Wi-Fi® 定位元件能克服 GNSS、蜂巢網路在定位應用上的限制

定位式服務在資產管理方面可提供強大優勢，但通常會大幅增加電池耗電量，對某些 IoT 應用來說會明顯拖垮表現。透過全球導航衛星系統 (GNSS) 和蜂巢通訊服務的廣大覆蓋範圍，可相當輕鬆地判斷裝置的地理位置。然而，上述服務可能會有覆蓋範圍和效能上的空隙，但都可以加以補強，或在某些情況下，可以用逐漸擴大的 Wi-Fi 網路來取代。

美國經營的全球定位系統 (GPS) 堪稱無線追蹤的黃金標竿，其屬於 GNSS 的一部分，後者則涵蓋多個區域性的衛星導航系統。然而，GPS 數據機從冷啟動到「首次定位時間 (TTFF)」可能要耗時幾分鐘，同時間還會耗用大量的電池蓄電量。此外，衛星和接收器之間的視線障礙物 (包括建築物的牆壁) 也可能會造成接收阻礙。

固定式的蜂巢基地台也可用於「定位」應用。與 GPS/GNSS 相比，蜂巢定位掃描的耗電量較適中，但準確度較低。蜂巢定位可能會偏離數百甚至數千公尺，視使用的蜂巢信號塔類型而定。缺乏精度對於在大型倉庫或遠洋貨櫃船上進行活動資產的追蹤等應用來說，可能會造成關鍵的影響。

Wi-Fi 可以比蜂巢定位更準確，而且幾乎同樣節能。每一個 Wi-Fi 網路都有其獨特的服務集識別碼 (SSID)，而每個存取裝置則有其獨特的基本服務集識別碼 (BSSID)，即便這可提供不錯的定位選項，但大多數 Wi-Fi 積體電路都未針對此任務進行最佳化，而且通常都很高成本、體積龐大且耗電。

Nordic Semiconductor 可提供元件讓工程師打造靈活的應用，透過無線技術的搭配以及雲端服務，來解決效能和覆蓋範圍的問題。

Wi-Fi 定位的價值

定位能讓許多應用的功能更豐富，包括電池供電的家用感測器、健康監測器和健身器材、工業資產追蹤器和環境感測器，以及零售庫存和銷售點裝置的管理。

在主要使用案例中，企業可以追蹤資產的位置以簡化供應鏈管理和物流，包括穿戴式裝置在出現健康問題時提醒醫療團隊、零售商和銀行機構可以偵測並減輕支付卡的詐欺使用、車隊管理人員可以即時追蹤車輛。GPS、蜂巢和 Wi-Fi 各有其優點和侷限性，但若裝置並未固定在單一位置，僅靠單一無線技術進行定位，可能會有問題。

Wi-Fi 是個簡單且符合成本效益的解決方案，可在隨時有網路和存取點且可存取的情況下進行定位。大多數 Wi-Fi 裝置都有整合某種定位功能，但實際上的能源效率和準確性則有很大的差別。

Wi-Fi 聯盟已採取措施推廣這些功能，並確保與採用 IEEE 802.11mc 標準的 Wi-Fi CERTIFIED Location 計畫達到互通性。透過精細定時測量 (FTM) 協定、存取點和符合 Wi-Fi CERTIFIED Location 的無線 LAN 卡，只要Wi-Fi 存取點 (AP) 知道其確切位置，位置的判定可精準到一公尺內。

然而，工程師需要更緊湊、更節能的元件來打造具有成本效益的定位應用。對許多 IoT 裝置和感測器來說，具有可達到最大電池續航力的高效功耗相當關鍵。Nordic 提供一系列元件，可運用 Wi-Fi 和其他定位選項來增強 IoT 生態系統的連線性。

無線輔助元件

nRF7000 (圖 1) 是一款無線輔助 IC，針對超低功耗應用進行最佳化，可確保達到最高能效。此元件不會傳送數據，反而可提供主動與被動式的掃描功能給系統單晶片 (SoC)、記憶體保護單元 (MPU) 或微控制器單元 (MCU) 主機，以進行 Wi-Fi 定位。

圖 1：nRF7000 低功耗 Wi-Fi 6 輔助 IC 可用於 Wi-Fi 定位應用。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

nRF7000 可以掃描 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 頻段，更針對此用途實作 PHY 層和 MAC 層的一部分。此元件會透過 QSPI (6 線) 或 SPI (4 線) 連接到主機 MCU 或應用處理器 (使用者應用程式執行之處)，以進行數據傳輸，也會透過 3 線或 4 線共存控制介面與含有Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4 無線電的主機進行通訊。

nRF7000 屬於另一個輔助 IC nRF7002 的濃縮版本，後者含有整合式 2.4 GHz 和 5 GHz 無線電，可提供另一個主機晶片，具有 Wi-Fi 6 直接數據連線以及定位功能。此外，也有提供 nRF7001，其具有 2.4 GHz 單頻段無線電。兩者都適合將現代化 Wi-Fi 6 功能添加到既有的Bluetooth® Low Energy、Thread® 或 Zigbee® 系統中。

儘管這些裝置皆可連接到 Nordic 的主機，但該公司表示，透過其 nRF Cloud 平台，搭配可支援 Wi-Fi、蜂巢和 GNSS 定位的元件，就可提供「矽晶到雲端定位解決方案」。

使用 nRF7000 開始進行 Wi-Fi 定位

Nordic 的 nRF91 系列蜂巢系統級封裝 (SiP) 產品，例如 NRF9160-SICA-B1A-R7 (圖 2)，已指定為 nRF7000/7100/7200 IC (nRF70 系列) 的首選 Nordic 主機裝置。這些產品在緊湊的 10 x 16 x 1.04 mm 封裝中納入了應用處理器和多模數據機，可支援 LTE-M、NB-IoT、GNSS、RF 前端 (RFFE) 和電源管理。其他首選主機包括 Nordic nRF52 和 nRF53 系列的藍牙多協定 SoC。

圖 2：nRF9160 SiP 搭配 LTE-M/NB-IoT 數據機和 GNSS，其整合了 nRF7000，可提供結合 Wi-Fi 的流暢定位應用。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

nRF7000 搭配 nRF91 後，就可在室內和戶外提供準確的 Wi-Fi 定位功能，可彌補 GNSS 和蜂巢網路的不足。Wi-Fi 定位服務配置完成後，裝置就可開始主動或被動掃描附近的 Wi-Fi 存取點、收集有關 SSID、BSSID 和訊號強度的資料。

透過來自輔助 IC 的資訊，nRF91 就可將 AP 資訊傳輸到 nRF Cloud，在由其利用已知位置的 Wi-Fi 資料庫來判定相對於至少兩個附近 AP 的準確位置，且在此過程中，都不需要與裝置進行連線。雲端服務接著就可將位置回傳到裝置或需要資訊的任何地方。確定位置後，裝置就可進入低功耗狀態以節省電池電力。

nRF Cloud 提供以下替代的定位選項：

• 輔助式 GNSS，可達到更快的 TTFF
• 預測式 GNSS，可提供長達兩周的預測衛星數據，以降低新索取輔助數據的頻率。
• 單站定位 (SCELL)，可依據最近的蜂巢站提供粗略的位置，因此無需 GNSS 接收器
• 多站定位 (MCELL)，可利用最近的蜂巢站和相鄰蜂巢站提供更準確但仍算粗略的位置

nRF Cloud 中的各項定位處理，在位置準確度和功耗上各有不同的特性。根據 Nordic 的資料，Wi-Fi 的定位準確度在 5 至 15 公尺、GNSS 則介於 5 至 10 公尺，多蜂巢站定位則在 200 至 300 公尺，單蜂巢站定位則為 1,000 公尺。蜂巢網路的延遲最低，不到 1 秒，而 GNSS 和 Wi-Fi 都需要幾秒鐘。Nordic 的功耗測試顯示，蜂巢網路的功耗稍有優勢，僅需 122.48 mC，而 Wi-Fi 則為 125.85 mC，採用 A-GPS 的 GNSS 為 316.71 mC。

Nordic 提供多種工具，包括適用於所有 nRF70 系列裝置的 nRF Connect SDK 軟體開發環境，以及採用 Arduino 擴充板型式的 nRF7002 EK 雙頻開發套件 (圖 3)。此套件結合了 nRF7002，可以模擬 nRF7000 和 nRF7001，並可搭配 nRF9160 DK 開發套件使用，就可打造採用 nRF70 系列的應用。

圖 3：nRF7002-EK 評估套件含有一個 nRF7002，可以模擬 nRF7000 和 nRF7001。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

結論

透過 nRF7000 和 nRF91 系列，Nordic 能讓開發人員打造 IoT 解決方案，利用多種無線技術提供定位服務。這些產品提供高效能、低功耗和靈活的整合選項，適用於多種應用，且可在多種定位選項之間順暢切換。