來源：Nordic半導(dǎo)體

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(luò)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(zhǔn)確性測量，以比較 nRF Cloud 提供的不同定位服務(wù)的性能。

背景知識

1Wi-Fi 定位服務(wù)

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

Wi-Fi 定位是一種地理定位功能，可讓支持 Wi-Fi 的設(shè)備利用附近 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)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(luò)的 SSID、BSSID 和信號強度等 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)信息，并將這些信息與已知位置的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫進行比較。

Wi-Fi 定位系統(tǒng)包含以下關(guān)鍵組件：

用戶設(shè)備中的 Wi-Fi 無線電設(shè)備，用于檢測附近的網(wǎng)絡(luò)。

將 MAC 地址等 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)信息映射到位置的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由定位服務(wù)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(dāng)設(shè)備查詢定位服務(wù)時，它會提供它能看到的所有 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。該服務(wù)會在其數(shù)據(jù)庫中查找這些網(wǎng)絡(luò)，找到相關(guān)位置，并根據(jù)相似性和信號強度估算設(shè)備的位置。

2nRF Cloud Wi-Fi 定位服務(wù)

nRF Cloud 提供的定位服務(wù)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(shè)備和應(yīng)用。提供多種定位技術(shù)，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(shè)備位置，該數(shù)據(jù)庫包含不同 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的坐標(biāo)。然后，設(shè)備位置將從 nRF Cloud發(fā)送到客戶云或返回到設(shè)備。

3nRF70 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-Fi6 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(wù)，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(wù)。

Wi-Fi 定位服務(wù)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(wù)。

讓我們測試一下 nRF Cloud Wi-Fi 定位服務(wù)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(yīng)用程序。

硬件連接設(shè)置如下圖所示。在 Power Profiler 應(yīng)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(wù)。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(wù)。我們將這一過程分為三個步驟來解釋 Wi-Fi 定位服務(wù)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(wù)，設(shè)備開始掃描附近的 Wi-Fi 接入點。結(jié)果顯示，設(shè)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 locationwithGNSSandcellular fallback...


[0019.903,594]  location: location_core_config_log: Location configuration:
[0019.911,682]  location: location_core_config_log: Methods count:1
[0019.919,342]  location: location_core_config_log: Interval:0
[0019.926,605]  location: location_core_config_log: Timeout:300000ms
[0019.934,356]  location: location_core_config_log: Mode:0
[0019.941,223]  location: location_core_config_log: List of methods:
[0019.948,913]  location: location_core_config_log: Method#0
[0019.956,146]  location: location_core_config_log: Method type: Wi-Fi (3)
[0019.964,660]  location: location_core_config_log: Timeout:30000ms
[0019.972,686]  location: location_core_config_log: Service: Any (0)
[0020.044,921]  location: location_request_info_create: Wi-Fiandcellular methods arenotone after the otherinmethod list so they arenotcombined
[0020.059,448]  location: location_core_location_get_pos: Requesting locationwith'Wi-Fi'method
[0020.069,458]  location: location_core_location_get_pos: Starting request timerwithtimeout=300000
[0020.079,711]  location: location_core_timer_start: Starting timerwithtimeout=30000
[0020.088,745]  location: scan_wifi_start: Triggering start of Wi-Fi scanning
[0024.832,458]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#1 stored: ssid XXXX, channel 108, mac 24daxx:xx
[0024.845,184]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#2 stored: ssid XXXX, channel 108, mac 24daxx:xx
[0024.858,093]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#3 stored: ssid XXXX, channel 11, mac 24daxx:xx
[0024.870,910]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#4 stored: ssid XXXX, channel 11, mac 24daxx:xx
[0024.883,483]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#5 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24daxx:xx
[0024.896,209]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#6 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24daxx:xx
[0024.908,935]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#7 stored: ssid XXXX, channel 1, mac 24daxx:xx
[0024.921,417]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#8 stored: ssid XXXX, channel 64, mac 24daxx:xx
[0024.933,990]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#9 stored: ssid XXXX, channel 64, mac 24daxx:xx
[0024.946,807]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#10 stored: ssid XXXX, channel 6, mac 8a85xx:xx
[0024.959,442]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#11 stored: ssid XXXX, channel 100, mac 24daxx:xx
[0024.972,167]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#12 stored: ssid XXXX, channel 6, mac 3409xx:xx
[0024.984,649]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#13 stored: ssid XXXX, channel 132, mac 24daxx:xx
[0024.997,619]  location: scan_wifi_result_handle: scan result#14 stored: ssid XXXX, channel 132, mac 24daxx:xx


[0025.010,284]  location: scan_wifi_done_handle: Scan request donewith14Wi-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(shè)備位置。結(jié)果包含緯度、經(jīng)度、精確度等信息。有關(guān) API 請求和響應(yīng)格式，請參閱 nRF Cloud REST API 文檔。

[0025.028,015]  location: cloud_service_location_get: Cloud service location parameters:


[0025.037,170]  location: cloud_service_location_get: Service:0
[0025.044,494]  location: cloud_service_location_get: Timeout:25060ms
[0025.052,337]  location: cloud_service_nrf_pos_get:Sending positioningrequest(REST)
[0025.160,125]  nrf_cloud_codec_internal: nrf_cloud_location_req_json_encode: JSON: {"wifi":{"accessPoints":[{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-48,"channel":11},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-49,"channel":11},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-63,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"8a85xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-73,"channel":6},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-75,"channel":100},{"macAddress":"3409xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-76,"channel":6},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132}]}}
[0025.283,142]  rest_client: rest_client_request: Requesting destination HOST: api.nrfcloud.com at port443, URL: /v1/location/ground-fix
[0025.296,966]  rest_client: rest_client_request: Payload: {"wifi":{"accessPoints":[{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-41,"channel":108},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-48,"channel":11},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-49,"channel":11},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-63,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-70,"channel":1},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-72,"channel":64},{"macAddress":"8a85xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-73,"channel":6},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-75,"channel":100},{"macAddress":"3409xx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-76,"channel":6},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132},{"macAddress":"24daxx:xx","ssid":"XXXX","signalStrength":-85,"channel":132}]}}[00:01:25.417,358]  rest_client: rest_client_sckt_connect:Doinggetaddrinfo()withconnect addr api.nrfcloud.com port 443
[0025.435,699]  rest_client: rest_client_sckt_connect:getaddrinfo() 52.70.xxx.xxx
[0025.445,892]  rest_client: rest_client_sckt_connect: Connecting to api.nrfcloud.com port 443
+CSCON: 1
[0026.902,130]  rest_client: rest_client_http_response_cb: HTTP: All datareceived(content/total:79/328), status: 200 OK
[0026.914,245]  rest_client: rest_client_request: API call response len: http status: 200, 79 bytes
[0026.926,025]  location: location_core_event_cb_fn: Location acquired successfully:
[0026.934,844]  location: location_core_event_cb_fn: method: Wi-Fi(3)
[0026.942,901]  location: location_core_event_cb_fn: latitude: 59.920980
[0026.950,988]  location: location_core_event_cb_fn: longitude: 10.689317
[0026.959,136]  location: location_core_event_cb_fn: accuracy: 15.0 m
[0026.966,857]  location: location_core_event_cb_fn: date: 2023-08-31
[0026.974,609]  location: location_core_event_cb_fn: time: 1340.035 UTC
[0026.982,879]  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: 1340.035 UTC


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

步驟 3：設(shè)備進入休眠狀態(tài)

當(dāng) 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(shè)置為 0 (CONFIG_LTE_PSM_REQ_RAT=“00000000”) 以幫助設(shè)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(luò)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(shè)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(guān) 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。

https://www.nordicsemi.cn/blog/maximizing-battery-lifetime-in-cellular-iot-an-analysis-of-edrx-psm-and-as-rai/

比較實踐中的定位服務(wù)

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

圖：定位服務(wù)的定位精度和功耗

功耗：GNSS 定位服務(wù)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?；?Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)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(shè)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(zhǔn)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(wù)。

在為應(yīng)用選擇合適的定位服務(wù)時，功耗和準(zhǔn)確性是最重要的考慮因素，但您還應(yīng)考慮室內(nèi)/室外環(huán)境使用、Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋等因素，以選擇最佳的定位服務(wù)或在它們之間進行切換。下表列出了不同 nRF Cloud 定位服務(wù)的性能，并根據(jù)準(zhǔn)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(wù)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(wù)的精度可能比 Wi-Fi 低。根據(jù)應(yīng)用需求選擇正確的定位服務(wù)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。

1基于蜂窩的定位服務(wù)

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

/**


*@briefRetrieve location with cellular location service.


*/


staticvoidlocation_cellular_get(void)
{


int err;


structlocation_configconfig;


enumlocation_methodmethods[] = {LOCATION_METHOD_CELLULAR};


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


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


err =location_request(&config);


if(err) {


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


return;


}


location_event_wait();


}

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

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

Requestingcellular location...


Gotlocation:


method: Cellular


latitude:59.920624


longitude:10.689719


accuracy:1708.0m


date:2023-09-04


time:12:47:23.399UTC


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

2基于 Wi-Fi 的定位服務(wù)

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

Gotlocation:


method: Wi-Fi


latitude:59.919015


longitude:10.688577


accuracy:30.0m


date:2023-09-04


time:12:47:51.753UTC


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

2使用 A-GPS提供基于GNSS 的定位服務(wù)

樣本中的原始函數(shù) location_gnss_low_accuracy_get() 用于 GNSS 定位服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)，以節(jié)省功耗。GNSS 定位服務(wù)有三種精度模式：低精度、正常精度和高精度。精度越高，設(shè)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(wù)。

在 GNSS 定位服務(wù)測量中，我們預(yù)計即使 GNSS 的低精度模式也會比 Wi-Fi 和蜂窩定位服務(wù)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(wù) “最接近 ”的功耗差異。結(jié)果確實證明了這一假設(shè)。A-GPS 數(shù)據(jù)只請求一次，以加快 TTFF 的速度。請注意，只要設(shè)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。

Gotlocation:


method: GNSS


latitude:59.920928


longitude:10.689040


accuracy:16.9m


date:2023-09-04


time:12:48:34.586UTC


Googlemaps 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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)的精度可能比 Wi-Fi 低。根據(jù)應(yīng)用需求選擇正確的定位服務(wù)方法并通過測量評估實際定位精度和功耗非常重要。