ส่วนประกอบการกำหนดตำแหน่ง Wi-Fi® เอาชนะ GNSS ช่องว่างเซลลูลาร์สำหรับการใช้งานการกำหนดตำแหน่ง

บริการที่อิงตามตำแหน่งสามารถเป็นข้อได้เปรียบที่มีพลังในการจัดการทรัพย์สินได้ดี แต่มักจะมีข้อเสียอย่างมากในการใช้พลังงานแบตเตอรี่ ซึ่งอาจทำให้บางการใช้งาน IoT มีประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก ระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก (GNSS) และการเข้าถึงที่กว้างขวางของบริการเซลลูลาร์ให้วิธีที่ค่อนข้างง่ายในการกำหนดตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านั้นมาพร้อมกับช่องว่างด้านความครอบคลุมและประสิทธิภาพที่สามารถเสริมได้หรือในบางกรณีอาจสามารถแทนที่ด้วยการเข้าถึงที่เพิ่มขึ้นของเครือข่าย Wi-Fi

มาตรฐานทองคำสำหรับการติดตามแบบไร้สายคือระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS) ซึ่งดำเนินการโดยสหรัฐอเมริกา และเป็นส่วนหนึ่งของ GNSS ที่ครอบคลุมระบบนำทางดาวเทียมระดับภูมิภาคหลายแห่ง อย่างไรก็ตาม อาจต้องใช้เวลาหลายนาทีกว่าที่โมเด็ม GPS จะเริ่มทำงานจากสถานะการเริ่มทำงานไปจนถึง "เวลาในการแก้ไขครั้งแรก" (TTFF) ขณะเดียวกันก็ต้องใช้พลังงานแบตเตอรี่จำนวนมากด้วย นอกจากนี้ยังสามารถถูกขัดขวางได้ด้วยสิ่งกีดขวางแนวการมองเห็นระหว่างดาวเทียมและเครื่องรับ รวมถึงผนังของอาคารได้อีกด้วย

สถานีฐานเซลลูลาร์แบบประจำที่ยังสามารถใช้สำหรับการใช้งาน "การระบุตำแหน่ง" การสแกนตำแหน่งเครือข่ายมือถือใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยกว่าการใช้ GPS/GNSS แต่มีความแม่นยำน้อยกว่า การระบุตำแหน่งเซลลูลาร์ ขึ้นอยู่กับประเภทของเสาเซลลูล่าร์ที่ใช้ อาจห่างออกไปหลายร้อยหรือหลายพันเมตร การขาดความแม่นยำนี้อาจมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น การติดตามทรัพย์สินที่เคลื่อนย้ายในคลังสินค้าขนาดใหญ่หรือบนเรือขนส่งสินค้าทางทะเล เป็นต้น

Wi-Fi มีความแม่นยำมากกว่าการระบุตำแหน่งผ่านมือถือและประหยัดพลังงานเกือบเท่า ๆ กัน Service Set Identifier (SSID) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะสำหรับเครือข่าย Wi-Fi ทุกเครือข่าย และ Basic Service Set Identifier (BSSID) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะสำหรับอุปกรณ์เข้าถึงแต่ละเครื่อง มอบตัวเลือกการระบุตำแหน่งที่น่าสนใจ แต่วงจรรวม Wi-Fi ส่วนใหญ่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะกับงานนี้ และโดยทั่วไปแล้วจะมีราคาแพง ขนาดใหญ่และใช้พลังงานมาก

Nordic Semiconductor จัดหาส่วนประกอบที่วิศวกรสามารถใช้เพื่อสร้างการใช้งานที่ยืดหยุ่นซึ่งอาศัยการผสมผสานของเทคโนโลยีไร้สาย รวมถึงบริการบนคลาวด์ เพื่อแก้ไขปัญหาด้านประสิทธิภาพและความครอบคลุม

คุณค่าของตำแหน่ง Wi-Fi

การระบุตำแหน่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้กับการใช้งานต่าง ๆ มากมาย รวมถึงเซ็นเซอร์ที่บ้านที่ใช้แบตเตอรี่ เครื่องตรวจสอบสุขภาพและอุปกรณ์ฟิตเนส เครื่องติดตามสินทรัพย์ทางอุตสาหกรรมและเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อม ตลอดจนการจัดการสต๊อกสินค้าปลีกและอุปกรณ์จุดขาย

ในบรรดากรณีการใช้งานชั้นนำ ธุรกิจต่างๆ สามารถติดตามตำแหน่งของสินทรัพย์เพื่อปรับปรุงการจัดการห่วงโซ่อุปทานและลอจิสติกส์ได้ อุปกรณ์สวมใส่สามารถแจ้งเตือนทีมแพทย์เกี่ยวกับปัญหาสุขภาพ ผู้ค้าปลีกและนายธนาคารสามารถตรวจจับและลดการฉ้อโกงการใช้บัตรชำระเงิน และผู้ดำเนินการจัดการยานพาหนะสามารถติดตามยานพาหนะของพวกเขาได้ แบบเรียลไทม์ การใช้เทคโนโลยีไร้สายเพียงเทคโนโลยีเดียวอาจเป็นปัญหาได้ในกรณีที่อุปกรณ์ไม่ได้ถูกกำหนดไว้ที่ตำแหน่งเดียว เนื่องจาก GPS, เซลลูล่าร์ และ Wi-Fi ต่างก็มีจุดแข็งและข้อจำกัด

Wi-Fi เป็นโซลูชันที่ง่ายและคุ้มค่าสำหรับการระบุตำแหน่งในกรณีที่เครือข่ายและจุดเข้าใช้งานพร้อมใช้งานและเข้าถึงได้ อุปกรณ์ Wi-Fi ส่วนใหญ่มีการระบุตำแหน่งบางประเภท โดยมีความแตกต่างอย่างมากในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความแม่นยำในการใช้งาน

Wi-Fi Alliance ได้ดำเนินมาตรการเพื่อส่งเสริมความสามารถเหล่านี้และรับรองการทำงานร่วมกันได้กับโปรแกรม Wi-Fi CERTIFIED Location ที่รวมมาตรฐาน IEEE 802.11mc การใช้โปรโตคอล Fine Timing Measurement (FTM) พร้อมด้วยจุดเชื่อมต่อและการ์ดเครือข่ายไร้สายที่ผ่านการรับรอง Wi-Fi CERTIFIED Location สามารถระบุตำแหน่งได้ในระยะไม่เกินหนึ่งเมตร ตราบใดที่จุดเชื่อมต่อ Wi-Fi (AP) รู้ตำแหน่งที่แน่นอนของตัวเอง

อย่างไรก็ตาม วิศวกรต้องการอุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดและประหยัดพลังงานมากขึ้นเพื่อสร้างการใช้งานระบุตำแหน่งที่ต้นทุนต่ำ การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้นานที่สุดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์และเซ็นเซอร์ IoT จำนวนมาก Nordic นำเสนอพอร์ตโฟลิโอของอุปกรณ์ที่ช่วยเพิ่มการเชื่อมต่อของระบบนิเวศ IoT โดยใช้ Wi-Fi และตัวเลือกการระบุตำแหน่งอื่น ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ

ตัวช่วยไร้สาย

nRF7000 (รูปที่ 1) คือ IC ตัวช่วยไร้สายที่ได้รับการปรับแต่งสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสุด โดยจะไม่ส่งข้อมูล แต่ให้ความสามารถในการสแกนแบบแอ็กทีฟและพาสซีฟไปยังโฮสต์ System on Chip (SoC), Memory Protection Unit (MPU) หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ยูนิต (MCU) แทนสำหรับการระบุตำแหน่ง Wi-Fi

รูปที่ 1: IC ตัวช่วย Wi-Fi 6 พลังงานต่ำ nRF7000 สำหรับการใช้งานระบุตำแหน่ง Wi-Fi (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

nRF7000 สามารถสแกนคลื่นความถี่ Wi-Fi ทั้ง 2.4 GHz และ 5 GHz และใช้เลเยอร์ PHY และส่วนของเลเยอร์ MAC เพื่อจุดประสงค์ดังกล่าว มีการเชื่อมต่อกับ MCU โฮสต์หรือตัวประมวลผลการใช้งาน ซึ่งการใช้งานผู้ใช้ดำเนินการผ่าน QSPI (6 สาย) หรือ SPI (4 สาย) สำหรับข้อมูล และอินเทอร์เฟซการควบคุมการอยู่ร่วมกันแบบ 3 สายหรือ 4 สายสำหรับโฮสต์ ที่มีวิทยุ Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4

nRF7000 เป็นรุ่นที่ย่อมาจาก nRF7002 ซึ่งเป็นอีกหนึ่ง IC เสริมที่มีวิทยุในตัวที่รองรับความถี่ 2.4 GHz และ 5 GHz เพื่อมอบการเชื่อมต่อข้อมูล Wi-Fi 6 โดยตรงให้กับชิปโฮสต์อื่น รวมถึงความสามารถในการระบุตำแหน่ง นอกจากนี้ยังมี nRF7001 ซึ่งให้บริการวิทยุย่านความถี่ 2.4 GHz เดียว ทั้งสองอย่างนี้เหมาะสำหรับการเพิ่มความสามารถ Wi-Fi 6 ที่ทันสมัยให้กับระบบ Bluetooth® Low Energy, Thread® หรือ Zigbee® ที่มีอยู่

แม้ว่าอุปกรณ์เหล่านั้นจะสามารถเชื่อมต่อกับโฮสต์ที่ไม่ใช่ของ Nordic ได้ แต่ทางบริษัทกล่าวว่า ด้วยแพลตฟอร์ม nRF Cloud ของตน สามารถให้บริการโซลูชันการระบุตำแหน่งแบบ 'silicon-to-cloud' โดยใช้ส่วนประกอบที่รองรับการระบุตำแหน่งด้วย Wi-Fi, เซลลูลาร์, และ GNSS

การแก้ไขตำแหน่ง Wi-Fi ด้วย nRF7000

ซีรี่ส์ nRF91 จาก Nordic เสนอระบบเซลลูล่าร์ในแพ็คเกจ (SiP) เช่น NRF9160-SICA-B1A-R7 (รูปที่ 2) ได้รับการกำหนดให้เป็นอุปกรณ์โฮสต์ของ Nordic ที่ต้องการสำหรับ IC nRF7000/7100/7200 (ซีรีส์ nRF70) สิ่อุปกรณ์เหล่านี้รวมโปรเซสเซอร์แอปพลิเคชันและโมเด็มมัลติโหมดไว้ในแพ็กเกจขนาดกะทัดรัด 10 x 16 x 1.04 มม. ที่รองรับ LTE-M, NB-IoT, GNSS, RF front-end (RFFE) และการจัดการพลังงาน โฮสต์ที่แนะนำอื่น ๆ ได้แก่ Nordic nRF52 และ nRF53 ซึ่งเป็นซีรีส์ SoCs ที่รองรับหลายโปรโตคอล Bluetooth

รูปที่ 2: nRF9160 SiP พร้อมโมเด็ม LTE-M/NB-IoT และ GNSS ซึ่งผสานรวมกับ nRF7000 เพื่อให้การใช้งานระบุตำแหน่งที่ราบรื่นซึ่งรวม Wi-Fi (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

การใช้ nRF7000 ร่วมกับ nRF91 ช่วยให้สามารถระบุตำแหน่ง Wi-Fi ได้อย่างแม่นยำทั้งในร่มและกลางแจ้ง ช่วยเสริมการทำงานกับ GNSS และเซลลูล่าร์ เมื่อมีการกำหนดค่าบริการระบุตำแหน่ง Wi-Fi อุปกรณ์สามารถเริ่มการสแกนหาจุดเข้าใช้งาน Wi-Fi ใกล้เคียงแบบกระตือรือร้นหรือแบบพาสซีฟ รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับ SSID, BSSID และความแรงของสัญญาณ

การใช้ข้อมูลจาก IC คู่หูทำให้ nRF91 สามารถส่งข้อมูล AP ไปยัง nRF Cloud ซึ่งใช้ฐานข้อมูล Wi-Fi ของตำแหน่งที่ทราบเพื่อระบุตำแหน่งที่แม่นยำโดยสัมพันธ์กับ AP ใกล้เคียงอย่างน้อยสองตัว โดยที่อุปกรณ์ไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับ AP เหล่านั้น บริการคลาวด์สามารถส่งตำแหน่งกลับไปยังอุปกรณ์หรือทุกที่ที่ต้องการข้อมูลได้ หลังจากกำหนดตำแหน่งแล้ว อุปกรณ์สามารถเข้าสู่สถานะพลังงานต่ำเพื่อประหยัดพลังงานแบตเตอรี่ได้

nRF Cloud มีตัวเลือกอื่นสำหรับการระบุตำแหน่งดังต่อไปนี้:

• GNSS ช่วยเหลือที่ช่วยให้ TTFF เร็วขึ้น
• คาดการณ์ว่า GNSS จะให้ข้อมูลดาวเทียมที่คาดการณ์ได้นานถึงสองสัปดาห์ เพื่อลดความถี่ของการร้องขอข้อมูลความช่วยเหลือใหม่
• ตำแหน่งเซลล์เดียว (SCELL) เพื่อระบุตำแหน่งคร่าว ๆ ตามเซลล์ที่ใกล้ที่สุด โดยไม่จำเป็นต้องใช้ตัวรับ GNSS
• ตำแหน่งหลายเซลล์ (MCELL) ยังให้ตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้นแต่ยังคงหยาบโดยใช้เซลล์ที่ใกล้ที่สุดและเซลล์ข้างเคียง

กระบวนการระบุตำแหน่งแต่ละกระบวนการใน nRF Cloud มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันสำหรับความแม่นยำของตำแหน่งและการใช้พลังงาน จากข้อมูลของ Nordic นั้น Wi-Fi ให้ความแม่นยำของตำแหน่งที่ 5 m ถึง 15 m เทียบกับ 5 m ถึง 10 m ด้วย GNSS, 200 m ถึง 300 m สำหรับเซลลูลาร์หลายเซลล์ และ 1,000 m สำหรับเซลล์เดียว ค่าความหน่วงจะต่ำที่สุดสำหรับเซลลูลาร์โดยน้อยกว่า 1 วินาที ในขณะที่ทั้ง GNSS และ Wi-Fi ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาที การทดสอบการใช้พลังงานโดย Nordic แสดงให้เห็นว่ามีข้อได้เปรียบเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเซลลูล่าร์ที่ 122.48 mC เมื่อเทียบกับ 125.85 mC สำหรับ Wi-Fi และ 316.71 mC สำหรับ GNSS ที่ใช้ A-GPS

Nordic มีเครื่องมือหลายอย่าง รวมทั้งnRF เชื่อมต่อ SDK สภาพแวดล้อมการพัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับอุปกรณ์ซีรีส์ nRF70 ทั้งหมด รวมถึง nRF7002 EK ชุดพัฒนาดูอัลแบนด์ (รูปที่ 3) ใน Arduino รูปแบบโล่ ชุดนี้ประกอบด้วย nRF7002 และสามารถจำลองทั้ง nRF7000 และ nRF7001 และสามารถใช้ร่วมกับชุดพัฒนา nRF9160 DK เพื่อสร้างการใช้งานที่ใช้ซีรีส์ nRF70

รูปที่ 3: ชุดประเมินผล nRF7002-EK มี nRF7002 และสามารถจำลองทั้ง nRF7000 และ nRF7001 (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

สรุป

ด้วยซีรีส์ nRF7000 และ nRF91 Nordic ช่วยให้นักพัฒนาสามารถสร้างโซลูชัน IoT ที่สามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีไร้สายที่หลากหลายสำหรับบริการระบุตำแหน่งได้ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีตัวเลือกการรวมที่ยืดหยุ่นสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งสามารถสลับระหว่างตัวเลือกการระบุตำแหน่งได้อย่างราบรื่น