Wi-Fi-paikannuskomponenteilla voidaan täydentää GNSS-teknologian ja matkapuhelinverkon heikkouksia paikannuksessa

Sijaintipohjaiset palvelut voivat tarjota paljon etuja kaluston hallinnassa, mutta ne kuluttavat usein merkittävästi akkua, mikä voi haitata merkittävästi joitain IoT-sovelluksia. Global Navigation Satellite System (GNSS) -järjestelmä ja matkapuhelinverkkojen laaja kattavuus tarjoavat suhteellisen helpon tavan määrittää laitteiden maantieteelliset sijainnit. Niihin kuitenkin liittyy puutteita kattavuudessa ja suorituskyvyssä. Näitä voidaan täydentää, sekä joissain tapauksissa korvata, entistä kattavammilla Wi-Fi-verkoilla.

Langattoman paikantamisen kultainen standardi on Yhdysvaltojen ylläpitämä Global Positioning System (GPS) -järjestelmä, joka on osa alueellisia satelliittipaikannusjärjestelmiä yhdistelevää GNSS:ää. GPS-modeemin paikannusaika kylmäkäynnistyksen jälkeen (Time to First Fix, TTFF) voi kuitenkin olla useita minuutteja, jolloin se myös kuluttaa akkua koko ajan. Yhteys voi myös heikentyä, jos satelliittien ja vastaanottajan välinen näköyhteys katkeaa esimerkiksi rakennusten seinien vuoksi.

Kiinteitä matkapuhelinverkkoasemia voi myös käyttää paikannussovelluksissa. Matkapuhelinverkkopohjainen paikannusskannaus käyttää vähemmän virtaa kuin GPS/GNSS, mutta se ei ole yhtä tarkka. Paikannus matkapuhelinverkolla voi käytetyistä verkkotorneista riippuen poiketa todellisesta sijainnista satoja tai jopa tuhansia metrejä. Tämä tarkkuuden puute voi olla kriittinen tekijä joissain sovelluksissa, kuten liikkuvien kohteiden seurannassa suurissa varastoissa tai konttialuksilla.

Wi-Fi voi tarjota matkapuhelinverkkoa paremman paikannustarkkuuden ja lähes yhtä hyvän energiatehokkuuden. Kunkin Wi-Fi-verkon yksilöllinen Service Set Identifier (SSID) -tunniste ja kunkin verkkolaitteen yksilöllinen Basic Service Set Identifier (BSSID) -tunniste tarjoavat houkuttelevan paikannusvaihtoehdon, mutta useimpia integroituja Wi-Fi-piirejä ei ole optimoitu tähän tehtävään, ja ne ovat usein kalliita, kookkaita ja kuluttavat paljon virtaa.

Nordic Semiconductor tarjoaa komponentteja, joilla suunnittelijat voivat luoda monipuolisia sovelluksia, jotka pohjautuvat erilaisten langattomien verkkojen yhdistelmiin sekä pilvipohjaiseen palveluun suorituskyky- ja kattavuusongelmien ratkaisemiseksi.

Wi-Fi-paikantamisen arvo

Paikkatieto voi parantaa mitä erilaisimpia sovelluksia, kuten akkukäyttöisiä kodin antureita, terveysmonitoreita, kuntoilulaitteita, kaluston ja ympäristön seurantaa teollisuudessa sekä vähittäismyynnin inventaarion ja myyntipisteiden hallintaa.

Yleisimpiin käyttötapauksiin kuuluu yritysten kaluston seuranta, millä voidaan virtaviivaistaa toimitusketjun hallintaa ja logistiikkaa. Puettavilla laitteilla voidaan saada ilmoituksia terveyteen liittyvistä tapahtumista, vähittäismyynnissä ja pankkitoiminnassa voidaan havaita ja ehkäistä maksukorttipetoksia ja kalustonhallintaa voidaan tukea seuraamalla ajoneuvoja reaaliajassa. Vain yhteen langattomaan tekniikkaan tukeutuminen voi aiheuttaa ongelmia, jos laitteet eivät pysy samassa paikassa, sillä GPS:llä, matkapuhelinverkolla ja Wi-Fillä on kaikilla omat vahvuutensa ja heikkoutensa.

Wi-Fi on yksinkertainen ja kustannustehokas ratkaisu paikantamiseen silloin, kun verkot ja tukiasemat ovat helposti saatavilla ja käytettävissä. Useimmat Wi-Fi-laitteet käyttävät jonkinlaista paikannusta, mutta toteutusten energiatehokkuus ja tarkkuus vaihtelevat paljon.

Wi-Fi Alliance on ryhtynyt toimiin parantaakseen näitä ominaisuuksia. Sen Wi-Fi CERTIFIED Location -sertifiointi takaa yhteensopivuuden ja käyttää IEEE 802.11mc -standardia. Fine Timing Measurement (FTM) -protokollan, tukiasemien ja Wi-Fi CERTIFIED Location -yhteensopivien langattomien verkkokorttien avulla sijainti voidaan määrittää metrin tarkkuudella, kunhan Wi-Fi-tukiaseman omat sijaintitiedot ovat tarkat.

Suunnittelijat tarvitsevat kuitenkin kompaktimpia ja energiatehokkaampia komponentteja kustannustehokkaiden paikannussovellusten toteuttamiseksi. Akunkeston maksimoiva energiatehokkuus on tärkeä tekijä useille IoT-laitteille ja antureille. Nordic tarjoaa valikoiman komponentteja Wi-Fin ja muiden paikannusvaihtoehtojen hyödyntämiseksi ja IoT-ekosysteemien verkkoyhteyksien tehostamiseksi.

Langaton apupiiri

Nordicin nRF7000 (kuva 1) on erittäin vähävirtaisiin sovelluksiin optimoitu langaton apupiiri, joka varmistaa huippuluokan energiatehokkuuden. Se ei lähetä tietoja vaan tarjoaa Wi-Fi-paikannusta varten aktiiviset ja passiiviset skannausominaisuudet isäntälaitteena toimivalle järjestelmäpiirille (System on Chip, SoC), muistinsuojausyksikölle (Memory Protection Unit, MPU) tai mikrokontrollerille (Microcontroller Unit, MCU).

Kuva 1: Vähävirtainen Wi-Fi 6 -apupiiri nRF7000 on tarkoitettu Wi-Fi-paikannussovelluksiin. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Nordicin nRF7000 tukee skannausta sekä 2,4 että 5 GHz:n Wi-Fi-taajuuskaistoilla, ja siihen on integroitu protokollan fyysinen kerros ja osia MAC-kerroksesta tätä tarkoitusta varten. Se yhdistetään käyttäjän sovellusalustana toimivaan MCU-isäntään tai sovellussuorittimeen tiedonsiirtoa varten QSPI- (6 johdinta) tai SPI-liitännällä (4 johdinta), sekä 3 tai 4 johtimen resurssienjakoliitännällä isäntälaitteisiin, jotka sisältävät Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4 -radion.

Tämä nRF7000-piiri on karsittu versio nRF7002-apupiiristä, joka sisältää integroidun 2,4 ja 5 GHz:n radion suoran Wi-Fi 6 -datayhteyden ja paikannusominaisuuksien tarjoamiseksi isäntäpiirille. Sitä on saatavana myös versiona nRF7001, jossa on yhden taajuuden 2,4 GHz:n radio. Kumpikin sopii modernien Wi-Fi 6 -ominaisuuksien lisäämiseen olemassa oleviin Bluetooth® Low Energy-, Thread®- tai Zigbee®-järjestelmiin.

Vaikka kunkin näistä voidaan yhdistää myös muihin kuin Nordicin isäntälaitteisiin, yrityksen mukaan se voi tarjota nRF Cloud -alustallaan ”piirin ja pilven välisen paikannusratkaisun” komponenteilla, jotka tukevat Wi-Fiä, matkapuhelinverkkoa ja GNSS-paikannusta.

Wi-Fi-paikannus nRF7000:lla

Nordicin nRF91-sarjan SiP-rakenteiset (System-in-Package) matkapuhelinverkkolaitteet, kuten NRF9160-SICA-B1A-R7 (kuva 2), on suunniteltu Nordicin ensisijaisiksi isäntälaitteiksi nRF7000-/7100-/7200-piireille (nRF70-sarja). Ne sisältävät sovellusprosessorin sekä multimode-modeemin kompaktissa 10 x 16 x 1,04 mm:n kotelossa ja tukevat LTE-M-, NB-IoT- ja GNSS-protokollia, RF-etuastetta (RF Front-End, RFFE) sekä virranhallintaa. Muita suositeltuja isäntälaitteita ovat Nordicin nRF52- ja nRF53-sarjan usean protokollan Bluetooth-järjestelmäpiirit.

Kuva 2: RF9160-SiP sisältää LTE-M/NB-IoT-modeemin, GNSS-tuen sekä nRF7000-piirin. SiP tarjoaa saumattomat Wi-Fi-pohjaiset paikannussovellukset. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Yhdistämällä nRF7000 ja nRF91 voidaan tarjota tarkka sisä- ja ulkotilapaikannus Wi-Fillä, mikä täydentää GNSS- ja matkapuhelinverkkopaikannusta. Kun Wi-Fi-paikannuspalvelu on määritetty, laite voi alkaa skannata aktiivisesti tai passiivisesti läheisiä Wi-Fi-tukiasemia sekä kerätä tiedot SSID- ja BSSID-tunnuksista sekä signaalien vahvuuksista.

Apupiiristä saatujen tietojen avulla nRF91 voi siirtää tukiasematiedot nRF Cloudiin, joka käyttää tunnettujen sijaintien Wi-Fi-tietokantaa tarkan sijainnin määrittämiseksi suhteessa vähintään kahteen läheiseen tukiasemaan ilman, että laitteen tarvitsee muodostaa yhteyttä niihin. Sijainti voidaan sitten lähettää pilvipalvelusta takaisin laitteelle tai muualle, missä tietoja tarvitaan. Kun sijainti on määritetty, laite voi siirtyä virransäästötilaan akun säästämiseksi.

nRF Cloud voi tarjota erilaisia menetelmiä paikantamista varten:

• avustettu GNSS nopeamman TTFF-ajan saamiseksi
• ennakoitu GNSS, joka tarjoaa jopa kahden viikon ennakoidut satelliittitiedot uusien aputietopyyntöjen vähentämiseksi
• Single-Cell Location (SCELL) -paikannus karkean sijainnin saamiseksi lähimmän matkapuhelinmaston perusteella, mikä eliminoi tarpeen GNSS-vastaanottimen käytölle
• Multi-Cell Location (MCELL) -paikannus tarjoaa tarkemman, mutta silti karkean, tuloksen käyttämällä lähintä ja viereisiä mastoja.

Kullakin näistä nRF Cloudin paikannusmenetelmistä on erilainen paikannustarkkuus ja virrankulutus. Nordicin mukaan Wi-Fi tarjoaa paikannuksen 5–15 metrin tarkkuudella, kun taas GNSS-menetelmällä tarkkuus on 5–10 m, usean maston matkapuhelinverkkopaikannuksella 200–300 m ja yhden maston paikannuksella 1000 m. Matkapuhelinverkko tarjoaa lyhyimmän, alle yhden sekunnin viiveen. GNSS ja Wi-Fi vaativat useamman sekunnin. Nordicin virrankulutustestien mukaan matkapuhelinverkon virrankulutus on hieman pienempi, 122,48 mC, kuin Wi-Fin, 125,85 mC. GNSS kuluttaa virtaa A-GPS-tuella 316,71 mC.

Nordic tarjoaa kaikille nRF70-sarjan laitteille joukon työkaluja, kuten nRF Connect SDK -ohjelmistokehitysympäristön ja kahden taajuusalueen nRF7002 EK -kehityssarjan (kuva 3), joka on muodoltaan Arduino-lisäkortti. Sarja sisältää nRF7002-piirin ja sen avulla voidaan emuloida myös piirejä nRF7000 ja nRF7001. Sen voi myös yhdistää nRF9160 DK -kehityssarjaan nRF70-sarjan sovellusten kehittämiseksi.

Kuva 3: Nordicin nRF7002-EK-arviointisarja sisältää nRF7002-piirin ja sillä voidaan emuloida piirejä nRF7000 ja nRF7001. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Yhteenveto

Nordicin nRF7000- ja nRF91-sarjat auttavat kehittäjiä suunnittelemaan useita langattomia paikannustekniikoita hyödyntäviä IoT-ratkaisuja. Tuotteet tarjoavat erilaisille sovelluksille korkean suorituskyvyn, matalan virrankulutuksen, monipuoliset integrointiominaisuudet ja mahdollisuuden vaihtaa saumattomasti käytettävien paikannusvaihtoehtojen välillä.