焦點簡訊:案例分享：KST3420 和 KST3220用ST 的 FlightSenseToF傳感器和STM32快速開發原型

2023-02-22 17:15:08 來源: 電子創新網

來源：意法半導體博客

KST3420 和KST3220 是ST 合作伙伴計劃授權成員KS Technologies（又稱KST）公司開發的測距傳感器，也是ST 飛行時間傳感器的一個應用研究案例。在過去的四年里，這家產品制造和工程服務公司在多個國家部署了數千個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溢度，從而優化垃圾收集效率；還有一些則用于農場或智慧城市。此外，許多工程師還會對 KST3420 和 KST3220 的45 天原型開發周期給予好評，因為大多數原型開發通常需要幾個月甚至幾年的時間。下面，讓我們來探討 KST的故事，并學習他們的經驗。

第1 章：具有挑戰性的假設

(資料圖)

破解難題—垃圾滿溢度問題

KST的故事始于一個問題：“測量垃圾箱內的垃圾滿溢度，哪種方法最好？”這是一個棘手的問題，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，同時必須有較長的電池續航時間。幾年前，在 KST開始研發時，許多人無法確定哪種方法是檢測垃圾箱滿溢程度的最佳手段。有一位客戶因為現有設備的檢測準確度低，電池續航時間不盡人意，而找到KST。此外，該客戶使用 Sigfox技術連接當前傳感器和云端，因此需要支持Sub-G網絡。

▲使用KST3520測量垃圾箱內的垃圾滿溢度

一決高下——光電二極管對決超聲波陣列

當客戶提出垃圾箱滿溢度測量問題時，KST 的工程師正在用當時最小的飛行時間傳感器 VL53L0X開發解決方案。因此，KST 找到一塊 Nucleo 開發板和一個帶有 MEMS傳感器的 Nucleo Shield子板，向客戶展示他們的解決方案。但是，客戶還要求提供基于超聲波傳感器的原型方案，因為當時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對這兩種產品進行大約兩個月的對比測試。最終，VL53L0X以絕對優勢勝出，客戶毫不猶豫地選擇了ST。

一個嶄新的世界——現場安裝8,000個傳感器

▲使用KST3320測量填充水平

在對決結束前，KST 得到了一個的產品原型，為產品開發打下了基礎。事實上，該原型不僅有助于坐實 VL53L0X 的優勢，還展示了 STM32的優勢。客戶看到定制設計與Nucleo 板使用相同的MCU，認為這樣設計很有意義。這是一條明確的產業化路徑，產生了KST 的第一代測距傳感器KST3300。KST 將其部署在8,000 個垃圾箱中，并管理這個知識產權。因此，這家ST 合作伙伴可以將該測距傳感器技術授權給其他公司，并不斷地改進技術。另一方面，KST為客戶提供維護和供貨保證。

第2 章：創新興起

工程界——新的行業需求

▲VL53L1

隨著KST 向更多客戶和地區展示設計，工程師還發現了更廣泛的需求。例如，一些人不想要 Sigfox，而想用其他協議，其中許多人傾向于 LoRaWAN、低功耗藍牙和 Wi-Fi。許多公司已經有了Sub-G網絡，所以KST 不得不用Sub-G。此外，KST 的設計團隊還為 KST3300 編寫了驅動程序。雖然驅動軟件幫助他們更快地發售產品，但在陽光直射或非常近的距離（0 毫米到 100 毫米之間）時，測距器性能出現了問題。最后，KST 希望延長測距器的電池續航時間，使其更具吸引力。

揭開帷幕——采用LoRa 和Sigfox

KST 開發了第二代測距器來克服這些挑戰。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基礎設施。具體而言，這意味著可以留住從KST3300受益的客戶，同時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

為了提高性能和電池續航時間，KST 采用了剛剛上市的VL53L1X，并使用ST 驅動程序。新傳感器具有多區監測能力，這為他們的測距器打開了新的應用機會，例如，人數統計。改用ST 驅動器還能實現新的低功耗模式，改進校準過程，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產品系列，可以加快原型設計速度。這就是KST3320如何在KST 實驗室中誕生的。

第3 章：原型開發速度實現飛躍

不是我的地盤——物聯網面臨更嚴酷的現實

▲KST3420底部

在發布KST3320 之后，KST公司開始收到新的需求建議：將RF部分與產品的其余部分分開。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，市場對 KST 傳感器的新需求通常是要在更惡劣的環境中使用該產品。無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 希望提高產品的電池續航時間。

分而治之——模塊化的到來

在第一代和第二代產品之后，KST 另辟蹊徑，采用了快速開發原型方法。該公司開發了一款位于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。整個裝置采用IP67 防水等級外殼，可以與傳感器分開使用。為了連接兩個模塊，KST 用容易買到的螺紋連接器，因此不會推高成本。這就是該公司開始在KST3320 中使用 STM32WL的原因。通過采用快速原型開發方法，該公司改用新的MCU，以滿足新的無線連接需求。

▲KST3420頂部

為了進一步促進模塊化，KST 還提供配置和應用服務軟件。他們的目標是提供可以發揮傳感器性能的軟件工具。因此，KST 開發了云端儀表板和通知系統。隨著KST3420 和KST3220 的問世，該公司還開發了一個完整的基礎設施，將數據從現場推送給決策者。簡而言之，KST 開發的是功能完整的產品原型，而不是只有基本功能的概念驗證。

最后的邊界——滲透新興市場和地區

KST3420 和 KST3220 的模塊化意味著 KST 開發出了基于VL53L3CX的產品，設計團隊已經在考慮使用VL53L5CX 開發新產品。因此，雖然大多數原型開發需要數月甚至數年時間，但KST 在45 天內完成了新一代產品的原型開發。改用模塊化方法還讓系統適應更惡劣的環境。因此，該服務公司在得克薩斯州和卡爾加里的一個牧場部署了 KST3420。

結語

出色的工程團隊作品

▲關于KST的各代測距傳感器：KST3300、KST3320、KST3220、KST3520和KST3420

回顧過去，有很多經驗教訓值得工程師和設計公司學習。首先，與其等到洞悉一切后出貨，不如邊出貨邊學習。因為KST 發現了一個創新的解決方案，KST3300 的用戶在短短四個月內就看到了投資回報。KST坦承其定制驅動程序或第一代產品性能存在一定的缺陷。但是，如果沒有 KST3300，就沒有 KST3320、KST3420 或 KST3220，不能實現最終只有45 天的快速原型開發周期。

聰明的工程師擅長舊物利用

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驅動程序，而沒有更新自己的驅動程序。他們采用 ST的工作原理圖，并參加ST 網絡研討會，了解低功耗模式和其他功能。太多的工程師忽視了這一點--——重新發明車輪無助于設計出更快的汽車。

有意義的創新是解決之道

因為 KST 使用了所有可用的工具，所以它可以進行有意義的創新。例如，工程團隊從ST 原理圖開始優化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還學會了如何通過了解客戶的需求來提高能效。該公司就是這樣學會使用污跡校準或改進校準。最終，創新是開發解決方案，而不是開發產品。創新是傾聽和理解問題，以及客戶將如何獲得投資回報。

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