1. Prehľad projektu
1.1 Pozadie klienta
Klient prevádzkuje firmu zameranú na integráciu bezpečnostných systémov a priemyselné služby. Medzi jeho zákazníkov patria spoločnosti spravujúce nehnuteľnosti, prevádzkovatelia energetiky, ropné a plynárenské zariadenia a veľké výrobné závody. Nejde o malé lokality. Niektoré z nich pokrývajú stovky akrov. Niektoré prevádzkujú 24-hodinovú prevádzku, kde zmeškanie kontrolného bodu hliadky o 3:00 ráno nie je papierovým problémom. Je to záťaž. Roky ich hliadkujúci zamestnanci nosili RFID skúšobné tyče, prikladali kontrolné karty na pevných miestach a potom na konci zmeny podávali papierové záznamy. Systém dokázal jednu vec: strážnik dorazil na konkrétne miesto v konkrétnom čase. Všetko ostatné, čo videli, v akom stave bolo zariadenie, či sa medzi kontrolnými bodmi stalo niečo nezvyčajné, nič z toho nebolo zaznamenané. Klient teda prišiel hľadať inteligentné inšpekčné zariadenie.
1.2 Ciele projektu
Inteligentné inšpekčné zariadenie muselo robiť niekoľko vecí súčasne a spoľahlivo. Základom bolo určovanie polohy pomocou GPS v reálnom čase. Bez znalosti toho, kde sa pracovník v danom okamihu nachádza, je zvyšok systému len otázkou dohadov. Okrem polohy klient potreboval aj HD fotografie a videá, aby strážcovia mohli zdokumentovať to, čo skutočne videli, nielen to, že sa niekde objavili.
Hlasová komunikácia pomocou funkcie Push-to-talk bola na zozname od prvého dňa. Strážnici sa necítia pohodlne pri navigácii v ponukách telefónu v rukaviciach v tme. Jedno tlačidlo, okamžitá komunikácia ako rádio, to bola požiadavka. Prenos dát 4G/LTE, batéria, ktorá vydrží minimálne celú 12-hodinovú zmenu, odolné telo s krytím IP, ktoré odolá pádom, prachu a vode, a čistá integrácia s platformou pre správu cloudu. To bol kompletný rozsah.
2. Výzvy v odvetví vývoja inteligentných inšpekčných zariadení
2.1 Presnosť polohovania
Vonkajšie GPS je zvládnuteľné. Skutočným problémom je, že priemyselné areály nie sú čisto vonkajšie prostredie. Miešajú otvorené dvory s uzavretými skladmi, podzemnými káblovými trasami, viacpodlažnými výrobnými budovami a tankovňami obklopenými oceľovými konštrukciami, ktoré rozptyľujú satelitné signály všetkými smermi. Zariadenie, ktoré presne sleduje polohu na parkovisku, ale stráca polohu vo vnútri kotolne, nerieši skutočný problém.
Prečítajte si tiež: Prípadová štúdia inteligentnej bezpečnostnej prilby
Hybridné prístupy k určovaniu polohy, využívajúce kombináciu GPS, WiFi a Bluetooth Low Energy beaconov, boli hodnotené od začiatku. Každá technológia pokrýva to, čo ostatné nedokážu. Nevýhodou je zvýšená zložitosť hardvéru aj softvéru, ktorý spája údaje o polohe z viacerých zdrojov.
2.2 Prenos údajov v reálnom čase
Tu je scenár, ktorý stojí za zamyslenie. Strážnik odfotí prasknuté potrubie na konci zariadenia. Signál 4G v tomto rohu je slabý. Fotografia sa nahrá čiastočne, potichu zlyhá a riadiaca miestnosť ju nikdy nevidí. Nikto nevie, že správa bola stratená. To je vlastne horšie ako žiadna fotografia, pretože to vytvorí medzeru v záznamoch, ktoré vyzerajú ako úplné.
Navrhovanie pre nespoľahlivé siete znamená zabudovanie offline spracovania údajov do systému. Fotografie, GPS záznamy a poznámky k incidentom sa lokálne ukladajú do vyrovnávacej pamäte pri výpadku pripojenia. Keď sa signál obnoví, nahrávajú sa s presnými pôvodnými časovými pečiatkami. Nízka latencia nahrávania pre bežné údaje a spoľahlivé konečné doručenie pre všetko ostatné – to sú dva odlišné technické problémy, ktoré si vyžadujú riešenia.
2.3 Drsné priemyselné prostredie
Spotrebná elektronika vydrží na stavenisku približne tri týždne, kým sa niečo pokazí. To nie je preháňanie. Do portov sa dostáva prach. Zariadenia padajú na betón z výšky pásu. Opakovane sa presúvajú z chladného skladu do horúceho vonkajšieho prostredia. Dotykové obrazovky praskajú. Tlačidlá korodujú. Nič z toho nie je prijateľné pre zariadenie, ktoré majú pracovníci používať každú jednu smenu celé roky.
Odolnosť voči pádu z výšky najmenej 1.5 metra, plná ochrana proti prachu, ochrana proti vniknutiu vody a stabilná prevádzka od -20 do 60 stupňov Celzia. To boli nevyhnutné fyzikálne požiadavky, ktoré sa kládli do mechanického dizajnu.
2.4 Obmedzenia výkonu a teploty
Súčasné spustenie GPS sledovania, aktívneho 4G pripojenia a kamery na prenosnom zariadení rýchlo vybíja batériu. Väčšina spotrebiteľských smartfónov by sa pri takomto zaťažení vybila za štyri hodiny. Zmena je dvanásťhodinová. Táto medzera ovplyvňuje takmer každé rozhodnutie o architektúre napájania v dizajne. A keď komponenty pracujú s vysokou záťažou v kompaktnom uzavretom kryte, teplo nemá kam ľahko odísť. Tepelný manažment a výdrž batérie sú úzko prepojené problémy.
3. Návrh architektúry systému
3.1 Platforma pre základné spracovanie
Jadro procesora beží na procesore ARM Cortex-A s prispôsobeným systémom Android. Android bol praktickou voľbou, nielen predvoleným systémom. Umožňuje tímu vývoja aplikácií rýchlo prejsť na vrstvu inšpekčného softvéru bez čakania na stabilizáciu vlastného operačného systému. Platforma má tiež voliteľný slot NPU určený pre funkcie analýzy obrazu pomocou umelej inteligencie, takže zákazníci, ktorí neskôr chcú funkcie strojového videnia, nepotrebujú iné inteligentné inšpekčné zariadenie.
Architektúra zabezpečeného zavádzania bola zabudovaná od začiatku. Zariadenia v priemyselných areáloch sú cieľom manipulácie s firmvérom a bezpečnosť údajov, ktoré zhromažďujú, je dôležitá.
3.2 Polohovací modul
Inteligentné inšpekčné zariadenie používa štyri satelitné systémy súčasne. Použitie štyroch systémov umožňuje zariadeniu vidieť viac satelitov. Vďaka tomu je sledovanie polohy rýchlejšie a presnejšie, a to aj vtedy, keď oblohu blokujú vysoké budovy.
Systém tiež využíva „Asistované GPS“. Táto technológia sťahuje satelitné údaje zo siete, takže zariadenie nájde vašu polohu v priebehu niekoľkých sekúnd namiesto minút. Ak potrebujete sledovať predmety vo vnútri budovy, je k dispozícii špeciálny slot na jednoduché pridanie UWB modulu.
3.3 Kamerový systém
Modul kamery má rozlíšenie od 8 do 16 megapixelov v závislosti od požiadaviek nasadenia. Automatické zaostrovanie, vylepšenie pri slabom osvetlení a voliteľná podpora infračerveného žiarenia pre nočné operácie. Prečo je kvalita kamery taká dôležitá v kontexte hliadkovania? Mäkký, podexponovaný obraz podozrivého úniku alebo poškodeného zariadenia je takmer zbytočný, keď ho niekto kontroluje na diaľku. Kamera nie je funkcia. Je to systém dôkazov.
3.4 Komunikačná architektúra
Primárnym dátovým kanálom je 4G LTE. WiFi 5 je k dispozícii, keď sa zariadenie nachádza v dosahu sietí zariadení, čo šetrí náklady na mobilné dáta v areáloch s dobrým bezdrôtovým pokrytím. Bluetooth 5.0 spracováva príslušenstvo a dáta na krátky dosah. PTT cez mobilnú sieť umožňuje strážnikom rádiovú komunikáciu bez samostatného hardvéru. NFC spracováva skenovanie kontrolných bodov, čo je čistá náhrada za staršie systémy RFID kariet, ktorá zachováva známy pracovný postup overovania hliadky po jednotlivých kontrolných bodoch.
4. DPS a hardvérové inžinierstvo
4.1 Návrh viacvrstvových dosiek plošných spojov
V tomto návrhu sa použili šesť až osemvrstvové dosky. Tento počet vrstiev nie je len o osadení väčšieho množstva signálov. Ide o poskytnutie priestoru pre správne správanie RF signálov. Prijímače GNSS aj LTE modemy obsadzujú frekvenčné pásma, kde zlé smerovanie signálu spôsobuje ich nenápadné vzájomné rušenie. Zariadenie, ktoré prejde laboratórnymi testami, môže stále vykazovať degradáciu v reálnom prostredí, ak sa s RF izoláciou zaobchádzalo neopatrne. Uzemňovacie roviny, vyhradené vrstvy smerovania RF a tienenie EMI okolo citlivých častí boli súčasťou rozloženia od prvej revízie.
4.2 Systém riadenia napájania
Cieľové hodnoty kapacity batérie sa pohybovali od 4 000 do 6 000 mAh. Hrubá kapacita je však len časťou riešenia. Systém správy napájania plánuje aktivitu subsystému na základe skutočných vzorcov používania. Frekvencia dotazovania GPS sa zníži, keď zariadenie zistí minimálny pohyb. Obrazovka sa stlmí, keď nedošlo k žiadnej interakcii. Modem odosiela dáta v krátkych dávkach, namiesto toho, aby zostal zapnutý stále. Zvyšuje sa tým výdrž batérie. Špeciálne bezpečnostné čipy tiež chránia batériu pred prebíjaním, prílišným vybitím alebo prehriatím. Vďaka rýchlemu nabíjaniu cez USB-C dokáže inteligentné inšpekčné zariadenie získať veľa energie počas krátkej prestávky.
4.3 Robustná konštrukcia hardvéru
Doska plošných spojov (PCB) je umiestnená v šasi v montážnom usporiadaní tlmiacom nárazy. Tento detail je dôležitejší, než sa zdá. Pád na betón vyšle ostrý mechanický impulz cez celú zostavu. Pevne namontovaná doska plošných spojov prenáša tento impulz priamo na spájkované spoje a kontaktné plochy súčiastok a dosť takýchto udalostí spôsobuje poruchy, ktoré sa neprejavia okamžite. Vhodná montáž absorbuje časť tejto energie skôr, ako sa dostane k elektronike. V kombinácii so zosilneným vnútorným kovovým rámom a úplným utesnením IP65/IP67 je vnútorná konštrukcia skonštruovaná tak, aby brala pracovné prostredie vážne.
5. Integrácia softvéru a platformy
5.1 Systém pracovného postupu inšpekcie
Aplikácia spracováva prideľovanie úloh, skenovanie kontrolných bodov, sledovanie hliadok v reálnom čase a hlásenie incidentov. Zamestnanci vidia svoju pridelenú trasu hliadky na jednoduchej mape. Keď strážnik naskenuje QR kód, systém ušetrí čas aj GPS polohu. Systém tak skontroluje, či strážnik pracuje správne. Ak je strážnik ďaleko, systém oznámi skenovanie ako chybu. Zabráni strážnikom v falšovaní skenovania z iného miesta.
5.2 Správa obrázkov a videa
Fotografie a videá sú označené časovou pečiatkou a geotagom v momente nasnímania, nie v čase nahrávania. To nie je malý rozdiel. Ak zariadenie ukladá médiá do vyrovnávacej pamäte počas prerušenia pripojenia a nahráva ich neskôr, označovanie na strane servera na základe času nahrávania by zaznamenalo nesprávnu polohu a nesprávny čas. Označovanie v čase nasnímania zachováva presné záznamy bez ohľadu na to, kedy sa dáta dostanú do cloudu. Šifrované nahrávanie a integrácia cloudového úložiska sú štandardom.
5.3 Systém hlasovej komunikácie
Jednodotykové tlačidlo PTT okamžite pripojí pracovníkov k ich skupinovému kanálu. Žiadne prechádzanie ponukami, žiadne najprv odomykanie obrazovky. Skupiny supervízorov, skupiny založené na zónach a vysielania na celé pracovisko sú konfigurovateľné. Funkcia SOS je vyhradené tlačidlo, ktoré odošle upozornenie s aktuálnou polohou pracovníka do riadiacej miestnosti a automaticky otvorí hlasový kanál.
5.4 Platforma pre správu backendu
Webový dashboard zobrazuje aktuálnu mapu aktívnych pracovníkov s aktualizovanými trasami ich hliadok v reálnom čase. Historické údaje umožňujú supervízorom prehrať akúkoľvek minulú smenu. Správy sa exportujú do PDF alebo Excelu pre klientsku dokumentáciu, záznamy z auditu alebo použitie pri vyšetrovaní incidentov. Nie je potrebný žiadny špecializovaný softvér. Postačí prehliadač.
6. Funkcie umelej inteligencie a inteligentné funkcie (voliteľný upgrade)
6.1 Rozpoznávanie obrazu pomocou umelej inteligencie
Detekcia bezpečnostných rizík, rozpoznávanie anomálií zariadení a monitorovanie súladu OOP s predpismi sú k dispozícii ako aktualizácie, ktoré bežia buď na zariadení prostredníctvom NPU, alebo prostredníctvom cloudovej inferencie v závislosti od požiadaviek na pripojenie a latenciu. Úprimná odpoveď na funkcie umelej inteligencie je, že pridávajú skutočnú hodnotu v správnom kontexte a zmysluplnú komplexnosť v nesprávnom. Zariadenie so špecifickým opakujúcim sa problémom s detekciou rizík je dobrým kandidátom. Štandardný program hliadkovania v obytných budovách pravdepodobne nie je.
6.2 Upozornenia na geofencing
Upozornenia na hranice obmedzenej oblasti a upozornenia na zmeškané kontrolné body sú funkcie založené na pravidlách, ktoré sú postavené na údajoch GPS, ktoré zariadenie už zhromažďuje. Automatické generovanie súhrnu zmeny na konci zmeny zhromažďuje záznamy o hliadkovaní, skenovaní kontrolných bodov a hlásenia o incidentoch do jedného dokumentu. Tieto funkcie nevyžadujú žiadne ďalšie senzory ani žiadne zmeny hardvéru.
7. Strojársky a priemyselný dizajn
7.1 Robustný dizajn krytu
Plášť je vyrobený z dvoch materiálov: PC a TPU. PC ho robí pevným. TPU chráni rohy pred zlomením pri páde. Štandardná verzia (IP65) zabraňuje vniknutiu prachu a dažďa. Lepšia verzia (IP67) je určená do veľmi vlhkých priestorov. Na každom tlačidle a otvore používame gumené tesnenia a pevné skrutky, aby sme zabránili vniknutiu vody.
7.2 Ergonomický dizajn
Terénny výskum s pracujúcimi bezpečnostnými pracovníkmi formoval ergonomické rozhodnutia viac ako akýkoľvek dizajnový trend. Ovládanie jednou rukou funguje kvôli umiestneniu ovládacích prvkov, nielen preto, že zariadenie je dostatočne ľahké na držanie. Tlačidlo PTT je fyzické, veľké a umiestnené tam, kde prirodzene dosadá palec. Dotyková obrazovka je kalibrovaná na používanie v rukaviciach, čo vyžaduje iné nastavenia kapacitnej citlivosti ako spotrebiteľské zariadenie s ovládaním holými prstami. Jas obrazovky ovplyvňuje čitateľnosť vonku na priamom slnečnom svetle.
7.3 Tepelný manažment
Grafitová vrstva odvádza teplo od horúcich miest procesora a modemu. Hliníkový vnútorný rám presúva toto teplo smerom k častiam krytu s väčšou povrchovou plochou pre pasívne odvádzanie tepla. Výsledkom je zariadenie, ktoré zostáva teplé aj počas dlhej zmeny, no nie je nepríjemné ho držať a neznižuje rýchlosť procesora kvôli regulácii teploty.
8. Testovanie a validácia
8.1 Funkčné testovanie
Presnosť GNSS je overená oproti referenčnému zariadeniu za rôznych podmienok oblohy, nielen na otvorenom priestranstve s dokonalou viditeľnosťou. Testovanie stability 4G prebieha v prostrediach s okrajovým signálom, a nie v čistom laboratóriu. Rozlíšenie kamery a kalibrácia zaostrenia sa kontrolujú počas výroby na vzorke, okrem technického overenia.
8.2 Testovanie vplyvov prostredia
Náradie testujeme tak, že ho pustíme z výšky 1.5 metra na betón a oceľ. Púšťame ho z rôznych strán, aby sme sa uistili, že sa nerozbije. Taktiež kontrolujeme, či sa dovnútra nedostane prach ani voda.
Testujeme ich v extrémnom chlade aj extrémnom teple. Opakovanou zmenou teploty sa kontroluje, či súčiastky zostanú pohromade. To je pre nástroj ťažšie ako len zotrvanie na jednom horúcom alebo chladnom mieste.
8.3 Testovanie batérie a jej životnosti
Kompletné 12 až 15-hodinové simulácie zmien prebiehajú s profilmi pracovného zaťaženia, ktoré odrážajú skutočné použitie v teréne, nie optimálne využitie svetla. Validácia nabíjacích cyklov zahŕňa stovky nabíjacích cyklov, aby sa potvrdilo zachovanie kapacity. Testy starnutia posúvajú batérie za hranice bežných podmienok používania, aby sa overilo ich bezpečnostné správanie na konci životnosti.
9. Certifikácia a zhoda
Inteligentné inšpekčné zariadenie nesie označenia CE a FCC pre prístup na trh v Európe a Severnej Amerike. Súlad s RoHS sa vzťahuje na požiadavky na obmedzené látky. Stupne krytia IP65/IP67 sú testované a zdokumentované, nie sú samodeklarované. Certifikácia batérií UN38.3 sa vzťahuje na bezpečnú prepravu lítium-iónových článkov, čo je praktická požiadavka pre medzinárodnú prepravu zariadení.
10. Výroba a hromadná výroba
10.1 DFM a stratégia komponentov
Pred dokončením nástrojov sa vykonala kontrola návrhu pre výrobu. Vždy, keď to bolo možné, boli špecifikované priemyselné komponenty s preukázanou dlhou životnosťou. Pre všetko, čo malo históriu rizík v dodávateľskom reťazci, boli identifikované alternatívne zdroje komponentov. Toto nie je samoúčelné opatrenie. Ide o základné riadenie programu pre zariadenie, ktoré musí zostať vo výrobe a byť podporované v teréne päť alebo viac rokov.
10.2 SMT a montáž
Montáž SMT s vysokou hustotou prebieha štandardne. Proces vodotesnej montáže pridáva kroky, ktoré nie sú súčasťou výroby spotrebnej elektroniky, inštaláciu tesnení, umiestnenie kompresného tesnenia, upevnenie s riadeným krútiacim momentom a kontrolu integrity tesnenia predtým, ako sa ktorákoľvek jednotka považuje za uzavretú. Aktualizácia firmvéru a kalibrácia prebiehajú počas výrobného procesu, nie ako samostatný následný krok.
10.3 Kontrola kvality
Každá jednotka prechádza 100 % funkčným testovaním, ktoré zahŕňa silu bezdrôtového signálu, prevádzku kamery, získavanie signálu GPS, funkciu PTT a správanie batérie. Štandardom je, že sa k zákazníkom nedostane žiadna chybná jednotka. Odhalenie porúch počas výroby stojí menej a spôsobuje menšie škody ako ich odhalenie po nasadení.
11. Výsledky projektu
11.1 Technické úspechy
Priemerná výdrž batérie v terénnych nasadeniach sa pri bežnom používaní ustálila na 15 hodinách, čo znamená, že strážnici ukončili svoje zmeny skôr, ako sa zariadenia vybili. GPS polohovanie zostalo stabilné vo vonkajšom a čiastočne chránenom prostredí, kde prechádza väčšina hliadkových trás. HD kvalita obrazu poskytla supervízorom a klientom použiteľnú dokumentáciu namiesto rozmazaných fotografií pri slabom osvetlení, ktoré boli priložené k hláseniam o incidentoch.
11.2 Nasadenie na trh
Nasadenie v sektoroch správy nehnuteľností a priemyslu ukázalo merateľné zníženie chýb v manuálnom hlásení. Strážnici nemohli spätne vypĺňať záznamy o hliadkach, pretože GPS trasa ukazovala, kam a kedy skutočne išli. Zodpovednosť hliadok sa nezlepšila preto, že by ju vedenie prísnejšie presadzovalo, ale preto, že údaje sprístupnili skutočnú trasu hliadky všetkým.
12. Možnosť budúceho rozšírenia
12.1 Aktualizácia 5G
Komunikačná architektúra bola navrhnutá s ohľadom na migráciu na 5G. Streamovanie živého videa vo vysokom rozlíšení a vzdialená odborná podpora v reálnom čase sa v 5G stávajú praktickými spôsobmi, ktoré šírka pásma 4G ľahko neumožňuje. Prechod na 5G si nevyžaduje kompletnú redizajn hardvéru.
12.2 Integrácia inteligentného mesta
Priemyselné inšpekčné zariadenia nepretržite generujú údaje o polohe, udalostiach a senzoroch. Tieto údaje majú hodnotu aj mimo bezprostredného použitia v oblasti správy zariadení. Integrácia so širšími sieťami senzorov IoT a jednotnými platformami pre správu miest alebo kampusov je logickým ďalším krokom pre prevádzkovateľov, ktorí riadia infraštruktúru vo veľkom meradle.
13. Prečo si vybrať nás pre vývoj inteligentných priemyselných zariadení
Výroba odolného priemyselného vreckového zariadenia je iný druh programu ako tvorba spotrebiteľskej aplikácie alebo dokonca štandardného komerčného inteligentného inšpekčného zariadenia. Hĺbka hardvérového inžinierstva, ktorá sa vyžaduje v rámci vstavaných systémov, návrhu rádiových frekvencí, správy napájania, mechanického tesnenia a tepelnej regulácie, je špecializovaná. Chyby v ktorejkoľvek z týchto oblastí sa prejavia ako poruchy v teréne mesiace po nasadení, čo je drahé miesto na ich vyhľadávanie.
Náš tím prepracoval celý tento proces naprieč viacerými programami pre priemyselné prenosné zariadenia. Návrh plošných spojov a rádiových technológií, konštrukcia robustných krytov, integrácia platformy IoT, výrobné programy OEM a ODM od prvého prototypu až po výrobnú rampu. Ak plánujete inteligentné inšpekčné zariadenie alebo priemyselný hliadkový terminál, radšej si vopred preberieme skutočné požiadavky, ako by sme mali preskúmať špecifikáciu, ktorá už obsahuje rozhodnutia, ktoré neskôr spôsobia problémy.
Kontaktujte náš technický tím a preberte s nami svoje prispôsobené riešenie inšpekčného hardvéru.
