A wifis® helyzetmeghatározó IC-k pótolják a helyzetmeghatározó készülékekben a GNSS- és a mobiltelefon-cellás helyzetmeghatározó eszközök hiányosságait

A helyzetalapú szolgáltatások nagy előnyt jelenthetnek a tárgyi eszközök kezelésében, de gyakran jelentős hátrányt is, tekintve, hogy az akkumulátorok gyorsan lemerülnek, ami gyakorlatilag megbéníthat néhány a dolgok internetére (IoT, Internet of Things) kapcsolódó készüléket. A GNSS rendszernek (Global Navigation Satellite System, globális műholdas navigációs rendszer) és a mobiltelefon-szolgáltatások széles körű elterjedtségének köszönhetően a készülékek földrajzi helyzete viszonylag könnyen meghatározható. Ez a két rendszer azonban helyenként lefedettségi és teljesítménybeli hiányosságokat mutat, amelyeket a wifihálózatok egyre nagyobb elterjedése kiegészíthet, vagy bizonyos esetekben akár helyettesíthet is.

A vezeték nélküli helyzetmeghatározás egyik nélkülözhetetlen alapeleme az Amerikai Egyesült Államok által üzemeltetett GPS rendszer (Global Positioning System, globális helyzetmeghatározó rendszer), amely a több regionális műholdas navigációs rendszert magában foglaló GNSS rendszer részét képezi. A GPS-modemeknek azonban több percig is eltarthat, amíg a hidegindítástól az első helyzetmeghatározásig (TTFF, time to first fix – az első helyzetmeghatározásig eltelt idő) eljutnak, miközben jelentős akkumulátorkapacitást használnak fel. A vételt a műholdak és a vevőkészülék közötti optikai rálátást gátló akadályok, például az épületek falai is akadályozhatják.

A helyhez kötött mobiltelefonos bázisállomások „helyzetmeghatározási” célra is használhatóak. A mobiltelefon-cellákon alapuló helyzetmeghatározás a GPS/GNSS rendszerhez képest szerényebb fogyasztással jár, de jóval kevésbé pontos. A mobiltelefon-cellás helyzetmeghatározás pontossága a használt mobiltelefon-tornyok típusától függően több száz vagy akár több ezer méter is lehet. Az olyan felhasználási területeken, mint például a mozgó eszközök nyomon követése nagy raktárakban vagy óceáni konténerszállító hajókon, kritikus lehet a pontosság hiánya.

A wifi pontosabb lehet, mint a mobiltelefon-cellás helyzetmeghatározás, és majdnem ugyanannyira energiatakarékos. A minden wifihálózatra egyedi SSID (Service Set Identifier, szolgáltatáskészlet-azonosító) és az egyes hozzáférésre használt eszközökre egyedi BSSID (Basic Service Set Identifier, alapszintű szolgáltatáskészlet-azonosító) vonzó helyzetmeghatározási lehetőséget kínál, de a legtöbb wifi-IC (integrált áramkör) nem erre a feladatra van optimalizálva, és általában költséges, terjedelmes és nagy fogyasztású.

A Nordic Semiconductor olyan alkatrészeket kínál, amelyekkel a mérnökök rugalmas készülékeket hozhatnak létre. Ezek az alkatrészek a teljesítmény- és lefedettségi problémák megoldása érdekében a vezeték nélküli technikák kombinációira, valamint egy felhőalapú szolgáltatásra támaszkodnak.

A wifis helyzetmeghatározás értéke

A helyzetmeghatározás számos készüléket egészíthet ki pluszfunkciókkal, beleértve az akkumulátorról működő lakáson belüli érzékelőket, a betegfigyelőket és a fitneszeszközöket, az ipari eszközkövető berendezéseket és környezetiadat-érzékelőket, valamint a kiskereskedelmi árukészletek kezelését és a bolti fizetőterminálokat (POS terminál).

A helyzetmeghatározás vezető felhasználási módjai között van, hogy a vállalkozások nyomon tudják követni az eszközök helyét az ellátási lánc irányításának és a logisztikának az egyszerűsítése érdekében, a viselhető eszközök figyelmeztetni tudják az egészségügyi csapatokat az egészségügyi problémákra, a kiskereskedők és a bankárok felismerhetik és mérsékelhetik a fizetőkártyák csalárd használatát, a flottakezelők pedig valós időben követhetik a járműveiket. A nem helyhez kötött eszközök esetében gondot jelenthet, ha csak egyetlen vezeték nélküli technikát használunk, mivel a GPS, a mobiltelefon-cellás helyzetmeghatározás és a wifi mindegyikének megvannak a maga erősségei és korlátai.

A wifi egyszerű és költségtakarékos megoldás a helyzetmeghatározásra olyan esetekben, ahol a hálózatok és a hozzáférési pontok könnyen elérhetőek és hozzáférhetőek. A legtöbb wifis eszköz képes valamiféle helyzetmeghatározásra, a megvalósítások hatásfoka és pontossága azonban nagy eltéréseket mutat.

A Wi-Fi Alliance (Wifi Szövetség) az IEEE 802.11mc szabványt tartalmazó wifi CERTIFIED Location programjával lépéseket tett ezeknek a képességeknek a javítására és az együttműködés elősegítésére. Amennyiben a wifi-hozzáférési pont (AP, access point) ismeri a saját pontos helyzetét, az FTM (Fine Timing Measurement, finom időzítésszabályozó) protokollt, a hozzáférési pontokat és a wifi CERTIFIED Location szabványnak megfelelő vezeték nélküli hálózati (WLAN) kártyákat felhasználva egy méternél kisebb pontossággal meghatározható egy eszköz helyzete.

A mérnököknek azonban a költségtakarékos helyzetmeghatározó készülékek létrehozásához kisebb méretű és energiatakarékosabb alkatrészekre van szükségük. A jó hatásfok, amivel maximálisra növelhető az akkumulátor üzemideje, számos a dolgok internetére kapcsolódó eszköz és érzékelő számára létfontosságú. A Nordic a wifi és más helyzetmeghatározási lehetőségek kihasználására szolgáló eszközök széles választékát kínálja a dolgok internetére kapcsolódó ökorendszerek csatlakozásának javítására.

A vezeték nélküli segéd-IC

Az nRF7000 (1. ábra) egy olyan vezeték nélküli segéd-IC, amelyet a minél jobb hatásfok érdekében rendkívül kis fogyasztású készülékekhez optimalizáltak. Ez az IC nem küld adatokat, hanem aktív és passzív letapogatási képességeket kínál az egylapkás rendszerre (SoC, system-on-chip), a memóriavédelmi egységre (MPU, Memory Protection Unit) vagy a mikrovezérlőre (MCU, Microcontroller Unit) épülő gazdagép számára a wifis helyzetmeghatározáshoz.

1. ábra: Az nRF7000 kis fogyasztású Wi-Fi 6 segéd-IC wifis helyzetmeghatározó készülékekbe (kép: Nordic Semiconductor)

Az nRF7000 a 2,4 GHz-es és az 5 GHz-es wifi-frekvenciasávban is képes pásztázni, és ehhez a PHY réteget és a MAC réteg egyes részeit valósítja meg. Az adatátvitel érdekében (6 vezetékes) QSPI (négy adatcsatornás soros perifériaillesztő) vagy (4 vezetékes) SPI (soros perifériaillesztő) felületen át csatlakozik a mikrovezérlőhöz vagy a célprocesszorhoz – amelyen a felhasználói alkalmazás fut –, illetve 3 vagy 4 vezetékes Coexistence (több üzemmódú) vezérlőfelületen keresztül a Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4 rádiót tartalmazó gazda-IC-khez.

Az nRF7000 egy másik segéd-IC, az nRF7002 kissé lebutított változata. Az nRF7002 beépített 2,4 GHz-es és 5 GHz-es rádiót tartalmaz, hogy egy másik gazda-IC-t közvetlen Wi-Fi 6 adatkapcsolattal, valamint helyzetmeghatározási képességekkel ruházzon fel. Szintén kapható az nRF7001, amely egy egy frekvenciasávos 2,4 GHz-es rádiót tartalmaz. Mindkettő alkalmas arra, hogy a meglévő Bluetooth® LE (Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth), Thread® vagy Zigbee® rendszereket korszerű Wi-Fi 6-képességekkel egészítse ki.

Bár ezen eszközök mindegyike csatlakoztatható nem Nordic gyártmányú gazda-IC-khez is, a vállalat szerint saját nRF Cloud felhőplatformjukkal együtt „szilíciumból a felhőbe küldött helyzetmeghatározási megoldást” tud nyújtani olyan összetevőkkel, amelyek a wifis, a mobiltelefon-cellás és a GNSS-helyzetmeghatározást is támogatják.

Wifis helyzetmeghatározás az nRF7000 segítségével

A Nordic szerint az nRF7000/7100/7200 IC-khez (nRF70 sorozat) ideális gazda-IC-k a Nordic nRF91 sorozatú mobiltelefonos egy tokba épített rendszerei (SiP, system-in-package), mint például az NRF9160-SICA-B1A-R7 (2. ábra). Ezek egy kis méretű, 10 mm × 16 mm × 1,04 mm-es tokban tartalmaznak egy célprocesszort és egy több üzemmódú modemet, amelyben található LTE-M és NB-IoT modem, GNSS rendszer és rádiófrekvenciás bemeneti fokozat (RFFE), valamint lehetővé teszi az energiagazdálkodást is. További javasolt gazda-IC-k a Nordic nRF52 és nRF53 sorozatú többprotokollos Bluetooth egylapkás rendszerek (SoC-k).

2. ábra: Az nRF9160 egy tokba épített rendszer LTE-M/NB-IoT modemmel és GNSS rendszerrel. Az nRF7000 IC-vel összekapcsolva problémamentes, wifit is tartalmazó helyzetmeghatározó készülékeket lehet vele létrehozni (kép: Nordic Semiconductor)

Az nRF7000 és az nRF91 kombinációja pontos wifis helyzetmeghatározást tesz lehetővé bel- és kültéren, kiegészítve a GNSS- és a mobiltelefonos-cellás helyzetmeghatározást. A wifis helyzetmeghatározó szolgáltatás beállítása után az eszköz aktívan vagy passzívan elkezdheti a közeli wifi-hozzáférési pontok keresését, adatokat gyűjtve az SSID és a BSSID azonosítókról és a jelerősségekről.

A segéd-IC-től származó adatokat felhasználva az nRF91 képes továbbítani a hozzáférési pontok adatait az nRF Cloud felhőbe, amely az ismert helyzeteket tartalmazó wifiadatbázis segítségével legalább két közeli hozzáférési ponthoz képest határozza meg a pontos helyzetet, anélkül, hogy az eszköznek csatlakoznia kellene ezekhez a hozzáférési pontokhoz. A felhőszolgáltatás ezután visszaküldheti a helyzetet magára az eszközre, vagy bárhová, ahol erre az adatra szükség van. A helyzetmeghatározás után a készülék kis fogyasztású állapotba tud lépni, hogy takarékoskodjon az akkumulátor energiájával.

Az nRF Cloud a következő alternatív lehetőségeket kínálja a helyzetmeghatározáshoz:

• gyorsabb első helyzetmeghatározást lehetővé tevő kisegített GNSS
• előre jelzett GNSS, amely akár két hétre elegendő előre jelzett műholdas adatot szolgáltat az új segédadat-kérések gyakoriságának csökkentése érdekében
• egycellás helyzetmeghatározás (SCELL, single-cell location) a legközelebbi mobiltelefon-cella alapján történő durva helyzetmeghatározáshoz, így nincs szükség GNSS-vevőre.
• többcellás helyzetmeghatározás (MCELL, multi-cell location), amely pontosabb, de még mindig durva helyzetmeghatározást tesz lehetővé a legközelebbi és a szomszédos mobiltelefon-cellákat felhasználva

Az nRF Cloud felhőben elérhető ezen helyzetmeghatározási módszerek mindegyikének eltérőek a jellemzői a helyzetmeghatározási pontosságot és a fogyasztást tekintve. A Nordic szerint a wifi 5 m és 15 m közötti helyzetmeghatározási pontosságot tesz lehetővé, míg a GNSS esetében ez az érték 5 m és 10 m, a többcellás helyzetmeghatározás esetében pedig 200 m és 300 m közötti, és végül az egycellás helyzetmeghatározás esetében 1000 m körüli. A legkisebb a késleltetés a mobiltelefon-hálózat esetében, kevesebb mint 1 másodperc, míg a GNSS és a wifi esetében több másodperc is lehet. A Nordic által végzett fogyasztási tesztek a mobiltelefon-cellás helyzetmeghatározás csekély előnyét mutatták 122,48 mC értékkel, szemben a wifi 125,85 mC és az A-GPS-t használó GNSS 316,71 mC értékével.

A Nordic többféle fejlesztőeszközt kínál, köztük az nRF Connect SDK szoftverfejlesztő környezetet az összes nRF70 sorozatú IC-hez, valamint az nRF7002 EK kétsávos fejlesztőkészletet (3. ábra) Arduino bővítőkártya formájában. A készlet tartalmazza az nRF7002 IC-t, és képes emulálni az nRF7000 és az nRF7001 IC-t is, valamint kombinálható az nRF9160 DK fejlesztőkészlettel nRF70 sorozatú IC-ket használó készülékek létrehozásához.

3. ábra: Az nRF7002-EK fejlesztőkártya tartalmaz egy nRF7002 IC-t, és képes emulálni az nRF7000 és az nRF7001 IC-t is (kép: Nordic Semiconductor)

Összegzés

Az nRF7000 és az nRF91 sorozat segítségével a Nordic lehetővé teszi, hogy a fejlesztők a dolgok internetére kapcsolódó olyan készülékeket alkossanak, amelyek többféle vezeték nélküli technikát használhatnak fel a helyzetmeghatározáshoz. A termékek nagy teljesítményt, kis fogyasztást és rugalmas összeépítési lehetőségeket kínálnak a felhasználási területek széles köréhez, és a velük létrehozott készülékek zökkenőmentesen tudnak váltani a helyzetmeghatározási lehetőségek között.