Comment tirer rapidement parti de Bluetooth AoA et AoD pour le suivi logistique en intérieur

Le suivi des actifs en temps réel dans les entrepôts et les usines est un aspect important de l'Industrie 4.0. Diverses technologies sont disponibles pour déployer des services de localisation en temps réel (RTLS) afin de suivre les actifs et d'améliorer les systèmes logistiques. Les systèmes de positionnement mondiaux (GPS) sont largement utilisés pour les implémentations RTLS en extérieur, mais les signaux ne sont pas toujours disponibles à l'intérieur des bâtiments. Le Wi-Fi est une autre possibilité, mais la précision est généralement limitée, la consommation d'énergie est élevée et le déploiement peut être coûteux. La radio-identification (RFID) est une technologie basse consommation avec une précision convenable, mais elle a tendance à être coûteuse. Les installations RTLS Industrie 4.0 se tournent de plus en plus vers les techniques de radiogoniométrie Bluetooth 5.1 car elles combinent un positionnement de haute précision en intérieur, une basse consommation d'énergie, un faible coût de matériel Bluetooth et un faible coût de déploiement.

Il peut être tentant pour les développeurs de concevoir des systèmes RTLS Bluetooth à partir de zéro. Malheureusement, l'obtention des informations en phase et en quadrature (IQ) radiofréquence (RF) des données d'angle d'arrivée (AoA) et d'angle de départ (AoD) nécessaires pour calculer la position d'un émetteur-récepteur à partir du signal RF est difficile et nécessite l'intégration de plusieurs antennes. Même si les données AoA et AoD peuvent être capturées, les calculs de localisation peuvent être compliqués par de nombreux facteurs, y compris la propagation par trajets multiples, la polarisation du signal, les délais de propagation, la gigue, le bruit et plus, avant que l'emplacement de l'élément suivi puisse être déterminé avec précision.

Alternativement, les concepteurs peuvent se tourner vers des systèmes sur puce (SoC) sans fil Bluetooth, des modules RF et des antennes pour une utilisation dans les applications RTLS Industrie 4.0. Cet article passe brièvement en revue les compromis de performances des différents choix technologiques RTLS et décrit comment la localisation Bluetooth AoA et AoD est mise en œuvre. Il présente ensuite les SoC Bluetooth et les modules RF qui incluent le logiciel requis pour implémenter rapidement un service RTLS basé sur les angles AoA et AoD, ainsi que les antennes correspondantes de Silicon Labs et u-blox. Des kits d'évaluation permettant d'accélérer davantage la mise sur le marché sont également présentés.

Les technologies RTLS en intérieur les plus fréquemment utilisées sont mises en œuvre à l'aide de Wi-Fi et de Bluetooth (Tableau 1) :

• La technique de Wi-Fi fingerprinting utilise une base de données contenant l'emplacement et l'identifiant de la station de base (BSSID) de chaque point d'accès (AP) Wi-Fi dans un bâtiment. Une balise d'actifs analyse l'environnement Wi-Fi et signale la liste des points d'accès Wi-Fi et l'intensité des signaux associés. La base de données de l'enquête est ensuite utilisée pour estimer la position probable de la balise. Cette technique ne permet pas d'obtenir un RTLS de haute précision.
• Le temps de vol (ToF) Wi-Fi est plus précis. Il mesure le temps qu'il faut aux signaux Wi-Fi pour circuler entre les dispositifs. Le temps de vol requiert un déploiement dense de points d'accès pour améliorer la précision du RTLS. Les deux méthodes, ToF et fingerprinting, sont très coûteuses et très gourmandes en énergie.
• L'indicateur de longueur de signal reçu (RSSI) Bluetooth prend en charge le service RTLS en permettant aux dispositifs de déterminer leur distance approximative par rapport aux balises Bluetooth proches en comparant l'intensité du signal reçu avec les positions connues des balises. L'indicateur RSSI consomme moins d'énergie et est moins coûteux que les méthodes Wi-Fi fingerprinting ou ToF, mais sa précision est limitée. Sa précision peut être encore plus réduite par des facteurs environnementaux tels que les niveaux d'humidité et les robots, ou des personnes se déplaçant dans une usine et interférant avec les niveaux de signaux Bluetooth.
• Bluetooth AoA est la technologie RTLS en intérieur la plus récente et la plus précise. En plus d'offrir une haute précision, cette technologie consomme relativement peu d'énergie et est peu coûteuse. Toutefois, sa mise en œuvre est plus complexe que celle des autres solutions.

Tableau 1 : Le système RTLS en intérieur peut être mis en œuvre à l'aide de diverses techniques Wi-Fi et Bluetooth qui offrent des compromis entre précision, consommation d'énergie et coût. (Source du tableau : u-blox)

Les solutions RTLS Bluetooth AoA et AoD reposent sur des réseaux d'antennes pour estimer la position d'un actif (Figure 1). Dans une solution AoA, l'actif envoie un signal de radiogoniométrie spécifique depuis une seule antenne. Le dispositif de réception est doté d'un réseau d'antennes et mesure la différence de phase des signaux entre les diverses antennes, causée par les distances différentes de chaque antenne par rapport à l'actif . Le dispositif de réception obtient les informations IQ en permutant entre les antennes actives du réseau. Les données IQ sont ensuite utilisées pour calculer l'emplacement de l'actif. Dans une solution AoD, la balise de localisation à laquelle la position est déterminée transmet le signal à l'aide de plusieurs antennes dans un réseau et le dispositif de réception dispose d'une seule antenne. Le dispositif de réception utilise plusieurs signaux pour déterminer les données IQ et estimer la position. L'AoA est souvent utilisé pour suivre la position des actifs, tandis que l'AoD est la technique privilégiée pour permettre aux robots de déterminer où ils se trouvent dans une installation avec une bonne précision et une faible latence.

Figure 1 : Les réseaux d'antennes constituent la base des implémentations RTLS Bluetooth AoA et AoD. (Source de l'image : Silicon Labs)

Le concept de base pour le suivi RTLS basé AoA est simple : Θ = arccos x ((différence de phase x longueur d'onde) / (2 π x distance entre les antennes)) (Figure 2). Les applications concrètes sont plus compliquées et doivent tenir compte des temps de propagation des signaux causés par des variables environnementales, des signaux à trajets multiples, des variations de polarisation des signaux et d'autres facteurs. En outre, lorsque des antennes sont utilisées dans un réseau, elles peuvent subir un couplage mutuel et affecter leurs réponses respectives. Enfin, il peut être très difficile de développer les algorithmes nécessaires pour prendre en compte toutes ces variables et les mettre en œuvre de manière efficace dans une solution à délai critique dans un environnement embarqué aux ressources limitées. Heureusement pour les développeurs, les solutions Bluetooth AoA et AoD complètes incluent la collecte et le prétraitement des données IQ, la suppression des composants à trajets multiples, la compensation des facteurs environnementaux et le couplage mutuel entre les antennes.

Figure 2 : L'équation permettant de déterminer l'AoA (en haut à droite) utilise la différence de phase des signaux entrants, la longueur d'onde des signaux et la distance entre les antennes adjacentes. (Source de l'image : u-blox)

SoC pour Bluetooth AoA et AoD

Les développeurs peuvent se tourner vers des SoC tels que l'EFR32BG22C222F352GN32-C de Silicon Labs pour implémenter des réseaux Bluetooth 5.2 et l'AoA et l'AoD. Ce SoC fait partie de la gamme EFR32BG22 Wireless Gecko qui comprend un cœur Arm® Cortex®-M33 32 bits avec une fréquence de fonctionnement maximum de 76,8 MHz plus un cœur radio écoénergétique de 2,4 GHz avec de faibles courants actifs et de veille et un amplificateur de puissance intégré avec une puissance d'émission (TX) jusqu'à 6 décibels mètres (dBm) dans un boîtier QFN32 de 4 millimètres (mm) × 4 mm × 0,85 mm (Figure 3). Il inclut le démarrage sécurisé avec racine de confiance et chargeur sécurisé (RTSL). Les autres fonctionnalités de sécurité incluent l'accélération cryptographique matérielle pour AES128/256, SHA-1, SHA-2 (jusqu'à 256 bits), ECC (jusqu'à 256 bits), ECDSA et ECDH, ainsi qu'un générateur de nombres véritablement aléatoires (TRNG) conforme à NIST SP800-90 et AIS-31. De plus, selon le modèle, ces SoC offrent jusqu'à 512 Ko de mémoire Flash et 32 Ko de RAM, et sont disponibles en boîtiers QFN40 de 5 mm × 5 mm × 0,85 mm, et TQFN32 de 4 mm × 4 mm × 0,30 mm, en plus du boîtier QFN32.

Figure 3 : Les SoC Bluetooth EFR32BG22 Wireless Gecko, qui prennent AoA et AoD en charge, sont disponibles en boîtier QFN32 de 4 mm × 4 mm × 0,85 mm. (Source de l'image : Silicon Labs).

Le kit pro sans fil BG22-RB4191A inclut une carte de radiogoniométrie basée sur le SoC EFR32BG22 Wireless Gecko 2,4 GHz et un réseau d'antennes optimisé pour une radiogoniométrie précise pouvant accélérer le développement d'applications RTLS basées sur Bluetooth 5.1 avec les protocoles AoA et AoD (Figure 4). La carte mère est dotée de plusieurs outils pour faciliter l'évaluation et le développement d'applications sans fil, notamment :

• Débogueur J-Link intégré pour la programmation et le débogage sur le dispositif cible via Ethernet ou USB
• Mesures du courant et de la tension en temps réel à l'aide du moniteur d'énergie avancé
• Interface de port COM virtuel fournissant une connexion de port série via Ethernet ou USB
• Interface de suivi des paquets fournissant des informations de débogage sur les paquets de données sans fil reçus et transmis

Figure 4 : Le kit pro sans fil BG22-RB4191A avec le SoC EFR32BG22 Wireless Gecko et un réseau d'antennes peut accélérer le développement d'applications RTLS AoA et AoD. (Source de l'image : Silicon Labs)

Modules pour Bluetooth AoA et AoD

u-blox propose des modules Bluetooth avec et sans antennes intégrées prenant AoA et AoD en charge. Pour les applications qui bénéficient d'un module sans antenne intégrée, les concepteurs peuvent se tourner vers la série NINA-B41x, notamment le NINA-B411-01B, basé sur le circuit intégré nRF52833 de Nordic Semiconductor (Figure 5). Ces modules incluent un cœur RF intégré et un processeur Arm® Cortex®-M4 à virgule flottante, et fonctionnent dans tous les modes Bluetooth 5.1, y compris AoA et AoD. Avec une plage de températures de fonctionnement s'étendant de -40 degrés Celsius (°C) à +105°C, ces modules sont bien adaptés aux applications RTLS en environnements industriels. De plus, grâce à leur plage de tensions d'entrée de 1,7 V à 3,6 V, ils sont utiles dans les systèmes alimentés par batterie à une cellule.

Figure 5 : Les modules série NINA-B41x prennent en charge des solutions RTLS compactes utilisant des antennes externes. (Source de l'image : DigiKey)

La série NINA-B40x de u-blox, notamment le NINA-B406-00B, inclut une antenne de piste de circuit interne intégrée dans la carte à circuit imprimé du module de 10 mm x 15 mm x 2,2 mm (Figure 6). Les modules NINA-B406 peuvent délivrer jusqu'à +8 dBm de puissance de sortie. Outre la prise en charge des modes Bluetooth 5.1, y compris AoA et AoD, ces modules prennent en charge les protocoles 802.15.4 (Thread et Zigbee) et 2,4 GHz propriétaire de Nordic, permettant aux concepteurs la standardisation sur un seul module pour un vaste choix de conceptions de dispositifs IoT.

Figure 6 : Les applications AoA et AoD qui bénéficient d'une antenne intégrée peuvent utiliser les modules de la série NINA-B40x. (Source de l'image : DigiKey)

Pour accélérer la mise sur le marché, les concepteurs peuvent utiliser le kit d'exploration XPLR-AOA-1 de u-blox qui permet l'expérimentation avec la fonction de radiogoniométrie Bluetooth 5.1 et la prise en charge des fonctions AoA et AoD. Ce kit d'exploration comprend une balise et une carte d'antenne avec un module Bluetooth LE NINA-B411 (Figure 7). La balise est architecturée autour d'un module Bluetooth NINA-B406 et inclut un logiciel permettant d'envoyer des messages d'annonce Bluetooth 5.1. La carte d'antenne est conçue pour recevoir les messages et appliquer un algorithme de calcul d'angle pour déterminer la direction de la balise. Les angles sont calculés en deux dimensions à l'aide du réseau d'antennes de la carte.

Figure 7 : Le kit d'exploration XPLR-AOA-1 inclut une balise (à gauche) et une carte d'antenne (à droite) pour prendre en charge l'évaluation de Bluetooth AoA et AoD. (Source de l'image : u-blox)

La flexibilité du kit XPLR-AOA-1 permet aux concepteurs d'explorer une variété d'applications, telles que :

• Détecter si un objet approche d'une porte
• Permettre à une caméra de suivre un actif se déplaçant dans une pièce
• Suivre des marchandises franchissant une porte ou une position spécifique
• Éviter les collisions entre robots ou véhicules à guidage automatique

En outre, un système de positionnement plus complexe peut être créé en utilisant plusieurs kits XPLR-AOA-1 et en triangulant les directions depuis trois cartes d'antenne ou plus.

Résumé

Les technologies Bluetooth AoA et AoD peuvent permettre des implémentations RTLS précises et rentables pour l'Industrie 4.0. Les concepteurs peuvent sélectionner des SoC et des modules qui incluent le logiciel nécessaire pour mettre en œuvre rapidement le logiciel complexe requis pour déployer Bluetooth AoA et AoD. Ces SoC et modules sont optimisés pour une basse consommation d'énergie afin de prendre en charge les balises de localisation alimentées par batterie, et ils sont conçus pour fonctionner en environnements industriels difficiles.