Standardem pro lokalizaci je GPS (Global Positioning System). Může však trvat několik minut, než modem GPS přejde ze studeného startu k získání prvních údajů o poloze (TTFF - time to first fix). Tento čas znamená spotřebu nemalého množství energie uložené v baterii. V některých případech může dojít k tomu, že v přímé viditelnosti mezi satelity a přijímači brání nějaká překážka například stěna budovy. Stacionární základnové stanice pro mobilní sítě mohou být také použity pro lokalizaci. Tato metoda má sice menší spotřebu energie než u GPS/GNSS, ale její přesnost je daleko menší. V závislosti na typech použitých mobilních stanic, může být bohužel přesnost i několik stovek metrů. Tato nepřesnost je nevyhovující pro většinu lokalizačních aplikací. Lokalizace pomocí Wi-Fi je o něco přesnější než pomocí mobilní sítě, ale je téměř stejně energeticky náročná.

SSID (Service Set Identifier) je jedinečný identifikátor pro každou Wi-Fi síť a identifikátor BSSID ( Basic Service Set Identifier ) je jedinečný identifikátor pro každé přístupové zařízení. Většina integrovaných obvodů Wi-Fi není pro lokalizaci optimalizována a jsou obecně nákladné, objemné a energeticky náročné. Nordic Semiconductor poskytuje komponenty k vytvoření flexibilních aplikací, které se spoléhají na kombinaci bezdrátových technologií a také na cloudové služby k řešení problémů se spotřebou a pokrytím.

Určování polohy pomocí Wi-Fi

Lokalizace je přínosná pro řadu aplikací jako jsou bateriově napájené senzory, zařízení pro monitorování zdraví a fitness zařízení, průmyslové zařízení pro sledování majetku či environmentální senzory. Mezi hlavní příklady použití jsou aplikace pro sledování aktiv za účelem zefektivnění řízení dodavatelského řetězce a logistiky. Nositelná zařízení mohou upozornit lékařské týmy na zdravotní problémy pacienta nebo bankéři mohou odhalit podvodné používání platebních karet. Operátoři správy vozového parku mohou sledovat svá vozidla a to i v reálném čase.

Spoléhat se pouze na jednu bezdrátovou technologii se může stát rizikem, protože GPS, mobilní sítě i Wi-Fi mají své silné a slabé stránky. Wi-Fi je jednoduché a cenově výhodné řešení pro lokalizaci, ale jen v případě, kdy jsou sítě a přístupové body snadno dostupné. Většina Wi-Fi zařízení obsahuje určitý typ určování polohy s velkými rozdíly v energetické účinnosti a přesnosti. Wi-Fi Alliance podnikla kroky k podpoře lokalizačních funkcí a zajištění interoperability s Wi-Fi CERTIFIED Location programem, který zahrnuje standard IEEE 802.11mc. S využitím protokolu Fine Timing Measurement (FTM), přístupových bodů a bezdrátových LAN karet kompatibilních s Wi-Fi CERTIFIED Location, lze polohu určit s přesností jeden metr, pokud přístupový bod Wi-Fi (AP) zná svou přesnou polohu.

nRF7000 - integrovaný obvod s lokalizací pomocí Wi-Fi

nRF7000 je bezdrátový integrovaný obvod, který je optimalizován pro aplikace s velmi nízkou spotřebou energie. Neposílá data, ale místo toho poskytuje aktivní a pasivní skenování, které je základem pro Wi-Fi lokalizaci a tyto data předává hostiteli (SoC, MPU - Memory Protection Unit nebo MCU.

Obrázek 1: Integrovaný obvod nRF7000 Wi-Fi 6 s nízkou spotřebou pro určování polohy pomocí Wi-Fi. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

nRF7000 dokáže skenovat frekvenční pásma 2,4 GHz i 5 GHz Wi-Fi a pro tento účel má implementovanou vrstvu PHY a části vrstvy MAC. Je připojen k hostitelskému MCU nebo aplikačnímu procesoru přes QSPI (6-vodičů) nebo SPI (4-vodičů) pro data a 3-vodičové nebo 4-vodičové rozhraní pro vzájemnou spolupráci s hostitelem. nRF7000 je ideální volbou pro kombinaci s Bluetooth LE/IEEE 802.15.4. Další doprovodný integrovaný obvod je nRF7002, který obsahuje 2,4 GHz a 5 GHz rádiovou konektivitu Wi-Fi 6 a také možnost určování polohy. K dispozici je také nRF7001, který poskytuje jen konektivitu v pásmu 2,4 GHz. Oba jsou vhodné pro přidání moderních funkcí Wi-Fi 6 do stávajících systémů Bluetooth Low Energy, Thread nebo Zigbee. Přestože každé z těchto zařízení lze připojit k jiným hostitelům než od Nordicu, tak díky cnRF cloud platformě Nordic poskytuje řešení určování polohy od křemíku až do cloudu, a to s komponentami, které podporují určování polohy pomocí Wi-Fi, mobilních sítí a GNSS.

Získání polohy pomocí nRF7000

SiP nRF91 serie a v ní NRF9160-SICA-B1A-R7 (obrázek 2) je určena jako preferovaný hostitelský obvod pro přídavné integrované obvody nRF7000/7100/7200 (řada nRF70). Tyto SiP obsahují aplikační procesor a multimódový modem s podporou LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) a správou napájení v kompaktním pouzdře o velikosti 10 x 16 x 1,04 mm. Dalšími preferovanými hostitelskými systémy jsou multiprotokolové Bluetooth SoC nRF52 a nRF53.

Obrázek 2: nRF9160 SiP s LTE-M/NB-IoT modemem a GNSS, který se společně integruje s nRF7000 poskytuje bezproblémovou lokalizaci pomocí Wi-Fi. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

nRF7000 v kombinaci s nRF91 poskytuje zpřesnění polohy, které uvnitř ale i venku doplňují systémy GNSS. Pokud je služba určování polohy pomocí Wi-Fi aktivována, zařízení tak může začít aktivně nebo pasivně vyhledávat blízké přístupové body Wi-Fi a shromažďovat data o SSID, BSSID a síle signálu.

Pomocí dat z přídavného integrovaného obvodu nR7000 tak může nRF91 přenášet informace o AP do cloudu nRF, který využívá Wi-Fi databázi známých míst k určení přesné polohy, aniž by se k nim muselo zařízení připojovat. Cloudová služba pak může odeslat pozici zpět do zařízení nebo kamkoli kde je informace potřeba. Po určení polohy může zařízení přejít do stavu velmi nízké spotřeby, aby se šetřila energie baterie.

nRF Cloud poskytuje následující alternativní možnosti lokalizace:

• Asistovaný GNSS, který umožňuje rychlejší TTFF
• Předpokládaný GNSS poskytuje až dva týdny předpokládaných satelitních dat, aby se snížila frekvence nových žádostí o pomocná data
• Single-cell lokalizace (SCELL) poskytuje hrubou polohu založené na nejbližší buňce, čímž se eliminuje potřeba GNSS přijímače
• Multi-cell lokalizace (MCELL) poskytuje sice přesnější, ale stále hrubou lokalizaci s využitím nejbližší buňky a sousedních buněk

Každý z těchto lokalizačních technik poskytují v cloudu nRF různá data, které přinášejí přesnější informace o poloze, a díky tomu mohou snížit spotřebu energie v zařízení. Wi-Fi technologie je schopna podle testů společnosti Nordic poskytovat přesnost polohy 5 m až 15 m. Ve srovnání s 5 m až 10 m s GNSS, 200 m až 300 m pro Multi-cell lokalizaci a 1 000 m Single-cell lokalizaci. Latence je nejnižší u mobilních sítí, a to méně než 1 sekunda, zatímco u GNSS i Wi-Fi to trvá sekund několik. Co se týče spotřeby energie, tak dle testů Nordic se ukázaly mírné rozdíly, a to u mobilní sítích je spotřeba 122,48 mC, u Wi-Fi to je 125,85 mC a 316,71 mC pro GNSS využívající A-GPS.

Nordic nabízí softwarové vývojové prostředí nRF Connect SDK pro všechny integrované obvody řady nRF70. K dispozici je také dvoupásmová vývojová sada nRF7002 EK formátu Arduino shield. Sada obsahuje nRF7002 a je schopna emulovat jak nRF7000, tak nRF7001 a lze ji kombinovat s vývojovou sadou nRF9160 DK při vytváření aplikací využívajících řadu nRF70.

Obrázek 3: Vývojová sada sada nRF7002-EK obsahuje nRF7002 a je schopna emulovat jak nRF7000, tak nRF7001. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)

Závěr

S řadami nRF7000 a nRF91 lze vytvářet IoT řešení, která jsou schopna využívat více bezdrátových technologií pro lokalizační služby. Produkty nabízejí vysoký výkon, nízkou spotřebu energie a flexibilní možnosti integrace pro širokou škálu aplikací. Mezi jednotlivými principy lokalizace lze bez problémů přepínat podle toho, jaká technologie poskytuje lepší výsledky.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com