W jaki sposób Wi-Fi pozwala zniwelować wady innych technologii pozycjonowania

Usługi oparte na lokalizacji mogą przynosić znaczne korzyści w zarządzaniu aktywami, ale często wiążą się ze znacznie zwiększonym zużyciem baterii, co może skutecznie sparaliżować niektóre rozwiązania Internetu rzeczy (IoT). Stosunkowo łatwym sposobem określania położenia geograficznego urządzeń jest użycie globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) i usług komórkowych. Jednak technologiom tym towarzyszą czasami problemy wynikające z braku zasięgu i niewystarczających parametrów działania, które można w niektórych przypadkach zniwelować dzięki ciągłej popularyzacji sieci Wi-Fi.

Złotym standardem bezprzewodowego śledzenia jest globalny system pozycjonowania (GPS) kontrolowany przez Stany Zjednoczone, który stanowi część globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) obejmującego wiele regionalnych systemów nawigacji satelitarnej. Jednak przejście od zimnego startu do „czasu pierwszego ustalenia pozycji” (TTFF) może zająć modemowi kilka minut, podczas których będzie zużywać znaczną część ładunku baterii. Utrudnieniami mogą być też przeszkody na linii widzenia między satelitami a odbiornikami, w tym ściany budynków.

Do rozwiązań wymagających lokalizacji można też wykorzystywać stałe komórkowe stacje bazowe. W przypadku komórkowego skanowania lokalizacji zużywa się mniej energii niż w przypadku globalnego systemu pozycjonowania (GPS) lub globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), ale jest ono wtedy mniej dokładne. Lokalizacja z wykorzystaniem sieci komórkowej, w zależności od rodzaju używanych wież komórkowych, może różnić się o setki, a nawet tysiące metrów. Ten brak precyzji może mieć kluczowe znaczenie w takich zastosowaniach, jak śledzenie aktywów ruchomych w dużych magazynach lub na oceanicznych statkach kontenerowych.

Lokalizacja przy użyciu sieci Wi-Fi może być dokładniejsza niż lokalizacja komórkowa i prawie tak samo energooszczędna. Identyfikator zestawu usług (SSID), unikalny dla każdej sieci Wi-Fi oraz identyfikator podstawowego zestawu usług (BSSID), unikalny dla każdego urządzenia dostępowego, zapewniają atrakcyjną opcję lokalizacji, ale układy scalone Wi-Fi w większości nie są zoptymalizowane pod kątem tego zadania, a do tego są kosztowne, nieporęczne i energochłonne.

Aby rozwiązać problemy z parametrami działania i zasięgiem podczas tworzenia elastycznych rozwiązań opierających się na kombinacji technologii bezprzewodowych, a także usług chmurowych, inżynierowie mogą sięgnąć po komponenty firmy Nordic Semiconductor.

Zalety lokalizacji przy użyciu sieci Wi-Fi

Określanie lokalizacji może uatrakcyjnić wiele zastosowań, w tym zasilane bateryjnie czujniki domowe, monitory stanu zdrowia i urządzenia fitness, urządzenia do śledzenia aktywów przemysłowych i czujniki środowiskowe oraz rozwiązania do zarządzania pozycjami magazynowymi i urządzeniami punktów sprzedaży w segmencie handlu detalicznego.

Jednym z głównych zastosowań jest śledzenie lokalizacji aktywów w celu usprawnienia zarządzania łańcuchem dostaw i logistyki - urządzenia ubieralne mogą ostrzegać zespoły medyczne o problemach zdrowotnych, sprzedawcy detaliczni i bankowcy mogą wykrywać oszustwa popełniane przy użyciu kart płatniczych oraz im przeciwdziałać, a operatorzy flot mogą śledzić swoje pojazdy w czasie rzeczywistym. Opieranie się tylko na jednej technologii bezprzewodowej może być problematyczne w przypadku urządzeń, które nie są przypisane do jednej lokalizacji, ponieważ systemy GPS, komórkowe i Wi-Fi mają swoje mocne i słabe strony.

Sieć Wi-Fi to proste i ekonomiczne rozwiązanie do lokalizacji w zastosowaniach, gdzie sieci i punkty dostępowe są łatwo dostępne. Większość urządzeń Wi-Fi zawiera pewien rodzaj funkcji lokalizacji, z dużymi różnicami w sprawności energetycznej i dokładności implementacji.

Organizacja Wi-Fi Alliance podjęła kroki w celu promowania tych funkcji i zapewnienia interoperacyjności ze swoim programem lokalizacyjnym Wi-Fi CERTIFIED, który wykorzystuje standard IEEE 802.11mc. Lokalizację można określić z dokładnością do jednego metra dzięki wykorzystaniu protokołu dokładnego pomiaru czasu (FTM), punktów dostępowych i bezprzewodowych kart LAN zgodnych z certyfikatem Wi-Fi CERTIFIED, o ile punkt dostępowy Wi-Fi (AP) zna swoją dokładną lokalizację.

Jednak do tworzenia ekonomicznych rozwiązań lokalizacyjnych inżynierowie potrzebują bardziej kompaktowych i energooszczędnych komponentów. Sprawność poboru mocy, który maksymalizuje czas pracy baterii, ma kluczowe znaczenie dla wielu urządzeń i czujników Internetu rzeczy (IoT). Firma Nordic oferuje portfolio komponentów pozwalających wykorzystać sieć Wi-Fi i inne opcje pozycjonowania w celu poprawy łączności ekosystemów Internetu rzeczy (IoT).

Bezprzewodowy towarzyszący układ scalony

Bezprzewodowy towarzyszący układ scalony nRF7000 (ilustracja 1) został zoptymalizowany pod kątem zastosowań ultraniskiej mocy w celu zapewnienia maksymalnej sprawności energetycznej. Nie wysyła on danych, ale zamiast tego zapewnia aktywne i pasywne funkcje skanowania dla hosta układu SoC, jednostki ochrony pamięci (MPU) lub mikrokontrolera MCU, umożliwiając lokalizację z wykorzystaniem sieci Wi-Fi.

Urządzenie nRF7000 może skanować zarówno pasma częstotliwości Wi-Fi 2,4GHz, jak i 5GHz. Implementuje w tym celu warstwę fizyczną (PHY) i części warstwy kontroli dostępu do mediów (MAC). Jest ono podłączane do mikrokontrolera MCU hosta lub procesora aplikacji - na którym uruchamiana jest aplikacja użytkownika - za pośrednictwem złącza QSPI (6-przewodowego) lub SPI (4-przewodowego) dla danych oraz 3-przewodowego lub 4-przewodowego współistniejącego interfejsu sterującego dla hostów, które zawierają radio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

Towarzyszący układ scalony nRF7000 jest odchudzoną wersją urządzenia nRF7002, i zawiera zintegrowane radio 2,4GHz i 5GHz, aby zapewnić kolejnemu mikroukładowi hosta bezpośrednią łączność danych Wi-Fi 6, a także funkcje lokalizacji. Dostępne jest również urządzenie nRF7001, które zapewnia jednopasmowe radio 2,4GHz. Obydwie opcje pozwalają dodawać nowoczesne funkcje Wi-Fi 6 do istniejących systemów Bluetooth® Low Energy, Thread® lub Zigbee®.

Chociaż każde z tych urządzeń można podłączyć do hostów innych producentów, firma Nordic przekonuje, że w połączeniu z jej platformą nRF Cloud, mogą stanowić „rozwiązanie do lokalizacji typu krzem-chmura” z komponentami obsługującymi pozycjonowanie z wykorzystaniem sieci Wi-Fi, komórkowych i systemu GNSS.

Określanie pozycji przy wykorzystaniu sieci Wi-Fi za pomocą urządzenia nRF7000

Komórkowe układy SiP (System-in-Package) z serii nRF91 firmy Nordic, których przykładem jest NRF9160-SICA-B1A-R7 (ilustracja 2), są określane przez firmę Nordic jako preferowane urządzenia hosta dla układów scalonych nRF7000/7100/7200 (seria nRF70). Zawierają one procesor aplikacji i modem wielomodowy w kompaktowej obudowie 10 x 16 x 1,04mm, który obsługuje technologię długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT), globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS), układ front-end na częstotliwości radiowe (RF) oraz zarządzanie zasilaniem. Inne preferowane hosty to wieloprotokołowe układy SoC Bluetooth nRF52 oraz nRF53 firmy Nordic.

Urządzenie nRF7000, działając w połączeniu z urządzeniem nRF91, zapewnia dokładną lokalizację z wykorzystaniem sieci Wi-Fi w pomieszczeniach i na zewnątrz dzięki współpracy z globalnym systemem nawigacji satelitarnej (GNSS) i sieciami komórkowymi. Po skonfigurowaniu usługi lokalizacyjnej z wykorzystaniem sieci Wi-Fi urządzenie może rozpocząć aktywne lub pasywne skanowanie w poszukiwaniu pobliskich punktów dostępowych Wi-Fi, zbierając dane dotyczące identyfikatorów SSID, BSSID i siły sygnału.

Wykorzystując informacje z towarzyszącego układu scalonego, urządzenie nRF91 może przesyłać informacje o punkcie dostępowym do platformy nRF Cloud, która wykorzystuje bazę danych Wi-Fi znanych lokalizacji do określenia dokładnej pozycji w stosunku do co najmniej dwóch pobliskich punktów dostępowych, bez konieczności łączenia się z nimi przez urządzenie. Usługa chmurowa może następnie wysłać tę pozycję z powrotem do urządzenia lub tam, gdzie potrzebne są informacje. Po określeniu lokalizacji urządzenie może przejść w stan niskiej mocy w celu oszczędzania energii baterii.

Platforma nRF Cloud zapewnia następujące alternatywne opcje lokalizacji:

• Wspomagany globalny system nawigacji satelitarnej (A-GNSS) umożliwiający osiąganie krótszego czasu pierwszego ustalenia pozycji (TTFF)
• Przewidywany globalny system nawigacji satelitarnej (P-GNSS) dostarczający prognozowanych danych satelitarnych nawet z dwóch tygodni w celu zmniejszenia częstotliwości przesyłania żądań nowych danych pomocniczych
• Lokalizacja jednokomórkowa (SCELL) zapewnia przybliżoną lokalizację na podstawie najbliższej komórki, eliminując potrzebę stosowania odbiornika globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS)
• Lokalizacja wielokomórkowa (MCELL) zapewnia również dokładniejszą, ale nadal szacunkową lokalizację z wykorzystaniem komórki najbliższej oraz komórek sąsiednich

Każdy z tych procesów lokalizacji z użyciem platformy nRF Cloud charakteryzuje inny poziom dokładności określania pozycji i zużycia energii. Według firmy Nordic, sieć Wi-Fi zapewnia dokładność lokalizacji w zakresie od 5m do 15m, w porównaniu z odległościami od 5m do 10m w przypadku globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), od 200m do 300m dla sieci komórkowej z wykorzystaniem wielu komórek i 1000m z wykorzystaniem jednej komórki. Latencja jest najniższa dla sieci komórkowej i wynosi poniżej 1 sekundy, podczas gdy zarówno dla globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), jak i sieci Wi-Fi wynosi kilka sekund. Testy poboru mocy przeprowadzone przez firmę Nordic wykazały, że najkorzystniej wypada scenariusz z siecią komórkową, z poziomem 122,48mC, tuż za nim z wartością 125,85mC plasuje się sieć Wi-Fi, a globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS) z wykorzystaniem technologii A-GPS wykazał wartość 316,71mC.

Firma Nordic oferuje kilka narzędzi, w tym środowisko rozwojowe z zestawem rozwojowym oprogramowania Connect SDK nRF dla wszystkich urządzeń z serii nRF70, a także dwupasmowy zestaw rozwojowy EK nRF7002 (ilustracja 3) w postaci nakładki Arduino. Omawiany zestaw zawiera urządzenie nRF7002 i potrafi emulować zarówno urządzenie nRF7000, jak i nRF7001. Można go również łączyć z zestawem rozwojowym nRF9160 DK przy tworzeniu zastosowań z wykorzystaniem serii nRF70.

Ilustracja 3: zestaw ewaluacyjny nRF7002-EK zawiera urządzenie nRF7002, które może emulować zarówno urządzenie nRF7000, jak i nRF7001. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Podsumowanie

Dzięki urządzeniom z serii nRF7000 oraz nRF91 firma Nordic umożliwia deweloperom tworzenie rozwiązań Internetu rzeczy (IoT), obsługujących wiele technologii bezprzewodowych na potrzeby usług lokalizacyjnych. Produkty te charakteryzują się wysokimi parametrami działania, niskim poborem mocy i elastycznymi opcjami integracji w szerokim zakresie zastosowań, umożliwiając bezproblemowe przechodzenie między różnymi technologiami pozycjonowania.

Źródło: Komponenty lokalizacyjne Wi-Fi® pozwalają zniwelować wady technologii globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) i sieci komórkowych w zastosowaniach pozycjonowania

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!

Zdjęcie tytułowe: Nordic Semiconductors