隨著 nRF7000 Wi-Fi 協(xié)同 IC 的推出，我們現(xiàn)在可以提供具有 Wi-Fi、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和 GNSS 功能的完整硅到云定位解決方案。nRF7000 針對 Wi-Fi 網(wǎng)絡掃描進行了優(yōu)化，與 nRF91 系列蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組配合使用，可實現(xiàn)基于 SSID 的 Wi-Fi 定位。Nordic基于SSID的Wi-Fi定位可以在室內(nèi)和室外、城市和郊區(qū)以極其省電的方式獲取精確的位置信息。這是對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的重要補充，尤其是在建筑物和密集城區(qū)，GNSS 可能會因信號衰減和中斷而失效。

本博文將介紹我們基于 SSID 的 Wi-Fi 定位解決方案的工作原理以及如何開始測試。然后，我們將使用 nRF9160 DK、nRF7002 EK和 PPK2 執(zhí)行并展示實際功耗和準確性測量，以比較 nRF Cloud 提供的不同定位服務的性能。

背景知識

Wi-Fi 定位服務

Wi-Fi 是一種著名的無線網(wǎng)絡技術，用于設備的局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)接入。Wi-Fi 通過 Wi-Fi 網(wǎng)絡為家庭、辦公室和學校等環(huán)境提供便捷的無線互聯(lián)網(wǎng)接入服務。

Wi-Fi 定位是一種地理定位功能，可讓支持 Wi-Fi 的設備利用附近 Wi-Fi 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)確定自己的大致位置。它的工作原理是檢索附近網(wǎng)絡的 SSID、BSSID 和信號強度等 Wi-Fi 網(wǎng)絡信息，并將這些信息與已知位置的 Wi-Fi 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫進行比較。

Wi-Fi 定位系統(tǒng)包含以下關鍵組件：

用戶設備中的 Wi-Fi 無線電設備，用于檢測附近的網(wǎng)絡。

將 MAC 地址等 Wi-Fi 網(wǎng)絡信息映射到位置的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由定位服務提供商維護。

通過查找數(shù)據(jù)庫中的匹配模式并計算信號強度來估計位置的算法。

當設備查詢定位服務時，它會提供它能看到的所有 Wi-Fi 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。該服務會在其數(shù)據(jù)庫中查找這些網(wǎng)絡，找到相關位置，并根據(jù)相似性和信號強度估算設備的位置。

nRF Cloud Wi-Fi 定位服務

nRF Cloud 提供的定位服務專為 Nordic 硅芯片量身定制，具有快速、省電的定位功能。它們可以幫助需要定位數(shù)據(jù)而又不需要高功耗的設備和應用。提供多種定位技術，包括 Assisted-GPS、Predictive-GPS、Single-Cell、Multi-Cell 和 Wi-Fi 定位。通過利用 nRF Cloud 的優(yōu)化定位算法，基于 Nordic SoC 和 模組的產(chǎn)品可在定位用例中實現(xiàn)高性能和超低功耗。對于 Wi-Fi 定位請求，nRF Cloud 可借助 Wi-Fi 數(shù)據(jù)庫計算設備位置，該數(shù)據(jù)庫包含不同 Wi-Fi 網(wǎng)絡的坐標。然后，設備位置將從 nRF Cloud發(fā)送到客戶云或返回到設備。

nRF70 系列

Nordic Semiconductor 于今年年初發(fā)布了我們的 Wi-Fi 產(chǎn)品系列 nRF70 系列。該系列推出的首款芯片是 nRF7002，它是一款超低功耗雙頻無線協(xié)同 IC，可為另一款主芯片添加低功耗 Wi-Fi? 6 功能。此外，我們最近還推出了專用于該用例的 nRF7000。這是一款雙頻 Wi-Fi 配套 IC，不發(fā)送數(shù)據(jù)，但可以進行主動和被動掃描，純粹用于 Wi-Fi 定位目的。結(jié)合我們的 nRF9160 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組和 nRF Cloud服務，nRF7000 可通過嗅探本地 Wi-Fi 接入點的 SSID 實現(xiàn)基于 Wi-Fi 的定位服務。

Wi-Fi 定位服務流程

nRF Connect SDK 中的 Cellular: Location示例演示了如何使用 nRF Cloud 提供的不同定位服務。

讓我們測試一下 nRF Cloud Wi-Fi 定位服務如何在室內(nèi)環(huán)境中工作。

硬件：nRF9160 DK、nRF7002 EK、PPK2。

軟件：nRF Connect SDK v2.4.2、MFW v1.3.5、nRF Connect for Desktop 中的 Power Profiler 應用程序。

硬件連接設置如下圖所示。在 Power Profiler 應用程序中，配置 PPK2 源表模式，為 DK 上的 nRF9160模組供電并記錄其電流消耗變化。

Cellular: Location 示例中最初的 location_wifi_get() 函數(shù)可用于請求 Wi-Fi 定位服務。啟用附加日志配置有助于了解請求過程。

# Add the following lines to the end of prj.conf

CONFIG_LOCATION_LOG_LEVEL_DBG=y

CONFIG_NRF_CLOUD_REST_LOG_LEVEL_DBG=y

CONFIG_REST_CLIENT_LOG_LEVEL_DBG=y

CONFIG_NRF_CLOUD_LOG_LOG_LEVEL_DBG=y

CONFIG_NRF_CLOUD_LOG_LEVEL_DBG=y

讓我們來了解一下如何使用 location_wifi_get() 請求 Wi-Fi 定位服務。我們將這一過程分為三個步驟來解釋 Wi-Fi 定位服務請求過程。

步驟 1：掃描 Wi-Fi 接入點信息

在此步驟中，配置 Wi-Fi 定位服務，設備開始掃描附近的 Wi-Fi 接入點。結(jié)果顯示，設備在奧斯陸Nordic Semiconductor辦公樓附近或內(nèi)找到了 14 個 Wi-Fi 接入點。

Requesting Wi-Fi location with GNSS and cellular fallback...

[00:01:19.903,594]  location: location_core_config_log: Location configuration:

[00:01:19.911,682]  location: location_core_config_log: Methods count: 1

[00:01:19.919,342]  location: location_core_config_log: Interval: 0

[00:01:19.926,605]  location: location_core_config_log: Timeout: 300000ms

[00:01:19.934,356]  location: location_core_config_log: Mode: 0

[00:01:19.941,223]  location: location_core_config_log: List of methods:

[00:01:19.948,913]  location: location_core_config_log: Method #0

[00:01:19.956,146]  location: location_core_config_log: Method type: Wi-Fi (3)

[00:01:19.964,660]  location: location_core_config_log: Timeout: 30000ms

[00:01:19.972,686]  location: location_core_config_log: Service: Any (0)

[00:01:20.044,921]  location: location_request_info_create: Wi-Fi and cellular methods are not one after the other in method list so they are not combined

[00:01:20.059,448]  location: location_core_location_get_pos: Requesting location with 'Wi-Fi' method

[00:01:20.069,458]  location: location_core_location_get_pos: Starting request timer with timeout=300000

[00:01:20.079,711]  location: location_core_timer_start: Starting timer with timeout=30000

[00:01:20.088,745]  location: scan_wifi_start: Triggering start of Wi-Fi scanning

[00:01:24.832,458]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #1 stored: ssid XXXX, channel 108, mac 24:36:da:16:xx:xx

[00:01:24.845,184]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #2 stored: ssid XXXX, channel 108, mac 24:36:da:16:xx:xx

[00:01:24.858,093]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #3 stored: ssid XXXX, channel 11, mac 24:36:da:16:xx:xx

[00:01:24.870,910]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #4 stored: ssid XXXX, channel 11, mac 24:36:da:16:xx:xx

[00:01:24.883,483]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #5 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24:36:da:11:xx:xx

[00:01:24.896,209]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #6 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24:36:da:17:xx:xx

[00:01:24.908,935]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #7 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24:36:da:17:xx:xx

[00:01:24.921,417]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #8 stored: ssid XXXX, channel 64, mac 24:36:da:11:xx:xx

[00:01:24.933,990]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #9 stored: ssid XXXX, channel 64, mac 24:36:da:11:xx:xx

[00:01:24.946,807]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #10 stored: ssid XXXX, channel 6, mac 8a:5a:85:af:xx:xx

[00:01:24.959,442]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #11 stored: ssid XXXX, channel 100, mac 24:36:da:17:xx:xx

[00:01:24.972,167]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #12 stored: ssid XXXX, channel 6, mac 34:21:09:48:xx:xx

[00:01:24.984,649]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #13 stored: ssid XXXX, channel 132, mac 24:36:da:11:xx:xx

[00:01:24.997,619]  location: scan_wifi_result_handle: scan result #14 stored: ssid XXXX, channel 132, mac 24:36:da:11:xx:xx

[00:01:25.010,284]  location: scan_wifi_done_handle: Scan request done with 14 Wi-Fi Aps

步驟 2：請求 nRF Cloud Wi-Fi 定位

nRF9160 會將 Wi-Fi 接入點信息（包括 MAC 地址、SSID、信號強度和信道）編碼為 JSON 文件。然后，JSON 文件將被發(fā)送到 nRF Cloud，nRF Cloud 將使用這些數(shù)據(jù)檢查 Wi-Fi 定位數(shù)據(jù)庫，并使用特定算法計算設備位置。結(jié)果包含緯度、經(jīng)度、精確度等信息。有關 API 請求和響應格式，請參閱 nRF Cloud REST API 文檔。

[00:01:25.028,015]  location: cloud_service_location_get: Cloud service location parameters:

[00:01:25.037,170]  location: cloud_service_location_get: Service: 0

[00:01:25.044,494]  location: cloud_service_location_get: Timeout: 25060ms

[00:01:25.052,337]  location: cloud_service_nrf_pos_get: Sending positioning request (REST)

[00:01:25.160,125]  nrf_cloud_codec_internal: nrf_cloud_location_req_json_encode: JSON: {"wifi":{"accessPoints":[{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-48,"channel":11},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-49,"channel":11},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-63,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"8a:5a:85:af:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-73,"channel":6},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-75,"channel":100},{"macAddress":"34:21:09:48:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-76,"channel":6},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132}]}}

[00:01:25.283,142]  rest_client: rest_client_request: Requesting destination HOST: api.nrfcloud.com at port 443, URL: /v1/location/ground-fix

[00:01:25.296,966]  rest_client: rest_client_request: Payload: {"wifi":{"accessPoints":[{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-48,"channel":11},{"macAddress":"24:36:da:16:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-49,"channel":11},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-63,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"8a:5a:85:af:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-73,"channel":6},{"macAddress":"24:36:da:17:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-75,"channel":100},{"macAddress":"34:21:09:48:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-76,"channel":6},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132},{"macAddress":"24:36:da:11:xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132}]}}[00:01:25.417,358]  rest_client: rest_client_sckt_connect: Doing getaddrinfo() with connect addr api.nrfcloud.com port 443

[00:01:25.435,699]  rest_client: rest_client_sckt_connect: getaddrinfo() 52.70.xxx.xxx

[00:01:25.445,892]  rest_client: rest_client_sckt_connect: Connecting to api.nrfcloud.com port 443

+CSCON: 1

[00:01:26.902,130]  rest_client: rest_client_http_response_cb: HTTP: All data received (content/total: 79/328), status: 200 OK

[00:01:26.914,245]  rest_client: rest_client_request: API call response len: http status: 200, 79 bytes

[00:01:26.926,025]  location: location_core_event_cb_fn: Location acquired successfully:

[00:01:26.934,844]  location: location_core_event_cb_fn: method: Wi-Fi (3)

[00:01:26.942,901]  location: location_core_event_cb_fn: latitude: 59.920980

[00:01:26.950,988]  location: location_core_event_cb_fn: longitude: 10.689317

[00:01:26.959,136]  location: location_core_event_cb_fn: accuracy: 15.0 m

[00:01:26.966,857]  location: location_core_event_cb_fn: date: 2023-08-31

[00:01:26.974,609]  location: location_core_event_cb_fn: time: 13:49:40.035 UTC

[00:01:26.982,879]  location: location_core_event_cb_fn: Google maps URL: https://maps.google.com/?q=59.920980,10.689317

Got location:

method: Wi-Fi

latitude: 59.920980

longitude: 10.689317

accuracy: 15.0 m

date: 2023-08-31

time: 13:49:40.035 UTC

Google maps URL: https://maps.google.com/?q=59.920980,10.689317

步驟 3：設備進入休眠狀態(tài)

當 RRC 非活動定時器到期時，nRF9160 將進入 RRC 空閑狀態(tài)。我將活動定時器 (T3324) 設置為 0 (CONFIG_LTE_PSM_REQ_RAT=“00000000”) 以幫助設備進入 RRC 空閑狀態(tài)后立即進入 PSM 以節(jié)省功耗。RRC 閑置定時器由移動網(wǎng)絡運營商配置（此處挪威電信為 5 秒）。如果 MNO 支持快速釋放功能 (AS-RAI)，設備可通過發(fā)送 RAI 通知基站釋放它們之間的無線連接，從而立即進入 RRC 空閑狀態(tài)。這將進一步降低總功耗。您可以從這篇博客中了解有關 RAI 的更多信息：最大限度延長蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的電池壽命： 對 eDRX、PSM 和 AS-RAI 的分析。

比較實踐中的定位服務

nRF Cloud 中提供的定位服務在定位精度和功耗方面性能各異，您可以根據(jù)自己的應用需求選擇最適合的服務。

圖：定位服務的定位精度和功耗

功耗： GNSS 定位服務在定位搜索過程中的耗電量約為 50mA，在沒有輔助的情況下，搜索過程可能會持續(xù)幾十秒到幾分鐘。即使有 A-GPS 數(shù)據(jù)輔助，首次定位時間（TTFF）仍需數(shù)秒。基于 Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡的定位服務耗電量要少得多，因為它們會從 Wi-Fi 接入點或蜂窩基站收集周圍數(shù)據(jù)，然后將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 nRF Cloud進行設備定位。這些過程純粹是互聯(lián)網(wǎng)通信，因此功耗大大低于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)操作。

準確性： 但在精確度方面，情況恰恰相反。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的定位精度高于其他兩種系統(tǒng)，而 Wi-Fi 的定位精度則高于蜂窩定位服務。

在為應用選擇合適的定位服務時，功耗和準確性是最重要的考慮因素，但您還應考慮室內(nèi)/室外環(huán)境使用、Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡覆蓋等因素，以選擇最佳的定位服務或在它們之間進行切換。下表列出了不同 nRF Cloud 定位服務的性能，并根據(jù)準確性、延遲和功耗等因素進行了衡量。

圖表中的表格列出了不同定位服務的最佳精度；實際精度在實踐中會有所不同。例如，在高樓林立的城市中，由于反射和建筑物會干擾 GNSS 信號，GNSS 定位服務的精度可能比 Wi-Fi 低。根據(jù)應用需求選擇正確的定位服務方法并通過測量評估實際位置精度和功耗非常重要。

為了幫助您了解如何在實踐中進行評估，我們對使用不同定位方法時的功耗進行了測量。測量仍然基于 nRF Connect SDK 樣本 Cellular: Location。測試地點位于Nordic Semiconductor奧斯陸辦公樓的樓頂。

基于蜂窩的定位服務

定義了以下新函數(shù) location_cellular_get()，用于測試蜂窩定位服務。

/**

* @brief Retrieve location with cellular location service.

*/

static void location_cellular_get(void)

{

int err;

struct location_config config;

enum location_method methods[] = {LOCATION_METHOD_CELLULAR};

location_config_defaults_set(&config, ARRAY_SIZE(methods), methods);

printk("Requesting cellular location...n");

err = location_request(&config);

if (err) {

printk("Requesting location failed, error: %dn", err);

return;

}

location_event_wait();

}

蜂窩定位服務的功耗結(jié)果與 Wi-Fi 定位服務非常相似。下圖顯示了蜂窩定位服務的 PPK2 測量結(jié)果。

以下是測試的日志輸出。該蜂窩定位服務請求的總功耗為 122.48 mC，精確度為 1708.0 m。

Requesting cellular location...

Got location:

method: Cellular

latitude: 59.920624

longitude: 10.689719

accuracy: 1708.0 m

date: 2023-09-04

time: 12:47:23.399 UTC

Google maps URL: https://maps.google.com/?q=59.920624,10.689719

基于 Wi-Fi 的定位服務

以下捕獲使用 location_wifi_get 函數(shù)請求 Wi-Fi 定位服務。該事件的總功耗為 125.85mC，日志顯示精確度為 30.0m。

Got location:

method: Wi-Fi

latitude: 59.919015

longitude: 10.688577

accuracy: 30.0 m

date: 2023-09-04

time: 12:47:51.753 UTC

Google maps URL: https://maps.google.com/?q=59.919015,10.688577

使用 A-GPS 提供基于 GNSS 的定位服務

樣本中的原始函數(shù) location_gnss_low_accuracy_get() 用于 GNSS 定位服務請求，并啟用了 A-GPS 輔助功能。低精度模式可讓 GNSS 展示較寬松的固定接受標準，以節(jié)省功耗。GNSS 定位服務有三種精度模式：低精度、正常精度和高精度。精度越高，設備的耗電量就越大，但根據(jù)經(jīng)驗，我們知道所有精度模式的耗電量都高于 Wi-Fi 和蜂窩定位服務。在 GNSS 定位服務測量中，我們預計即使 GNSS 的低精度模式也會比 Wi-Fi 和蜂窩定位服務提供更好的定位精度，因此在測量中使用了低精度模式，我們可以看到 GNSS 與其他定位服務 “最接近 ”的功耗差異。結(jié)果確實證明了這一假設。A-GPS 數(shù)據(jù)只請求一次，以加快 TTFF 的速度。請注意，只要設備中的歷書和星歷數(shù)據(jù)仍然有效，就不需要 A-GPS 請求。

PPK2 測量結(jié)果顯示，在沒有 A-GPS 數(shù)據(jù)請求過程的情況下，該事件的總電荷量為 316.71mC，日志顯示精度為 16.9m。

Got location:

method: GNSS

latitude: 59.920928

longitude: 10.689040

accuracy: 16.9 m

date: 2023-09-04

time: 12:48:34.586 UTC

Google maps URL: https://maps.google.com/?q=59.920928,10.689040

結(jié)果

下面是我們在奧斯陸Nordic Semiconductor 辦公室屋頂進行的功耗和精度測量結(jié)果。

我們可以看到，這些測量結(jié)果正確反映了 “位置服務的定位精度和功耗 ”圖中的內(nèi)容。在一般情況下，Wi-Fi 是一種很好的定位服務方法，它能以較低的功耗獲得很高的精度。

請注意，圖表中的表格列出了不同定位服務的最佳精度；實際精度在實踐中會有所不同。例如，在高樓環(huán)繞的城市中，由于反射和建筑物會干擾 GNSS 信號，GNSS 定位服務的精度可能比 Wi-Fi 低。根據(jù)應用需求選擇正確的定位服務方法并通過測量評估實際定位精度和功耗非常重要。

審核編輯 黃宇