I componenti di localizzazione Wi-Fi® superano le lacune di GNSS e cellulare per le applicazioni di posizionamento

I servizi basati sulla posizione possono essere molto vantaggiosi nella gestione dei beni, ma spesso penalizzano per via del veloce esaurimento della carica delle batterie, che potrebbe di fatto paralizzare alcune applicazioni IoT. Il sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) e l'ampia portata dei servizi cellulari sono mezzi relativamente facili per determinare la posizione geografica dei dispositivi. Tuttavia, presentano lacune in termini di copertura e prestazioni che possono essere ovviate o, in alcuni casi, sostituite dalla crescente portata delle reti Wi-Fi.

Il riferimento per la tracciabilità wireless è il sistema di posizionamento globale (GPS), gestito dagli Stati Uniti, che fa parte del GNSS che comprende diversi sistemi di navigazione satellitare regionali. Tuttavia, un modem GPS può impiegare diversi minuti per passare dall'avvio a freddo al TTTF (Time-To-First-Fix), consumando nel contempo una notevole capacità della batteria. Inoltre, può essere ostacolato da ostruzioni della linea di vista tra i satelliti e i ricevitori, come le pareti degli edifici.

Anche le stazioni base cellulari fisse possono essere utilizzate per applicazioni di localizzazione. La scansione della posizione cellulare comporta un consumo energetico più contenuto rispetto al GPS/GNSS, ma è meno precisa. La localizzazione cellulare, a seconda del tipo dei piloni a traliccio cellulari utilizzati, può sbagliare di centinaia o addirittura migliaia di metri. Questa mancanza di precisione potrebbe essere critica per applicazioni come ad esempio il tracciamento delle risorse in movimento in grandi magazzini o su navi container oceaniche.

Il Wi-Fi può essere più preciso della localizzazione cellulare e quasi altrettanto efficiente dal punto di vista energetico. L'identificatore del set di servizi (SSID), unico per ogni rete Wi-Fi, e l'identificatore del set di servizi basilare (BSSID), unico per ogni dispositivo di accesso, sono un'opzione interessante di localizzazione, ma la maggior parte dei circuiti integrati Wi-Fi non è ottimizzata per questo compito ed è generalmente costosa, ingombrante ed energivora.

Per risolvere i problemi di prestazioni e copertura Nordic Semiconductor fornisce componenti che gli ingegneri possono utilizzare per creare applicazioni flessibili basate su combinazioni di tecnologie wireless, nonché un servizio basato su cloud.

Il valore della localizzazione Wi-Fi

La localizzazione può arricchire numerose applicazioni, tra cui i sensori domestici alimentati a batteria, i monitor sanitari e i dispositivi per il fitness, i localizzatori delle risorse industriali e i sensori ambientali, nonché la gestione delle scorte e i dispositivi dei punti vendita.

Tra i principali casi d'uso, le aziende possono tracciare la posizione delle risorse per ottimizzare la gestione della supply chain e la logistica; i dispositivi indossabili possono allertare le équipe mediche in caso di problemi di salute, i rivenditori e i banchieri possono rilevare e ridurre l'uso fraudolento delle carte di pagamento e gli operatori che gestiscono le flotte possono tracciare i loro veicoli in tempo reale. Affidarsi a una sola tecnologia wireless può essere problematico nel caso di dispositivi non fissi in una sola posizione, poiché GPS, cellulare e Wi-Fi hanno tutti i loro punti di forza e i loro limiti.

Il Wi-Fi è una soluzione semplice ed economica per la localizzazione nei casi d'uso in cui le reti e i punti di accesso sono facilmente disponibili e accessibili. La maggior parte dei dispositivi Wi-Fi incorpora un qualche tipo di localizzazione, con grandi differenze in termini di efficienza energetica e precisione delle implementazioni.

La Wi-Fi Alliance ha preso provvedimenti per promuovere queste funzionalità e garantire l'interoperabilità con il suo programma "Wi-Fi CERTIFIED Location" che incorpora lo standard IEEE 802.11mc. Utilizzando il protocollo Fine Timing Measurement (FTM), i punti di accesso e le schede LAN wireless conformi a Wi-Fi CERTIFIED Location, è possibile determinare una posizione entro un metro, a condizione che un punto di accesso (AP) Wi-Fi conosca la sua posizione esatta.

Tuttavia, gli ingegneri hanno bisogno di componenti più compatti e ad alta efficienza energetica per creare applicazioni di localizzazione economicamente vantaggiose. Il consumo energetico efficiente che ottimizzi la durata della batteria è fondamentale per molti dispositivi e sensori IoT. Nordic offre un portafoglio di componenti per sfruttare il Wi-Fi e altre opzioni di posizionamento per migliorare la connettività degli ecosistemi IoT.

Compagno wireless

nRF7000 (Figura 1) è un CI complementare wireless ottimizzato per applicazioni a bassissimo consumo per garantire la massima efficienza energetica. Non invia dati, ma fornisce funzionalità di scansione attiva e passiva a un System-on-Chip (SoC), a un'unità di protezione di memoria (MPU) o a un'unità microcontroller (MCU) per la localizzazione Wi-Fi.

Figura 1: CI complementare Wi-Fi 6 a basso consumo nRF7000 per applicazioni di localizzazione Wi-Fi. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

nRF7000 è in grado di eseguire la scansione delle bande di frequenza Wi-Fi a 2,4 GHz e a 5 GHz e a tal fine implementa lo strato PHY e parti dello strato MAC. È collegato a un MCU o a un processore applicativo host su cui viene eseguita l'applicazione utente attraverso una QSPI (a 6 fili) o SPI (a 4 fili) per i dati e un'interfaccia di controllo della coesistenza a 3 o 4 fili per gli host che includono una radio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

nRF7000 è una versione ottimizzata di nRF7002, un altro CI comprendente una radio integrata a 2,4 GHz e 5 GHz per fornire a un altro chip host la connettività diretta ai dati Wi-Fi 6 e le funzionalità di localizzazione. È disponibile anche il modello nRF7001, che offre una radio a banda singola da 2,4 GHz. Entrambi sono adatti per aggiungere le moderne funzionalità Wi-Fi 6 ai sistemi Bluetooth® Low Energy, Thread® o Zigbee® esistenti.

Sebbene ciascuno possa essere collegato a host non prodotti da Nordic, l'azienda afferma che con la sua piattaforma nRF Cloud può fornire una "soluzione di localizzazione dal silicio al cloud" con componenti che supportano il posizionamento Wi-Fi, cellulare e GNSS.

Localizzazione Wi-Fi con nRF7000

Le offerte SiP (System-in-Package) cellulari serie nRF91 di Nordic, come il modello NRF9160-SICA-B1A-R7 (Figura 2), sono i dispositivi host Nordic preferiti per i CI nRF7000/7100/7200 (serie nRF70). Questi SiP incorporano un processore applicativo e un modem multimodale in un contenitore compatto di 10 x 16 x 1,04 mm che supporta LTE-M, NB-IoT, GNSS, front-end RF (RFFE) e gestione dell'alimentazione. Altri host preferiti sono i SoC multiprotocollo Bluetooth serie nRF52 e nRF53 sempre di Nordic.

Figura 2: Il SiP nRF9160 con modem LTE-M/NB-IoT e GNSS si integra con nRF7000 per fornire applicazioni di localizzazione che incorporano il Wi-Fi. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

La combinazione di nRF7000 e nRF91 fornisce una localizzazione Wi-Fi accurato in ambienti interni ed esterni, a complemento di GNSS e cellulari. Quando il servizio di localizzazione Wi-Fi è configurato, un dispositivo può iniziare la scansione attiva o passiva dei punti di accesso Wi-Fi nelle vicinanze, raccogliendo dati su SSID, BSSID e potenza del segnale.

Utilizzando le informazioni del CI complementare, il dispositivo nRF91 può trasmettere le informazioni sull'AP a nRF Cloud, che utilizza un database Wi-Fi di posizioni note per determinare la posizione accurata in relazione ad almeno due AP vicini, senza che il dispositivo debba connettersi ad essi. Il servizio cloud può quindi inviare la posizione al dispositivo o al luogo che necessita di tali informazioni. Una volta determinata la posizione, il dispositivo può entrare in uno stato di basso consumo per risparmiare la carica della batteria.

nRF Cloud offre le seguenti opzioni alternative per la localizzazione:

• GNSS assistito per un TTFF più rapido
• GNSS previsto per fornire fino a due settimane di dati satellitari previsti e ridurre la frequenza delle richieste di nuovi dati di assistenza
• Posizione a singola cella (SCELL) per fornire la localizzazione grossolana basata sulla cella più vicina, eliminando la necessità del ricevitore GNSS
• La posizione multi-cella (MCELL) fornisce una localizzazione più accurata, ma sempre grossolana, utilizzando la cella più vicina e le celle vicine

Ognuno di questi processi in nRF Cloud presenta caratteristiche diverse per quanto riguarda la precisione della posizione e il consumo energetico. Secondo Nordic, il Wi-Fi offre una precisione di localizzazione di 5-15 m, rispetto ai 5-10 m del GNSS, ai 200-300 m delle celle multicellulari e ai 1.000 m delle celle singole. La latenza più bassa è quella cellulare, inferiore a 1 secondo, mentre quella del GNSS e del Wi-Fi è di pochi secondi. I test di consumo energetico condotti da Nordic hanno mostrato un leggero vantaggio per la telefonia cellulare con 122,48 mC, rispetto ai 125,85 mC del Wi-Fi e ai 316,71 mC del GNSS con A-GPS.

Nordic offre diversi strumenti, tra cui l'ambiente di sviluppo software SDK nRF Connect per tutti i dispositivi serie nRF70 e il kit di sviluppo dual-band nRF7002 EK (Figura 3) in formato Arduino shield. Il kit incorpora nRF7002 e può emulare sia nRF7000 che nRF7001 e può essere combinato con il kit di sviluppo DK nRF9160 per creare applicazioni che utilizzano la serie nRF70.

Figura 3: Il kit di valutazione nRF7002-EK include un dispositivo nRF7002 e può emulare sia nRF7000 che nRF7001. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Conclusione

Con le serie nRF7000 e nRF91, Nordic consente agli sviluppatori di creare soluzioni IoT in grado di sfruttare diverse tecnologie wireless per i servizi di localizzazione. I prodotti offrono prestazioni elevate, basso consumo energetico e opzioni di integrazione flessibili per un'ampia gamma di applicazioni che possono commutare senza problemi da un'opzione di posizionamento all'altra.