Componentele de localizare Wi-Fi® depășesc lacunele GNSS și ale sistemului celular pentru aplicațiile de poziționare

Serviciile bazate pe locație pot fi un avantaj puternic pentru gestionarea activelor, dar deseori implică un consum semnificativ al bateriei, care ar putea paraliza efectiv unele aplicații IoT. Sistemul global de navigație prin satelit (GNSS) și raza largă de acțiune a serviciilor celulare oferă mijloace relativ simple de determinare a poziției geografice a dispozitivelor. Totuși, acestea sunt însoțite de deficiențe de acoperire și de performanță care pot fi suplimentate sau, în unele cazuri, înlocuite de raza de acțiune tot mai mare a rețelelor Wi-Fi.

Standardul de aur pentru urmărirea fără fir este Sistemul Global de Poziționare (GPS), operat de SUA, care face parte din GNSS, și care cuprinde mai multe sisteme regionale de navigație prin satelit. Cu toate acestea, poate dura câteva minute pentru ca un modem GPS să treacă de la pornirea la rece la „timpul până la prima identificare a poziției” (TTFF), utilizând în același timp o capacitate semnificativă a bateriei. De asemenea, poate fi împiedicată de obstrucțiile liniei de vizibilitate dintre sateliți și receptori, inclusiv de pereții clădirilor.

Stațiile de bază celulare fixe pot fi utilizate și pentru aplicații de „localizare”. Scanarea locației în sistem celular utilizează un consum de energie mai mic decât în cazul GPS/GNSS, dar este mai puțin precisă. Localizarea celulară, în funcție de tipurile de turnuri celulare utilizate, poate fi deviată cu sute sau chiar mii de metri. Această lipsă de precizie ar putea fi critică pentru aplicații precum urmărirea activelor în mișcare din depozite mari sau de pe portcontainere, de exemplu.

Wi-Fi poate fi mai precis decât localizarea celulară și aproape la fel de eficient din punct de vedere energetic. Identificatorul setului de servicii (SSID), unic pentru fiecare rețea Wi-Fi, și identificatorul setului de servicii de bază (BSSID), unic pentru fiecare dispozitiv de acces, oferă o opțiune atractivă de localizare, dar majoritatea circuitelor integrate Wi-Fi nu sunt optimizate pentru această sarcină și sunt, în general, costisitoare, voluminoase și consumatoare de energie.

Nordic Semiconductor oferă componente pe care inginerii le pot utiliza pentru a crea aplicații flexibile care se bazează pe combinații de tehnologii wireless, precum și pe un serviciu bazat pe cloud, pentru a rezolva problemele de performanță și acoperire.

Valoarea localizării Wi-Fi

Localizarea poate îmbogăți numeroase aplicații, inclusiv senzorii de uz casnic alimentați de baterii, monitoarele de sănătate și dispozitivele de fitness, dispozitivele de urmărire a activelor industriale și senzorii de mediu, precum și gestionarea inventarului de vânzare cu amănuntul și dispozitivele pentru punctele de vânzare.

Printre principalele cazuri de utilizare, întreprinderile pot urmări locația activelor pentru a eficientiza gestionarea lanțului de aprovizionare și logistica – dispozitivele portabile pot alerta echipele medicale cu privire la problemele de sănătate, comercianții cu amănuntul și bancherii pot detecta și reduce utilizarea frauduloasă a cardurilor de plată, iar operatorii de gestionare a flotelor își pot urmări vehiculele în timp real. Utilizarea unei singure tehnologii wireless poate fi problematică în cazul dispozitivelor care nu sunt fixate într-o singură locație, deoarece sistemele GPS, celulare și Wi-Fi au fiecare puncte forte și limitări.

Wi-Fi este o soluție simplă și rentabilă pentru localizare în cazurile de utilizare în care rețelele și punctele de acces sunt ușor disponibile și accesibile. Majoritatea dispozitivelor Wi-Fi încorporează un anumit tip de localizare, cu mari variații în ceea ce privește eficiența energetică și precizia implementărilor.

Wi-Fi Alliance a luat măsuri pentru a promova aceste capacități și pentru a asigura interoperabilitatea cu programul său Wi-Fi CERTIFIED Location, care încorporează standardul IEEE 802.11mc. Prin utilizarea protocolului Fine Timing Measurement (FTM), punctele de acces și plăcile LAN wireless care sunt conforme cu Wi-Fi CERTIFIED Location, o locație poate fi determinată în limita unui metru, atât timp cât un punct de acces Wi-Fi (AP) cunoaște locația sa exactă.

Cu toate acestea, inginerii au nevoie de componente mai compacte și cu consum mai mic de energie pentru a crea aplicații de localizare rentabile. Consumul redus de energie care maximizează durata de viață a bateriei este esențial pentru multe dispozitive și senzori IoT. Nordic oferă un portofoliu de componente pentru a valorifica Wi-Fi și alte opțiuni de poziționare pentru a îmbunătăți conectivitatea ecosistemelor IoT.

Companion wireless

nRF7000 (Figura 1) este un circuit integrat companion wireless optimizat pentru aplicații cu consum foarte scăzut de energie, pentru a asigura o eficiență energetică maximă. Acesta nu trimite date, ci oferă capacități de scanare activă și pasivă către un sistem pe cip (SoC), o unitate de protecție a memoriei (MPU) sau o unitate de microcontroler (MCU) gazdă pentru localizarea Wi-Fi.

Figura 1: Circuitele integrate companion Wi-Fi 6 de joasă putere nRF7000 pentru aplicații de localizare Wi-Fi. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

nRF7000 poate scana benzile de frecvență Wi-Fi de 2,4 GHz și 5 GHz și implementează în acest scop stratul PHY și părți ale stratului MAC. Acesta este conectat la un MCU gazdă sau la un procesor de aplicații pe care se execută aplicația utilizatorului – prin intermediul unei interfețe QSPI (6 fire) sau SPI (4 fire) pentru date și prin intermediul unei interfețe de control coexistente cu 3 sau 4 fire pentru gazdele care includ un radio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

nRF7000 este o versiune distilată a nRF7002, un alt CI companion care include un radio integrat de 2,4 GHz și 5 GHz pentru a oferi unui alt cip gazdă conectivitate directă de date Wi-Fi 6, precum și capacități de localizare. De asemenea, este disponibil și nRF7001, care oferă o singură bandă radio de 2,4 GHz. Ambele sunt potrivite pentru adăugarea capacităților Wi-Fi 6 moderne la sistemele Bluetooth® Low Energy, Thread® sau Zigbee® existente.

Deși fiecare dintre aceste dispozitive poate fi conectat la gazde care nu sunt furnizate de Nordic, compania spune că, datorită platformei sale nRF Cloud, poate oferi o „soluție de localizare de la siliciu la cloud” cu componente care acceptă poziționarea Wi-Fi, celulară și GNSS.

Obținerea unei locații Wi-Fi fixe cu nRF7000

Sistemele SiP (system-in-package) celulare de la Nordic, din seria nRF91, cum ar fi NRF9160-SICA-B1A-R7 (Figura 2), sunt desemnate ca dispozitive gazdă Nordic preferate pentru circuitele integrate nRF7000/7100/7200 (seria nRF70). Acestea încorporează un procesor de aplicații și un modem multi-mod într-o capsulă compactă de 10 x 16 x 1,04 mm, care acceptă LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) și gestionarea energiei. Alte gazde preferate sunt SoC-urile multi-protocol Bluetooth din seriile nRF52 și nRF53 de la Nordic.

Figura 2: SiP nRF9160 cu modem LTE-M/NB-IoT și GNSS, care se integrează cu nRF7000 pentru a oferi aplicații de localizare fără întreruperi, care încorporează Wi-Fi. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Un nRF7000 combinat cu un nRF91 oferă localizare Wi-Fi precisă în interior și exterior, completând sistemele GNSS și celulare. Atunci când serviciul de localizare Wi-Fi este configurat, un dispozitiv poate începe scanarea activă sau pasivă a punctelor de acces Wi-Fi din apropiere, colectând date privind SSID-urile, BSSID-urile și intensitatea semnalului.

Folosind informațiile de la CI-ul companion, un nRF91 poate transmite informații despre AP către nRF Cloud, care utilizează o bază de date Wi-Fi cu locații cunoscute pentru a determina o poziție exactă în raport cu cel puțin două AP-uri din apropiere, fără ca dispozitivul să fie nevoit să se conecteze la acestea. Serviciul cloud poate trimite apoi poziția înapoi la dispozitiv sau oriunde este nevoie de informații. După determinarea locației, dispozitivul poate intra într-o stare de putere redusă pentru a economisi energia bateriei.

nRF Cloud oferă următoarele opțiuni alternative pentru localizare:

• GNSS asistat care permite un TTFF mai rapid
• GNSS prognozat pentru a furniza până la două săptămâni de date satelitare prognozate pentru a reduce frecvența noilor cereri de date de asistență
• Locație cu o singură celulă (SCELL) pentru a furniza locații aproximative bazate pe cea mai apropiată celulă, eliminând necesitatea receptorului GNSS
• Localizarea multicelulară (MCELL) oferă, de asemenea, o localizare mai precisă, dar încă aproximativă, utilizând cea mai apropiată celulă și celulele învecinate

Fiecare dintre aceste procese de localizare în nRF Cloud oferă caracteristici diferite pentru precizia poziției și consumul de energie. Potrivit companiei Nordic, Wi-Fi oferă o precizie de localizare de la 5 m până la 15 m, comparativ cu 5 m până la 10 m cu GNSS, 200 m până la 300 m pentru sistemele celulare cu celule multiple și 1.000 m pentru celulele individuale. Latența este cea mai scăzută pentru sistemul celular, mai mică de 1 secundă, în timp ce pentru GNSS și Wi-Fi este de secunde. Testele privind consumul de energie efectuate de Nordic au arătat un ușor avantaj pentru sistemul celular, la 122,48 mC, comparativ cu 125,85 mC pentru Wi-Fi și 316,71 mC pentru GNSS utilizând A-GPS.

Nordic oferă mai multe instrumente, inclusiv mediul său de dezvoltare software nRF Connect SDK pentru toate dispozitivele din seria nRF70, precum și kitul de dezvoltare în bandă duală nRF7002 EK (Figura 3) în format de scut Arduino. Kitul încorporează nRF7002 și poate emula atât nRF7000, cât și nRF7001, și poate fi combinat cu kitul de dezvoltare nRF9160 DK pentru crearea de aplicații care utilizează seria nRF70.

Figura 3: Kitul de evaluare nRF7002-EK include un nRF7002 și poate emula atât nRF7000, cât și nRF7001. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Concluzie

Cu seriile nRF7000 și nRF91, Nordic permite dezvoltatorilor să creeze soluții IoT care pot utiliza mai multe tehnologii wireless pentru servicii de localizare. Produsele oferă performanțe ridicate, consum redus de energie și opțiuni flexibile de integrare pentru o gamă largă de aplicații care pot comuta fără probleme între opțiunile de poziționare.