PlacePod – парковочный датчик на базе STM32

Благодаря контроллеру STM32L071, Bluetooth-модулю SPBTLE-RF и программным платформам, разработанным STMicroelectronics, компании PNISensor удалось создать интеллектуальный датчик парковки с автономным питанием, который в ближайшем будущем существенно облегчит водителям поиск места стоянки.

PlacePod – интеллектуальный датчик парковки, созданный компанией PNI Sensor на базе микроконтроллера STM32L0. Использование STM32L0 помогает увеличить срок службы батареи. Несмотря на то, что PlacePod имеет компактные размеры и умещается на ладони, он точный, надежный и быстрый. Датчик может быть установлен как на дорожном полотне, так и под ним. При обнаружении припаркованного автомобиля он немедленно отправляет сигнал в облачную систему, используя субгигагерцевую сеть, например, LoRa или Sigfox (рисунок 1).

Рис. 1. При обнаружении припаркованного автомобиля PlacePod отправляет сигнал в облачную систему
В дальнейшем предполагается создание приложений, использующих информацию, получаемую от датчиков, для помощи автомобилистам, которые ищут место для стоянки. Такие приложения помогут сократить время, затрачиваемое на поиск парковочных мест, повысив тем самым эффективность вождения и уменьшив объем выхлопных газов. Наконец, PlacePod функционирует в широком температурном диапазоне, что гарантирует надежную работу на открытом воздухе независимо от погодных условий. В настоящий момент датчики PlacePods производства PNI уже установлены в Монреале, в Калифорнийской долине и в Британской Колумбии.

Одна из главных отличительных особенностей PlacePod заключается в использовании магнитоиндуктивного датчика RM3100 производства компании PNI. Разработка такого датчика началась в 1989 году при поддержке правительства США. Тогда перед компанией была поставлена задача по созданию защиты от различных электромагнитных помех, в частности – от линий электропередач и метро. Базовым компонентом RM3100 является индуктивность с насыщаемым сердечником, который обеспечивает стабильные и точные измерения вне зависимости от факторов окружающей среды. После многих лет доработок датчик обрел широчайший динамический диапазон и отличное соотношение «сигнал/шум». Еще одним важным элементом PlacePod является сопроцессор SENtral от PNI (рисунок 2). Этот сопроцессор представляет собой специализированную интегральную схему (ASIC), которая напрямую взаимодействует с датчиком RM3100 и обрабатывает получаемые данные с использованием запатентованных алгоритмов. Кроме того, компания PNI воспользовалась тремя технологиями от STMicroelectronics для создания экосистемы, которая могла бы в полной мере реализовать все достоинства RM3100.

Рис. 2. PlacePod с раскрытым корпусом позволяет оценить внешний вид печатной платы

PlacePod в STM32CubeMX
PNI и ST имеют давнюю историю взаимодействия, но использование микроконтроллера ST в составе PlacePod является прямым следствием доступности таких инструментов разработки как, например, платформа STM32CubeMX, которая изменила всю концепцию создания прототипов. Руководитель конструкторского отдела Джо Миллер поясняет:

– Я установил спящий режим, настроил тактовую частоту, различные выходы и интерфейсы, такие, например, как SPI, UART и I²C, проверил режим ожидания. После этого я просто сгенерировал заголовочные файлы и передал их разработчикам программного обеспечения. В результате я оптимизировал потребление энергии на основе бюджета мощности с учетом количества инструкций, необходимых для запуска. В дальнейшем это помогло программистам эффективно создать свое приложение вокруг этого каркаса.

Как правило, программисты стараются оптимизировать код таким образом, чтобы контроллер максимально быстро выполнял необходимые команды и возвращался обратно в спящий режим. Однако разработчики из PNI знают, что бывают случаи, когда с точки зрения затрат мощности выгоднее использовать меньшую тактовую частоту, несмотря на то, что это приведет к увеличению длительности выполнения операций. STM32CubeMX позволяет упростить расчет потребления и помогает разработчикам найти оптимальное соотношение производительности и мощности.

Независимо от того, создает ли разработчик систему управления двигателем, интеллектуальный графический калькулятор с высокой оптимизацией кода или датчик парковки, применение STM32CubeMX гарантирует экономию времени и быструю генерацию проверенных файлов конфигурации. Множество опций и графический пользовательский интерфейс упрощают настройку тактовых частот, портов ввода-вывода и прочих блоков микроконтроллера.

От Nucleo Board к PlacePod
Как и во многих других проектах, история датчика PlacePod началась с использования платы Nucleo, с помощью которой инженеры смогли разработать базовую концепцию будущего продукта. В этом конкретном случае прототип на базе Nucleo был лишь отправной точкой и просуществовал недолго. Конечное приложение требовало иной конфигурации выводов микроконтроллера. В итоге было решено перейти на собственную печатную плату, что, учитывая большой опыт работы с продуктами ST, не составило для разработчиков компании PNI большого труда. Тем не менее, плата Nucleo и открытая документация, доступная на веб-сайте ST, серьезно помогли инженерам. В итоге компания PNI Sensor создала плату, в которой отсутствовали ненужные элементы, в частности – интерфейс Arduino, и быстро протестировала ее конфигурацию с помощью STM32CubeMX.

Главным преимуществом такого подхода является то, что команда PNI Sensor на самых ранних этапах разработки убедилась, что в их распоряжении есть все, что нужно для успешного создания конечного продукта. Это придало разработчикам уверенности и помогло сосредоточиться непосредственно на реализации датчика. Другим преимуществом стала возможность быстрого перехода между различными микроконтроллерами семейства STM32L0. В самом начале использовался микроконтроллер STM32L073, но поскольку датчик не требовал контроллера ЖК-дисплея, в итоге было решено перейти на STM32L071, что позволило дополнительно упростить схему. Обычно смена контролера становится сложной задачей, но в данном случае STM32L073 и STM32L071 имеют повыводную совместимость, что максимально упрощает процесс миграции в рамках STM32CubeMX.

BlueNRG-MS в PlacePod
PlacePod использует и другие компоненты ST, одним из которых стал SPBTLE-RF. SPBTLE-RF представляет собой модуль Bluetooth 4.1, который включает в себя процессор BlueNRG-MS, симметрирующие трансформаторы, фильтры и антенны. Данный модуль представляет собой законченное и сертифицированное решение. Джо Миллер рассказал:

– Мы рады, что благодаря этому модулю от ST нам не пришлось тратить силы на разработку радиоинтерфейса. SPBTLE-RF имеет сертификаты CE, TELEC, BQE и FCC. Мы не производили трассировку ВЧ-платы, а воспользовались готовым решением. Кроме того, мы получили помощь в разработке напрямую от ST. Наши инженеры общались со специалистами этой компании по телефону и по электронной почте, и смогли легко реализовывать функцию обновления Over-The-Air (OTA).

Рис. 3. Варианты установки PlacePod
PNI Sensor использует систему OTA для обновления прошивки модуля BlueNRG-MS, а также микроконтроллера и ASIC-датчика RM3100. Следовательно, если возникнет необходимость в обновлении прошивки или калибровке датчика, можно отправить программный код с помощью OTA, чтобы исправить любую проблему в рекордно короткие сроки. С помощью OTA удается обойтись без прямого физического контакта с PlacePod, что имеет решающее значение для датчиков, которые предполагают автономную работу под землей в течении 10 лет (рисунок 3). Кроме того, модуль теперь совместим с Bluetooth Mesh, поэтому в ближайшее время компания PNI Sensor сможет воспользоваться новым стандартом.

Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2018/10/6-placepod-parkovochnyiy-datchik-na-baze-stm32