如何利用Wi-Fi定位優(yōu)化資產(chǎn)追蹤

Nordic Semiconductor公司Finn Boetius

在現(xiàn)代社會中，人們有理由認(rèn)為昂貴物品在世界各地流動時會受到仔細(xì)跟蹤和保護(hù)，因此絕對不會丟失。但是，令人不安的是，仍然有大量的關(guān)鍵資產(chǎn)遺失事故，有時是永遠(yuǎn)不能尋回。例如，《大眾機(jī)械》雜志報道100 多萬個F-35 戰(zhàn)斗機(jī)的零部件不翼而飛，估計總體價值至少達(dá)到8500萬美元。

戰(zhàn)斗機(jī)事件是一個示例，但如果擴(kuò)大到遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)谋姸辔锲?，要了解所有物品的下落就變得非常?fù)雜了。例如，根據(jù)statista 數(shù)據(jù)，全球約有6800萬個集裝箱用于運(yùn)輸貨物，任何一個集裝箱都可能裝有價值數(shù)百萬美元的制成品或材料。對于企業(yè)來說，追蹤這些資產(chǎn)是一場物流噩夢。然而，無線技術(shù)提供了答案。

使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和跟蹤

一種技術(shù)解決方案是全球定位系統(tǒng)(GPS)，它是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的主要組成部分。世界數(shù)十億人每天都要依靠GNSS幫助找路，現(xiàn)在它也為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，幫助追蹤可能丟失的貴重資產(chǎn)。

GPS由 24 顆衛(wèi)星組成，位于地球上空約兩萬公里處，其布局確保在地球上任何一點(diǎn)都能觀測到四顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星將它們的位置、狀態(tài)和精確的時間通過機(jī)載原子鐘傳送給地球上的GPS接收器。接收器記錄下信號的到達(dá)時間，然后計算與每顆衛(wèi)星的距離(利用信號發(fā)射和接收之間的時間差，再乘以光速)。然后就可以利用來自四顆衛(wèi)星的信息確定接收器在地球表面的位置。用戶將GPS接收器安裝在貴重物品上，就能隨時知道貨物的位置。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

然而，盡管GNSS系統(tǒng)設(shè)計精密，但仍存在一些問題。例如，不準(zhǔn)確的板載時鐘會導(dǎo)致計時錯誤。為了解決這些問題，GNSS系統(tǒng)會對多顆衛(wèi)星進(jìn)行比較，并使用算法來確定哪些時鐘出錯，然后將其重置。

出現(xiàn)其他問題的原因是，衛(wèi)星與地面接收器之間相對較弱的信號很容易受到干擾。地球表面的GPS平均信號強(qiáng)度僅為 -130 dBm(根據(jù) gps-repeaters.com報告)，成排的高樓大廈等障礙物(被稱為 "城市峽谷")會阻斷信號的傳輸。

即使在數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)那闆r下，也會出現(xiàn)所謂的多徑誤差。這些誤差包括信號在到達(dá)接收器之前被建筑物反射，從而造成時間誤差，導(dǎo)致位置信息不正確。地球大氣層的密度變化也會造成其他誤差，延遲或扭曲GNSS信號。

來自其他無線電源的電磁干擾(EMI)也會造成計時誤差。為了緩減這些問題，我們采用了濾波、相關(guān)性和信號功率測量等技術(shù)，以及電離層和對流層建模。但是，盡管可以使用這些技術(shù)，GNSS系統(tǒng)有時還是無法正常工作，物流企業(yè)需要其他方法來跟蹤物品。

利用Wi-Fi SSID掃描最大限度延長電池壽命

GNSS系統(tǒng)的另一個缺點(diǎn)是確定被跟蹤物品的初始位置可能需要幾分鐘時間，這對電池的損耗很大。使用輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(A-GPS)和預(yù)測全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(P-GPS)等技術(shù)可以減輕電源的負(fù)擔(dān)。這些方法由Nordic的 nRF云定位服務(wù)與該公司的nRF9160 SiP(一種多模蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案)共同提供支持，使用存儲在數(shù)據(jù)庫中的衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)。這些信息通過 LTE-M 或 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?nRF9160，從而加快了衛(wèi)星首次定位的速度并節(jié)省了功耗。

然而，即便使用A-GPS和P-GPS，GNSS對電池的要求仍然很高。這成為某些應(yīng)用的重要考慮因素，例如資產(chǎn)跟蹤器通常配備較小的電池，但仍需要較長的使用壽命。如果需要精確到幾米的定位精度，只有GNSS系統(tǒng)才能滿足要求，但如果需要幾十米的定位精度，也有其他方法可以降低功耗要求。

其中一種定位技術(shù)是 Wi-Fi 服務(wù)集標(biāo)識符(SSID)掃描，這種技術(shù)既能提供相當(dāng)精確的 GNSS 定位，又能降低功耗。每個 Wi-Fi 接入點(diǎn)(AP)網(wǎng)絡(luò)都有一個 SSID(接入點(diǎn)名稱的技術(shù)參考)。只要知道網(wǎng)絡(luò)的 SSID，就可以對照數(shù)據(jù)庫詳細(xì)了解其位置。

Wi-Fi芯片(如Nordic的nRF70系列協(xié)同IC)可以使用這種技術(shù)，通過掃描附近任何 Wi-Fi 接入點(diǎn)的 SSID 來確定位置。然后，協(xié)同nRF9160 SiP使用蜂窩連接將SSID (和其他有用信息)發(fā)送到nRF Cloud。然后，nRF Cloud會檢查一個或多個 Wi-Fi SSID數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)附近無線接入點(diǎn)的位置以及該位置的不確定度，向nRF9160或指示的其他地方返回被跟蹤物品的位置信息。

利用Wi-Fi定位在精度和電池壽命之間取得良好平衡

雖然GNSS的精確度無可匹敵，但如果可以接受稍低的定位精確度，而且電池壽命至關(guān)重要，或者在 GNSS 信號可能中斷的資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中，Wi-Fi SSID 定位是極佳的替代方案。

有了 Nordic 的 nRF91 和 nRF70 系列以及 nRF Cloud，資產(chǎn)追蹤器就可以很方便地在 GNSS 和 Wi-Fi 定位方法之間無縫切換，從而在定位精度和電池壽命之間進(jìn)行權(quán)衡，以期適應(yīng)各種使用狀況?，F(xiàn)在，昂貴的飛機(jī)部件或任何其他貴重資產(chǎn)的丟失都將有跡可循。