案例分享:KST3420和KST3220用ST的FlightSenseToF傳感器和STM32快速開(kāi)發(fā)原型

KST3420和KST3220是ST合作伙伴計劃授權成員 KS Technologies（又稱(chēng) KST）公司開(kāi)發(fā)的測距傳感器，也是 ST 飛行時(shí)間傳感器的一個(gè)應用研究案例。在過(guò)去的四年里，這家產(chǎn)品制造和工程服務(wù)公司在多個(gè)國家部署了數千個(gè)各種用途的測距傳感器。例如，有些傳感器用于監測主題公園垃圾箱滿(mǎn)溢度，從而優(yōu)化垃圾收集效率；還有一些則用于農場(chǎng)或智慧城市。此外，許多工程師還會(huì )對 KST3420 和 KST3220 的45 天原型開(kāi)發(fā)周期給予好評，因為大多數原型開(kāi)發(fā)通常需要幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間。下面，讓我們來(lái)探討 KST的故事，并學(xué)習他們的經(jīng)驗。

第1章:具有挑戰性的假設

破解難題—垃圾滿(mǎn)溢度問(wèn)題

KST的故事始于一個(gè)問(wèn)題：“測量垃圾箱內的垃圾滿(mǎn)溢度，哪種方法最好？”這是一個(gè)棘手的問(wèn)題，因為傳感器必須在各種光照條件下和各種形狀的容器內工作，同時(shí)必須有較長(cháng)的電池續航時(shí)間。幾年前，在 KST開(kāi)始研發(fā)時(shí)，許多人無(wú)法確定哪種方法是檢測垃圾箱滿(mǎn)溢程度的最佳手段。有一位客戶(hù)因為現有設備的檢測準確度低，電池續航時(shí)間不盡人意，而找到KST。此外，該客戶(hù)使用 Sigfox技術(shù)連接當前傳感器和云端，因此需要支持Sub-G網(wǎng)絡(luò )。

▲使用KST3520測量垃圾箱內的垃圾滿(mǎn)溢度

一決高下——光電二極管對決超聲波陣列

當客戶(hù)提出垃圾箱滿(mǎn)溢度測量問(wèn)題時(shí)，KST 的工程師正在用當時(shí)最小的飛行時(shí)間傳感器 VL53L0X開(kāi)發(fā)解決方案。因此，KST 找到一塊 Nucleo 開(kāi)發(fā)板和一個(gè)帶有 MEMS傳感器的 Nucleo Shield子板，向客戶(hù)展示他們的解決方案。但是，客戶(hù)還要求提供基于超聲波傳感器的原型方案，因為當時(shí)普遍的看法是超聲波比SPAD(單光子雪崩二極管)的準確度更高。因此，KST對這兩種產(chǎn)品進(jìn)行大約兩個(gè)月的對比測試。最終，VL53L0X以絕對優(yōu)勢勝出，客戶(hù)毫不猶豫地選擇了ST。

一個(gè)嶄新的世界——現場(chǎng)安裝8,000個(gè)傳感器

▲使用KST3320測量填充水平

在對決結束前，KST 得到了一個(gè)的產(chǎn)品原型，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打下了基礎。事實(shí)上，該原型不僅有助于坐實(shí) VL53L0X 的優(yōu)勢，還展示了 STM32的優(yōu)勢?？蛻?hù)看到定制設計與Nucleo 板使用相同的MCU，認為這樣設計很有意義。這是一條明確的產(chǎn)業(yè)化路徑，產(chǎn)生了 KST 的第一代測距傳感器 KST3300。KST 將其部署在 8,000 個(gè)垃圾箱中，并管理這個(gè)知識產(chǎn)權。因此，這家ST 合作伙伴可以將該測距傳感器技術(shù)授權給其他公司，并不斷地改進(jìn)技術(shù)。另一方面，KST為客戶(hù)提供維護和供貨保證。

第2章:創(chuàng )新興起

工程界——新的行業(yè)需求

▲VL53L1

隨著(zhù) KST 向更多客戶(hù)和地區展示設計，工程師還發(fā)現了更廣泛的需求。例如，一些人不想要 Sigfox，而想用其他協(xié)議，其中許多人傾向于 LoRaWAN、低功耗藍牙和 Wi-Fi。許多公司已經(jīng)有了Sub-G網(wǎng)絡(luò )，所以KST 不得不用Sub-G。此外，KST 的設計團隊還為 KST3300 編寫(xiě)了驅動(dòng)程序。雖然驅動(dòng)軟件幫助他們更快地發(fā)售產(chǎn)品，但在陽(yáng)光直射或非常近的距離（0 毫米到 100 毫米之間）時(shí)，測距器性能出現了問(wèn)題。最后，KST 希望延長(cháng)測距器的電池續航時(shí)間，使其更具吸引力。

揭開(kāi)帷幕——采用 LoRa 和 Sigfox

KST 開(kāi)發(fā)了第二代測距器來(lái)克服這些挑戰。該公司改用了Murata 模塊，該模塊內置STM32 微控制器和 Semtech的支持 Sigfox 和 LoRa的調制模組。因此，KST 可以提供更大的靈活性并適應幾乎所有的現有的客戶(hù)基礎設施。具體而言，這意味著(zhù)可以留住從KST3300受益的客戶(hù)，同時(shí)還能夠將傳感器部署到其他應用，例如，智慧城市。

明星誕生——全面改進(jìn)

為了提高性能和電池續航時(shí)間，KST采用了剛剛上市的 VL53L1X，并使用ST驅動(dòng)程序。新傳感器具有多區監測能力，這為他們的測距器打開(kāi)了新的應用機會(huì )，例如，人數統計。 改用ST 驅動(dòng)器還能實(shí)現新的低功耗模式，改進(jìn)校準過(guò)程，并減少串擾噪聲。此外，KST采用ST鏡頭，結合其他措施，確保在極短距離內具有更好的性能。新的 MEMS 也集成到Nucleo產(chǎn)品系列，可以加快原型設計速度。這就是 KST3320如何在 KST 實(shí)驗室中誕生的。

第3章：原型開(kāi)發(fā)速度實(shí)現飛躍

不是我的地盤(pán)——物聯(lián)網(wǎng)面臨更嚴酷的現實(shí)

▲KST3420底部

在發(fā)布 KST3320 之后，KST公司開(kāi)始收到新的需求建議：將 RF部分與產(chǎn)品的其余部分分開(kāi)。這種需求背后的原因是確保系統的應用范圍更廣闊。例如，一位客戶(hù)要求測量大型混凝土構件下的水位，在這種情況下，將 RF 模塊放在槽外可以大大提高射頻的能效。 此外，市場(chǎng)對 KST 傳感器的新需求通常是要在更惡劣的環(huán)境中使用該產(chǎn)品。無(wú)論是在酷熱的美國南部還是冬季寒冷的加拿大，傳感器都必須在極端條件下工作。最后，KST 希望提高產(chǎn)品的電池續航時(shí)間。

分而治之——模塊化的到來(lái)  

在第一代和第二代產(chǎn)品之后，KST 另辟蹊徑，采用了快速開(kāi)發(fā)原型方法。該公司開(kāi)發(fā)了一款位于 STM32 Nucleo 板和 Murata Shield板之間的轉接板。因此，KST 現在的傳感器原型板可以用 Arduino 連接器中斷所有信號或重置設備。整個(gè)裝置采用IP67 防水等級外殼，可以與傳感器分開(kāi)使用。為了連接兩個(gè)模塊，KST 用容易買(mǎi)到的螺紋連接器，因此不會(huì )推高成本。這就是該公司開(kāi)始在KST3320 中使用 STM32WL的原因。通過(guò)采用快速原型開(kāi)發(fā)方法，該公司改用新的MCU，以滿(mǎn)足新的無(wú)線(xiàn)連接需求。

▲KST3420頂部

為了進(jìn)一步促進(jìn)模塊化，KST 還提供配置和應用服務(wù)軟件。他們的目標是提供可以發(fā)揮傳感器性能的軟件工具。因此，KST 開(kāi)發(fā)了云端儀表板和通知系統。隨著(zhù) KST3420 和KST3220 的問(wèn)世，該公司還開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的基礎設施，將數據從現場(chǎng)推送給決策者。簡(jiǎn)而言之，KST 開(kāi)發(fā)的是功能完整的產(chǎn)品原型，而不是只有基本功能的概念驗證。

最后的邊界——滲透新興市場(chǎng)和地區

KST3420 和 KST3220 的模塊化意味著(zhù) KST 開(kāi)發(fā)出了基于VL53L3CX的產(chǎn)品，設計團隊已經(jīng)在考慮使用VL53L5CX 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。因此，雖然大多數原型開(kāi)發(fā)需要數月甚至數年時(shí)間，但 KST 在 45 天內完成了新一代產(chǎn)品的原型開(kāi)發(fā)。改用模塊化方法還讓系統適應更惡劣的環(huán)境。因此，該服務(wù)公司在得克薩斯州和卡爾加里的一個(gè)牧場(chǎng)部署了 KST3420。

結語(yǔ)

出色的工程團隊作品

▲關(guān)于KST的各代測距傳感器：KST3300、KST3320、KST3220、KST3520和KST3420

回顧過(guò)去，有很多經(jīng)驗教訓值得工程師和設計公司學(xué)習。首先，與其等到洞悉一切后出貨，不如邊出貨邊學(xué)習。因為KST 發(fā)現了一個(gè)創(chuàng )新的解決方案，KST3300 的用戶(hù)在短短四個(gè)月內就看到了投資回報。KST坦承其定制驅動(dòng)程序或第一代產(chǎn)品性能存在一定的缺陷。但是，如果沒(méi)有 KST3300，就沒(méi)有 KST3320、KST3420 或 KST3220，不能實(shí)現最終只有45 天的快速原型開(kāi)發(fā)周期。

聰明的工程師擅長(cháng)舊物利用

如今，KST 傳感器用三節 AA 電池可以續航約一年，測量準確度媲美工業(yè)設備。他們率先推薦使用 Nucleo 板，而不是什么都定制。他們立即采用了ST驅動(dòng)程序，而沒(méi)有更新自己的驅動(dòng)程序。他們采用 ST的工作原理圖，并參加ST 網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )，了解低功耗模式和其他功能。太多的工程師忽視了這一點(diǎn)——重新發(fā)明車(chē)輪無(wú)助于設計出更快的汽車(chē)。

有意義的創(chuàng )新是解決之道

因為 KST 使用了所有可用的工具，所以它可以進(jìn)行有意義的創(chuàng )新。例如，工程團隊從 ST 原理圖開(kāi)始優(yōu)化ST的解決方案，舍棄LDO穩壓器，以獲得能效更高的解決方案。KST還學(xué)會(huì )了如何通過(guò)了解客戶(hù)的需求來(lái)提高能效。該公司就是這樣學(xué)會(huì )使用污跡校準或改進(jìn)校準。最終，創(chuàng )新是開(kāi)發(fā)解決方案，而不是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。創(chuàng )新是傾聽(tīng)和理解問(wèn)題，以及客戶(hù)將如何獲得投資回報。