Lokalizační komponenty Wi-Fi® překonávají u aplikací určování polohy nedostatky systému GNSS a mobilních sítí

Lokalizační služby mohou být velkou výhodou při správě majetku, ale jsou často spojeny s výrazným vybíjením baterie, které může některé aplikace internetu věcí („Internet of Things“, IoT) ochromit. Globální navigační satelitní systém („Global Navigation Satellite System“, GNSS) a široký dosah mobilních služeb poskytují relativně snadné prostředky k určení geografické polohy zařízení. Ty však mají mezery v pokrytí a výkonu, které lze doplnit nebo v některých případech nahradit rostoucím dosahem sítí Wi-Fi.

Zlatým standardem pro bezdrátové sledování je globální polohový systém („Global Positioning System“, GPS), provozovaný USA, který je součástí systému GNSS zahrnujícího několik regionálních satelitních navigačních systémů. Modemu GPS však může trvat několik minut, než přejde od studeného startu k „době získání první polohy po zapnutí“ („time to first fix“, TTFF), a to při současném využití značné kapacity baterie. Mohou mu také bránit překážky v přímé viditelnosti mezi satelity a přijímači, včetně stěn budov.

Pro „lokalizační“ aplikace mohou být také použity pevné základnové stanice mobilních sítí. Mobilní snímání polohy využívá skromnější spotřebu energie než systémy GPS/GNSS, ale je méně přesné. Mobilní lokalizace se může v závislosti na typech použitých vysílačů mobilních operátorů lišit až o stovky nebo dokonce i tisíce metrů. Tato nepřesnost by mohla být kritická pro aplikace, jako je například sledování pohybujících se prostředků ve velkých skladech nebo na námořních kontejnerových lodích.

Síť Wi-Fi může být přesnější než mobilní lokalizace a téměř stejně energeticky úsporná. Identifikátor sady služeb („Service Set Identifier“, SSID), jedinečný pro každou síť Wi-Fi, a identifikátor základní sady služeb („Basic Service Set Identifier“, BSSID), jedinečný pro každé přístupové zařízení, poskytují atraktivní možnost lokalizace, ale většina integrovaných obvodů Wi-Fi není pro tento úkol optimalizována a je obecně nákladná, objemná a energeticky náročná.

Společnost Nordic Semiconductor poskytuje komponenty, které mohou technici použít k vytvoření flexibilních aplikací spoléhajících se na kombinace bezdrátových technologií a také na cloudové služby, aby vyřešili problémy s výkonem a pokrytím.

Hodnota lokalizace Wi-Fi

Lokalizace může obohatit řadu aplikací, včetně domácích senzorů, monitorů zdraví a fitness zařízení, průmyslových zařízení pro sledování majetku a senzorů prostředí napájených bateriemi a správy maloobchodních zásob a zařízení v místě prodeje.

Mezi nejvýznamnější případy použití patří sledování polohy majetku, které zefektivňuje řízení dodavatelského řetězce a logistiky – nositelná elektronika může upozornit lékařské týmy na zdravotní problémy, maloobchodníci a bankéři mohou odhalit a zmírnit podvodné používání platebních karet a provozovatelé správy vozových parků mohou sledovat svá vozidla v reálném čase. V případě zařízení, která nejsou pevně vázána na jedno místo, může být problematické spoléhat se pouze na jednu bezdrátovou technologii, protože systém GPS, mobilní sítě a sítě Wi-Fi mají každý své silné i slabé stránky.

Síť Wi-Fi je jednoduché a cenově výhodné řešení pro lokalizaci v případech použití, kdy jsou sítě a přístupové body snadno dostupné a přístupné. Většina zařízení Wi-Fi obsahuje určitý typ lokalizace s velkými rozdíly v energetické účinnosti a v přesnosti implementací.

Sdružení Wi-Fi Alliance podniklo kroky k podpoře těchto funkcí a zajištění interoperability pomocí svého programu Wi-Fi CERTIFIED Location, který zahrnuje standard IEEE 802.11mc. S využitím protokolu Fine Timing Measurement (FTM), přístupových bodů a karet bezdrátových sítí LAN kompatibilních s programem Wi-Fi CERTIFIED Location lze určit polohu s přesností na jeden metr, pokud přístupový bod („access point“, AP) sítě Wi-Fi zná svou přesnou polohu.

Technici však potřebují kompaktnější a energeticky úspornější komponenty, aby mohli vytvářet nákladově efektivní lokalizační aplikace. Efektivní spotřeba energie, která maximalizuje životnost baterie, je pro mnoho zařízení a senzorů internetu věcí zásadní. Společnost Nordic nabízí portfolio komponent, které využívají sítě Wi-Fi a další možnosti určování polohy ke zlepšení konektivity ekosystémů IoT.

Bezdrátový společník

Zařízení nRF7000 (obrázek 1) je bezdrátový doprovodný integrovaný obvod, který je optimalizován pro aplikace s velmi nízkou spotřebou energie, aby byla zajištěna maximální energetická účinnost. Neodesílá data, ale místo toho poskytuje aktivní a pasivní funkce skenování systému na čipu („System on Chip“, SoC), jednotky ochrany paměti („Memory Protection Unit“, MPU) nebo hostitelského mikrokontroléru („Microcontroller Unit“, MCU) pro lokalizaci pomocí sítě Wi-Fi.

Obrázek 1: Doprovodný integrovaný obvod nRF7000 s nízkou spotřebou energie a sítí Wi-Fi 6 pro aplikace lokalizace pomocí sítě Wi-Fi. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Zařízení nRF7000 dokáže skenovat frekvenční pásma 2,4 GHz i 5 GHz sítě Wi-Fi a k tomuto účelu implementuje vrstvu PHY a části vrstvy MAC. Je připojeno k hostitelskému mikrokontroléru nebo aplikačnímu procesoru, na kterém se spouští uživatelská aplikace, přes rozhraní QSPI (6vodičové) nebo SPI (4vodičové) pro data a 3vodičové nebo 4vodičové koexistenční řídicí rozhraní pro hostitele, kteří zahrnují rádio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

Zařízení nRF7000 je destilovanou verzí modelu nRF7002, dalšího doprovodného integrovaného obvodu, který obsahuje integrované rádio 2,4 GHz a 5 GHz a poskytuje další hostitelský čip s přímou datovou konektivitou sítě Wi-Fi 6 a také s funkcemi lokalizace. K dispozici je také model nRF7001, který poskytuje jednopásmové rádio 2,4 GHz. Oba modely jsou vhodné pro přidání moderních funkcí sítě Wi-Fi 6 do stávajících systémů Bluetooth® Low Energy, Thread® nebo Zigbee®.

Ačkoli každé z těchto zařízení může být připojeno k jiným hostitelům než od společnosti Nordic, společnost uvádí, že díky své platformě nRF Cloud může poskytnout „křemíkové řešení pro lokalizaci v cloudu“ s komponentami, které podporují lokalizaci pomocí sítě Wi-Fi, mobilních sítí a systému GNSS.

Určení polohy pomocí sítě Wi-Fi se zařízením nRF7000

Nabídka mobilních systémů v pouzdru („system-in-package“, SiP) řady nRF91 od společnosti Nordic, jako je např. model NRF9160-SICA-B1A-R7 (obrázek 2), je označena jako preferovaná hostitelská zařízení společnosti Nordic pro integrované obvody nRF7000/7100/7200 (řadu nRF70). Ty obsahují aplikační procesor a modem s více režimy v kompaktním pouzdru 10 × 16 × 1,04 mm, které podporuje sítě LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) a řízení spotřeby energie. Dalšími preferovanými hostiteli jsou systémy SoC Bluetooth s více protokoly řady nRF52 a nRF53 společnosti Nordic.

Obrázek 2: SiP nRF9160 s modemem LTE-M/NB-IoT a systémem GNSS, který se integruje se zařízením nRF7000 a poskytuje bezproblémové lokalizační aplikace zahrnující sítě Wi-Fi. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Zařízení nRF7000 poskytuje v kombinaci s modelem nRF91 přesné určení polohy pomocí sítě Wi-Fi v interiéru i exteriéru a doplňuje systém GNSS a mobilní sítě. Když je nakonfigurována služba určování polohy pomocí sítě Wi-Fi, může zařízení začít aktivně nebo pasivně vyhledávat blízké přístupové body Wi-Fi a shromažďovat data o SSID, BSSID a síle signálu.

Pomocí informací z doprovodného integrovaného obvodu může zařízení nRF91 přenášet informace o AP do platformy nRF Cloud, která využívá databázi Wi-Fi známých míst k určení přesné polohy vzhledem k nejméně dvěma blízkým AP, aniž by se k nim zařízení muselo připojovat. Cloudová služba pak může odeslat polohu zpět do zařízení nebo kamkoli jinam, kde je tato informace potřeba. Po určení polohy může zařízení přejít do stavu nízké spotřeby, aby se šetřila energie baterie.

Platforma nRF Cloud poskytuje následující alternativní možnosti lokalizace:

• Asistovaný systém GNSS, který umožňuje rychlejší dobu TTFF
• Predikovaný systém GNSS, který poskytuje až dva týdny predikovaných satelitních dat, aby se snížila frekvence nových žádostí o asistenční data
• Lokalizace v jedné buňce („single-cell location“, SCELL), která poskytuje hrubé určení polohy na základě nejbližší buňky, čímž se eliminuje potřeba přijímače GNSS
• Lokalizace z více buněk („multi-cell location“, MCELL), která také poskytuje přesnější, ale stále hrubé určení polohy s využitím nejbližší buňky a sousedních buněk

Každý z těchto lokalizačních procesů v platformě nRF Cloud poskytuje různé charakteristiky pro přesnosti určení polohy a spotřeby energie. Podle společnosti Nordic poskytuje síť Wi-Fi přesnost určování polohy 5 m až 15 m, zatímco u systému GNSS je to 5 m až 10 m, u mobilní sítě s více buňkami je to 200 m až 300 m a u mobilní sítě s jednou buňkou je to 1 000 m. Latence je nejnižší u mobilních sítí, a to méně než 1 sekunda, zatímco u systému GNSS i sítě Wi-Fi je v řádu sekund. Testy spotřeby energie provedené společností Nordic ukázaly mírný náskok mobilní sítě, která dosahuje 122,48 mC ve srovnání s 125,85 mC u sítě Wi-Fi a 316,71 mC u systému GNSS využívajícího A-GPS.

Společnost Nordic nabízí několik nástrojů, včetně svého prostředí pro vývoj softwaru nRF Connect SDK pro všechna zařízení řady nRF70 a také dvoupásmovou vývojovou sadu nRF7002 EK (obrázek 3) ve formátu Arduino Shield. Tato sada obsahuje zařízení nRF7002 a může emulovat jak model nRF7000, tak nRF7001 a lze ji při vytváření aplikací využívajících řadu nRF70 kombinovat s vývojovou sadou nRF9160 DK.

Obrázek 3: Vyhodnocovací sada nRF7002-EK obsahuje zařízení nRF7002 a může emulovat jak model nRF7000, tak nRF7001. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Závěr

Společnost Nordic umožňuje vývojářům díky svým řadám nRF7000 a nRF91 vytvářet řešení IoT, která mohou pro lokalizační služby využívat více bezdrátových technologií. Produkty nabízejí vysoký výkon, nízkou spotřebu energie a flexibilní možnosti integrace pro širokou škálu aplikací, které mohou bez problémů přepínat mezi možnostmi určování polohy.