Wi-Fi定位组件克服了定位应用中GNSS和蜂窝技术的差距

来源：Digikey
作者：Pete Bartolik

基于位置的服务在管理资产方面具有很大的优势，但往往会造成大量电池损耗，从而使某些物联网应用瘫痪。全球卫星导航系统 (GNSS) 和广泛的蜂窝服务为确定设备地理位置提供了相对简便的方法。然而，这些网络在覆盖范围和性能方面存在差距，不断扩大的 Wi-Fi 网络覆盖范围可以弥补这些差距，有时甚至可以取而代之。

无线跟踪的黄金标杆是美国主导的全球定位系统 (GPS)，它是全球卫星导航系统的一部分，包含多个区域卫星导航系统。然而，GPS 调制解调器从冷启动到“首次定位时间”(TTFF) 可能需要数分钟，同时还要消耗大量的电池容量。此外，卫星和接收器之间的视线障碍物（包括建筑物的墙壁）也会对其造成影响。

固定蜂窝基站也可用于“定位”应用。与 GPS/GNSS 相比，蜂窝定位扫描的功耗更低，但精度较低。手机定位，根据所使用的手机信号塔类型，可能会有几百米甚至几千米的偏差。这种精度上的不足，对于跟踪大型仓库或远洋集装箱船上移动资产等应用来说，影响可能是很严重的。

Wi-Fi 比蜂窝定位更准确，而且几乎同样省电。每个 Wi-Fi 网络独有的服务集标识符 (SSID) 和每个接入设备独有的基本服务集标识符 (BSSID) 提供了一个极具吸引力的定位选择，但大多数 Wi-Fi 集成电路并没有针对这项任务进行优化，且通常成本高、体积大、耗电多。

Nordic Semiconductor 提供的组件可以帮助工程师灵活打造各种依靠无线技术组合以及基于云的服务的应用，解决了这种性能和覆盖问题。

Wi-Fi 定位的价值

定位可以丰富多种应用，包括电池供电的家庭传感器、健康监测器和健身设备、工业资产跟踪器和环境传感器，以及零售库存管理和收银机设备。

在主要用例中，企业可以跟踪资产位置，以简化供应链管理和物流；可穿戴设备可以提醒医疗团队注意健康问题；零售商和银行家可以检测并减少支付卡的欺诈性使用；车队管理运营商可以实时跟踪车辆。由于 GPS、蜂窝电话和 Wi-Fi 都有各自的优势和局限性，因此对于不固定在某一位置的设备来说，只依赖一种无线技术可能会造成问题。

在网络和接入点随时可用和可访问的情况下，Wi-Fi 是一种简单而经济高效的定位解决方案。大多数 Wi-Fi 设备都集成了某种类型的定位功能，但在功效和精度方面却存在很大差异。

Wi-Fi 联盟已采取措施推广这些功能，并确保其合并了 IEEE 802.11mc 标准的 Wi-Fi CERTIFIED Location 计划的互操作性。利用兼容 Wi-Fi CERTIFIED Location 的精细定时测量 (FTM) 协议、接入点和无线局域网卡，Wi-Fi 接入点 (AP) 就能将位置确定精度控制在一米以内。

然而，工程师需要更紧凑、更节能的组件，以打造更具成本效益的定位应用。降低功耗，最大限度延长电池寿命，对许多物联网设备和传感器至关重要。Nordic 提供一系列组件，可利用 Wi-Fi 和其他定位选件增强物联网生态系统的连接能力。

无线伴侣

nRF7000（图 1）是一款无线配套 IC，针对超低功耗应用进行了优化，以确保实现最高能效。它不发送数据，而是向片上系统 (SoC)、存储器保护单元 (MPU) 或单片机单元 (MCU) 主机提供主动和被动扫描功能，以进行 Wi-Fi 定位。


图 1：用于 Wi-Fi 定位应用的 nRF7000 低功耗 Wi-Fi 6 配套 IC。（图片来源：Nordic Semiconductor）

nRF7000 可同时扫描 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 频段，并实现了 PHY 层和 MAC 层中用于该用途的部分。它通过用于数据的 QSPI（6 线）或 SPI（4 线）接口和用于主机（包括 Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4 无线电）的 3 线或 4 线共存控制接口，与执行用户应用的主机 MCU 或应用处理器相连。

nRF7000 是 nRF7002 的精简版，后者是另一款配套 IC，包含集成的 2.4 GHz 和 5 GHz 无线电，可为另一款主机芯片提供直接的 Wi-Fi 6 数据连接以及定位功能。此外，nRF7001 还提供单频 2.4 GHz 无线电。两者都适用于将现代 Wi-Fi 6 功能添加到现有的低功耗 Bluetooth®、Thread® 或 Zigbee® 系统中。

尽管这些设备都可以连接到非北欧主机，但该公司表示，利用其 nRF 云平台，它可以提供“硅到云定位解决方案”，其中组件支持 Wi-Fi、蜂窝和 GNSS 定位。

使用 nRF7000 获取 Wi-Fi 定位信息

Nordic 的 nRF91 系列蜂窝系统级封装 (SiP) 产品（如图 2 所示的 NRF9160-SICA-B1A-R7）被指定为 nRF7000/7100/7200 IC（nRF70 系列）的首选 Nordic 主机设备。这些产品在 10 x 16 x 1.04 mm 的紧凑型封装中集成了应用处理器和多模调制解调器，支持 LTE-M、NB-IoT、GNSS、射频前端 (RFFE) 和电源管理。其他首选主机有 Nordic nRF52 和 nRF53 系列蓝牙多协议 SoC。


图 2：nRF9160 SiP 带有 LTE-M/NB-IoT 调制解调器和 GNSS，与 nRF7000 集成在一起，可提供结合 Wi-Fi 的无缝定位服务。（图片来源：Nordic Semiconductor）

nRF7000 与 nRF91 相结合，可在室内外提供精确的 Wi-Fi 定位，与 GNSS 和蜂窝系统互为补充。配置 Wi-Fi 定位服务后，设备可以开始主动或被动扫描附近的 Wi-Fi 接入点，收集 SSID、BSSID 和信号强度数据。

利用来自配套 IC 的信息，nRF91 可以向 nRF 云传输接入点信息，而 nRF 云则使用已知位置的 Wi-Fi 数据库来确定与附近至少两个接入点相关的准确位置，而无需设备连接到这些接入点。然后，云服务可将位置信息发回设备或任何需要该信息的地方。确定位置后，设备可进入低功耗状态，以节省电池电量。

nRF 云为定位提供了以下替代选项：

· 辅助式 GNSS 可实现更快的 TTFF
· 预测式 GNSS 则提供长达两周的预测卫星数据，以减少新的辅助数据请求频率
· 单小区定位 (SCELL)，根据最近的小区提供粗略定位，无需使用 GNSS 接收器
· 多小区定位 (MCELL) 还可利用最近的小区和邻近小区提供更精确但仍然粗糙的定位

nRF 云中的每个定位过程都具有不同的定位精度和功耗特征。据 Nordic 称，Wi-Fi 的定位精度为 5 米至 15 米，而 GNSS 为 5 米至 10 米，多小区蜂窝为 200 米至 300 米，单小区为 1000 米。蜂窝的延迟最低，不到 1 秒，而 GNSS 和 Wi-Fi 的延迟均为几秒钟。Nordic 的功耗测试表明，蜂窝的功耗为 122.48 mC，略高于 Wi-Fi 的 125.85 mC 和使用 A-GPS 的 GNSS 的 316.71 mC。

Nordic 提供多种工具，包括其用于所有 nRF70 系列器件的 nRF Connect SDK 软件开发环境，以及采用 Arduino 盾板格式的 nRF7002 EK 双频开发套件（图 3）。该套件包括了 nRF7002，可同时模拟 nRF7000 和 nRF7001，并可与 nRF9160 DK 开发套件相结合，利用 nRF70 系列创建应用。


图 3：nRF7002-EK 评估套件包括一个 nRF7002，可同时模拟 nRF7000 和 nRF7001。（图片来源：Nordic Semiconductor）

结语

借助 nRF7000 和 nRF91 系列，Nordic 可帮助开发人员打造可利用多种无线技术进行定位服务的物联网解决方案。这些产品提供了高性能、低功耗和灵活集成选择，适用于可在不同定位选项之间无缝切换的各种应用。