Suivi précis, basse consommation et en temps réel des actifs en intérieur grâce à la radiogoniométrie Bluetooth

Par Bill Giovino

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Les usines, les entrepôts et les installations de fabrication utilisent de plus en plus des étiquettes pour suivre en temps réel la localisation d'actifs. Les données sont ensuite généralement intégrées dans un système approprié de contrôle des stocks IIoT (Internet industriel des objets) sur le cloud afin de permettre le suivi des actifs à distance. Cependant, hormis la communication en champ proche (NFC), la plupart des solutions de suivi des actifs dépendent d'étiquettes qui fonctionnent à l'aide de piles, ce qui nécessite de réduire la consommation d'énergie à un niveau aussi bas que possible. Par ailleurs, certaines solutions peuvent se révéler peu fiables et imprécises lorsqu'elles sont utilisées en intérieur.

Par exemple, les balises GPS ne sont pas fiables en intérieur, en particulier dans les bâtiments en acier et en béton. Les systèmes de localisation Bluetooth classiques se basent sur des informations RSSI (indicateur de longueur de signal reçu) qui, même si elles sont utiles, ne répondent souvent pas aux exigences de précision des concepteurs. Il convient donc de mettre en place une solution de suivi des actifs sans fil fiable, rentable, précise et alimentée par pile, capable d'être utilisée à l'intérieur tout en permettant une longue durée de vie des piles.

Cet article décrit le protocole de radiogoniométrie Direction Finding Bluetooth 5.1 et son fonctionnement afin de relever ces défis. Il présente ensuite un module Bluetooth économique de Silicon Labs prenant en charge ce protocole et montre comment il peut répondre à la fois aux exigences de précision et de basse consommation d'énergie d'un système de contrôle des stocks IIoT.

En quoi consiste le suivi des actifs et pourquoi est-il nécessaire pour l'IIoT ?

Les systèmes avancés de contrôle des stocks basés sur l'IIoT nécessitent un suivi en temps réel des actifs à partir du cloud, et ce, partout dans le monde. Les vastes entrepôts qui stockent des produits et des équipements de grande valeur peuvent nécessiter des balises de localisation pour le contrôle des stocks et la lutte contre le vol. Cela permet aux personnels des entrepôts ainsi qu'aux équipements de prélèvement automatisés de localiser rapidement et efficacement un article et de le préparer en vue de son expédition. Pour la gestion des stocks, l'existence et la localisation des actifs peuvent être facilement déterminées et documentées dans le cadre de rapports de situation réguliers. Il s'agit d'une méthode plus fiable pour fournir un état des stocks que celle qui consiste à examiner manuellement des manifestes d'expédition pour suivre les actifs entrants et sortants.

Outre les systèmes de gestion des stocks basés sur l'IIoT, le suivi en temps réel de la localisation des actifs est utilisé dans les systèmes de protection contre le vol. Si un article dans un entrepôt n'est pas censé être expédié, le système IIoT peut alerter la sécurité s'il est localisé à proximité d'une sortie. La localisation des actifs en temps réel peut également accélérer le service et la livraison dans un contexte où les attentes en matière de livraison le lendemain se transforment rapidement en attentes de livraison le jour même.

Pour le suivi des actifs en nombre, l'étiquette de localisation des actifs doit être rentable et bénéficier d'une longue durée de vie de la pile. Les étiquettes NFC n'utilisent pas de piles mais exigent que le récepteur se trouve à moins de 20 centimètres (cm) de l'étiquette, ce qui limite leur utilité. Les traceurs GPS ne sont pas fiables à l'intérieur car les signaux de suivi par satellite sont susceptibles d'être bloqués, notamment par des structures en acier et en béton.

Une solution courante de suivi des actifs repose sur la fonctionnalité de localisation par balise Bluetooth. Cette méthode permet de suivre l'emplacement d'une balise en comparant l'intensité du signal de référence codé dans le message de la balise à l'intensité du signal reçu. La position de la balise est ensuite triangulée à l'aide de trois récepteurs ou plus afin d'obtenir une approximation de sa localisation. Toutefois, cette approche ne garantit pas la précision requise pour les systèmes de gestion des stocks. En outre, la précision de la localisation peut être altérée par des changements au niveau de l'humidité, ainsi que par le mouvement d'objets tels que les chariots élévateurs, les travailleurs et les portes.

Radiogoniométrie Bluetooth

La solution réside dans la radiogoniométrie Bluetooth, une fonctionnalité incluse dans la spécification Bluetooth 5.1.

La radiogoniométrie Bluetooth permet de trianguler l'emplacement d'une étiquette d'actif à piles en fonction du déphasage du signal reçu au niveau de deux ou plusieurs antennes. Elle est donc précise à moins de 1 mètre (m) et constitue une solution de localisation rentable qui peut être utilisée de manière fiable à l'intérieur, tout en permettant des années de fonctionnement avec une seule pile bouton.

Dans le système de radiogoniométrie Bluetooth, un nouveau signal appelé CTE (extension à tonalité continue) est ajouté au paquet d'annonce standard de Bluetooth. Le CTE est une tonalité continue envoyée sur une fréquence calculée comme étant la fréquence Bluetooth + 250 Hz. Comme le CTE est indépendant des paquets de messages Bluetooth ordinaires, il n'interfère pas sur ces paquets et ne les retarde pas. Cela permet aux antennes de réception d'obtenir une position continue et ininterrompue en temps réel, et ainsi de résoudre le problème du suivi de la localisation en temps réel.

Angle d'arrivée et angle de départ

La radiogoniométrie Bluetooth utilise deux types de mécanismes de détection de la position par déphasage basés sur des antennes, appelés angle d'arrivée (AoA) et angle de départ (AoD) (Figure 1). La méthode AoA est utilisée lorsque des systèmes externes doivent assurer le suivi d'étiquettes individuelles. Une étiquette d'actif contenant un module compatible Bluetooth 5.1 ou ultérieur diffuse un signal CTE. Un récepteur Bluetooth dans la station de base avec deux antennes reçoit le signal d'arrivée. Le récepteur utilise la différence de phase entre les deux signaux échantillonnés reçus par les antennes pour calculer par triangulation la distance à l'étiquette d'actif.

Schéma des méthodes de radiogoniométrie AoA et AoD (cliquez pour agrandir)Figure 1 : Dans la méthode de radiogoniométrie AoA (à gauche), une étiquette d'actif diffuse son signal à un localisateur de station de base AoA Bluetooth qui mesure l'angle d'arrivée du signal au niveau de deux ou plusieurs antennes afin de déterminer l'emplacement de l'étiquette. Avec la méthode AoD (à droite), les stations de base Bluetooth transmettent des balises aux étiquettes d'actifs qui calculent leur propre position. (Source de l'image : Silicon Labs)

Pour éviter les erreurs d'échantillonnage dues à l'antirepliement, la distance entre les deux antennes de réception doit correspondre à la longueur d'onde de la fréquence de Nyquist du signal reçu, soit la longueur d'onde du signal reçu divisée par deux. Un signal Bluetooth d'environ 2,4 GHz correspondant à une longueur d'onde de 12,5 cm, la distance entre les deux antennes doit donc être de 6,25 cm maximum. En utilisant la différence de phase entre les signaux au niveau des deux antennes, la distance fixe connue entre les deux antennes et la configuration connue de ces dernières, il est possible de calculer la distance à l'étiquette d'actif.

Si un module d'antenne de réception supplémentaire est utilisé avec deux antennes présentant la même configuration que le premier module, il est possible de déterminer l'emplacement exact de l'étiquette d'actif dans l'espace 3D.

La méthode AoD est utilisée lorsque l'étiquette d'actif doit garder une trace de sa propre localisation. Avec la méthode AoD, l'étiquette correspond au récepteur Bluetooth, et la station de base à plusieurs antennes fait office d'émetteur Bluetooth. La station de base transmet un signal CTE à partir de chaque antenne. Le micrologiciel du récepteur connaît le nombre d'antennes, la distance fixe exacte entre chaque antenne, la configuration précise des différentes antennes, et il utilise les différences de phase entre les signaux reçus pour calculer sa propre position.

Pour un système de contrôle des stocks basé sur l'IIoT dans un entrepôt, il convient d'utiliser la méthode AoA pour les étiquettes d'actifs à piles fixées aux caisses ou aux conteneurs, tandis que la méthode AoD est plus appropriée pour les chariots élévateurs ou les équipements de prélèvement et d'emballage automatisés. Les chariots élévateurs et autres équipements de prélèvement et d'emballage automatisés sont très résistants et n'utilisent pas de pile, de sorte qu'ils peuvent transmettre leur position par Wi-Fi au concentrateur IIoT principal. Tout cela peut faire l'objet d'un suivi en temps réel dans une interface cloud IIoT.

Modules de radiogoniométrie Bluetooth basse consommation

Pour les applications de radiogoniométrie Bluetooth 5.2 basse consommation, Silicon Labs a mis au point la gamme de modules Bluetooth BGM220, conçus pour fournir une autonomie de 10 ans avec une seule pile bouton. La version BGM220PC22HNA2 se présente sous la forme d'un module émetteur-récepteur Bluetooth 5.2 avec une empreinte de 12,9 mm x 15,0 mm et un profil de 2,2 mm (Figure 2). Elle nécessite une alimentation de 1,8 V à 3,8 V, convenant aux applications pouvant fonctionner avec des piles boutons au lithium de 3,0 V à longue durée de vie, ainsi qu'avec des piles lithium-ion (Li-ion) rechargeables plus grandes de 3,6 V pour les dispositifs mobiles grand public. Elle peut fonctionner entre -40°C et +105°C, ce qui la prédestine tout particulièrement aux environnements difficiles tels que les usines et les entrepôts industriels.

Image du module Bluetooth 5.2 compact BGM220PC22HNA2 de Silicon LabsFigure 2 : Le BGM220PC22HNA2 est un module Bluetooth 5.2 compact qui prend en charge la radiogoniométrie Bluetooth et offre jusqu'à 10 ans d'autonomie avec une seule pile bouton. (Source de l'image : Silicon Labs)

La radio du BGM220PC22HNA2 fonctionne dans la bande des 2,4 GHz et émet 8 décibels référencés à 1 mW (dBm). Le module comprend tous les condensateurs et inductances de découplage nécessaires, ainsi que des oscillateurs de 38,4 MHz et 32,768 kHz, et une antenne intégrée monopuce céramique (Figure 3). Le module est basé sur un cœur Arm® Cortex®-M33 doté de 512 Ko de mémoire Flash et de 32 Ko de RAM.

Schéma du module Bluetooth BGM220PC22HNA2 de Silicon Labs (cliquez pour agrandir)Figure 3 : Le module Bluetooth BGM220PC22HNA2 dispose de tout le nécessaire pour prendre en charge une étiquette d'actif radiogoniométrique Bluetooth autonome, y compris une radio 2,4 GHz, une mémoire, un processeur Arm Cortex-M33 et un CAN. (Source de l'image : Silicon Labs)

Parmi les périphériques disponibles à des fins de personnalisation du micrologiciel figure un convertisseur analogique-numérique (CAN) 16 bits de 76,9 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s), lequel peut également être configuré pour fonctionner en tant que CAN 12 bits de 1000 Kéch./s. Jusqu'à 24 broches E/S sont disponibles pour la personnalisation du micrologiciel. Quatre temporisateurs de 16 bits et un de 32 bits sont disponibles pour synchroniser les événements liés au micrologiciel. Deux interfaces I2C peuvent accéder à des périphériques externes. Le BGM220P comprend également deux USART multifonctions qui peuvent être configurés de manière indépendante comme UART, SPI, interface de carte à puce, IrDA ou I2S. Cela confère une certaine souplesse dans la sélection des interfaces série tout en diminuant le nombre de broches.

Lorsque vous utilisez le BGM220PC22HNA2 dans une étiquette d'actif radiogoniométrique Bluetooth, l'application doit utiliser uniquement les périphériques nécessaires et couper l'alimentation de ceux qui ne sont pas utilisés afin de prolonger la durée de vie de la pile. Une configuration minimale d'étiquette d'actif ne contiendra donc que le BGM220PC22HNA2 avec une pile de 3,0 V dans un boîtier non métallique qui n'interfère pas avec la transmission des signaux Bluetooth. Des commutateurs externes peuvent être connectés aux broches d'entrée/sortie pour la personnalisation du démarrage, notamment le paramétrage de l'identification des étiquettes individuelles. Une ou plusieurs LED externes peuvent être utilisées, mais les concepteurs doivent être vigilants, car chaque LED représente une charge supplémentaire sur la pile. Dans l'idéal, les LED ne doivent être utilisées que pendant la configuration.

Développement d'applications de radiogoniométrie Bluetooth

Pour le développement d'applications avec la radiogoniométrie Bluetooth, Silicon Labs propose le kit de démarrage de module Bluetooth Gecko sans fil BGM220P SLWSTK6103A (Figure 4). Il comprend une carte radio enfichable servant de carte porteuse pour un module BGM220P. Au centre de la carte se trouve un écran LCD 128x128, sur lequel est affiché le logo de Silicon Labs avec du texte supplémentaire.

Sous l'écran LCD se trouvent deux boutons poussoirs programmables par micrologiciel. L'écran LCD peut être utilisé pendant le développement pour afficher les informations d'état, tandis que les boutons poussoirs permettent de contrôler le flux du micrologiciel. Le débogage est pris en charge par le connecteur USB. Des connecteurs supplémentaires sont disponibles pour prendre en charge le logiciel de surveillance de la consommation d'énergie de Silicon Labs, ce qui permet de régler l'application avec précision pour ne consommer que la puissance minimale nécessaire.

Image du kit de démarrage BGM220P SLWSTK6103A de Silicon LabsFigure 4 : Le kit de démarrage BGM220P SLWSTK6103A contient tout le nécessaire pour développer le micrologiciel d'un module BGM220P pour la prise en charge de la radiogoniométrie Bluetooth. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le SLWSTK6103A est également équipé d'un capteur de température et d'humidité. Dans le cas d'une étiquette d'actif radiogoniométrique Bluetooth, des capteurs environnementaux peuvent être reliés à une interface I2C afin de surveiller les conditions entourant l'étiquette et de transmettre une alerte par Bluetooth si les niveaux dépassent les seuils préprogrammés. Des broches E/S et périphériques supplémentaires sont disponibles pour les connecteurs d'embases. Le kit de démarrage peut être alimenté par une connexion USB externe ou par une pile bouton.

Conclusion

Le suivi des actifs en temps réel dans les systèmes de gestion des stocks basés sur l'IIoT requiert une solution précise, fiable, rentable, compacte et basse consommation. Comme illustré, la fonction de radiogoniométrie de la spécification Bluetooth 5.1 peut être rapidement intégrée dans une étiquette d'actif à l'aide de modules prêts à l'emploi afin de fournir le niveau requis de capacité et de performances de localisation en temps réel.

Lectures complémentaires

  1. Utiliser des plateformes compatibles Bluetooth 5.1 pour le suivi précis des actifs et le positionnement en intérieur - 1re partie
  2. Utiliser un SoC Bluetooth 5.2 avancé pour la conception de dispositifs IoT basse consommation sécurisés

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À propos de l'auteur

Bill Giovino

Bill Giovino est un ingénieur en électronique titulaire d'un BSEE de l'Université de Syracuse, et l'une des rares personnes à avoir réussi à passer de l'ingénierie de conception à l'ingénierie des applications sur le terrain et au marketing technologique.

Depuis plus de 25 ans, Bill œuvre à la promotion des nouvelles technologies devant un public technique et non technique pour de nombreuses entreprises, notamment STMicroelectronics, Intel et Maxim Integrated. Chez STMicroelectronics, Bill a contribué aux premiers succès de l'entreprise dans l'industrie des microcontrôleurs. Chez Infineon, Bill a orchestré les premiers succès de l'entreprise en matière de conception de microcontrôleurs dans l'industrie automobile américaine. En tant que consultant marketing pour son entreprise CPU Technologies, Bill a aidé de nombreuses entreprises à transformer des produits sous-performants en réussites.

Bill a été l'un des premiers à adopter l'Internet des objets, notamment en mettant la première pile TCP/IP complète sur un microcontrôleur. Bill pense que les ventes passent par l'éducation et accorde une importance croissante à une communication claire et bien écrite pour la promotion des produits en ligne. Il est modérateur du groupe populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing et parle couramment le B2E.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key