Wi-Fi-onderdelen voor locatiebepaling overwinnen GNSS- en cellulaire hiaten voor plaatsbepalingstoepassingen

Locatie-gebaseerde diensten kunnen een krachtig voordeel zijn bij het beheren van bedrijfsmiddelen, maar gaan vaak gepaard met een aanzienlijk batterijverbruik dat sommige IoT-toepassingen kan lamleggen. Het Global Navigation Satellite System (GNSS) en het brede bereik van mobiele diensten bieden relatief eenvoudige middelen om de geografische positie van apparaten te bepalen. Deze gaan echter gepaard met hiaten in dekking en prestaties die kunnen worden aangevuld of, in sommige gevallen, vervangen door het groeiende bereik van Wi-Fi-netwerken.

De gouden standaard voor draadloos tracken is het Global Positioning System (GPS), dat wordt beheerd door de VS en dat deel uitmaakt van het GNSS dat meerdere regionale satellietnavigatiesystemen omvat. Het kan echter enkele minuten duren voordat een GPS-modem van een koude start naar de "time to first fix" (TTFF) gaat, terwijl er ondertussen de batterijcapaciteit aanzienlijk wordt gebruikt. GPS kan ook worden gehinderd door zichtbelemmeringen tussen satellieten en ontvangers, zoals muren van gebouwen.

Vaste mobiele basisstations kunnen ook worden gebruikt voor "locatiebepalingstoepassingen". Het mobiel scannen van locaties verbruikt minder energie dan GPS/GNSS, maar is minder nauwkeurig. Mobiele locatiebepaling kan, afhankelijk van het type mobiele zendmast dat wordt gebruikt, honderden of zelfs duizenden meters afwijken. Dit gebrek aan precisie kan kritisch zijn voor toepassingen zoals het tracken van bedrijfsmiddelen die in beweging zijn, bijvoorbeeld in grote magazijnen of op zeecontainerschepen.

Wi-Fi kan nauwkeuriger zijn dan mobiele locatiebepaling en is bijna net zo energiezuinig. De Service Set Identifier (SSID), uniek voor elk Wi-Fi-netwerk, en de Basic Service Set Identifier (BSSID), uniek voor elk toegangsapparaat, bieden een aantrekkelijke mogelijkheid voor locatiebepaling, maar de meeste Wi-Fi-geïntegreerde circuits zijn niet geoptimaliseerd voor deze taak en zijn over het algemeen duur, omvangrijk en energieverslindend.

Nordic Semiconductor levert componenten die ingenieurs kunnen gebruiken om flexibele toepassingen te maken die gebaseerd zijn op combinaties van draadloze technologieën, evenals een cloud-gebaseerde service, om prestatie- en dekkingsproblemen op te lossen.

De waarde van Wi-Fi-locatiebepaling

Locatiebepaling kan tal van toepassingen verrijken, zoals batterijgevoede sensoren voor thuis, gezondheidsmonitoren en fitnessapparaten, industriële asset trackers en omgevingssensors, en beheer van winkelvoorraden en point-of-sale systemen.

Als belangrijke toepassingen kunnen we denken aan bedrijven die de locatie van bedrijfsmiddelen kunnen tracken om het beheer van de toeleveringsketen en logistiek te stroomlijnen, wearables die medische teams kunnen waarschuwen voor gezondheidsproblemen, retailers en bankiers die frauduleus gebruik van betaalkaarten kunnen detecteren en beperken en wagenparkbeheerders die hun voertuigen in realtime kunnen volgen. Vertrouwen op slechts één draadloze technologie kan problematisch zijn in het geval van apparaten die zich niet vast op één locatie bevinden, aangezien GPS, mobiele telefonie en Wi-Fi elk hun sterke punten en beperkingen hebben.

Wi-Fi is een eenvoudige en kosteneffectieve oplossing voor locatiebepaling in gebruikssituaties waarin netwerken en toegangspunten gemakkelijk beschikbaar en toegankelijk zijn. De meeste Wi-Fi-apparaten bevatten de een of andere vorm van locatiebepaling, met grote verschillen in de energie-efficiëntie en nauwkeurigheid van implementaties.

De Wi-Fi Alliance heeft stappen ondernomen om deze mogelijkheden te promoten en interoperabiliteit te garanderen met het Wi-Fi CERTIFIED-locatiebepalingsprogramma waarin de IEEE 802.11mc-norm is opgenomen. Door gebruik te maken van het FTM-protocol (Fine Timing Measurement), toegangspunten en draadloze LAN-kaarten die compatibel zijn met Wi-Fi CERTIFIED Location, kan een locatie tot op een meter nauwkeurig worden bepaald, zolang een Wi-Fi toegangspunt (AP) de exacte locatie kent.

Ingenieurs hebben echter compactere en energiezuinigere componenten nodig om meer kosteneffectie oepassingen voor locatiebepaling te maken. Efficiënt stroomverbruik dat de levensduur van de batterij maximaliseert is cruciaal voor veel IoT-apparaten en sensors. Nordic biedt een portfolio van componenten om Wi-Fi en andere positioneringsopties te gebruiken om de connectiviteit van IoT-ecosystemen te verbeteren.

Draadloze companion IC

De nRF7000 (afbeelding 1) is een wireless companion IC die geoptimaliseerd is voor toepassingen met ultralaag vermogen om maximale energie-efficiëntie te garanderen. Dit apparaat verstuurt geen gegevens, maar biedt in plaats daarvan actieve en passieve scanmogelijkheden naar een System on Chip (SoC), Memory Protection Unit (MPU) of Microcontroller Unit (MCU) host voor Wi-Fi-locatiebepaling.

Afbeelding 1: De nRF7000 Wi-Fi 6 companion IC met laag vermogen voor Wi-Fi-locatiebepalingtoepassingen. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De nRF7000 kan zowel de 2,4 GHz als de 5 GHz Wi-Fi-frequentiebanden scannen en implementeert daarvoor de PHY-laag en delen van de MAC-laag. Het apparaat is verbonden met een host-MCU of toepassingsprocessor (waarop de gebruikerstoepassing wordt uitgevoerd) via een QSPI (6-draads) of SPI (4-draads) voor gegevens en een 3-draads of 4-draads coëxistentiebesturingsinterface voor hosts die een Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4-radio bevatten.

De nRF7000 is een gedistilleerde versie van de nRF7002, een andere companion IC die een geïntegreerde 2,4 GHz en 5 GHz radio bevat om een andere hostchip te voorzien van directe Wi-Fi-6 gegevensconnectiviteit en locatiebepalingsmogelijkheden. Daarnaast is de nRF7001 beschikbaar, die een single-band 2,4 GHz radio biedt. Beide zijn geschikt om moderne Wi-Fi 6-mogelijkheden toe te voegen aan bestaande Bluetooth® Low Energy-, Thread®- of Zigbee®-systemen.

Hoewel elk van deze apparaten kan worden aangesloten op niet-Nordic hosts, zegt het bedrijf dat het met zijn nRF Cloud-platform een "silicium-naar-cloud-locatiebepalingsoplossing" kan bieden met componenten die Wi-Fi-, mobiele en GNSS-positionering ondersteunen.

Een Wi-Fi-locatiebepaling verkrijgen met nRF7000

De nRF91-serie van cellulaire system-in-package (SiP) producten van Nordic, zoals de NRF9160-SICA-B1A-R7 (afbeelding 2), worden aangewezen als de favoriete Nordic hostapparaten voor de nRF7000/7100/7200 IC's (nRF70-serie). Deze apparaten bevatten een applicatieprocessor en multimode-modem in een compacte behuizing van 10 x 16 x 1,04 mm die LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) en energiebeheer ondersteunt. Andere voorkeurshosts zijn de Nordic Bluetooth multiprotocol SoC's van de nRF52- en nRF53-serie.

Afbeelding 2: De nRF9160 SiP met LTE-M/NB-IoT-modem en GNSS, die integreert met de nRF7000 om naadloze locatiebepalingstoepassingen met Wi-Fi te bieden. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Een nRF7000 in combinatie met een nRF91 biedt nauwkeurige locatiebepaling voor Wi-Fi, zowel binnen als buiten, als aanvulling op GNSS en mobiele systemen. Wanneer de Wi-Fi-locatiebepalingsdienst is geconfigureerd, kan een apparaat actief of passief gaan scannen naar Wi-Fi-toegangspunten in de buurt en gegevens verzamelen over SSID's, BSSID's en signaalsterkten.

Met behulp van informatie van de companion IC kan een nRF91 AP-informatie verzenden naar de nRF Cloud, die een Wi-Fi-database van bekende locaties gebruikt om een nauwkeurige positie te bepalen ten opzichte van ten minste twee nabijgelegen AP's, zonder dat het apparaat hier verbinding mee hoeft te maken. De cloudservice kan de positie vervolgens terugsturen naar het apparaat of waar de informatie ook nodig is. Nadat de locatie is bepaald, kan het apparaat overschakelen naar een spaarstand om de batterij te sparen.

De nRF Cloud biedt de volgende alternatieve opties voor locatiebepaling:

• Ondersteunde GNSS die snellere TTFF mogelijk maakt
• Voorspelde GNSS om tot twee weken aan voorspelde satellietgegevens te leveren om de frequentie van verzoeken om nieuwe assistentiegegevens te verminderen
• Single-cell locatie (SCELL) om grofweg bepaalde locaties te bieden op basis van de dichtstbijzijnde cel, waardoor de GNSS-ontvanger niet meer nodig is.
• Multicell-locatie (MCELL) biedt ook een nauwkeurigere maar nog steeds grofweg bepaalde locatie door gebruik te maken van de dichtstbijzijnde cel en naburige cellen.

Elk van deze locatiebepalingsprocessen in de nRF Cloud biedt verschillende kenmerken voor positienauwkeurigheid en stroomverbruik. Volgens Nordic levert Wi-Fi een locatienauwkeurigheid van 5 tot 15 m, vergeleken met de 5 tot 10 m met GNSS, 200 tot 300 m voor meercellige mobiele telefonie en 1000 m voor single-cell. De latentie is het laagst voor cellulair, met minder dan 1 seconde, terwijl het meerdere seconden duurt voor zowel GNSS als Wi-Fi. Energieverbruiktests door Nordic toonden een lichte voorsprong voor mobiel met 122,48 mC, vergeleken met 125,85 mC voor Wi-Fi en 316,71 mC voor GNSS met A-GPS.

Nordic biedt verschillende hulpmiddelen, waaronder de nRF Connect SDK-softwareontwikkelomgeving voor alle apparaten uit de nRF70-serie, evenals de nRF7002 EK dual-band ontwikkelingskit (Afbeelding 3) in een Arduino shield-formaat. De kit bevat de nRF7002 en kan zowel de nRF7000 als de nRF7001 emuleren, en kan worden gecombineerd met de nRF9160 DK-ontwikkelingskit bij het maken van toepassingen met de nRF70-serie.

Afbeelding 3: De nRF7002-EK-evaluatiekit bevat een nRF7002 en kan zowel de nRF7000 als de nRF7001 emuleren. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Conclusie

Met de nRF7000- en nRF91-serie stelt Nordic ontwikkelaars in staat om IoT-oplossingen te creëren die gebruik kunnen maken van meerdere draadloze technologieën voor locatiebepalingsdiensten. De producten bieden hoge prestaties, laag energieverbruik en flexibele integratie-opties voor een breed scala aan toepassingen die naadloos kunnen schakelen tussen verschillende plaatsbepalingsopties.