Progetto per il monitoraggio delle risorse della catena del freddo

Il concetto di monitoraggio della catena del freddo è stato al centro dell'attenzione mondiale nel 2020, quando sono stati distribuiti i primi vaccini contro il COVID-19 che necessitavano di mantenere temperature ultra fredde tra -90°C e -60°C. Tuttavia, la necessità di mantenere una temperatura adeguata per alimenti e medicinali è molto più antica. In questo articolo, descriviamo un progetto di riferimento per registrare i dati relativi a tempo, posizione e temperatura, informazioni che sono comunemente richieste per le applicazioni della "catena del freddo" dove è importante avere la prova che siano state mantenute temperature adeguate per tutta la durata del trasporto e dello stoccaggio delle merci.

Introduzione

Storicamente, i dati sulla temperatura venivano raccolti manualmente utilizzando le letture del termometro e registrati su registri cartacei. Al giorno d'oggi, sono disponibili registratori elettronici, con l’IoT come sviluppo più recente. Un tracciatore della catena del freddo può confermare la corretta conservazione in tempo reale. In questo modo, è possibile emettere avvisi prima che il prodotto diventi troppo caldo o troppo freddo. Il progetto di riferimento per il monitoraggio della catena del freddo che andiamo a presentare, è in grado di effettuare letture con una frequenza pari a una volta al secondo. I dati possono essere memorizzati nella cache del dispositivo quando una connessione di rete non è disponibile, quindi caricati su cloud nel momento in cui viene stabilita la connettività. Un sistema per il monitoraggio della catena del freddo basato su rete cellulare non solo tiene informati sulla temperatura delle merci durante il loro trasporto, ma può localizzare con precisione le merci in modo che possano essere spostate nell'ambiente a temperatura controllata.

Il progetto

Il tracciamento delle risorse è senza dubbio l’applicazione IoT cellulare numero uno. I veicoli di una flotta che devono svolgere una qualsiasi funzione, dai servizi di consegna commerciale ai trasporti pubblici, e ogni opzione di noleggio di micromobilità (biciclette, scooter, ecc.) includono il monitoraggio delle risorse come parte fondamentale del loro modello di business. Una importante variazione a questo approccio riguarda l'applicazione per il monitoraggio delle risorse nella catena del freddo. Tutto, dalla carne cruda al gelato, viene trasportato utilizzando i protocolli della catena del freddo. Questa tecnologia è particolarmente interessante quando si tratta di gestire carichi critici, come alimenti refrigerati e medicinali. Il sistema di monitoraggio delle risorse della catena del freddo dimostra come sia possibile registrare letture regolari della temperatura sul cloud insieme ad una marca temporale e alla posizione GNSS (GPS). Ciò permette alle aziende di dimostrare in qualsiasi momento la corretta gestione di queste merci durante il trasporto e lo stoccaggio.

Hardware

Il progetto di riferimento utilizza hardware standard e i componenti chiave coinvolti sono:

il system-in-package (SIP) cellulare (LTE-M/NB-IoT) nRF9160 di Nordic Semiconductor su scheda Sparkfun Thing Plus nRF9160
il modulo GNSS u-blox NEO-M9N su scheda MikroE GNSS 7 Click
il sensore di temperatura/pressione/umidità Bosch BME280 su scheda MikroE Weather Click
batteria LiPoly
antenna GPS attiva

SparkFun Thing Plus nRF9160 è dotato del potente microcontrollore Nordic nRF9160. Questo piccolo chip è in grado di supportare sia la comunicazione cellulare CAT M1 LTE che NB-IoT ed è progettato per funzionare con Zephyr, l'RTOS di riferimento per lo sviluppo integrato. Per rendere Thing Plus ancora più semplice da usare, questa scheda utilizza il pratico sistema Qwiic Connect. Il sistema SparkFun Qwiic Connect è un ecosistema di sensori, attuatori, shield e connettori comunicanti con protocollo I²C che rendono la prototipazione più rapida e meno soggetta ad errori. Tutte le schede abilitate Qwiic utilizzano un comune connettore JST a 4 pin con passo da 1 mm. Ciò riduce la quantità di spazio richiesto sul PCB e le connessioni polarizzate impongono l'impossibilità di collegamenti errati.

Nordic nRF9160

Il microcontrollore Nordic nRF9160 è un System-in-Package (SiP) compatto e altamente integrato che rende accessibile e facili da usare la tecnologia LTE a basso consumo e le funzioni avanzate di elaborazione e sicurezza, per un'ampia gamma di progetti IoT cellulari a basso consumo per dispositivo singolo. Incorpora un processore applicativo Arm Cortex-M33 esclusivamente per applicazioni, un modem LTE completo, Front End RF (RFFE) e sistema di gestione dell'alimentazione; nRF9160 è la soluzione IoT cellulare più compatta, completa ed efficiente dal punto di vista energetico sul mercato.

Il modem integrato supporta sia LTE-M che NB-IoT e può funzionare a livello globale eliminando qualsiasi necessità di varianti regionali. Tutte le funzionalità di risparmio energetico, inclusi eDRX e PSM, sono supportate così come il supporto IPv4/IPv6 fino al livello di trasporto e sicurezza (TCP/TLS). Il firmware del modem è aggiornabile tramite aggiornamenti Firmware Over The Air (FOTA) sicuri e crittografati.

Il processore applicativo Arm Cortex-M33 è supportato da 1 MB di flash e 256 KB di RAM rendendo possibile lo sviluppo di applicazioni avanzate in un'unica soluzione per dispositivo. Nella radio è integrato un ricevitore GNSS che offre varie modalità di funzionamento per adattarsi ad un'ampia selezione di applicazioni che utilizzano la funzionalità di rilevamento della posizione.

Il SiP nRF9160 supporta anche diverse funzionalità di localizzazione basata su cellulare per diversi casi d'uso. Un'ampia selezione di interfacce e periferiche generali è inclusa su nRF9160, inclusi ADC a 12 bit, RTC, SPI, I²C, I²S, UART, PDM e PWM. La sicurezza è la migliore della categoria grazie alla tecnologia Arm TrustZone che aiuta a creare applicazioni IoT solide e sicure che dispongono di avvio sicuro, aggiornamenti firmware affidabili e implementazioni root of trust senza compromettere le prestazioni. Arm CryptoCell migliora ulteriormente la sicurezza offrendo risorse crittografiche e di sicurezza per proteggere le applicazioni IoT da varie minacce di attacco. CryptoCell è progettato per soluzioni di crittografia ad alte prestazioni ottimizzate per dispositivi con vincoli energetici. L'nRF9160 supporta sia SIM che eSIM per la connessione e l'autenticazione con gli operatori di rete mobile.

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