Serviciile de localizare pot oferi un avantaj semnificativ în gestionarea activelor, dar, de multe ori, acestea au nevoie de un consum semnificativ de energie care ar putea paraliza unele aplicații IoT. Sistemul global de navigație prin satelit (GNSS) și acoperirea largă a serviciilor celulare oferă mijloace relativ simple de determinare a poziției geografice a dispozitivelor. Totuși, aceste tehnologii au unele deficiențe în ceea ce privește acoperirea și performanța, care pot fi suplimentate sau, în unele cazuri, înlocuite de rețelele Wi-Fi în continuă creștere.
Standardul de aur pentru localizarea wireless este Sistemul de poziționare globală (GPS), operat de SUA, parte a GNSS, care cuprinde mai multe sisteme regionale de navigație prin satelit. Cu toate acestea, unui modem GPS îi sunt necesare câteva minute pentru a trece de la pornirea la rece la “timpul până la prima fixare” (TTFF), utilizând, totodată, o cantitate semnificativă din capacitatea bateriei. Sistemul poate fi, de asemenea, împiedicat de obstacolele din calea vizuală dintre sateliți și receptoare, inclusiv pereții clădirilor.
Stațiile de bază celulare fixe pot fi, de asemenea, folosite în aplicațiile de “localizare”. Scanarea locației celulare implică un consum de energie mai mic decât în cazul GPS/GNSS, dar este mai puțin precisă. În funcție de tipurile de antene de telefonie mobilă utilizate, localizarea celulară se poate abate cu sute sau chiar mii de metri. Această lipsă de precizie ar putea fi critică pentru aplicații precum urmărirea bunurilor aflate în mișcare în depozite mari sau pe navele maritime de containere, de exemplu.
Wi-Fi poate fi mai precisă decât localizarea celulară și aproape la fel de eficientă 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 atât pe combinații de tehnologii wireless, cât și pe un serviciu bazat pe cloud, pentru a rezolva problemele de performanță și acoperire.
Avantajul oferit de localizarea prin Wi-Fi
Localizarea poate îmbunătăți numeroase aplicații, cum ar fi senzorii de acasă alimentați de la baterii, monitorizarea sănătății și dispozitivele de fitness, sistemele de urmărire a activelor industriale și senzorii de mediu, gestionarea stocurilor în magazinele de retail și a dispozitivelor punctelor de vânzare (POS).
Conform principalelor cazuri de utilizare, companiile 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 flotei își pot urmări vehiculele în timp real. Utilizarea unei singure tehnologii wireless poate fi problematică în cazul dispozitivelor care nu sunt amplasate într-o singură locație, deoarece GPS, telefonia mobilă și Wi-Fi au fiecare puncte forte, dar 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 integrează diverse tipuri de localizare, cu mari variații în ceea ce privește eficiența energetică și precizia implementărilor.
Wi-Fi Alliance a luat măsuri pentru a promova aceste capabilități și a asigura interoperabilitatea cu programul său Wi-Fi CERTIFIED Location care încorporează standardul IEEE 802.11mc. Prin utilizarea protocolului “Fine Timing Measurement” (FTM), a punctelor de acces și a cardurilor LAN wireless conforme cu Wi-Fi CERTIFIED Location, o locație poate fi determinată cu o precizie de un 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 mai eficiente din punct de vedere energetic pentru a crea aplicații de localizare rentabile. Consumul eficient 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 profita de Wi-Fi și de alte opțiuni de poziționare, pentru a îmbunătăți conectivitatea ecosistemelor IoT.
Circuit integrat wireless complementar
Figura 1: Circuitul integrat complementar Wi-Fi 6 cu consum redus de putere – nRF7000 – pentru aplicații de localizare prin Wi-Fi. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
nRF7000 (Figura 1) este un circuit integrat (IC) wireless complementar optimizat pentru aplicații cu consum ultra redus de putere cu scopul de a asigura o eficiență energetică maximă. Acesta nu trimite date, dar, în schimb, oferă capabilități de scanare activă și pasivă pentru un sistem pe cip (SoC), o unitate de protecție a memoriei (MPU) sau pentru un microcontroler (MCU) gazdă pentru aplicații de localizare Wi-Fi.
nRF7000 scanează benzile de frecvență Wi-Fi de 2,4 GHz și 5 GHz și implementează, în acest scop, stratul PHY și părți din stratul MAC. Acesta este conectat la un microcontroler 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 al unei interfețe de control al coexistenței (n.red.: diferitelor tehnologii de comunicație) 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 IC complementar, care include un dispozitiv radio de 2,4 GHz și 5 GHz pentru a permite unui alt cip gazdă să beneficieze de conectivitate directă de date Wi-Fi 6, precum și de capabilități de localizare. De asemenea, este disponibil nRF7001, care include un dispozitiv radio pe o singură bandă, de 2,4 GHz. Ambele sunt potrivite pentru adăugarea de capabilități 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 aparțin ecosistemului de produse ale companiei Nordic, aceasta afirmă că, împreună cu platforma sa nRF Cloud, poate oferi o “soluție de localizare de la siliciu la cloud” cu componente care acceptă poziționarea prin Wi-Fi, rețele celulare și GNSS.
Obținerea unei localizări fixe prin Wi-Fi cu nRF7000
Figura 2: SiP nRF9160 cu modem LTE-M/NB-IoT și GNSS; acesta integrează modulul nRF7000 pentru a asigura aplicații de localizare fără întreruperi, prin Wi-Fi. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
Sistemele SiP (System-in-Package) celulare din seria nRF91 de la Nordic, 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 multimod într-o capsulă compactă de 10 × 16 × 1,04 mm, care suportă LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) și managementul energiei. Alte gazde preferate sunt SoC-urile multiprotocol Bluetooth din seriile nRF52 și nRF53 de la Nordic.
Combinația dintre un nRF7000 și un nRF91 asigură fixarea precisă a locației prin Wi-Fi atât în interior, cât și în exterior, completând GNSS și rețelele 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 circuitul integrat complementar, un nRF91 poate transmite informații despre punctul de acces (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 poziția înapoi la dispozitiv sau oriunde este nevoie de informații. După determinarea locației, dispozitivul poate intra într-o stare cu consum redus de putere pentru a conserva energia bateriei.
nRF Cloud oferă următoarele opțiuni alternative pentru localizare:
- GNSS asistat, care permite un TTFF mai rapid
- Predicție GNSS pentru a furniza date de satelit predictive pentru o perioadă de până la două săptămâni cu scopul de a reduce frecvența de noi solicitări de date de asistență
- Localizare prin tehnologia SCELL (Single-cell location) pentru a asigura localizări aproximative bazate pe cea mai apropiată celulă, eliminând necesitatea receptorului GNSS
- Localizare prin tehnologia MCELL (Multi-cell location) pentru a furniza, la rândul său, 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 Nordic, Wi-Fi oferă o precizie de localizare între 5 m și 15 m, comparativ cu 5 m până la 10 m cu GNSS, 200 m până la 300 m pentru sistemele multicelulare și 1 000 m pentru o singură celulă. Latența este cea mai scăzută pentru tehnologia celulară, sub 1 secundă, în timp ce este de câteva secunde atât pentru GNSS, cât și pentru Wi-Fi. Testele efectuate de Nordic privind consumul de energie au arătat un ușor avantaj pentru telefonia celulară, de 122,48 mC (mili Coulombi), comparativ cu 125,85 mC pentru Wi-Fi și 316,71 mC pentru GNSS utilizând A-GPS.
Figura 3: Kitul de evaluare nRF7002-EK include un nRF7002 și poate emula atât nRF7000, cât și nRF7001. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
Nordic oferă diverse instrumente, inclusiv mediul său de dezvoltare software nRF Connect SDK pentru toate dispozitivele din seria nRF70, precum și kitul de dezvoltare dual-band nRF7002 EK (Figura 3) în format Arduino shield. Kitul încorporează nRF7002, 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.
Concluzie
Cu seriile nRF7000 și nRF91, Nordic permite dezvoltatorilor să creeze soluții IoT care pot profita de mai multe tehnologii wireless pentru furnizarea de servicii de localizare. Produsele oferă performanță ridicată, consum redus de putere și opțiuni flexibile de integrare pentru o gamă largă de aplicații care pot trece fără probleme de la o opțiune de poziționare la alta.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de DigiKey, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
