Os componentes de localização por Wi-Fi® superam as lacunas do GNSS e celular para aplicações de posicionamento

Os serviços baseados em localização podem ser uma vantagem poderosa no gerenciamento de ativos, mas geralmente vêm com uma penalidade significativa no consumo de bateria que pode efetivamente prejudicar algumas aplicações de IoT. O Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) e o amplo alcance dos serviços de celular oferecem meios relativamente fáceis de determinar a posição geográfica dos dispositivos. No entanto, eles vêm com lacunas de cobertura e desempenho que podem ser complementadas ou, em alguns casos, substituídas pelo alcance crescente das redes Wi-Fi.

O padrão ouro para rastreamento sem fio é o Sistema de Posicionamento Global (GPS), operado pelos EUA, que faz parte do GNSS, que engloba vários sistemas regionais de navegação por satélite. No entanto, pode levar vários minutos para que um modem GPS passe da partida a frio para o "tempo da primeira correção" (TTFF), enquanto utiliza uma capacidade significativa da bateria. Ele também pode ser prejudicado por obstruções na linha de visão entre os satélites e os receptores, incluindo paredes de edifícios.

As estações-base fixas de celular também podem ser utilizadas para aplicações de "localização". A varredura da localização por celular utiliza um consumo de energia mais modesto do que o GPS/GNSS, mas é menos precisa. A localização por celular, dependendo dos tipos de torres de celular que estão sendo usadas, pode ter um desvio de centenas ou até milhares de metros. Essa falta de precisão pode ser fundamental para aplicações como o rastreamento de ativos em movimento em grandes armazéns ou em navios porta-contêineres, por exemplo.

O Wi-Fi pode ser mais preciso do que a localização por celular e quase tão eficiente em termos de energia. O SSID (identificador de conjunto de serviços), exclusivo de cada rede Wi-Fi, e o BSSID (identificador de conjunto de serviços básicos), exclusivo de cada dispositivo de acesso, oferecem uma opção atraente de localização, mas a maioria dos circuitos integrados de Wi-Fi não é otimizada para a tarefa e, em geral, são caros, volumosos e consomem muita energia.

A Nordic Semiconductor fornece componentes que os engenheiros podem usar para criar aplicações flexíveis que dependem de combinações de tecnologias sem fio, bem como de um serviço baseado em nuvem, para resolver problemas de desempenho e cobertura.

O valor da localização de Wi-Fi

A localização pode enriquecer inúmeras aplicações, incluindo sensores residenciais alimentados por bateria, monitores de saúde e dispositivos de condicionamento físico, rastreadores de ativos industriais e sensores ambientais, além de gerenciamento de inventário de varejo e dispositivos de ponto de venda.

Entre os principais casos de uso, as empresas podem rastrear a localização de ativos para otimizar o gerenciamento e a logística da cadeia de suprimentos - os dispositivos vestíveis podem alertar as equipes médicas sobre problemas de saúde, os varejistas e banqueiros podem detectar e reduzir o uso fraudulento de cartões de pagamento e os operadores de gerenciamento de frotas podem rastrear seus veículos em tempo real. Depender de apenas uma tecnologia sem fio pode ser problemático no caso de dispositivos que não estão fixos em um local, pois o GPS, o celular e o Wi-Fi têm pontos fortes e limitações.

O Wi-Fi é uma solução simples e econômica para localização em casos de uso em que as redes e os pontos de acesso estão prontamente disponíveis e acessíveis. A maioria dos dispositivos Wi-Fi incorpora algum tipo de localização, com grandes variações na eficiência energética e na precisão das implementações.

A Wi-Fi Alliance tomou medidas para promover esses recursos e garantir a interoperabilidade com seu programa de Wi-Fi CERTIFIED Location, que incorpora o padrão IEEE 802.11mc. Utilizando o protocolo Fine Timing Measurement (FTM), pontos de acesso e placas de LAN sem fio compatíveis com o Wi-Fi CERTIFIED Location, é possível determinar uma localização em um metro, desde que um ponto de acesso (AP) de Wi-Fi saiba sua localização exata.

No entanto, os engenheiros precisam de componentes mais compactos e eficientes em termos de energia para criar aplicações de localização com custo-benefício. O consumo eficiente de energia que maximiza a vida útil da bateria é crucial para muitos dispositivos e sensores de IoT. A Nordic oferece um portfólio de componentes para aproveitar o Wi-Fi e outras opções de posicionamento para aprimorar a conectividade dos ecossistemas de IoT.

Complemento sem fio

O nRF7000 (Figura 1) é um CI complementar sem fio otimizado para aplicações de baixíssima potência, a fim de garantir a máxima eficiência energética. Ele não envia dados, mas fornece recursos de varredura ativa e passiva para um sistema sobre chip (SoC), uma unidade de proteção de memória (MPU) ou um host de unidade de microcontrolador (MCU) para localização de Wi-Fi.

Figura 1: O CI complementar de Wi-Fi 6 de baixa potência nRF7000 para aplicações de localização de Wi-Fi. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O nRF7000 pode varrer as bandas de frequência Wi-Fi de 2,4 GHz e 5 GHz e implementa a camada PHY e partes da camada MAC para essa finalidade. Ele é conectado a uma MCU host ou a um processador de aplicações — no qual a aplicação do usuário é executada — por meio de um QSPI (6 fios) ou SPI (4 fios) para dados e uma interface de controle de coexistência de 3 ou 4 fios para hosts que incluem um rádio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

O nRF7000 é uma versão simplificada do nRF7002, outro CI complementar que inclui um rádio integrado de 2,4 GHz e 5 GHz para fornecer a outro chip host uma conectividade direta de dados Wi-Fi 6, bem como recursos de localização. Também está disponível o nRF7001, que fornece um rádio de 2,4 GHz de banda única. Ambos são adequados para adicionar recursos modernos de Wi-Fi 6 aos sistemas existentes de Bluetooth® de baixa energia, Thread® ou Zigbee®.

Embora cada um desses dispositivos possa ser conectado a hosts de outros fabricantes, a empresa diz que, com sua plataforma nRF Cloud, ela pode fornecer uma "solução de localização do silício para nuvem" com componentes que suportam posicionamento por Wi-Fi, celular e GNSS.

Obtendo uma correção de localização Wi-Fi com o nRF7000

As ofertas de sistema no pacote (SiP) celular da série nRF91 da Nordic, como o NRF9160-SICA-B1A-R7 (Figura 2), são designadas como os dispositivos host preferidos da Nordic para os CIs nRF7000/7100/7200 (série nRF70). Eles incorporam um processador de aplicações e um modem multimodo em um invólucro compacto de 10 x 16 x 1,04 mm que oferece suporte a LTE-M, NB-IoT, GNSS, front-end de RF (RFFE) e gerenciamento de energia. Outros hosts preferidos são os SoCs multiprotocolo Bluetooth das séries nRF52 e nRF53 da Nordic.

Figura 2: O SiP nRF9160 com modem LTE-M/NB-IoT e GNSS, que se integra ao nRF7000 para fornecer aplicações de localização contínua com incorporação de Wi-Fi. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

Um nRF7000 combinado com um nRF91 fornece correções precisas de localização por Wi-Fi em ambientes internos e externos, complementando o GNSS e o celular. Quando o serviço de localização por Wi-Fi é configurado, um dispositivo pode começar a varrer ativa ou passivamente por pontos de acesso Wi-Fi próximos, coletando dados sobre SSIDs, BSSIDs e intensidades de sinal.

Usando informações do CI complementar, um nRF91 pode transmitir informações de AP para o nRF Cloud, que usa um banco de dados Wi-Fi de locais conhecidos para determinar uma posição precisa em relação a pelo menos dois APs próximos, sem que o dispositivo precise se conectar a eles. O serviço de nuvem pode então enviar a posição de volta para o dispositivo ou para onde quer que as informações sejam necessárias. Depois que o local é determinado, o dispositivo pode entrar em um estado de baixa potência para conservar a energia da bateria.

O nRF Cloud oferece as seguintes alternativas de localização:

• GNSS assistido que permite o TTFF mais rápido
• GNSS previsto para fornecer até duas semanas de dados de satélite previstos para reduzir a frequência de novas solicitações de dados de assistência
• Localização em uma única célula (SCELL) para fornecer localizações grosseiras com base na célula mais próxima, eliminando a necessidade do receptor GNSS
• A localização multicelular (MCELL) também fornece uma localização mais precisa, mas ainda grosseira, utilizando a célula mais próxima e as células vizinhas

Cada um desses processos de localização na nRF Cloud oferece características diferentes de precisão de posição e consumo de energia. De acordo com a Nordic, o Wi-Fi oferece precisão de localização de 5 m a 15 m, em comparação com 5 m a 10 m com o GNSS, 200 m a 300 m para o multicelular e 1.000 m para uma única célula. A latência é mais baixa para o celular, com menos de 1 segundo, enquanto dura segundos para o GNSS e o Wi-Fi. Os testes de consumo de energia da Nordic mostraram uma ligeira vantagem para o celular, com 122,48 mC, em comparação com 125,85 mC para o Wi-Fi e 316,71 mC para o GNSS utilizando A-GPS.

A Nordic oferece várias ferramentas, incluindo seu ambiente de desenvolvimento de software nRF Connect SDK para todos os dispositivos da série nRF70, bem como o kit de desenvolvimento de banda dupla nRF7002 EK (Figura 3) em um formato de shield Arduino. O kit incorpora o nRF7002 e pode emular o nRF7000 e o nRF7001, além de poder ser combinado com o kit de desenvolvimento nRF9160 DK na criação de aplicações que utilizam a série nRF70.

Figura 3: O kit de avaliação nRF7002-EK inclui um nRF7002 e pode emular tanto o nRF7000 quanto o nRF7001. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

Conclusão

Com as séries nRF7000 e nRF91, a Nordic permite que os desenvolvedores criem soluções de IoT que podem aproveitar várias tecnologias sem fio para serviços de localização. Os produtos oferecem alto desempenho, baixo consumo de energia e opções flexíveis de integração para uma ampla gama de aplicações que podem alternar perfeitamente entre as opções de posicionamento de local.