Wi-Fi®-lokaliseringskomponenter får bukt med GNSS- og mobiltelefoni-dekningshull i utrustninger for posisjonsfastsettelse

Lokasjonsbaserte tjenester kan være en stor fordel når det gjelder å administrere ressurser, men de opplever ofte betydelig batteriutladning, noe som lett kan sette noen IoT-utrustninger ut av spill. GNSS (Global Navigation Satellite System) og den brede rekkevidden til mobiltjenester gir relativt enkle metoder for å fastsette den geografiske posisjonen til enheter. Disse kommer imidlertid med delvis tap av dekning og ytelse som kan suppleres, eller i noen tilfeller erstattes, av den voksende rekkevidden til Wi-Fi-nettverk.

Det globale posisjoneringssystemet (GPS), som er gullstandarden for trådløs sporing, drives av USA og er en del av GNSS som omfatter flere regionale satellittnavigasjonssystemer. Det kan imidlertid ta flere minutter for et GPS-modem å gå fra kaldstart til «tid til første posisjon» (TTFF – time to first fix), samtidig som det bruker betydelig batterikapasitet. Dette kan også hindres av frisiktsblokkeringer mellom satellitter og mottakere, samt vegger i bygninger.

Faste mobilbasestasjoner kan også brukes i utrustninger for lokalisering. Lokasjonsskanning for mobiltelefoni har et mer beskjedent strømforbruk enn GPS/GNSS, men er mindre nøyaktig. Lokalisering for mobiltelefoni, avhengig av hvilke typer mobiltårn som brukes, kan «bomme» med hundrevis eller til og med tusenvis av meter. Denne mangelen på presisjon kan være farlig for bruksområder som for eksempel sporing av bevegelige ressurser i store lagre eller på containerskip.

Wi-Fi kan være mer nøyaktig enn lokalisering for mobiltelefoni, og nesten like energieffektivt. Service Set Identifier (SSID), som er unik for alle Wi-Fi-nettverk, og Basic Service Set Identifier (BSSID), som er unik for hver tilgangsenhet, tilbyr et attraktivt lokaliseringsalternativ, men de fleste IC-er for Wi-Fi er ikke optimalisert for denne oppgaven, og de er vanligvis kostbare, uhåndterlige og strømkrevende.

Nordic Semiconductor leverer komponenter som konstruktører kan bruke til å lage fleksible utrustninger som er avhengige av ulike kombinasjoner av trådløse teknologier, samt en skybasert tjeneste, for å løse utfordringer relatert til ytelse og dekning.

Nytten av Wi-Fi-lokalisering

Lokalisering kan berike mange utrustninger, inkludert batteridrevne hjemmesensorer, helseovervåkere og treningsenheter, sporing av industrielle ressurser og miljøsensorer, og administrasjon av varelager og kassesystemer (POS – point of sale).

Ledende bruksområder omfatter: Virksomheter kan spore plasseringen av ressurser for å strømlinjeforme administrasjonen av forsyningskjeder og logistikk – kroppsbårne enheter kan varsle medisinske team om helseproblemer – forhandlere og bankfolk kan oppdage og redusere uredelig bruk av betalingskort – flåtestyringsoperatører kan spore kjøretøyene sine i sanntid. Det kan være problematisk å gjøre seg avhengig av bare én trådløs teknologi når det gjelder enheter som ikke er låst til ett sted, ettersom GPS, mobilnett og Wi-Fi hver har sine unike styrker og begrensninger.

Wi-Fi er en enkel og kostnadseffektiv løsning for lokalisering i utrustninger der nettverk og tilgangspunkter er lett tilgjengelige. De fleste Wi-Fi-enheter har en eller annen type lokalisering, som har store variasjoner i energieffektivitet og nøyaktighet når det gjelder implementering.

Wi-Fi Alliance har iverksatt tiltak for å fremme disse funksjonene og sikre driftskompatibilitet med sitt Wi-Fi-sertifiserte lokasjonsprogram (Wi-Fi CERTIFIED Location Program) som innlemmer IEEE 802.11mc-standarden. Ved å bruke protokollen FTP-protokollen (FTM – Fine Timing Measurement), tilgangspunkter og trådløse LAN-kort som er kompatible med Wi-Fi CERTIFIED Location, kan en lokasjon fastsettes innenfor én meter, så lenge et Wi-Fi-aksesspunkt (AP) vet sin nøyaktige lokasjon.

Konstruktører trenger imidlertid mer kompakte og energieffektive komponenter for å lage kostnadseffektive lokaliseringsutrustninger. Effektivt strømforbruk som maksimerer batterilevetiden er avgjørende for mange IoT-enheter og -sensorer. Nordic tilbyr et sortiment av komponenter for å dra nytte av Wi-Fi og andre alternativer for posisjonsfastsettelse for å forbedre konnektiviteten til IoT-økosystemer.

Trådløs ledsager

nRF7000 (figur 1) er en trådløs ledsager-IC som er optimalisert for utrustninger med svært lavt strømforbruk, for å sikre maksimal energieffektivitet. Den sender ikke data, men gir i stedet aktive og passive skannefunksjoner til en systembrikke (SoC – system-on-chip), minnebeskyttelsesenhet (MPU – Memory Protection Unit) eller mikrokontroller-vert (MCU – Microcontroller Unit) for Wi-Fi-lokalisering.

Figur 1: NRF7000 ledsager-IC for laveffekt-Wi-Fi 6 for Wi-Fi-lokaliseringsutrustninger. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

nRF7000 kan skanne både 2,4 GHz og 5 GHz Wi-Fi-frekvensbåndene, og den implementerer PHY-laget og deler av MAC-laget for dette formålet. Den er koblet til en vertsmikrokontroller eller applikasjonsprosessor – som brukerutrustningen kjører – gjennom en QSPI (6-leder) eller SPI (4-leder) for data og et styringsgrensesnitt for sameksistens (3-leder eller 4-leder) for verter som inkluderer en Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4-radio.

NRF7000 er en destillert versjon av nRF7002, en annen ledsager-IC som inkluderer en integrert 2,4 GHz- og 5 GHz-radio for å gi en annen vertsbrikke direkte Wi-Fi 6-datakonnektivitet, samt lokaliseringsmuligheter. nRF7001 er også tilgjengelig, og denne tilbyr en 2,4 GHz-radio med ett bånd. Begge er egnet for å implementere moderne Wi-Fi 6-funksjoner i eksisterende lavenergi-Bluetooth® (BLE)-, Thread® - eller Zigbee®-systemer.

Selv om hver av disse enhetene kan kobles til ikke-Nordic-verter, sier selskapet, med deres nRF Cloud-plattform, at den kan gi en «silisium-til-sky-lokaliseringsløsning» med komponenter som støtter Wi-Fi-, mobil- og GNSS-posisjonsfastsettelse.

Fastsette en Wi-Fi-lokasjon med nRF7000

Nordic sine tilbud med SiP-kapslinger (system-in-package) for mobiltelefoni i nRF91-serien, for eksempel NRF9160-SICA-B1A-R7 (figur 2), er betegnet som de foretrukne Nordic-vertsenhetene for nRF7000/7100/7200 IC-er (nRF70-serien). Disse har en applikasjonsprosessor og flermodusmodem i en kompakt kapsling på 10 x 16 x 1,04 mm som støtter LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF-inngang (RFFE – RF-front-end) og strømstyring. Andre foretrukne verter, er Nordic sine SoC-er med Bluetooth-flerprotokoll i nRF52- og nRF53-seriene.

Figur 2: nRF9160 SiP med LTE-M/NB-IoT-modem og GNSS, som integreres med nRF7000 for å gi sømløse lokaliseringsutrustninger som innlemmer Wi-Fi. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

En nRF7000 kombinert med en nRF91 gir nøyaktig fastsetting av Wi-Fi-lokasjoner, både innendørs og utendørs, som komplementerer GNSS og mobiltelefoni. Når Wi-Fi-lokaliseringstjenesten er konfigurert, kan en enhet starte aktiv eller passiv skanning etter Wi-Fi-tilgangspunkter (AP – access point) i nærheten, og samle inn data om SSID-er, BSSID-er og signalstyrker.

Ved å bruke informasjon fra ledsager-IC-en, kan en nRF91 overføre AP-informasjon til nRF Cloud, som bruker en Wi-Fi-database med kjente steder for å fastsette en nøyaktig posisjon i forhold til minst to nærliggende tilgangspunkter, uten at enheten trenger å koble til dem. Skytjenesten kan deretter sende posisjonen tilbake til enheten, eller hvor enn informasjonen trengs. Etter at lokasjonen er fastsatt, kan enheten gå inn i en tilstand med lavt strømforbruk for å spare batteristrøm.

nRF Cloud har følgende alternativer for lokalisering:

• Assistert GNSS som muliggjør raskere TTFF
• Forventet GNSS for å gi opptil to uker med forventede satellittdata for å redusere hyppigheten av nye assistansedataforespørsler
• SCELL (single-cell location) for å gi estimerte lokasjoner basert på nærmeste celle, noe som eliminerer behovet for GNSS-mottakeren
• Flercellelokalisering (MCELL – multi-cell location) gir også en mer nøyaktig, men fortsatt estimert lokasjon ved å bruke nærmeste celle og naboceller

Hver av disse lokaliseringsprosessene i nRF Cloud har forskjellige egenskaper for posisjonsnøyaktighet og strømforbruk. Ifølge Nordic leverer Wi-Fi en lokasjonsnøyaktighet på 5–15 m, sammenlignet med 5–10 m med GNSS, 200–300 m for flercelle og 1000 m for enkeltcelle. Latenstiden er lavest for mobiltelefoni på mindre enn 1 sekund, mens det tar noen få sekunder for både GNSS og Wi-Fi. I tester for strømforbruk utført av Nordic, ble en liten fordel demonstrert for mobiltelefoni ved 122,48 mC, sammenlignet med 125,85 mC for Wi-Fi og 316,71 mC for GNSS ved bruk av A-GPS.

Nordic tilbyr flere verktøy, deriblant nRF Connect SDK-programvareutviklingsmiljøet for alle enheter i nRF70-serien, samt nRF7002 EK-utviklingssettet for to bånd (figur 3) i et Arduino Shield-format. Settet inkorporerer nRF7002 og kan emulere både nRF7000 og nRF7001, og kan kombineres med nRF9160 DK-utviklingssettet for å lage utrustninger som bruker nRF70-serien.

Figur 3: nRF7002-EK-evalueringssettet inkluderer nRF7002, og det kan emulere både nRF7000 og nRF7001. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Konklusjon

Med nRF7000- og nRF91-serien gjør Nordic det mulig for utviklere å lage IoT-løsninger som kan utnytte flere trådløse teknologier for lokasjonstjenester. Produktene tilbyr høy ytelse, lavt strømforbruk og fleksible integrasjonsalternativer for et bredt utvalg av utrustninger som sømløst kan bytte mellom alternativer for posisjonsfastsettelse.