資產追蹤與智慧標籤定位的一體化模組

本文敘述整合支援窄頻物聯網 （NB-IoT）、全球導航衛星系統 （GNSS） 和 Wi-Fi定位的一體化模組，使其成為智慧標籤、資產追蹤器等應用領域最靈活的設備。使得工程師能夠將感測器直接連接到模組應用，從而擴展了其應用範圍，並簡化了整體設計。

ST87M01是首款支援窄頻物聯網（NB-IoT）、全球導航衛星系統（GNSS）和Wi-Fi定位（ST87M01-1301型號）的模組，使其成為智慧標籤、資產追蹤器等應用領域最靈活的設備。它還整合了一個額外的類比數位轉換器（ADC），使工程師能夠將兩個感測器直接連接到模組，從而極大地擴展了其應用範圍，並簡化了整體設計。此外，ST87M01系列裝置已獲得RED和RED-DA認證，其中RED-DA 認證在歐盟已成為強制性要求。簡而言之，這意味著即使解決方案的使用壽命很長，工程師也不必擔心最新的網路安全要求。

NB-IoT資產追蹤與智慧標籤設備的設計挑戰

圖一 : 寵物身上的智慧標籤

選擇哪種無線協定？

在開發追蹤應用程式或智慧標籤時，無線協定的選擇是最大的挑戰之一。這項決定對整體設計至關重要，而且一旦選定就很難更改。

工程團隊選擇的標準將對電池續航時間、系統可傳輸的資料類型、資料傳輸頻率、整體佔用空間等許多方面產生影響。這也是為什麼這些系統通常支援多種無線平台的原因之一，例如使用藍牙實現更即時的用戶通信，以及使用GNSS獲取位置資料。

然而，問題在於，這樣的選擇也存在著嚴重的限制。例如，在藍牙-GNSS架構中，由於缺乏蜂窩網路連接，將資料傳送到雲端變得十分困難。

當然，設計人員也可以選擇二維碼或NFC標籤，它們有助於追?，並且顯然有其用武之地。然而，這兩種方法都需要靠近資產，這並非總是可行。

當企業需要遠端監控資產或透過雲端與智慧標籤通訊時，就必須依賴遠距離無線協定。二維碼的穩定性也可能不足。由於貼上位置不佳，二維碼容易被刮花或難以辨認，這會嚴重影響操作效率，甚至造成混亂。

此外，二維碼也無法動態更新，而動態更新功能在某些情況下可能至關重要，例如在追蹤對溫度要求嚴格的資產時。

多無線電複雜性：需要支援多少種無線協定？

另一個工程難題在於，支援的協議數量越多，物料清單和整體複雜性往往就越高，這也是工程師們不傾向於「一股腦兒全塞進去」的原因。例如，到目前為止，添加GNSS、藍牙、NB-IoT和Wi-Fi定位意味著需要添加多個SoC、調整多個天線、處理大量的中間件，並面臨各種開發和認證方面的挑戰。

而且這還沒考慮到功耗問題，功耗往往會迅速增加，這對於大多數體積小、電池供電且需要在有時惡劣的環境下持續運行數年的設備來說，無疑是個大問題。

資產追蹤普及化的另一個障礙在於，每個應用場景都需要客製化系統。智慧標籤的需求通常與人員追蹤系統不同，而人員追蹤系統本身又與其他動物或資產追蹤產品有所區別。每個應用場景都有其獨特的考慮因素和特殊情況，這意味著團隊很難對單一設計進行跨多個應用場景的驗證和認證。

因此，考慮到不同的應用場景，成本往往會飆升，團隊需要管理的設備數量也遠遠超出其營運所需。簡而言之，當如此多的市場都只是「小眾」應用時，很難實現規模經濟。

智慧城市和工業的整合連接和定位

整合了NB-IoT功能的硬體，可選配GNSS和Wi-Fi功能

ST87M01的獨特之處在於它是業界首款集NB-IoT、GNSS和Wi-Fi 定位功能於一體的晶片（ST87M01-1301）。此外，還提供僅支援NB-IoT的版本（ST87M01-1001），以滿足那些僅需蜂窩協議並希望降低物料成本的用戶的需求。

智慧計量和工業物聯網應用通常不需要衛星或 Wi-Fi 定位功能。透過提供多個版本，我們確保設計人員可以選擇最具成本效益和能源效率的裝置。ST87M01的這些版本也意味著工程師可以重複使用現有設計，並為客戶提供更多選擇。

使用AT指令進行實際的連線切換

ST這款新裝置透過AT指令公開無線標準。這是大多數開發人員都非常熟悉的常用方法，因為它不僅簡化了編排，還提高了程式碼的可讀性和編寫速度。

透過AT命令，開發人員可以使用條件循環啟用或停用相應的無線標準，從而實現自動化。例如，應用程式可以在蜂窩網路連線中斷時啟用GNSS，或在衛星訊號不可用時使用Wi-Fi定位。這意味著設計人員可以避免複雜的射頻切換，並優化程式碼以滿足嚴格的連接需求和功耗要求。

最佳化架構，低功耗，配備兩個ADC

提供一體化解決方案意味著降低功耗和縮小尺寸。 ST87M01提供低功耗模式，功耗低至 1.2 μA，關機模式功耗僅 0.5 μA。儘管支援多種無線協議，ST87M01 的尺寸僅為 10.6 mm x 12.8 mm。該封裝甚至還包含一個額外的 ADC，因此工程師可以添加溫度計、壓力感測器或陀螺儀，從而獲取更多關於被測對象及其環境的資訊。此外，由於自主生產ST87M01，因此能夠掌控供應鏈，產品讓客戶更信賴。

越來越多應用依賴遠距離連接

圖二 : 室內智慧資產追蹤

資產追蹤

目前，我們看到市場對資產追蹤應用最為關注。ST87M01模組功耗極低，卻能同時支援GNSS和蜂窩網絡，可將資料傳輸至雲端，使其具有極高的靈活性。

此外，Wi-Fi定位功能意味著即使在GNSS訊號不可用時（例如資產位於建築物內或GNSS無訊號區域），也能提供位置資料。所有這些協議都易於訪問，這意味著單一設計即可滿足多種不同資產的需求，從而極大地提升了整個系統的可擴展性。

智慧標籤和智慧城市

我們也看到一些新興應用，例如用於商品或動物追蹤的智慧標籤。事實上，智慧標籤的應用方式多種多樣，例如可以將其貼在動物身上或體內，以便更好地進行牲畜管理或進行保護工作。

同樣的，智慧城市也受益於NB-IoT的超遠距離和低數據速率，它們部署感測器和警報系統來監測公共基礎設施的壓力或其他重大事件。此外，GNSS和Wi-Fi定位有助於監測難以觸及的資產，這使得ST87M01成為專為安全、長期連接而設計的物聯網追蹤和狀態監測的理想選擇。

用於NB-IoT追蹤和智慧城市感測器的評估平台

具有環境監測功能的NB-IoT感測器節點

STEVAL-NBIOTV1是一款專為資產追蹤、智慧城市應用和計量而設計的評估平台和參考設計。它採用STM32U5微控制器、低功耗高精度LPS22DF氣壓計、超低功耗三軸LIS2DUXS12加速度計以及 Sensirion公司的SHT40-AD1B濕度計。

CLDO和STBC02電池充電器。STEVAL-NBIOTV1配備了針對NB-IoT頻段3、8和20優化的客製化PCB天線以及專用GNSS晶片天線。因此，開發人員可以創建資產追蹤信標、環境監控模式、智慧停車或智慧照明控制器以及智慧計量終端。STEVAL-NBIOTV1能夠高度模擬實際應用的功耗和射頻效能。

EVKITST87M01-2：即插即用的NB-IoT模組，支援GNSS/Wi-Fi定位

EVKITST87M01-2是Nucleo開發板的子卡。它包含一個ST87M01-1301模組、一個SIM卡槽以及用於NB-IoT、GNSS和Wi-Fi定位的天線。

由於配備了Arduino連接器，工程師只需將EVKITST87M01-2插入STM32 Nucleo開發板即可運行演示應用程序，例如NB-IoT連接測試、覆蓋範圍檢查、省電模式 （PSM/eDRX）評估以及GNSS/Wi-Fi定位試驗。

此外，由於該子卡可以連接到多種Nucleo開發板，因此團隊可以快速地對多種STM32系列進行試驗並開發概念驗證，從而確定哪種開發板最適合特定應用。

軟體工具和韌體

要充分利用ST87M01，首先需要使用STSW-ST87MGUI，這是一款圖形化設定和測試工具。它透過圖形使用者介面（GUI）展示模組的大部分功能，並提供了一個用於輸入AT命令的控制台。

此外，它還配備一個頻譜檢視器，以幫助評估射頻性能。工程師們在更熟練之後，可以探索評估工具STSW-ST87ECLIB。該工具提供原始程式碼範例和API，用於在STM32或其他MCU上實現數據機配置、管理省電模式以及建立連接邏輯（NB-IoT連接、資料發送/接收、GNSS/Wi-Fi控制）。

最後，當工程師接近量產階段時，STSW-ST87M01韌體包將為他們優化客製化解決方案提供所需的基礎。

這其中包括對安全韌體更新和差分韌體空中升級（FOTA）的支援。這些軟體功能可確保從實驗室原型到可現場使用產品的平穩過渡。此外，該裝置已獲得RED和RED-DA認證，這意味著它將極大地幫助最終產品獲得認證。