作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-07

基于位置的服務在管理資產方面具有很大的優勢，但往往會造成大量電池損耗，從而使某些物聯網應用癱瘓。全球衛星導航系統 (GNSS) 和廣泛的蜂窩服務為確定設備地理位置提供了相對簡便的方法。然而，這些網絡在覆蓋范圍和性能方面存在差距，不斷擴大的 Wi-Fi 網絡覆蓋范圍可以彌補這些差距，有時甚至可以取而代之。

無線跟蹤的黃金標桿是美國主導的全球定位系統 (GPS)，它是全球衛星導航系統的一部分，包含多個區域衛星導航系統。然而，GPS 調制解調器從冷啟動到“首次定位時間”(TTFF) 可能需要數分鐘，同時還要消耗大量的電池容量。此外，衛星和接收器之間的視線障礙物（包括建筑物的墻壁）也會對其造成影響。

固定蜂窩基站也可用于“定位”應用。與 GPS/GNSS 相比，蜂窩定位掃描的功耗更低，但精度較低。手機定位，根據所使用的手機信號塔類型，可能會有幾百米甚至幾千米的偏差。這種精度上的不足，對于跟蹤大型倉庫或遠洋集裝箱船上移動資產等應用來說，影響可能是很嚴重的。

Wi-Fi 比蜂窩定位更準確，而且幾乎同樣省電。每個 Wi-Fi 網絡獨有的服務集標識符 (SSID) 和每個接入設備獨有的基本服務集標識符 (BSSID) 提供了一個極具吸引力的定位選擇，但大多數 Wi-Fi 集成電路并沒有針對這項任務進行優化，且通常成本高、體積大、耗電多。

[Nordic Semiconductor]提供的組件可以幫助工程師靈活打造各種依靠無線技術組合以及基于云的服務的應用，解決了這種性能和覆蓋問題。

Wi-Fi 定位的價值

定位可以豐富多種應用，包括電池供電的家庭傳感器、健康監測器和健身設備、工業資產跟蹤器和環境傳感器，以及零售庫存管理和收銀機設備。

在主要用例中，企業可以跟蹤資產位置，以簡化供應鏈管理和物流；可穿戴設備可以提醒醫療團隊注意健康問題；零售商和銀行家可以檢測并減少支付卡的欺詐性使用；車隊管理運營商可以實時跟蹤車輛。由于 GPS、蜂窩電話和 Wi-Fi 都有各自的優勢和局限性，因此對于不固定在某一位置的設備來說，只依賴一種無線技術可能會造成問題。

在網絡和接入點隨時可用和可訪問的情況下，Wi-Fi 是一種簡單而經濟高效的定位解決方案。大多數 Wi-Fi 設備都集成了某種類型的定位功能，但在功效和精度方面卻存在很大差異。

Wi-Fi 聯盟已采取措施推廣這些功能，并確保其合并了 IEEE 802.11mc 標準的 Wi-Fi CERTIFIED Location 計劃的互操作性。利用兼容 Wi-Fi CERTIFIED Location 的精細定時測量 (FTM) 協議、接入點和無線局域網卡，Wi-Fi 接入點 (AP) 就能將位置確定精度控制在一米以內。

然而，工程師需要更緊湊、更節能的組件，以打造更具成本效益的定位應用。降低功耗，最大限度延長電池壽命，對許多物聯網設備和傳感器至關重要。Nordic 提供一系列組件，可利用 Wi-Fi 和其他定位選件增強物聯網生態系統的連接能力。

無線伴侶

[nRF7000]（圖 1）是一款無線配套 IC，針對超低功耗應用進行了優化，以確保實現最高能效。它不發送數據，而是向片上系統 (SoC)、存儲器保護單元 (MPU) 或單片機單元 (MCU) 主機提供主動和被動掃描功能，以進行 Wi-Fi 定位。

圖 1：用于 Wi-Fi 定位應用的 nRF7000 低功耗 Wi-Fi 6 配套 IC。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

nRF7000 可同時掃描 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 頻段，并實現了 PHY 層和 MAC 層中用于該用途的部分。它通過用于數據的 QSPI（6 線）或 SPI（4 線）接口和用于主機（包括 Bluetooth? LE/IEEE 802.15.4 無線電）的 3 線或 4 線共存控制接口，與執行用戶應用的主機 MCU 或應用處理器相連。

nRF7000 是 [nRF7002] 的精簡版，后者是另一款配套 IC，包含集成的 2.4 GHz 和 5 GHz 無線電，可為另一款主機芯片提供直接的 Wi-Fi 6 數據連接以及定位功能。此外，[]()[nRF7001]還提供單頻 2.4 GHz 無線電。兩者都適用于將現代 Wi-Fi 6 功能添加到現有的低功耗 Bluetooth?、Thread? 或 Zigbee? 系統中。

盡管這些設備都可以連接到非北歐主機，但該公司表示，利用其 [nRF 云]平臺，它可以提供“硅到云定位解決方案”，其中組件支持 Wi-Fi、蜂窩和 GNSS 定位。

使用 nRF7000 獲取 Wi-Fi 定位信息

Nordic 的 [nRF91 系列]蜂窩系統級封裝 (SiP) 產品（如圖 2 所示的 [NRF9160-SICA-B1A-R7]）被指定為 nRF7000/7100/7200 IC（nRF70 系列）的首選 Nordic 主機設備。這些產品在 10 x 16 x 1.04 mm 的緊湊型封裝中集成了應用處理器和多模調制解調器，支持 LTE-M、NB-IoT、GNSS、射頻前端 (RFFE) 和電源管理。其他首選主機有 Nordic [nRF52]和 [nRF53] 系列藍牙多協議 SoC。

圖 2：nRF9160 SiP 帶有 LTE-M/NB-IoT 調制解調器和 GNSS，與 nRF7000 集成在一起，可提供結合 Wi-Fi 的無縫定位服務。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

nRF7000 與 nRF91 相結合，可在室內外提供精確的 Wi-Fi 定位，與 GNSS 和蜂窩系統互為補充。配置 Wi-Fi 定位服務后，設備可以開始主動或被動掃描附近的 Wi-Fi 接入點，收集 SSID、BSSID 和信號強度數據。

利用來自配套 IC 的信息，nRF91 可以向 nRF 云傳輸接入點信息，而 nRF 云則使用已知位置的 Wi-Fi 數據庫來確定與附近至少兩個接入點相關的準確位置，而無需設備連接到這些接入點。然后，云服務可將位置信息發回設備或任何需要該信息的地方。確定位置后，設備可進入低功耗狀態，以節省電池電量。

nRF 云為定位提供了以下替代選項：

• 輔助式 GNSS 可實現更快的 TTFF
• 預測式 GNSS 則提供長達兩周的預測衛星數據，以減少新的輔助數據請求頻率
• 單小區定位 (SCELL)，根據最近的小區提供粗略定位，無需使用 GNSS 接收器
• 多小區定位 (MCELL) 還可利用最近的小區和鄰近小區提供更精確但仍然粗糙的定位

nRF 云中的每個定位過程都具有不同的定位精度和功耗特征。據 Nordic 稱，Wi-Fi 的定位精度為 5 米至 15 米，而 GNSS 為 5 米至 10 米，多小區蜂窩為 200 米至 300 米，單小區為 1000 米。蜂窩的延遲最低，不到 1 秒，而 GNSS 和 Wi-Fi 的延遲均為幾秒鐘。Nordic 的功耗測試表明，蜂窩的功耗為 122.48 mC，略高于 Wi-Fi 的 125.85 mC 和使用 A-GPS 的 GNSS 的 316.71 mC。

Nordic 提供多種工具，包括其用于所有 nRF70 系列器件的 [nRF Connect SDK]軟件開發環境，以及采用 [Arduino] 盾板格式的 [nRF7002 EK]雙頻開發套件（圖 3）。該套件包括了 nRF7002，可同時模擬 nRF7000 和 nRF7001，并可與 nRF9160 DK 開發套件相結合，利用 nRF70 系列創建應用。

圖 3：nRF7002-EK 評估套件包括一個 nRF7002，可同時模擬 nRF7000 和 nRF7001。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

結語

借助 nRF7000 和 nRF91 系列，Nordic 可幫助開發人員打造可利用多種無線技術進行定位服務的物聯網解決方案。這些產品提供了高性能、低功耗和靈活集成選擇，適用于可在不同定位選項之間無縫切換的各種應用。

審核編輯 黃宇