利用兼具行動通訊連線和 GPS 的系統級封裝，快速在農業與智慧城市中實作資產追蹤

開發人員需要一個可以長時間以最小電力進行遠距通訊的方法，以針對工業、農業和智慧城市開發物聯網 (IoT) 與資產追蹤裝置及系統。RFID 標籤、藍牙和 Wi-Fi 等無線技術，雖然已廣泛用於資產追蹤解決方案，但通訊距離有限，且耗電量太大。他們需要改造行動通訊網路等基礎架構並搭配使用 GPS。行動通訊網路已獲得廣泛部署，而且通訊距離比 Wi-Fi 或藍牙提供的距離更遠。

LTE 型行動通訊網路原本是設計用於行動產品和裝置的寬頻無線連線。另一方面，IoT 應用可以使用低功率的窄頻行動通訊技術來實現，例如機器的長期演進技術 (LTE-M) 和窄頻 IoT (NB-IoT)。然而，RF／無線設計困難重重，而且如果開發人員缺乏廣泛的經驗 (特別是行動通訊方面)，則難以實作出能夠達到最佳無線效能和功耗的功能設計，且此設計還要同時滿足行動通訊與 GPS 定位服務的國際監管準則，以及特定的電信業者要求。

本文將說明資產追蹤的趨勢及設計要求。接著會介紹 Nordic Semiconductor 的 GPS 和行動通訊窄頻系統級封裝 (SiP) 解決方案，並說明在資產追蹤和其他農業與智慧城市 IoT 應用中，其如何能夠大幅簡化 GPS 行動通訊裝置的實作。

為何資產追蹤越來越重要

高效率出貨的能力對商業貿易來說非常重要：光是 Amazon 公司，2019 年出貨的包裹數就估計達到 50 億件，貨運成本將近 380 億美元，比 2018 年增加 37%^[1,2]。對任何一家貨運公司來說，延誤、損壞與失竊都會給製造商、經銷商和客戶帶來極大的負擔。以 Amazon 來說，這些出貨的包裹有將近四分之一遭退貨，其中 21% 是因為客戶收到的包裹受損 ^[3]。

Amazon 絕對不是唯一將大部分預算分配到貨運上的公司。根據供應鏈管理專業協會 (CSCMP) 的 2020 年物流狀況報告，各公司 2019 年的貨運成本將近 1.7 萬億美元，佔了美國國內生產毛額 (GDP) 的 7.6%^[4]。在這些規模下，如果能夠追蹤包裹、辨別延誤與損壞情況，則可以為供應商和採購商提供極大的益處，以修正貨運問題。

除了在整個供應鏈中追蹤包裹，多數企業也需要利用更好的方法來追蹤自己的資產和找出錯置的品項。然而，有半數的企業還是利用人工的方式記錄資產，而許多這些企業仰賴員工尋遍倉庫、廠房和實體地點，以找出遺失的資產^[5]。

比較資產追蹤採用的連線技術

雖然已有多種解決方案來幫助實現資產追蹤自動化，但基礎技術的覆蓋區域有限、單位成本昂貴，亦或功率要求很高。最後一項因素非常關鍵，因為資產追蹤和遠端 IoT 裝置都是電池供電型裝置。

傳統採用被動式射頻識別 (RFID) 技術的追蹤方法，無法在運送途中提供即時資料，而且包裹還必須通過實體檢查點，才能偵測包裹上的 RFID 標籤。電池供電的主動式 RFID 標籤能提供即時定位資料，但需要額外的基礎架構，而且覆蓋範圍依然有限。

相較於 RFID 標籤，低功耗藍牙 (BLE) 和 Wi-Fi 能在各項技術配有固定定位器的覆蓋區域內，提供的覆蓋範圍越來越廣。BLE 和 Wi-Fi 是以豐富的裝置與軟體生態系統為基礎而打造，已分別應用於許多定位型應用，例如新冠肺炎 (COVID-19) 接觸者追蹤和傳統的即時定位服務 (RTLS)。藉由藍牙 5.1 中提供的測向特點，標籤的位置可根據到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 進行準確計算 (圖 1)。

圖 1：藍牙的進階測向能力支援在三度空間裡精準定位標籤的位置。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

BLE 應用依然只侷限於短距應用，Wi-Fi 則因覆蓋範圍較大，因此能有效用於倉庫或企業園區內的資產追蹤應用。然而，Wi-Fi RTLS 標籤通常很昂貴，而且這種裝置的功率要求很高，使用電池不切實際，因此只能用於追蹤更大型的昂貴資產。同時，使用這兩者技術進行大規模部署時，接收頻寬內的雜訊可能會越來越多，導致封包遺失或受損，並降低位置偵測能力。

RFID、BLE 和 Wi-Fi 儘管可以用於本地資產追蹤，但在資產離開倉庫或企業園區時，這些技術均無法提供所需的覆蓋範圍來輕鬆追蹤資產。對包裹或某件設備進行區域性甚至全球性追蹤的能力，取決於是否可提供一種覆蓋範圍較廣、又能以低功率運作的無線技術。

以低功率超廣頻 (UWB) 技術為基礎的替代方案，雖然能達到極遠的距離，但網路覆蓋率依然有限。事實上，低功率廣域網路 (LPWAN) 行動通訊解決方案已能提供全球覆蓋率，同樣具備此特點的替代方案卻非常少。這些行動通訊解決方案以第三代合作夥伴計畫組織 (3GPP) 定義的 LPWAN 技術標準為基礎，該組織是制定行動通訊標準的國際聯盟。

藉由行動通訊連線達到全球覆蓋率

在 3GPP 標準中，有些標準以 LTE-M 和 NB-IoT 技術為基礎，旨在提供相對輕量的行動通訊協定，非常符合 IoT 對數據傳輸率、頻寬和功耗的要求。

根據 3GPP 第 13 版中的定義，LTE Cat M1 是一種 LTE-M 標準，支援 1 Mbit/s 上下行鏈路傳輸速率，延遲時間為 10 至 15 ms，頻寬為 1.4 MHz。同樣根據 3GPP 第 13 版中的定義，Cat-NB1 是一種 NB-IoT 標準，下行鏈路速率為 26 Kbit/s，上行鏈路速率為 66 Kbit/s，延遲時間為 1.6 至 10 s，頻寬為 180 kHz。根據 3GPP 第 14 版中的定義，另一個 NB-IoT 標準 Cat-NB2 提供更快的數據傳輸率，下行鏈路為 127 Kbit/s，上行鏈路為 159 Kbit/s。

雖然這兩大類 LPWAN 技術的特定特性，已遠遠超出本概要文章的範疇，但兩者都能有效地用於典型的資產追蹤應用。在小型封裝內搭配使用感測器與全球衛星定位 (GPS) 功能，以 LTE-M 或 NB-IoT 型行動通訊 LPWAN 為基礎的資產追蹤解決方案，能支援資產管理和端對端物流所需的各種功能。

由於 LPWAN 有潛力實現更高的效率並節省更多成本，因此行動通訊 LPWAN 在物流方面持續扮演更重要的角色。隨著 Nordic Semiconductor 推出 nRF9160 SiP，開發人員可以更輕鬆快速地滿足對 LPWAN 型裝置日益增長的需求，這些裝置則是提高資產追蹤或其他 IoT 應用效能的必備元件。

SiP 元件如何提供立即可用的資產追蹤解決方案

Nordic Semiconductor 的低功率 nRF9160 SiP 元件結合使用 Nordic Semiconductor nRF91 系統單晶片 (SoC) 元件與支援電路，在一個 10 x 16 x 1.04 mm 的柵格陣列 (LGA) 封裝內提供完整的 LPWAN 連線解決方案。除了專門用於應用處理的 Arm® Cortex®-M33 型微控制器，nRF91 SoC 型號還在 NRF9160-SIAA SiP 中整合 LTE-M 數據機；在 NRF9160-SIBA SiP 中整合 NB-IoT 數據機；並在 NRF9160-SICA SiP 中整合 LTE-M 與 NB-IoT 以及 GPS。此外，nRF9160 SiP 預先經過認證，符合全球、地區和電信業者的行動通訊要求，讓開發人員能迅速實作行動連線解決方案，而不會發生通常與合規性測試相關的延遲情形。

所有 SiP 版本都結合使用微控制器型應用處理器和數據機，以及一套豐富的周邊裝置，包括感測器設計中經常需要的 12 位元類比數位轉換器 (ADC)。此 SiP 進一步為 SoC 納入 RF 前端、電源管理積體電路 (PMIC) 及其他元件，打造出立即可用的 LPWAN 連線解決方案 (圖 2)。

圖 2：Nordic Semiconductor 的 nRF9160 SiP 結合使用帶應用處理器和 LTE 數據機的 SoC 以及其他必要元件，來實作基於行動通訊的小型低功率設計，以用於資產追蹤或其他 IoT 應用。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

IoT 裝置和資產追蹤系統等連網裝置的安全需求越來越高，而 SoC 的微控制器作為主機處理器，整合了幾項安全功能可符合此需求。此微控制器建構於 Arm TrustZone 架構之上，並嵌入 Arm Cryptocell 安全區塊。此區塊採用公鑰加密加速器，並搭配一些機制來保護敏感性資料。此外，安全金鑰管理單元 (KMU) 為金鑰對、對稱金鑰、雜湊和私人資料等多種類型私密資料，提供安全儲存空間。獨立的系統保護單元 (SPU) 也有助於安全存取記憶體、周邊裝置、元件引腳和其他資源。

運作時，此 SoC 的微控制器扮演主機的角色，可執行應用軟體以及啟動和停止數據機。除了回應主機的啟動和停止指令，數據機還使用整套大量整合式區塊 (包括專屬處理器、RF 收發器和數據機基頻)，來處理本身的作業。此數據機會執行自己的嵌入式韌體，完全支援 3GPP LTE 版本 13 Cat-M1 和 Cat-NB1。版本 14 Cat-NB2 在硬體中獲支援，但需要額外的韌體才能運作。

nRF9160 SiP 如何實現低功率行動通訊連線

nRF9160 SiP 結合使用廣泛的硬體功能與完整一系列電源管理特點。隨附的 PMIC 是由電源管理單元 (PMU) 進行支援，此單元會監測電力使用率並自動啟動和停止時脈及電源穩壓器，以達到盡可能最低的功耗 (圖 3)。

圖 3：nRF9160 SiP 中包含 PMU，可用來自動控制時脈與電源穩壓器，以達到最佳化功耗。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

除了系統關閉功率模式 (僅對需要喚醒裝置的電路維持供電)，此 PMU 也支援一對系統打開功率子模式。在進行開機重置 (POR) 之後，裝置會在低功率子模式中啟動，這會讓應用處理器、數據機和周邊裝置等功能區塊進入閒置狀態。在此狀態下，PMU 會按需要自動啟動和停止不同區塊的時脈與穩壓器。

開發人員可以覆寫預設的低功率子模式，轉而切換至恆定延遲子模式。在恆定延遲子模式下，PMU 會為某些資源持續供電，雖然功耗逐量增加，但能換取預測回應延遲的能力。開發人員可以使用外部致能引腳調用第三種功率模式，這會將整個系統斷電。有些系統設計將 nRF9160 SiP 作為主機系統主處理器所控制的通訊輔助處理器，這種設計中通常會使用上述功能。

這些功率最佳化特點讓 SiP 能以所需的低功率運作，確保資產追蹤裝置達到更長的電池續航力。舉例來說，當微控制器處於閒置狀態且數據機關閉時，在即時計數器作用中的狀態下，此 SiP 只耗用 2.2 mA 電流。當微控制器和數據機皆關閉，且只對一般用途輸入輸出 (GPIO) 型喚醒電路持續供電時，此 SiP 只耗用 1.4 mA 電流。

在執行各種處理負載的過程中，此 SiP 持續以低功率運作。舉例來說，執行時脈頻率為 64 MHz 的 CoreMark 基準測試時，只需要大約 2.2 mA 電流。當然，隨著啟用更多的周邊裝置，功耗也會提高。然而，許多感測器型監測應用通常能在降低運作速率下有效地運作，而這會有助於維持低功率運作。例如，當從高準確度時脈切換到低準確度時脈，以便在這兩種情境中以 16 Ksamples/s 的速率取樣時，整合式差動連續漸近暫存器 (SAR) ADC 的電流消耗量會從 1288 mA 降至 298 mA 以下。

此外，該裝置也會針對包括 GPS 在內的其他功能區塊，使用其他功率最佳化特點。在一般工作模式下，以 GPS 持續追蹤時的耗電量大約為 44.9 mA。透過啟用 GPS 省電模式，持續追蹤的電流消耗量能降至 9.6 mA。透過將 GPS 取樣率從持續取樣降為大約每兩分鐘取樣一次，開發人員能大幅降低功率。例如，當每兩分鐘執行 GPS 單次處理時，GPS 模組只耗用 2.5 mA。

此裝置還對其他省電作業模式提供支援，包含 nRF9160 SiP 的數據機。藉由此裝置，開發人員可以實現一些數據機特點，支援專為降低電池供電型連網裝置的功率而設計的特殊行動通訊協定。

利用低功率行動通訊協定

如同任何無線裝置，除了主機處理器之外，功耗量最大的裝置通常是無線電子系統。傳統的行動通訊無線電子系統利用行動通訊標準中內建的省電協定。智慧型手機和其他行動裝置通常會使用一種稱為非連續接收 (DRX) 的能力，可讓裝置在電信業者網路的支援下，關閉無線電接收器一段時間。

同樣地，擴展非連續接收 (eDRX) 協定讓電池供電型資產追蹤器或其他 IoT 裝置等低功率裝置，能指明預計處於睡眠狀態多久後才返回網路。藉著啟用 eDRX 作業，LTE-M 裝置可睡眠長達約 43 分鐘，NB-IoT 裝置則可睡眠長達約 174 分鐘，大幅延長電池續航力 (圖 4)。

圖 4：nRF9160 SiP 的數據機支援擴展非連續接收模式，能讓裝置依照與行動通訊網路協商的時長進入睡眠狀態，進而大幅節省電力。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

另一個行動通訊作業模式稱為省電模式 (PSM)，可讓裝置即使在睡眠模式中且無法連上網絡，依然能維持行動通訊網路註冊狀態。通常，如果行動通訊網路在一段期間內無法觸及裝置，則會終止與裝置的連線，而裝置需要執行重新連網程序，但這會逐漸消耗電力。當電池供電型裝置長期運作時，這種反復小幅耗電的行為可能會使電池的電量耗盡或大幅減少。

裝置啟用 PSM 模式時，會為網路提供一組計時器數值，這些數值則指出何時會定期處於可用狀態，以及會持續連線多久後返回睡眠模式 (圖 5)。

圖 5：行動通訊 PSM 協定可讓裝置協商無法連線的特定時間段，藉此利用低功率睡眠模式，避免因重新連網而產生功率成本。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

由於 PSM 協商的關係，電信業者網路不會將裝置斷網。事實上，裝置可隨時喚醒並恢復通訊。優點在於，裝置可在無通訊需要時使用低功率睡眠模式，亦能在需要時喚醒並立即通訊。

nRF9160 SiP 同時支援 eDRX 和 PSM，因此能讓裝置以最低的功耗維持運作。在無法連線的 PSM 階段中，此裝置只耗用 2.7 μA 的電流。eDRX 的用電量只稍微多一些，在 Cat-M1 作業中耗用 18 μA，在 Cat-NB1 作業中耗用 37 μA，此時使用的週期為 82.91 秒。

開發低功耗資產追蹤解決方案

在為以 nRF9160 SiP 為基礎的資產追蹤裝置實作硬體設計時，除了解耦元件、天線，以及 GPS 和 LTE 天線之個別匹配網路所需的零件，幾乎不需要使用額外零件 (圖 6)。

圖 6：使用 Nordic Semiconductor 的 nRF9160 SiP 時，開發人員只要額外搭配少數幾個元件，即能為完整的行動通訊型資產追蹤器或其他 IoT 裝置，實作出硬體設計。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

開發人員可以輕鬆將 nRF9160 SiP 與藍牙裝置相結合，如 Nordic Semiconductor 的 NRF52840 藍牙無線微控制器和感測器，以實作複雜的感測器型 GPS 行動通訊資產追蹤器，讓使用者能透過自己的智慧型手機和其他支援藍牙的行動裝置來存取資料。

Nordic Semiconductor 能夠進一步協助開發人員，透過一對開發套件快速開始評估行動通訊型設計。為了快速開發感測器型資產追蹤應用的原型，Nordic Semiconductor 的 NRF6943 THINGY:91 行動通訊 IoT 開發套件提供完整的電池供電型感測器系統。此系統將 nRF9160 SiP 與 NRF52840 藍牙裝置、多個感測器、基本使用者介面元件、1400 mAh 可充電式電池以及 SIM 卡搭配使用，開箱即可享有行動通訊連線 (圖 7)。

圖 7：Nordic Semiconductor 的 NRF6943 THINGY:91 行動通訊 IoT 開發套件提供完整的平台，以供利用行動通訊和藍牙連線快速開發出感測器型應用的原型。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

對於客製化開發，Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 套件可作為立即可用的開發平台，也可作為新設計的參考套件。NRF9160-DK 套件雖然不包含 THINGY:91 等感測器，但結合了 nRF9160 SiP 與 NRF52840 藍牙裝置，並包含 SIM 卡及多個連接器，例如 SEGGER J-Link 除錯器介面 (圖 8)。

圖 8：Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 套件提供一個全面性的開發平台，可供針對資產追蹤與其他 IoT 解決方案實作客製化行動通訊型應用。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

對於資產追蹤應用的軟體開發，Nordic 包含完整的 nRF9160 資產追蹤應用程式及其 nRF Connect 軟體開發套件 (SDK)。此 SDK 結合 Nordic 的 nrfxlib 軟體程式庫 (用於 SoC)、Zephyr Project 即時作業系統 (RTOS) 的 Nordic fork (用於資源有限的裝置)，以及 MCUboot 專案安全啟動程式的 Nordic fork。

THINGY:91 和 NRF9160-DK 套件已預先載入資產追蹤應用程式，用來連接 Nordic 自家的 nRF Cloud IoT 平台。使用這兩款套件預先配置的設定，開發人員能立即開始評估行動通訊型資產追蹤，並開發自己應用的原型。

除了預先載入的韌體，Nordic 還針對資產追蹤應用提供完整的原始程式碼。透過檢視此程式碼，開發人員能進一步瞭解 NRF9160 SiP 的能力，及其如何在資產追蹤應用中支援 GPS 定位與 LTE-M/NB-IoT 連線能力。

此範例軟體的主要常式說明了基本的設計模式，以供實作客製化資產追蹤應用。啟動時，主常式會調用一系列的初始化常式。其中一個初始化常式會配置數據機並建立 LTE 連線，其會傳送一系列注意 (AT) 串，以定義連線參數並調用數據機內建的功能來連線至電信業者網路。另一個初始化常式 work_init 會對一組 Zephyr RTOS 工作佇列進行初始化，包括用於感測器、GPS 和開發板按鈕的佇列 (清單 1)。

複製
static void work_init(void)
{
       k_work_init(&sensors_start_work, sensors_start_work_fn);
       k_work_init(&send_gps_data_work, send_gps_data_work_fn);
       k_work_init(&send_button_data_work, send_button_data_work_fn);
       k_work_init(&send_modem_at_cmd_work, send_modem_at_cmd_work_fn);
       k_delayed_work_init(&send_agps_request_work, send_agps_request);
       k_delayed_work_init(&long_press_button_work, long_press_handler);
       k_delayed_work_init(&cloud_reboot_work, cloud_reboot_handler);
       k_delayed_work_init(&cycle_cloud_connection_work,
                         cycle_cloud_connection);
       k_delayed_work_init(&device_config_work, device_config_send);
       k_delayed_work_init(&cloud_connect_work, cloud_connect_work_fn);
       k_work_init(&device_status_work, device_status_send);
       k_work_init(&motion_data_send_work, motion_data_send);
       k_work_init(&no_sim_go_offline_work, no_sim_go_offline);
#if CONFIG_MODEM_INFO
       k_delayed_work_init(&rsrp_work, modem_rsrp_data_send);
#endif /* CONFIG_MODEM_INFO */
}

清單 1：Nordic 資產追蹤器範例應用程式建構於 Zephyr RTOS 佇列管理公用程式之上，可建立一系列具有相關回調常式的佇列，以處理感測器數據採集和雲端傳輸等各種工作。(原始程式碼：Nordic Semiconductor)

在這個初始化階段中，與每個工作佇列初始化調用有關的函數會執行特定的初始化工作，包括執行任何必要的更新所需進行的工作。舉例來說，work_init 調用的 sensors_start_work_fn 函數會設定輪詢機制，此機制能定期調用 env_data_send 函數，將感測器資料傳送到雲端 (清單 2)。

複製
static void env_data_send(void)
{
[code deleted]
       if (env_sensors_get_temperature(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_TEMP, env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
 
       if (env_sensors_get_humidity(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_HUMID,
                                    env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
[code deleted]

清單 2：Nordic 資產追蹤器範例應用程式展示資料傳送的基本設計模式，其中包括如此程式碼片段所示的感測器資料。(原始程式碼：Nordic Semiconductor)

在 Nordic Semiconductor 的 NRF6943 THINGY:91 行動通訊 IoT 開發套件上執行資產追蹤器範例應用程式時，此應用程式會傳送來自 THINGY:91 板載感測器的實際資料。在 Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發套件上執行時，此應用程式使用 SDK 中的感測器模擬器常式來傳送模擬後的資料。開發人員可以輕鬆擴充此軟體套件來實作自己的資產追蹤應用程式，或使用其程式碼範例來實作自己的應用架構。

結論

傳統上，在農業或智慧城市環境中追蹤貴重的包裹或定位高價值的資產，向來受限於 RFID 標籤、藍牙和 Wi-Fi 等無線技術。設計人員需要在更長的時間內達到更大的覆蓋範圍以及獲得更準確的定位資訊。LTE-M 或 NB-IoT 等低功率 LTE 行動通訊標準，雖然結合 GPS 即可符合這些要求，但由於 RF 設計具備難度及細微差異，使其難以實作。

如本文所述，Nordic Semiconductor 的 SiP 能提供幾乎立即可用的解決方案，實現遠距離的低功率資產追蹤。藉助此預先認證的 SiP 及其開發套件，開發人員能快速評估行動通訊連線能力、開發行動通訊型 GPS 資產追蹤應用原型，並打造出充分利用 LTE-M 和 NB-IoT 行動通訊連線之擴展覆蓋範圍和低功率要求的客製化資產追蹤裝置。