Les balises intelligentes exploitent le système sur puce Bluetooth pour des informations ML connectées

Aujourd'hui, les cycles de développement et de support des produits évoluent rapidement. Les produits embarqués qui détectent les défaillances logicielles et matérielles et donnent un aperçu du comportement des utilisateurs fournissent les données dont les ingénieurs ont besoin pour maintenir le fonctionnement des équipements et l'améliorer.

Cependant, tous les équipements industriels ne présentent pas un câblage permettant la connectivité aisée et la prise en charge de ces produits embarqués. Même les produits conçus pour l'Internet des objets (IoT) peuvent rencontrer des problèmes de connectivité tels que des interférences électromagnétiques (EMI), une bande passante limitée et de grandes longueurs de câbles.

L'émergence de la technologie de système sur puce (SoC) compatible Bluetooth offre aux ingénieurs une connectivité transparente et la puissance des microprocesseurs prenant en charge l'apprentissage automatique (ML) embarqué. Cette combinaison de connectivité et d'analyse intelligente est un outil précieux pour un cycle de conception et de support proactif plutôt que réactif.

La collecte intelligente de données transforme le développement et le support des produits

Le succès du développement et du support des produits repose sur des données d'utilisation. Les concepteurs qui ne savent pas comment les clients utilisent un produit, notamment les fonctionnalités dont ils dépendent et celles qui sont fastidieuses ou problématiques, auront du mal à itérer le produit vers une mise à niveau souhaitée par les utilisateurs. De même, le personnel de support ne peut résoudre les problèmes de manière adéquate que s'il connaît le comportement des utilisateurs, l'état du système, les conditions environnementales et d'autres données importantes survenues juste avant ou durant le problème.

Un produit doté de capacités de connectivité et d'analyse embarquées modernes peut optimiser l'itération de conception et le support. Les produits embarqués et les balises intelligentes peuvent détecter les conditions environnementales telles que la température, l'humidité et la pression barométrique, ainsi que l'accélération sur plusieurs axes, la lumière ambiante et les champs magnétiques. Les horodatages d'une horloge temps réel (RTC) permettent de corréler les données avec d'autres événements système, soit à l'aide d'analyses embarquées, soit lors du transfert vers un serveur cloud via Bluetooth.

Par exemple, une balise intelligente reliée à un système de mouvement linéaire dans un environnement industriel peut détecter que les vibrations augmentent lorsque l'humidité est élevée. Les processeurs embarqués peuvent alors diffuser une alerte aux ingénieurs de maintenance pour leur indiquer qu'une lubrification supplémentaire est nécessaire. Ce type de dépannage proactif réduit les temps d'arrêt des équipements et les coûts de maintenance.

Les concepteurs de produits peuvent également utiliser les données environnementales et de vibrations enregistrées pour améliorer les futures versions du système de mouvement linéaire. Par exemple, ils peuvent recommander un lubrifiant différent, plus résistant en conditions humides. Ils peuvent également repenser le système de lubrification afin de mieux le protéger contre les intempéries.

Défis et solutions de mise en œuvre

Afin de bénéficier des avantages d'une collecte de données améliorée dans un environnement IoT, les ingénieurs doivent optimiser la collecte et l'analyse des données. Tout transfert d'informations vers le cloud à des fins d'analyse présente une latence inhérente et réduit la sécurité des données. Les systèmes embarqués et les balises intelligentes permettent de remédier à ces problèmes en intégrant des capacités IA et ML dans les unités elles-mêmes. Ces systèmes Edge AI et TinyML contiennent des modèles logiciels réduits qui permettent aux processeurs d'effectuer des inférences intelligentes basées sur les données réelles qu'ils reçoivent.

Les capacités ML embarquées peuvent se résumer à la comparaison des données de vibrations, des données environnementales et d'un horodatage global, ou présenter un niveau de complexité suffisant pour prévoir les besoins de maintenance en fonction des tendances des données. Qu'il soit simple ou complexe, le module ML reçoit et traite les données en temps réel sans utiliser les ressources réseau, permettant d'obtenir des informations rapides et de minimiser la consommation d'énergie.

Néanmoins, les balises intelligentes et les systèmes embarqués doivent à terme communiquer leur état à d'autres dispositifs ou à un serveur via un réseau. De nombreux systèmes hérités sont conçus pour une connectivité série filaire avec des protocoles tels que PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen et Modbus RTU. Les équipements plus modernes s'appuient sur des protocoles Ethernet à faible latence tels que PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP ou Ethernet POWERLINK. Cependant, les communications série et Ethernet requièrent des câbles pour les données et l'alimentation dans les usines, avec les défis que cela implique en termes d'interférences électromagnétiques, de dégradation des signaux sur de grandes longueurs de câbles et d'investissements nécessaires pour prévenir les risques de chute et fournir des voies de circulation aux véhicules motorisés ou autonomes.

La communication radiofréquence (RF) à courte portée utilisant les protocoles Bluetooth permet de surmonter bon nombre de ces défis. Certaines versions de Bluetooth, comme Bluetooth Low Energy (BLE), sont conçues pour diffuser de puissants signaux jusqu'à 150 m grâce à l'alimentation fournie par une pile bouton, éliminant ainsi le besoin de câbles d'alimentation et de données.

Un signal BLE fonctionne dans la bande 2,4 GHz qui prend également en charge certains réseaux cellulaires et Wi-Fi. Bien que la bande partagée puisse entraîner des interférences réseau et une réduction de l'intégrité des signaux, elle constitue également la bande la plus fiable pour surmonter les obstacles en visibilité directe, tels que les murs et les équipements. Pour surmonter les problèmes de visibilité directe et d'interférences, de nombreux systèmes BLE peuvent être mis en réseau maillé afin d'utiliser le protocole Internet version 6 (IPv6) pour connecter les dispositifs BLE entre eux et au cloud (Figure 1). Des points d'accès Bluetooth stratégiquement placés peuvent également améliorer la puissance et l'intégrité des signaux au sein du réseau maillé.

Figure 1 : Les balises intelligentes et autres dispositifs peuvent se connecter au point d'accès le plus proche via Bluetooth sans appairage. Les points d'accès peuvent activer les réseaux maillés Bluetooth ou se connecter à des services cloud via Wi-Fi. (Source de l'image : Blecon LTD)

Les balises intelligentes allient analyse et mise en réseau

En associant la collecte de données, les moteurs d'inférences IA et ML et la connectivité réseau, les balises intelligentes compatibles Bluetooth fournissent des informations sur le fonctionnement des produits, le comportement des utilisateurs et la maintenance prédictive, même pour les équipements qui ne sont pas conçus pour les systèmes embarqués. Un exemple est le L02S-BCN de Blecon LTD (Figure 2).

Figure 2 : Les balises intelligentes L02S-BCN offrent une connectivité BLE, de multiples options de détection, des LED haute visibilité et une batterie remplaçable sur le terrain dans un boîtier IP67. (Source de l'image : Blecon LTD)

Les balises intelligentes L02S-BCN sont commandées par des SoC multiprotocoles série nRF54L15 (Figure 3) de Nordic Semiconductor. Ces puces combinent une radio 2,4 GHz multiprotocole prenant en charge les protocoles Bluetooth version 5.4, IEEE 802.15.3-2020 et 2,4 GHz à des vitesses de transmission de données atteignant 4 Mbps avec un processeur Arm® Cortex®-M33 de 128 MHz fonctionnant sur 256 Ko de RAM. La mémoire non volatile de 1,5 Mo peut stocker les mesures et les analyses des capteurs si la connectivité réseau n'est pas disponible.

Figure 3 : Les SoC multiprotocoles série nRF54L15 sont dotés de radios multifonctions, d'une sécurité PSA de niveau 3, d'un processeur de 128 MHz avec 256 Ko de RAM, ainsi que de périphériques matériels et logiciels prenant en charge l'Edge AI et l'apprentissage automatique. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

La puce nRF54L15 est dotée d'une sécurité intégrée conçue pour les systèmes IoT. Grâce à l'isolement TrustZone, à la protection contre les attaques par canal auxiliaire et aux protocoles de détection d'altération, elle est certifiée PSA de niveau 3. Ces systèmes garantissent que les données transmises à partir des balises L02S-BCN sont chiffrées pour un transfert sécurisé et que l'identité des nœuds réseau est vérifiée depuis le cloud via une communication bidirectionnelle.

Les puces nRF54L15 sont également dotées de périphériques intégrés qui permettent aux balises intelligentes L02S-BCN de collecter, d'analyser et de partager des données à partir de systèmes IoT. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) 14 bits convertit les signaux des capteurs de température, d'humidité, de pression barométrique, d'accélération et photosensibles en données numériques, tandis qu'une horloge RTC globale crée un horodatage pour chaque mesure. Cinq interfaces série, y compris SPI, TWI et UART, connectent les composants de traitement et de détection.

Outre ces options de capteurs physiques, les balises L02S-BCN agissent également comme des dispositifs embarqués, utilisant le logiciel Memfault pré-intégré sur des coprocesseurs RISC-V à norme ouverte pour détecter et signaler au cloud les pannes, les erreurs logicielles, l'état des batteries et le comportement des utilisateurs. Memfault gère également les mises à jour OTA (Over-The-Air), évitant ainsi le rappel des dispositifs déployés.

Les balises L02S-BCN démontrent également l'utilisation d'Edge Impulse, une plateforme Edge AI, pour fournir l'apprentissage automatique sans utiliser les ressources réseau. L'Edge AI supprime la latence et permet aux balises L02S-BCN de fonctionner avec des piles bouton CR2477 de 1000 mAh qui peuvent être remplacées sur le terrain. Les balises L02S-BCN, mesurant 69,9 mm de haut, 46,7 mm de large et 18 mm d'épaisseur, sont disponibles en boîtiers répertoriés IP67, résistant à la poussière et à une immersion dans 1 m d'eau pendant 30 minutes. Les balises peuvent être montées sur l'équipement à l'aide d'adhésif double face, de vis ou d'attaches.

Conclusion

Les balises intelligentes Bluetooth apportent détection, connectivité, Edge AI et apprentissage automatique aux applications industrielles et IoT. Alimentées par des SoC tels que le nRF54L15 de Nordic Semiconductor prenant en charge la collecte de données, l'analyse sans latence et les mises à jour OTA, les balises intelligentes comme le dispositif L02S-BCN de Blecon surmontent les obstacles de connectivité pour transformer les équipements déployés dans l'industrie en produits embarqués dotés de capacités ML.