Les composants de localisation Wi-Fi® comblent les lacunes des systèmes cellulaires et GNSS pour les applications de positionnement

Les services basés sur la localisation peuvent constituer un avantage considérable dans la gestion des actifs, mais ils s'accompagnent souvent d'une pénalité importante en termes d'épuisement des batteries, susceptible de paralyser certaines applications IoT. Le système global de navigation par satellite (GNSS) et la large portée des services cellulaires offrent des moyens relativement simples de déterminer la position géographique des dispositifs. Toutefois, ils présentent des lacunes en termes de couverture et de performances qui peuvent être complétées ou, dans certains cas, remplacées par la portée croissante des réseaux Wi-Fi.

La référence en matière de suivi sans fil est le système de positionnement mondial (GPS), exploité par les États-Unis, qui fait partie du système GNSS, lequel englobe plusieurs systèmes régionaux de navigation par satellite. Cependant, un modem GPS peut mettre plusieurs minutes pour passer du démarrage à froid au « temps d'acquisition » (Time To First Fix, TTFF), tout en utilisant une capacité batterie importante. Il peut également être gêné par des obstacles à visibilité directe entre les satellites et les récepteurs, notamment les murs des bâtiments.

Les stations de base cellulaires fixes peuvent également être utilisées pour des applications de « localisation ». La recherche de localisation cellulaire utilise une consommation d'énergie plus modeste qu'avec les systèmes GPS/GNSS, mais elle est moins précise. La localisation cellulaire, selon les types de tours cellulaires utilisées, peut être décalée de centaines, voire de milliers de mètres. Ce manque de précision peut s'avérer critique pour les applications telles que le suivi des actifs en mouvement dans de grands entrepôts ou sur des porte-conteneurs, par exemple.

Le Wi-Fi peut être plus précis que la localisation cellulaire et presque aussi économe en énergie. L'identifiant de l'ensemble de services SSID (Service Set Identifier), unique à chaque réseau Wi-Fi, et l'identifiant BSSID (Basic Service Set Identifier), unique à chaque périphérique d'accès, offrent une option de localisation intéressante, mais la plupart des circuits intégrés Wi-Fi ne sont pas optimisés pour cette tâche et sont généralement coûteux, encombrants et énergivores.

Nordic Semiconductor fournit des composants que les ingénieurs peuvent utiliser pour créer des applications flexibles qui s'appuient sur des combinaisons de technologies sans fil, ainsi que sur un service basé sur le cloud, pour résoudre les problèmes de performances et de couverture.

La valeur de la localisation Wi-Fi

La localisation peut enrichir de nombreuses applications, notamment les capteurs résidentiels alimentés par batterie, les moniteurs de santé et les appareils de fitness, les trackers d'actifs industriels et les capteurs environnementaux, ainsi que la gestion des dispositifs de point de vente et de stock de détail.

Parmi les principaux cas d'utilisation, les entreprises peuvent suivre l'emplacement de leurs actifs pour rationaliser la gestion de la chaîne d'approvisionnement et la logistique — les dispositifs corporels peuvent alerter les équipes médicales de problèmes de santé, les détaillants et les banquiers peuvent détecter et limiter l'utilisation frauduleuse des cartes de paiement, et les opérateurs de gestion de flotte peuvent suivre leurs véhicules en temps réel. S'appuyer sur une seule technologie sans fil peut s'avérer problématique dans le cas de dispositifs qui ne sont pas fixes, car les systèmes GPS, cellulaires et Wi-Fi ont chacun leurs atouts et leurs limites.

Le Wi-Fi est une solution de localisation simple et rentable dans les cas d'utilisation où les réseaux et les points d'accès sont facilement disponibles et accessibles. La plupart des dispositifs Wi-Fi intègrent un type de localisation, avec de grandes variations en termes de rendement énergétique et de précision des implémentations.

La Wi-Fi Alliance a pris des mesures pour promouvoir ces capacités et garantir l'interopérabilité avec son programme Wi-Fi CERTIFIED Location qui intègre la norme IEEE 802.11mc. Grâce au protocole FTM (Fine Timing Measurement), aux points d'accès et aux cartes LAN sans fil conformes au programme Wi-Fi CERTIFIED Location, il est possible de déterminer un emplacement à un mètre près, pour autant qu'un point d'accès (AP) Wi-Fi connaisse son emplacement exact.

Cependant, les ingénieurs ont besoin de composants plus compacts et écoénergétiques pour créer des applications de localisation rentables. Une consommation d'énergie efficace qui maximise la durée de vie des batteries est cruciale pour de nombreux dispositifs et capteurs IoT. Nordic propose un portefeuille de composants permettant d'exploiter le Wi-Fi et d'autres options de positionnement afin d'améliorer la connectivité des écosystèmes IoT.

Auxiliaire sans fil

Le nRF7000 (Figure 1) est un circuit intégré auxiliaire sans fil optimisé pour les applications ultrabasse consommation afin de garantir un rendement énergétique maximum. Il n'envoie pas de données, mais fournit à la place des capacités d'analyse active et passive à un hôte de système sur puce (SoC), d'unité de protection de la mémoire (MPU) ou de microcontrôleur (MCU) pour la localisation Wi-Fi.

Figure 1 : Circuit intégré auxiliaire Wi-Fi 6 basse consommation nRF7000 pour applications de localisation Wi-Fi. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le nRF7000 peut analyser les bandes de fréquences Wi-Fi de 2,4 GHz et 5 GHz, et il implémente la couche PHY et certaines parties de la couche MAC à cet effet. Il est connecté à un processeur d'application ou à un microcontrôleur hôte — sur lequel l'application utilisateur s'exécute — via une interface QSPI (6 fils) ou SPI (4 fils) pour les données, et une interface de contrôle de coexistence à 3 ou 4 fils pour les hôtes. qui incluent une radio Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4.

Le nRF7000 est une version distillée du nRF7002, un autre circuit intégré auxiliaire qui comprend une radio intégrée de 2,4 GHz et 5 GHz pour fournir une autre puce hôte avec une connectivité de données Wi-Fi 6 directe, ainsi que des capacités de localisation. Le nRF7001, qui fournit une radio 2,4 GHz à une bande, est également disponible. Les deux conviennent pour ajouter des capacités Wi-Fi 6 modernes aux systèmes Bluetooth® Low Energy, Thread® ou Zigbee® existants.

Bien que chacun de ces dispositifs puisse être connecté à des hôtes non-Nordic, l'entreprise affirme qu'avec sa plateforme nRF Cloud, elle peut fournir une « solution de localisation puce-cloud » avec des composants prenant en charge le positionnement Wi-Fi, cellulaire et GNSS.

Acquisition de localisation Wi-Fi avec le nRF7000

Les offres de systèmes en boîtier (SiP) cellulaires série nRF91 de Nordic, comme le NRF9160-SICA-B1A-R7 (Figure 2), sont désignées comme les dispositifs hôtes Nordic privilégiés pour les circuits intégrés nRF7000/7100/7200 (série nRF70). Ils intègrent un processeur d'application et un modem multimode dans un boîtier compact de 10 mm x 16 mm x 1,04 mm prenant en charge LTE-M, NB-IoT, GNSS, RFFE (RF Front-End) et la gestion de l'alimentation. Les autres hôtes privilégiés sont les SoC multiprotocoles Bluetooth séries nRF52 et nRF53.

Figure 2 : SiP nRF9160 avec modem LTE-M/NB-IoT et GNSS, qui se combine au nRF7000 pour fournir des applications de localisation transparentes intégrant le Wi-Fi. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Un nRF7000 combiné à un nRF91 fournit des acquisitions d'informations de localisation Wi-Fi précises aussi bien en intérieur qu'en extérieur, complétant les systèmes GNSS et cellulaires. Lorsque le service de localisation Wi-Fi est configuré, un dispositif peut commencer à rechercher activement ou passivement les points d'accès Wi-Fi à proximité, en collectant des données sur les SSID, les BSSID et la force du signal.

En utilisant les informations du circuit intégré auxiliaire, un nRF91 peut transmettre des informations de point d'accès à la plateforme nRF Cloud, qui utilise une base de données Wi-Fi d'emplacements connus pour déterminer une position précise par rapport à au moins deux points d'accès à proximité, sans que le dispositif n'ait besoin de s'y connecter. Le service cloud peut ensuite renvoyer la position au dispositif ou à tout autre lieu où l'information est nécessaire. Une fois l'emplacement déterminé, le dispositif peut entrer dans un état de basse consommation pour économiser la batterie.

La plateforme nRF Cloud propose les options alternatives de localisation suivantes :

• GNSS assisté permettant un temps TTFF plus rapide
• GNSS prédictif pour fournir jusqu'à deux semaines de données satellite prédites afin de réduire la fréquence des nouvelles demandes de données d'assistance
• Localisation à cellule unique (SCELL) pour fournir des localisations grossières basées sur la cellule la plus proche, éliminant le recours à un récepteur GNSS
• Localisation à cellules multiples (MCELL) pour fournir une localisation plus précise mais toujours grossière en utilisant la cellule la plus proche et les cellules voisines

Chacun de ces processus de localisation dans nRF Cloud fournit des caractéristiques différentes en termes de précision de position et de consommation d'énergie. Selon Nordic, le Wi-Fi offre une précision de localisation de 5 m à 15 m, contre 5 m à 10 m avec le système GNSS, 200 m à 300 m pour la localisation à cellules multiples et 1000 m pour la localisation à cellule unique. La latence est la plus faible pour le cellulaire, avec moins de 1 seconde, alors qu'elle prend quelques secondes pour le GNSS et le Wi-Fi. Les tests de consommation d'énergie réalisés par Nordic montrent un léger avantage pour le cellulaire avec 122,48 mC, contre 125,85 mC pour le Wi-Fi et 316,71 mC pour le GNSS avec A-GPS.

Nordic propose plusieurs outils, notamment l'environnement de développement logiciel nRF Connect SDK pour tous les dispositifs de la série nRF70, ainsi que le kit de développement double bande nRF7002-EK (Figure 3) dans un format shield Arduino. Le kit intègre le nRF7002 et peut émuler à la fois le nRF7000 et le nRF7001. Il peut être combiné avec le kit de développement nRF9160 DK pour créer des applications utilisant la série nRF70.

Figure 3 : Le kit d'évaluation nRF7002-EK inclut un nRF7002 et peut émuler à la fois le nRF7000 et le nRF7001. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Conclusion

Avec les séries nRF7000 et nRF91, Nordic permet aux développeurs de créer des solutions IoT capables d'exploiter plusieurs technologies sans fil pour les services de localisation. Les produits offrent de hautes performances, une basse consommation d'énergie et des options d'intégration flexibles pour un large éventail d'applications qui peuvent basculer de manière transparente entre les options de positionnement.