Wi-fi®-komponenter for positionsbestemmelse overvinder GNSS- og huller i mobilnetværket

Lokationsbaserede tjenester kan være en stor fordel i forbindelse med styring af aktiver, men de kommer ofte med en betydelig ulempe i form af batteriforbrug, som effektivt kan lamme nogle IoT-applikationer. Det globale satellitnavigationssystem (GNSS) og den store rækkevidde af mobilnettjenester giver relativt nemme muligheder for at bestemme enheders geografiske position. Men de har huller i dækningen og ydeevnen, som kan suppleres eller i nogle tilfælde erstattes af Wi-Fi-netværks stigende rækkevidde.

Guldstandarden for trådløs sporing er det globale positioneringssystem (GPS), der drives af USA, og som er en del af GNSS, der omfatter flere regionale satellitnavigationssystemer. Det kan dog tage flere minutter for et GPS-modem at gå fra koldstart til ”tid-til-første-positionsfastsættelse” (”time to first fix"/TTFF) samtidig med at det bruger en del batterikapacitet. Det kan også hindres af hindringer i sigtelinjen mellem satellitter og modtagere, herunder bygningers vægge.

Mobilnettets faste basestationer kan også bruges til ”positionsbestemmelse” for applikationer. Scanning af mobilnetværket til lokalisering er mindre strømkrævende end GPS/GNSS, men er mindre præcis. Afhængigt af hvilke typer mobilnetværksmaster der bruges, kan positionsbestemmelse ved hjælp af mobilnetværket være flere hundrede eller endda flere tusinde meter forkert. Denne mangel på præcision kan være kritisk for anvendelser som f.eks. sporing af aktiver i bevægelse i store lagerbygninger eller på containerskibe.

Wi-fi kan være mere præcist end mobilnettet for positionsbestemmelse og næsten lige så strømbesparende. ”Service Set Identifier” (SSID), netværksidentifikator, der er unik for hvert Wi-fi-netværk, og ”Basic Service Set Identifier” (BSSID), identifikator for basisservicesæt, der er unik for hver adgangsenhed, giver en attraktiv mulighed for positionsbestemmelse, men de fleste Wi-fi-integrerede kredsløb er ikke optimeret til opgaven og er generelt dyre, pladskrævende og strømslugende.

Nordic Semiconductor leverer komponenter, som ingeniører kan bruge til at skabe fleksible applikationer, der er afhængige af kombinationer af trådløse teknologier samt en tjeneste baseret i skyen til at løse problemer med ydeevne og dækning.

Værdien af positionsbestemmelse vha. Wi-fi

Positionsbestemmelse kan berige mange anvendelser, herunder batteridrevne hjemmesensorer, sundhedsmonitorer og fitnessudstyr, sporingsenheder til industrielle aktiver og miljøsensorer samt styring af lagerbeholdning i detailhandlen og salgssteder.

Blandt de førende brugseksempler (use-cases) kan virksomheder spore aktivernes placering for at optimere styring af distributionskæden og logistikken - kropsbåren elektronik (wearables) kan advare lægehold om sundhedsproblemer, detailhandlere og bankfolk kan opdage og afbøde svigagtig brug af betalingskort, og flådestyringsoperatører kan spore deres køretøjer i realtid. Det kan være problematisk at være afhængig af kun en enkelt trådløs teknologi, når det drejer sig om enheder, der ikke er fastlåst til ét sted, da GPS, mobilnetværk og Wi-fi har hver især deres styrker og begrænsninger.

Wi-fi er en enkel og omkostningseffektiv løsning til positionsbestemmelse i brugssituationer, hvor netværk og adgangspunkter er let tilgængelige. De fleste Wi-fi-enheder indeholder en eller anden form for positionsbestemmelse, men der er stor forskel på implementeringernes strømeffektivitet og nøjagtighed.

Wi-fi-alliancen har taget skridt til at fremme disse muligheder og sikre interoperabilitet med sit ”Wi-fi CERTIFIED Location”-program, der inkorporerer IEEE 802.11mc-standarden. Ved hjælp af FTM-protokollen (fin timing-måling), adgangspunkter og trådløse LAN-kort, der er kompatibel med ”Wi-fi CERTIFIED Location”, kan en placering bestemmes inden for en meter, så længe et Wi-fi-adgangspunkt (AP) kender dets nøjagtige placering.

Men ingeniører har brug for mere kompakte og energieffektive komponenter for at skabe omkostningseffektive applikationer for positionsbestemmelse. Et effektivt strømforbrug, der maksimerer batterilevetiden, er afgørende for mange IoT-enheder og -sensorer. Nordic tilbyder en portefølje af komponenter, der udnytter Wi-fi og andre positioneringsmuligheder til at forbedre IoT-økosystemers konnektivitet.

Trådløs følge

nRF7000’en (figur 1) er et trådløst følge-integreret kredsløb, optimeret til applikationer med ultralavt strømforbrug for at sikre maksimal strømeffektivitet. Den sender ikke data, men leverer i stedet aktive og passive scanningsfunktioner til en system-på-chip (System on Chip/SoC), hukommelsesbeskyttelsesenhed (Memory Protection Unit/MPU) eller mikrocontrollerenhed (Microcontroller Unit/MCU) vært til positionsbestemmelse vha. Wi-fi.

Figur 1: den strømbesparende nRF7000 Wi-fi 6 følge-integreret kredsløb til Wi-fi-applikationer for positionsbestemmelse. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

nRF7000’en kan scanne både 2,4 GHz og 5 GHz Wi-fi-frekvensbåndet, og implementerer PHY-laget og dele af MAC-laget til formålet. Den er forbundet til en værts-MCU eller applikationsprocessor, som brugerapplikationen kører på, via en QSPI (6-leder) eller SPI (4-leder) til data og en styringsgrænseflade til sameksistens for værter med 3- eller 4-leder, der inkluderer en Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4-radio.

nRF7000’en er en neddroslet version af nRF7002, et andet følge-integreret kredsløb, der indeholder en integreret 2,4 GHz- og 5 GHz-radio for at give en anden værtschip direkte Wi-fi 6-datakonnektivitet samt positionsbestemmelsesfunktioner. Der findes også en nRF7001, som har en enkeltbånds 2,4 GHz-radio. Begge er velegnede til at tilføje moderne Wi-fi 6-funktioner til eksisterende Bluetooth® Low Energy-, Thread®- eller Zigbee®-systemer.

Selvom hver af disse enheder kan forbindes til andre end Nordics værter, siger virksomheden, at den med sin nRF Cloud- platform kan levere en "silicium-til-sky-positionsbestemmelsesløsning" med komponenter, der understøtter Wi-fi-, mobilnetværks- og GNSS-positionering.

Sådan bruges Wi-fi til positionsbestemmelse med nRF7000

Nordics nRF91-serie af mobilnetværkssystem-i-pakke (system-in-package/SiP) produktudbud, såsom NRF9160-SICA-B1A-R7 (figur 2), er udpeget som de foretrukne Nordic-værtsenheder til nRF7000/7100/7200 integreret kredsløb (nRF70-serien). De indeholder en applikationsprocessor og et multimode-modem i en kompakt 10 x 16 x 1,04 mm pakke, der understøtter LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF-frontend (RFFE) og strømstyring. Andre foretrukne værter er Nordic nRF52- og nRF53-seriens Bluetooth-multiprotokol-SoC'er.

Figur 2: nRF9160 SiP med LTE-M/NB-IoT-modem og GNSS, som integreres med nRF7000 for at give sømløse applikationer for positionsbestemmelse med Wi-fi. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

En nRF7000 kombineret med en nRF91 giver nøjagtige Wi-fi-positionsbestemmelse både indendørs og udendørs som supplement til GNSS og mobilnettet. Når Wi-fi-positionsbestemmelsestjenesten er konfigureret, kan en enhed begynde at scanne aktivt eller passivt efter Wi-fi-adgangspunkter i nærheden og indsamle data om SSID'er, BSSID'er og signalstyrker.

Ved hjælp af oplysninger fra det følge-integreret kredsløb, kan en nRF91 sende AP-oplysninger til nRF-Cloud, som bruger en Wi-fi-database med kendte placeringer til at bestemme en nøjagtig position i forhold til mindst to AP'er i nærheden, uden at enheden behøver at oprette forbindelse til dem. Cloud-tjenesten kan derefter sende positionen tilbage til enheden, eller hvor der er brug for oplysningerne. Når positionen er bestemt, kan enheden gå i energibesparende tilstand for at spare på batteriet.

nRF Cloud giver følgende alternative muligheder for positionsbestemmelse:

• Assisteret GNSS, der muliggør hurtigere TTFF
• Predicted (forudsagt) GNSS leverer op til to ugers forudsagte satellitdata for at reducere hyppigheden af nye anmodninger om assistancedata.
• Enkeltcelleplacering (SCELL) til at give grove placeringer baseret på den nærmeste celle, hvilket eliminerer behovet for GNSS-modtageren
• Multi-celle-positionering (MCELL) giver også en mere præcis, men stadig grov lokalisering ved hjælp af den nærmeste celle og nabocellerne

Hver af disse lokaliseringsprocesser i nRF-skyen har forskellige egenskaber med hensyn til positionsnøjagtighed og strømforbrug. Ifølge Nordic giver Wi-fi en lokaliseringsnøjagtighed på 5 til 15 m sammenlignet med 5 til 10 m med GNSS, 200 til 300 m med flercellet mobilnetværk og 1.000 m med en enkelt mobilnetværkscelle. Latenstid er lavest for mobilnettet med mindre end 1 sekund, mens det tager sekunder for både GNSS og Wi-fi. Nordics strømforbrugstests viste en mindre fordel til mobilnettet med 122,48 mC sammenlignet med 125,85 mC for Wi-fi og 316,71 mC for GNSS med A-GPS.

Nordic tilbyder flere værktøjer, herunder nRF Connect SDK- softwareudviklingsmiljøet til alle enheder i nRF70-serien samt nRF7002 EK-udviklingssættet til dobbeltbånd (dual-band) (figur 3) i et Arduino-skjold-format. Sættet indeholder nRF7002 og kan emulere både nRF7000 og nRF7001 og kan kombineres med nRF9160 DK-udviklingssættet til at skabe applikationer, der udnytter nRF70-serien.

Figur 3: nRF7002-EK-evalueringssættet inkluderer en nRF7002 og kan emulere både nRF7000 og nRF7001. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Konklusion

Med nRF7000- og nRF91-serien gør Nordic det muligt for udviklere at skabe IoT-løsninger, der kan udnytte flere trådløse teknologier til lokaliseringstjenester. Produkterne tilbyder høj ydeevne, lavt strømforbrug og fleksible integrationsalternativer til en lang række applikationer, der problemfrit kan skifte mellem forskellige positioneringsalternativer.