Komponenter för lokalisering via WiFi® hanterar de brister som GNSS och mobilnätet har för lokaliseringstillämpningar

Platsbaserade tjänster kan vara till stor nytta vid hantering av tillgångar, men de medför ofta en betydande batteriförbrukning som i praktiken kan lamslå vissa IoT-tillämpningar. Det globala satellitnavigeringssystemet (GNSS) och utbredningen av mobilnättjänster skapar relativt enkla möjligheter att bestämma enheters geografiska position. De har dock brister i täckning och prestanda som kan kompletteras eller, i vissa fall, ersättas av WiFi-nätverkens ökade räckvidd.

Den högsta standarden för trådlös spårning är Global Positioning System (GPS), som drivs av USA och ingår i det globala satellitnavigeringssystemet som omfattar flera regionala satellitnavigeringssystem. Det kan dock ta flera minuter för ett modem med GPS att gå från kallstart till "tid till första fixering" (TTFF), samtidigt som det har en mycket hög batteriförbrukning. Det kan påverkas av hinder i siktlinjen mellan satelliter och mottagare, som t.ex. väggar i byggnader.

Fasta basstationer för mobilnäten kan även användas för "lokaliserings"-tillämpningar. Platsskanning via mobilnätet har lägre strömförbrukning än GPS/GNSS, men är mindre exakt. Lokalisering via mobilnätet kan, beroende på vilken typ av mobilmast som används och avvika med hundratals eller till och med tusentals meter. Bristen på noggrannhet kan vara avgörande för tillämpningar som t.ex. spårning av rörliga tillgångar i stora lagerlokaler eller på containerfartyg.

WiFi kan vara mer exakt än lokalisering via mobilnät och nästan lika strömsnålt. SSID (Service Set Identifier), som är unikt för varje WiFi-nätverk, och BSSID (Basic Service Set Identifier), som är unikt för varje åtkomstpunkt, utgör ett attraktivt alternativ för lokalisering, men de flesta integrerade WiFi-kretsar är inte optimerade för uppgiften och är i allmänhet dyra, skrymmande och strömkrävande.

Nordic Semiconductor har komponenter som ingenjörer kan använda för att skapa flexibla tillämpningar som förlitar sig på kombinationer av trådlösa teknologier, samt en molnbaserad tjänst, för att lösa problem med prestanda och täckning.

Värdet av lokalisering via WiFi

Lokalisering kan berika många tillämpningar, inklusive batteridrivna givare i hemmen, enheter för hälsoövervakning och träning, industriella spårningsenheter för tillgångar och miljösensorer, samt hantering av lager och kassor inom detaljhandeln.

Bland de främsta användningsområdena kan nämnas att företag kan spåra var tillgångar befinner sig för att effektivisera hanteringen av leveranskedjan och logistiken – bärbara enheter kan uppmärksamma hälsoproblem för medicinsk personal, detaljhandlare och banker kan upptäcka och motverka bedräglig användning av betalkort och transportledare för vagnparker kan spåra sina fordon i realtid. Att förlita sig på enbart en trådlös teknik kan vara problematiskt när det gäller enheter som inte är stationära på en plats, eftersom GPS, mobilnät och WiFi var och en har sina styrkor och begränsningar.

WiFi är en enkel och kostnadseffektiv lösning för lokalisering i användningsfall där nätverk och åtkomstpunkter är lättillgängliga. De flesta enheter med WiFi innehåller någon typ av lokalisering, med stora variationer i implementeringarnas effektivitet och noggrannhet.

WiFi Alliance har vidtagit åtgärder för att främja dessa funktioner och säkerställa interoperabilitet genom sitt program WiFi CERTIFIED Location som uppfyller standarden IEEE 802.11mc. Med hjälp av protokollet FTM (Fine Timing Measurement), åtkomstpunkter och trådlösa kort för LAN som överensstämmer med WiFi CERTIFIED Location kan en plats bestämmas inom en meter, så länge en åtkomstpunkt (AP) för WiFi känner till den exakta platsen.

Men, ingenjörer behöver dock mindre och mer strömsnåla komponenter för att kunna skapa kostnadseffektiva tillämpningar för lokalisering. Effektiv strömförbrukning som maximerar batteritiden är avgörande för många IoT-enheter och givare. Nordic har ett sortiment av komponenter som utnyttjar WiFi och andra alternativ för lokalisering för att förbättra anslutningsmöjligheterna i ekosystem för IoT.

Trådlös komplettering

nRF7000 (figur 1) är en kompletterande trådlös krets som är optimerad för tillämpningar med extremt låg strömförbrukning för att säkerställa maximal effektivitet. Den skickar inte data utan tillhandahåller istället aktiva och passiva skanningsfunktioner till en systemkrets (SoC), minnesskyddsenhet (MPU) eller microcontroller (MCU) för lokalisering via WiFi.

Figur 1: Den kompletterande kretsen nRF7000 som har låg strömförbrukning och WiFi 6 för tillämpningar med lokalisering via WiFi. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

nRF7000 kan skanna frekvensbanden 2,4 och 5 GHz för WiFi och implementerar det fysiska lagret och delar av MAC-lagret för detta ändamål. Den är ansluten till en microcontroller eller applikationsprocessor hos en värd, där användarens tillämpning körs, via datagränssnittet QSPI (6 trådar) eller SPI (4 trådar) och ett gränssnitt med 3 eller 4-trådar för samverkande styrning av värdar som innehåller en radio för Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

nRF7000 är en förfinad version av nRF7002, en annan kompletterande krets som innehåller en integrerad radio för 2,4 och 5 GHz för att förse en annan värdkrets med direkt dataanslutning för WiFi 6 samt funktioner för lokalisering. Dessutom finns nRF7001, som är en radio för 2,4 GHz-bandet. Båda är lämpliga för att lägga till moderna funktioner för WiFi 6 i befintliga system med Bluetooth® Low Energy, Thread® eller Zigbee®.

Även om respektive enhet kan anslutas till värdar som inte är från Nordic, säger företaget att de med sin egna plattform nRF Cloud kan tillhandahålla en "lokaliseringslösning från kisel till moln" med komponenter som stödjer lokalisering via WiFi, mobilnät och GNSS.

Fixering med lokalisering via WiFi med nRF7000

SiP-enheter från Nordic för mobilnät i serien nRF91, som t.ex. NRF9160-SICA-B1A-R7 (figur 2), har utsetts till de föredragna värdenheterna från Nordic för de integrerade kretsarna nRF7000/7100/7200 (serien nRF70). De innehåller en applikationsprocessor och ett modem med flera lägen i en liten kapsling med måtten 10 x 16 x 1,04 mm, med stöd för LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) och strömhantering. Andra föredragna värdar är systemkretsar från serierna nRF52 och nRF53 med flera Bluetooth-protokoll från Nordic.

Figur 2: SiP-enheten nRF9160 med LTE-M/NB-IoT-modem och GNSS, som integreras med nRF7000 för att skapa sömlösa tillämpningar för lokalisering via WiFi. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

En nRF7000 i kombination med en nRF91 har en noggrann lokalisering via WiFi inom- och utomhus, som komplement till GNSS och mobilnät. När tjänsten för lokalisering via WiFi är konfigurerad kan en enhet aktivt eller passivt börja söka efter WiFi-åtkomstpunkter i närheten och samla in data om SSID, BSSID och signalstyrkor.

Med hjälp av information från den kompletterande kretsen kan en nRF91 överföra åtkomstpunktens information till nRF Cloud, som använder en WiFi-databas med kända platser för att bestämma en exakt position i förhållande till minst två närliggande åtkomstpunkter, utan att enheten behöver ansluta till dem. Molntjänsten kan sedan skicka tillbaka positionen till enheten eller till den plats där informationen behövs. När platsen har konstaterats kan enheten gå in i ett strömsnålt läge för att spara på batteriet.

nRF Cloud har följande alternativa möjligheter för lokalisering:

• Assisterad GNSS som möjliggör snabbare tid till första fixering
• Uppskattad GNSS för att tillhandahålla upp till två veckors uppskattad satellitdata för att minska frekvensen av nya förfrågningar om assisterad data
• SCELL (Single-cell location) för att tillhandahålla ungefärliga positioner baserade på närmaste mobil, vilket eliminerar behovet av mottagare för GNSS
• MCELL (Multi-cell location) ger även en mer exakt men fortfarande ungefärlig lokalisering med hjälp av den närmaste och angränsande mobiler

Respektive lokaliseringsprocess i nRF Cloud har olika egenskaper för platsnoggrannhet och strömförbrukning. Enligt Nordic har WiFi en noggrannhet på 5-15 m, jämfört med 5-10 m för GNSS, 200-300 m för flera olika mobilnät och 1 000 m för enstaka mobiler. Fördröjningen är lägst för mobilnätet, med mindre än 1 sekund, medan det tar flera sekunder för både GNSS och WiFi. Strömförbrukningstester utförda av Nordic påvisade en liten fördel för mobilnätet med 122,48 mC, jämfört med 125,85 mC för WiFi och 316,71 mC för GNSS med A-GPS.

Nordic har flera verktyg, bland annat mjukvaruutvecklingsmiljön nRF Connect SDK för alla enheter i serien nRF70 samt utvecklingssatsen nRF7002 EK för dubbla band (figur 3) i form av ett tilläggskort för Arduino. Satsen innehåller nRF7002 och kan emulera både nRF7000 och nRF7001, och kan kombineras med utvecklingssatsen nRF9160 för att skapa tillämpningar som använder serien nRF70.

Figur 3: Utvärderingssatsen nRF7002-EK innehåller en nRF7002 och kan emulera både nRF7000 och nRF7001. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Sammanfattning

Med serierna nRF7000 och nRF91 gör Nordic det möjligt för utvecklare att skapa IoT-lösningar som kan utnyttja flera olika trådlösa tekniker för platstjänster. Produkterna har hög effektivitet, låg strömförbrukning och flexibla integrationsalternativ för ett stort urval av tillämpningar som sömlöst kan växla mellan olika alternativ för lokalisering.