이 기사에서는 자산 추적 및 상태 모니터링 시스템을 개발할 때 기타 고려할 사항과 GNSS, 센서 및 연결을 검토한 후 다양한 유형의 센서, GNSS 위치 지정 및 통신 기능을 포함하는 STMicroelectronics의 포괄적인 개발 키트에 대해 살펴봅니다. 이 키트에는 배터리, 배터리 수명 극대화를 위한 고급 전력 관리, 소프트웨어, 펌웨어 라이브러리, 응용 제품 개발 도구도 포함되어 있습니다.

자산의 위치

자산 추적의 첫 번째 단계는 NMEA(National Marine Electronics Association) 데이터 형식을 사용하여 현재 위치 정보를 수집하는 것입니다. NMEA는 모든 GPS 제조업체에서 상호 운용성 보장을 위해 사용하는 표준입니다. 표준 NMEA 메지시 형식은 문장이라고 부릅니다. NMEA는 다음을 비롯하여 다양한 유형의 정보를 제공하는 여러 문장을 정의합니다.

• GGA – 글로벌 포지셔닝 시스템 수정 데이터(3D 좌표, 상태, 사용된 위성 수 및 기타 데이터)
• GSA – 정밀도 저하(DOP) 및 능동 위성
• GST – 위치 오류 통계
• GSV – 시야 내 위성 수 및 각 위성의 의사 난수 잡음(PRN) 번호, 고도, 방위각 및 신호 대 잡음비
• RMC – 위치, 속도, 시간
• ZDA – UTC 일, 월, 연도 및 현지 표준 시간대 오프셋

NMEA를 사용하면 다양한 유형의 GPS 수신기에 공통 인터페이스를 사용할 수 있고 해당 문장을 사용하여 특정 데이터 세트에 쉽게 액세스할 수 있으므로 위치 소프트웨어 개발을 간소화할 수 있습니다.

정확도를 개선하는 방법

원시 GNSS 데이터는 제한된 위치 정확도만 제공합니다. GPS 항법 장비 온보드 선박에 정정 신호를 제공하는 DGPS(차동 글로벌 포지셔닝 시스템) 서비스와 같은 도구를 사용하여 위치 예측을 개선할 수 있습니다. DGPS는 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime) 프로토콜을 사용하여 향상된 위치 데이터를 제공합니다. 또한 미국의 광역 증강 시스템(WAAS), 유럽 정지 항법 오버레이 시스템(EGNOS), 아시아의 다기능 위성 증강 시스템(MSAS), GPS 지원 GEO 증강 항법(GAGAN), 인도의 지역 SBAS를 비롯한 위성 기반 증강 시스템(SBAS)을 사용하여 위치 정보의 정확도를 개선할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: TESEO LIV3F 다중 위성군 GNSS 수신기는 매우 정확한 위치 솔루션을 지원하기 위해 DGPS, SBAS, RTCM(왼쪽 하단)과 같은 도구 제품군을 포함합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

자산의 상태

대부분의 경우 자산의 위치를 아는 것은 퍼즐의 한 조각에 불과합니다. 자산의 물리적 상태와 자산이 이동 중인지 정지 상태인지 여부를 비롯하여 자산의 상태 정보를 수집하는 것이 중요할 수 있습니다. 필요에 따라 다음과 같은 다양한 센서를 배치할 수 있습니다.

• 온도 센서 - IATF 16949:2016 표준이 요구하는 대로 미국 국립표준기술원(NIST)에서 추적 가능하고 검증된 -40°C ~ +125°C 작동 범위, 높은 정확도 및 보정을 지원해야 합니다.
• 압력 센서 - 콤팩트하고 견고한 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 압전 저항 절대 센서를 260hPa ~ 1260hPa(또는 밀리바)의 절대 압력 범위를 가진 디지털 출력 기압계로 사용할 수 있습니다. 정확도가 뛰어나야 하며 온도 보정 기능이 있어야 합니다.
• 습도 센서 - -40°C ~ +120°C의 작동 온도 범위와 0% ~ 100%의 상대 습도(rH) 습도 측정 범위를 지원해야 합니다. 또한 20%rH ~ 80%rH 범위에서 ±3.5%rH의 정확도로 온도가 보정되어야 합니다.
• 관성 측정 장치(IMU) - 자산이 이동 중인지 정지 상태인지를 확인하기 위해 MEMS 기반 3D 가속도계와 3D 자이로스코프를 포함해야 합니다.
• 가속도계 - 자산의 충격 및 진동 노출을 측정합니다(예: MEMS 기반 3축 선형 가속도계).

보안 연결

자산의 위치와 상태가 확인된 경우 해당 정보를 전달해야 합니다. 경우에 따라 장거리 보안 연결과 단거리 보안 연결을 조합해야 할 수 있습니다. STMicroelectronics의 STEVAL-ASTRA1B 다중 연결 자산 추적 플랫폼의 경우 다음을 비롯하여 메인 기판의 여러 시스템 요소에서 연결 및 보안을 지원합니다(그림 2).

• STM32WB5MMG는 STM32WB 이중 코어 Arm® Cortex®-M4/M0+, 수정 및 칩 안테나를 정합 회로망와 통합하는 인증된 2.4GHz 무선 모듈입니다. 이 소자는 Bluetooth 저에너지(BLE) 스택을 포함하고 Open Thread, Zigbee 및 기타 2.4GHz 프로토콜을 지원합니다.
• STM32WL55JC는 장거리 무선 연결을 제공합니다. 또한 이중 코어 Arm Cortex-M4/M0+를 포함하고 GFSK, LoRa 등과 같은 프로토콜을 지원합니다. 표준 버전의 RF 프런트 엔드는 868MHz, 915MHz 및 920MHz 대역을 지원합니다. 일부 부품을 변경하여 모듈에서 더 낮은 주파수를 지원할 수 있습니다.
• STSAFE-A110 보안 소자는 안전한 데이터 관리와 인증을 위해 STM32WB5MMG에 연결됩니다. 이 소자는 자산 추적과 같은 사물 인터넷(IoT) 네트워크를 지원하도록 설계되었으며 보안 운영 체제와 보안 마이크로 컨트롤러를 포함합니다.

그림 2: STEVAL-ASTRA1B 자산 추적 플랫폼의 메인 기판에는 단거리 연결용 STM32WB5MMG, 장거리 연결용 STM32WL55JC, 보안 작업용 STSAFE-A110이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

자산 추적 개발 환경

자산 추적 응용 제품 개발자는 고급 자산 추적 시스템의 시제품 제작, 테스트, 평가를 용이하게 해주는 STMicroelectronics의 STEVAL-ASTRA1B 하드웨어 및 소프트웨어 개발 키트와 참조 설계로 전환할 수 있습니다(그림 3). STEVAL-ASTRA1B는 단거리 연결과 장거리 연결(BLE, LoRa, 2.4GHz 및 1GHz 미만 독점 프로토콜)을 위해 결합되는 STM32WB5MMG 모듈 및 STM32WL55JC SoC를 기반으로 구축되었습니다. NFC 연결의 경우 ST25DV64K를 사용할 수 있습니다. STSAFE-A110은 보안 작동을 지원하고, Teseo-LIV3F GNSS 모듈은 실외 포지셔닝을 제공합니다.

그림 3: STEVAL-ASTRA1B 플랫폼에는 고급 추적 시스템을 개발하는 데 필요한 모든 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어 도구가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

GNSS 포지셔닝 수신기는 GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS, NavIC(IRNSS) 등 6개 시스템과 호환됩니다. 또한 이 시스템은 WAAS, EGNOS, MSAS, WAAS 및 GAGAN SBAS를 지원합니다. 전파 방해 방지를 위해 노치 필터가 포함되어 있습니다.

상태 모니터링을 위해 다음과 같은 광범위한 센서가 포함되어 있습니다(그림 4).

• STTS22HTR – -40°C ~ +125°C의 작동 범위, ±0.5°C의 최대 정확도(-10°C ~ +60°C 기준), 16비트 온도 데이터 출력을 지원하는 디지털 온도 센서입니다. 보정은 NIST 추적 가능하며, 장치는 IATF 16949:2016 표준에 따른 장비 보정과 함께 100% 테스트되고 검증됩니다.
• LPS22HHTR – MEMS 압전 기압 절대 압력 센서이며,
• 260hPa ~ 1260hPa의 절대 압력을 측정할 수 있는 디지털 출력 기압계로 사용됩니다. 0.5hPa의 절대 압력 정확도와 0.65Pa의 낮은 압력 센서 잡음을 지원하여 24비트 압력 데이터 출력을 생성합니다.
• HTS221TR – 상대 습도 및 온도 센서입니다. 0%rH ~ 100%rH를 측정할 수 있으며 0.004%의 rH/최하위 비트(LSB) 민감도, ±3.5%의 rH 습도 정확도(20%rH ~ +80%rH 기준), ±0.5°C의 온도 정확도(+15°C ~ +40°C 기준)가 지원됩니다.
• LIS2DTW12TR – 사용자가 선택할 수 있는 전체 범위(±2g/±4g/±8g/±16g)에서 1.6Hz ~ 1600Hz의 출력 데이터 전송률로 가속도를 측정할 수 있는 MEMS 3축 선형 가속도계 겸 온도 센서입니다.
• LSM6DSO32XTR - 전체 범위 ±4g/±8g/±16g/±32g와 각도 범위 ±125dps/±250dps/±500dps/±1000dps/±2000dps를 지원하는 상시 작동 32g 3D 디지털 가속도계와 3D 디지털 자이로스코프를 포함하는 IMU 모듈입니다.

그림 4: STEVAL-ASTRA1B의 메인 기판에는 전체 범위 센서(왼쪽), 시스템 기판(노란색 상자) 및 GNSS 연결 소자(TESEO LIV3F 및 안테나 오른쪽 하단)가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

전력 관리는 무선 추적 장치에 중요합니다. 긴 배터리 수명을 보장하기 위해 STEVAL-ASTRA1B에는 다음과 같은 포괄적인 전력 관리 부품이 포함되어 있습니다.

• ST1PS02D1QTR - 1.8V ~ 5.5V의 입력 전압 범위, 500nA의 입력 정동작 전류(3.6V 입력 전압), 92%의 일반 효율을 지원하는 400mA 동기식 강압 컨버터입니다.
• STBC03JR - 정전류/정전압(CC/CV) 충전 알고리즘, 150mA 저드롭아웃 조정기(LDO), 단극 쌍투(SPDT) 부하 스위치 2개 및 회로망을 사용하여 결함 조건에서 배터리를 보호하는 단일 전지 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 위한 선형 배터리 충전기 섹션을 포함하는 배터리 전력 관리 및 충전기 IC입니다.
• TCPP01-M12 - USB Type-C® 포트 보호 IC로서, 5V ~ 22V 사이에서 조정 가능한 VBUS 과전압 보호(외부 N채널 MOSFET 사용), VBUS 단락에 대해 CC 라인에서 6.0V 과전압 보호(OVP), IEC 61000-4-2 레벨 4를 준수하는 CC1 및 CC2 커넥터 핀을 위한 시스템 수준 정전기 방전(ESD) 보호를 포함합니다.

소프트웨어 및 펌웨어 라이브러리

STEVAL-ASTRA1B를 사용하여 자산 추적 응용 제품을 개발하는 데 필요한 광범위한 소프트웨어 및 펌웨어가 포함되어 있거나 사용 가능합니다. 그 예는 다음과 같습니다.

• FP-ATR-ASTRA1 기능 팩은 전체 자산 추적 응용 제품을 구현하며 STEVAL-ASTRA1B에 포함되어 있습니다. 이 기능 팩은 GNSS 수신기에서 포지셔닝 데이터를 가져오고, 환경 및 모션 센서에서 데이터를 판독한 후, BLE 및 LoRaWAN 연결을 사용하여 해당 데이터를 클라우드에 전송합니다. 기업 차량 관리, 가축 모니터링, 제품 모니터링 및 물류에 대한 맞춤형 사용 사례가 포함되어 있습니다.
• STAssetTracking 애플리케이션은 BLE, Sigfox 또는 NFC 지원 자산 추적 장치를 원격으로 구성할 수 있습니다. 또한 특정 센서에 대한 데이터 로깅을 지원하고 로깅을 시작 및 중지하는 임계값 트리거를 설정할 수 있습니다.
• DSH-ASSETRACKING 대시보드는 GNSS 위치 서비스와 모션 및 환경 센서에서 데이터를 수집, 시각화, 분석하는 데 최적화된 직관적인 인터페이스를 제공하는 AWS(Amazon Web Services) 기반 클라우드 애플리케이션입니다. 이 대시보드는 실시간 또는 이전 위치 데이터 및 센서 값을 표시하고 환경 조건 및 이벤트를 모니터링할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: DSH-ASSETRACKING 대시보드는 자산 추적을 위한 AWS 기반 클라우드 애플리케이션입니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

요약

자산 추적은 가축 모니터링, 기업 차량 관리, 물류 등에 필요한 중요하고 복잡한 기능입니다. 위에서 살펴본 바와 같이 STMicroelectronics의 STEVAL-ASTRA1B 하드웨어 및 소프트웨어 개발 키트와 참조 설계에는 고성능 자산 추적 장치 설계를 가속화하는 데 필요한 GNSS 위치 서비스, 전범위 환경 및 모션 센서, 전력 관리, 전범위 소프트웨어 및 펌웨어가 포함되어 있습니다.