作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-07

基于位置的服務(wù)在管理資產(chǎn)方面具有很大的優(yōu)勢，但往往會造成大量電池?fù)p耗，從而使某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用癱瘓。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (GNSS) 和廣泛的蜂窩服務(wù)為確定設(shè)備地理位置提供了相對簡便的方法。然而，這些網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和性能方面存在差距，不斷擴大的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)桿是美國主導(dǎo)的全球定位系統(tǒng) (GPS)，它是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分，包含多個區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，GPS 調(diào)制解調(diào)器從冷啟動到“首次定位時間”(TTFF) 可能需要數(shù)分鐘，同時還要消耗大量的電池容量。此外，衛(wèi)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(yīng)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(jù)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(yuǎn)洋集裝箱船上移動資產(chǎn)等應(yīng)用來說，影響可能是很嚴(yán)重的。

Wi-Fi 比蜂窩定位更準(zhǔn)確，而且?guī)缀跬瑯邮‰姟Ｃ總€ Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)獨有的服務(wù)集標(biāo)識符 (SSID) 和每個接入設(shè)備獨有的基本服務(wù)集標(biāo)識符 (BSSID) 提供了一個極具吸引力的定位選擇，但大多數(shù) Wi-Fi 集成電路并沒有針對這項任務(wù)進(jìn)行優(yōu)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(shù)組合以及基于云的服務(wù)的應(yīng)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(yīng)用，包括電池供電的家庭傳感器、健康監(jiān)測器和健身設(shè)備、工業(yè)資產(chǎn)跟蹤器和環(huán)境傳感器，以及零售庫存管理和收銀機設(shè)備。

在主要用例中，企業(yè)可以跟蹤資產(chǎn)位置，以簡化供應(yīng)鏈管理和物流；可穿戴設(shè)備可以提醒醫(yī)療團(tuán)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(yōu)勢和局限性，因此對于不固定在某一位置的設(shè)備來說，只依賴一種無線技術(shù)可能會造成問題。

在網(wǎng)絡(luò)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(jīng)濟(jì)高效的定位解決方案。大多數(shù) Wi-Fi 設(shè)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(lián)盟已采取措施推廣這些功能，并確保其合并了 IEEE 802.11mc 標(biāo)準(zhǔn)的 Wi-Fi CERTIFIED Location 計劃的互操作性。利用兼容 Wi-Fi CERTIFIED Location 的精細(xì)定時測量 (FTM) 協(xié)議、接入點和無線局域網(wǎng)卡，Wi-Fi 接入點 (AP) 就能將位置確定精度控制在一米以內(nèi)。

然而，工程師需要更緊湊、更節(jié)能的組件，以打造更具成本效益的定位應(yīng)用。降低功耗，最大限度延長電池壽命，對許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器至關(guān)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(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)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(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，以確保實現(xiàn)最高能效。它不發(fā)送數(shù)據(jù)，而是向片上系統(tǒng) (SoC)、存儲器保護(hù)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(jìn)行 Wi-Fi 定位。

圖 1：用于 Wi-Fi 定位應(yīng)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(xiàn)了 PHY 層和 MAC 層中用于該用途的部分。它通過用于數(shù)據(jù)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(zhí)行用戶應(yīng)用的主機 MCU 或應(yīng)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(shù)據(jù)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(xiàn)代 Wi-Fi 6 功能添加到現(xiàn)有的低功耗 Bluetooth?、Thread? 或 Zigbee? 系統(tǒng)中。

盡管這些設(shè)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(tǒng)級封裝 (SiP) 產(chǎn)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(shè)備。這些產(chǎn)品在 10 x 16 x 1.04 mm 的緊湊型封裝中集成了應(yīng)用處理器和多模調(diào)制解調(diào)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(lán)牙多協(xié)議 SoC。

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

nRF7000 與 nRF91 相結(jié)合，可在室內(nèi)外提供精確的 Wi-Fi 定位，與 GNSS 和蜂窩系統(tǒng)互為補充。配置 Wi-Fi 定位服務(wù)后，設(shè)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)庫來確定與附近至少兩個接入點相關(guān)的準(zhǔn)確位置，而無需設(shè)備連接到這些接入點。然后，云服務(wù)可將位置信息發(fā)回設(shè)備或任何需要該信息的地方。確定位置后，設(shè)備可進(jìn)入低功耗狀態(tài)，以節(jié)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(xiàn)更快的 TTFF
• 預(yù)測式 GNSS 則提供長達(dá)兩周的預(yù)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以減少新的輔助數(shù)據(jù)請求頻率
• 單小區(qū)定位 (SCELL)，根據(jù)最近的小區(qū)提供粗略定位，無需使用 GNSS 接收器
• 多小區(qū)定位 (MCELL) 還可利用最近的小區(qū)和鄰近小區(qū)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(jù) 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(qū)蜂窩為 200 米至 300 米，單小區(qū)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(fā)環(huán)境，以及采用 [Arduino] 盾板格式的 [nRF7002 EK]雙頻開發(fā)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(fā)套件相結(jié)合，利用 nRF70 系列創(chuàng)建應(yīng)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(jié)語

借助 nRF7000 和 nRF91 系列，Nordic 可幫助開發(fā)人員打造可利用多種無線技術(shù)進(jìn)行定位服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。這些產(chǎn)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(yīng)用。

審核編輯 黃宇