Utiliser des plateformes compatibles Bluetooth 5.1 pour le suivi précis des actifs et le positionnement en intérieur - 2e partie

Note de l'éditeur : la première partie de cette série en deux parties décrit les fonctionnalités de la radiogoniométrie Bluetooth 5.1, un ajout au micrologiciel Bluetooth Low Energy permettant aux concepteurs de développer des applications de localisation basées sur l'angle d'arrivée (AoA) et l'angle de départ (AoD), par exemple pour les systèmes de suivi des actifs et de positionnement en intérieur (IPS). Cette deuxième et dernière partie explore les plateformes de développement et les systèmes sur puce (SoC) appropriés sur lesquels des applications de radiogoniométrie Bluetooth 5.1 peuvent être créées et configurées.

La dernière version de la spécification principale Bluetooth, la version 5.1, a offert aux développeurs une implémentation simplifiée des systèmes de suivi des actifs et de positionnement en intérieur (IPS). Plus particulièrement, la spécification ajoute une extension de ton continu (CTE) à un paquet Bluetooth pour permettre à un récepteur d'extraire des données « IQ » (les informations en phase et en quadrature de phase nécessaires au calcul de la position d'un émetteur-récepteur) à partir du signal RF, sans les effets perturbateurs de la modulation. En outre, il est désormais beaucoup plus simple pour le développeur de configurer le protocole pour réaliser l'échantillonnage IQ en utilisant l'interface de contrôleur hôte (HCI) pour configurer le contrôleur en vue d'un tel échantillonnage.

Toutefois, l'extraction de données IQ reste une tâche complexe et nécessite l'utilisation d'un réseau d'antennes bien conçu, associé à un microprocesseur sans fil. Même lorsque les données IQ ont été mises à disposition, elles doivent être traitées pour tenir compte de la réception à trajets multiples, de la polarisation du signal et des délais de propagation, du bruit et de la gigue avant de pouvoir calculer l'emplacement de l'émetteur.

Cet article décrit les éléments nécessaires à une solution pratique, puis présente les plateformes et les modules de développement appropriés de Dialog Semiconductor, Silicon Labs et Nordic Semiconductor, qui peuvent être utilisés pour créer des applications de radiogoniométrie Bluetooth 5.1. Enfin, l'article explique comment démarrer le prototypage, les tests et la vérification des conceptions sur ces plateformes.

Architecture de paquets Bluetooth 5.1

Les paquets Bluetooth 5.1 incluent une extension CTE comprenant des « 1 » numériques pour garantir que, pour cette partie du signal, l'antenne reçoit une fréquence constante (au lieu de la fréquence modulée normalement utilisée pour acheminer des données Bluetooth). De plus, cette chaîne de données n'est pas blanchie (c'est-à-dire décorrélée). Une radio Bluetooth Low Energy (LE) configurée de manière appropriée, recevant un paquet incorporant un signal CTE, poursuit en prélevant des échantillons IQ pendant la période CTE. Un échantillon IQ unique est constitué de l'angle de phase et de l'amplitude du signal représentés sous forme de coordonnées cartésiennes (Figure 1).

Figure 1 : Les applications de radiogoniométrie commencent par le dispositif Bluetooth LE récepteur qui prélève des échantillons IQ d'amplitude et d'angle de phase au cours de la partie CTE d'un paquet Bluetooth pour chaque antenne d'un réseau. Ces échantillons sont représentés sous forme de coordonnées (I,Q) cartésiennes. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

La spécification principale Bluetooth v5.1 détaille les modifications apportées au contrôleur Bluetooth LE qui permettent aux techniques AoA et AoD d'utiliser la communication connectée (« appairée ») ou sans connexion. Toutefois, l'AoA est généralement utilisé pour des applications connectées, telles que le suivi des actifs, tandis que l'AoD est utilisé avec des applications sans connexion telles que l'IPS.

La radiogoniométrie connectée utilise les paquets Bluetooth 5.1 standard avec l'extension CTE ajoutée à la fin. En revanche, la radiogoniométrie sans connexion utilise une extension CTE ajoutée aux paquets d'annonce périodiques Bluetooth (Figure 2).

Figure 2 : Structure des paquets Bluetooth 5.1 indiquant l'emplacement et la durée de l'extension CTE. Les applications connectées ajoutent l'extension CTE aux paquets standard tandis que les applications sans connexion utilisent un paquet d'annonce. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Dans les scénarios avec connexion et sans connexion, le développeur doit effectuer certaines étapes de configuration et d'installation pour initier les extensions CTE au niveau de l'émetteur et l'échantillonnage IQ au niveau du récepteur. Le choix des applications AoA ou AoD détermine le processus exact.

Construire une solution de radiogoniométrie

L'AoA convient aux applications telles que le suivi des actifs où l'émetteur est un élément mobile, comme une simple étiquette peu coûteuse, alors que les récepteurs (ou localisateurs) sont des points de référence fixes. L'avantage de cette implémentation est que l'étiquette n'a besoin que de transmettre les paquets du protocole Bluetooth 5.1 à l'aide d'une seule antenne (plutôt que d'un réseau) et qu'elle n'a pas à exécuter les algorithmes de calcul intensif qui déterminent en définitive l'emplacement de l'émetteur (voir la 1re partie).

Alors que la conception d'une étiquette dans un système de suivi des actifs suit des principes relativement simples de conception radiofréquence (RF), l'étiquette nécessite un émetteur-récepteur Bluetooth 5.1 afin de pouvoir configurer les paquets pour inclure des extensions CTE. Lors de la sélection d'un émetteur-récepteur, il est important de noter que l'extension CTE ne peut pas être envoyée via une couche PHY Bluetooth LE codée (la radio utilisée pour implémenter la fonction longue portée de la technologie Bluetooth 5) ; la couche PHY doit plutôt être de type non codé.

Certains produits commerciaux Bluetooth 5.1 sont disponibles, notamment le système sur puce Bluetooth 5 LE DA14691 de Dialog Semiconductor pour les applications de service de localisation. La puce est alimentée par un microprocesseur Arm^® Cortex^®-M33 et inclut 512 Ko de mémoire vive (RAM). Dialog a mis à disposition une pile Bluetooth 5.1 pour le DA14691. Silicon Labs a également lancé une pile Bluetooth 5.1 pour son système sur puce Bluetooth LE EFR32BG13. La puce utilise un microprocesseur Arm Cortex-M4 avec 64 Ko de mémoire RAM et 512 Ko de mémoire Flash. En outre, Nordic Semiconductor a franchi une étape supplémentaire en lançant une nouvelle solution matérielle et logicielle de « radiogoniométrie » sous la forme du nRF52811. Ce système sur puce Bluetooth LE est compatible Bluetooth 5.1 et intègre un microprocesseur Arm Cortex-M4 associé à la radio multiprotocole du dispositif haut de gamme nRF52840 de Nordic. La puce inclut 192 Ko de mémoire Flash et 24 Ko de mémoire RAM.

Ces dispositifs conviennent aux émetteurs et aux récepteurs d'une application de radiogoniométrie Bluetooth. Chacun prend en charge la transmission CTE et peut capturer des échantillons IQ à l'aide d'informations de niveau profil spécifiant la disposition de l'antenne de l'émetteur. Théoriquement, ces dispositifs peuvent également effectuer les calculs complexes nécessaires pour calculer l'angle d'incidence du signal radio entrant et, à partir de celui-ci, la position de l'émetteur-récepteur. Cependant, alors que les processeurs Arm Cortex-M33 et M4 utilisés par ces systèmes sur puce sont relativement puissants, s'ils sont simultanément supervisés par le protocole sans fil lors de l'exécution d'algorithmes complexes de radiogoniométrie, les performances de l'application pourraient être médiocres.

En fonction des performances et de la latence demandées dans l'application, les développeurs peuvent envisager un processeur auxiliaire, doté d'un accès à une mémoire RAM et à une mémoire Flash supplémentaires, spécifiquement pour le logiciel d'application. Le nRF52811 de Nordic, par exemple, est conçu pour interfacer avec un processeur auxiliaire via les interfaces I²C et SPI.

Un autre défi de conception réside dans le fait que, pour limiter les coûts, les systèmes sur puce Bluetooth LE ne disposent généralement ni des ports d'antenne multiples, ni de la capacité de commutation nécessaire pour traiter systématiquement chaque antenne du réseau. Par conséquent, un commutateur RF est nécessaire pour connecter le port unique de l'antenne du système sur puce Bluetooth LE aux multiples antennes du réseau et pour basculer d'une antenne à l'autre afin de collecter les données IQ de chacune (Figure 3).

Figure 3 : Dans un système de suivi des actifs de radiogoniométrie AoA, l'étiquette utilise une seule antenne et le système sur puce Bluetooth LE classique pour envoyer des paquets Bluetooth 5.1 avec CTE. Le calcul principal a lieu du côté du localisateur multi-antennes du système, où les données de signal recueillies par le localisateur sont transmises à un moteur de localisation qui exécute les algorithmes de radiogoniométrie. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Le récepteur (ou le localisateur) requiert un réseau d'antennes pour détecter, via les données IQ, la différence de phase du signal due à la différence de distance entre chaque antenne du réseau et la seule antenne émettrice. C'est la différence entre l'angle de phase à chaque antenne qui détermine l'AoA ou l'AoD.

La conception de l'antenne repose généralement sur l'un des trois types suivants : réseaux linéaires uniformes (ULA), réseaux rectangulaires uniformes (URA) et réseaux circulaires uniformes (UCA). La conception de réseaux d'antennes nécessite une grande expérience et il est souvent plus efficace de laisser le soin à un spécialiste tiers de configurer un réseau optimal et de proposer une nomenclature pour sa construction en volume, comme indiqué dans la 1re partie.

La configuration requise pour le réseau d'antennes, les processeurs auxiliaires, la mémoire supplémentaire et la gestion des antennes accroît la complexité du côté localisation de la solution de suivi des actifs, ainsi que son coût et sa consommation énergétique. L'avantage est que les localisateurs restent généralement dans des emplacements fixes et peuvent donc être alimentés par le secteur. Pour la plupart des solutions, relativement peu de dispositifs sont nécessaires par rapport au nombre d'étiquettes.

Les implémentations AoD sont un peu plus complexes. Dans ce scénario, c'est l'émetteur qui intègre le réseau d'antennes. Le récepteur effectue un échantillonnage IQ en prenant des mesures à partir de sa seule antenne et en utilisant les détails de la conception du réseau d'antennes de l'émetteur distant pour attribuer les mesures à des antennes particulières.

Dans l'implémentation AoD, les balises de localisation fixes nécessitent un émetteur-récepteur Bluetooth 5.1, un commutateur RF et plusieurs antennes pour transmettre le signal de balise, mais pas le processeur et la mémoire supplémentaires nécessaires dans les implémentations AoA, car aucune analyse de signal n'est effectuée de ce côté du lien. Cependant, le récepteur mobile, même s'il ne requiert qu'une seule antenne, a toutefois besoin du matériel et du logiciel pour effectuer les calculs de radiogoniométrie (Figure 4). Dans les applications IPS, par exemple, le récepteur est probablement un smartphone compatible Bluetooth 5.1, doté de ressources de processeur et de mémoire suffisantes pour mener à bien cette tâche.

Figure 4 : Dans un système IPS de radiogoniométrie AoD, les balises fixes utilisent des réseaux d'antennes pour envoyer des paquets Bluetooth 5.1 avec CTE. Le calcul principal a lieu sur le dispositif mobile, tel que le smartphone du consommateur. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Prototypage avec Bluetooth 5.1

Dialog Semiconductor, Silicon Labs et Nordic Semiconductor ont récemment axé leurs solutions sur les applications AoA et AoD qui transmettent l'extension CTE, reçoivent ces paquets et effectuent l'échantillonnage IQ. Il incombe ensuite au développeur de choisir les ressources (le matériel et le micrologiciel du moteur de localisation) qui sont nécessaires pour effectuer les calculs de radiogoniométrie. Cela devrait toutefois changer dans un proche avenir, à mesure que les fournisseurs lancent des solutions améliorées de radiogoniométrie.

Par exemple, chacune des sociétés propose des outils de développement prenant en charge le prototypage d'une étiquette dans une application de suivi des actifs AoA. Le processus de développement suit généralement celui d'un dispositif sans fil basse consommation conventionnel. Par exemple, un kit de développement, comprenant un émetteur-récepteur entièrement fonctionnel fourni par l'usine et basé sur le dispositif cible Bluetooth 5.1 et ses périphériques, est connecté à un PC ou Mac hébergeant un environnement de développement intégré (IDE) adapté et les outils logiciels du fournisseur de la puce pour permettre le développement d'applications.

Dans le cas de Dialog, la société conseille de baser le développement Bluetooth 5.1 sur le kit de développement DA14695-00HQDEVKT-P-ND. Le kit comprend une carte mère, une carte fille basée sur le système sur puce Bluetooth 5.1 DA14695 et des câbles pour la connexion à un PC. Le kit de développement prend également en charge les shields mikroBUS de MikroElektronika et d'Arduino, ainsi que les mesures de puissance.

Silicon Labs propose le kit de démarrage Gecko sans fil SLWSTK6006A. Ce kit de développement est fourni avec pas moins de six cartes filles EFR32BG21 basées sur le système sur puce Bluetooth 5.1, permettant le prototypage d'un système de suivi des actifs à plusieurs étiquettes. Le kit de développement est conçu pour être utilisé avec la solution Simplicity Studio de la société, qui prend en charge l'application Flex SDK et les outils de développement de logiciels de configuration.

L'offre de Nordic est la carte d'évaluation nRF52840-DK basée sur le système sur puce nRF52840 de la société, entièrement compatible avec le système sur puce nRF52811 Bluetooth 5.1. Le développement des applications et la configuration du système sont effectués via le kit SDK nRF5 de la société, un outil de développement logiciel pris en charge par plusieurs IDE courants. (Pour en savoir plus sur le développement d'applications BLE, consultez l'article DigiKey « Les outils et systèmes sur puce Bluetooth Low-Energy, compatibles avec Bluetooth 4.1, 4.2 et 5, répondent aux défis de l'IoT ».)

Bluetooth 5.1 ne transmet pas les paquets avec CTE et n'effectue pas d'échantillonnage IQ par défaut ; le développeur doit configurer le système pour ajouter ces fonctionnalités à l'aide des outils de développement du fournisseur. Les outils permettent d'accéder à l'interface de contrôleur hôte (HCI), qui est ensuite utilisée par l'hôte pour configurer le contrôleur pour la génération CTE et l'échantillonnage IQ.

Pour les scénarios sans connexion (type généralement utilisé par l'AoD), l'hôte exécute les étapes suivantes d'initialisation du contrôleur (Figure 5) :

1. Configurer l'annonce étendue
2. Configurer l'annonce périodique
3. Configurer la transmission CTE
4. Activer l'annonce CTE
5. Activer l'annonce périodique
6. Activer l'annonce étendue
7. Définir les données d'annonce

Figure 5 : Étapes d'initialisation du contrôleur effectuées par l'hôte pour les scénarios sans connexion (généralement utilisées par l'AoD). (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Les dispositifs de balayage conçus pour recevoir des données CTE et prélever des échantillons IQ transmis par l'annonceur doivent être configurés comme suit :

1. Configurer le balayage étendu
2. Lancer le balayage étendu
3. Synchroniser avec les paquets de synchronisation d'annonce périodique reçus
4. Activer l'échantillonnage IQ sans connexion

Avec les scénarios connectés, tels que ceux généralement utilisés par l'AoA, le dispositif maître ou esclave demande à l'autre dispositif d'envoyer des paquets avec des extensions CTE. Les demandes sont effectuées en envoyant un paquet de demande CTE de couche de liaison (LL) contenant un certain nombre de paramètres permettant de configurer la création de l'extension CTE. Si le dispositif distant ne prend pas en charge l'extension CTE, il en avertit le dispositif local et celui-ci n'envoie plus de demandes CTE avec la connexion en cours.

Le processus détaillé est comme suit. Le dispositif demandeur procède aux tâches suivantes :

1. Configuration des paramètres de réception CTE dans le contrôleur
2. Activation des demandes CTE dans le contrôleur
3. Réception et traitement des rapports IQ
4. Désactivation de la transmission de demande CTE lorsqu'elle n'est plus nécessaire

Le dispositif répondant procède aux tâches suivantes :

1. Configuration des paramètres de transmission CTE dans le contrôleur
2. Activation des réponses CTE dans le contrôleur
3. Réception et réponse aux demandes CTE de couche de liaison de l'autre dispositif

Dans la spécification Bluetooth 5.1, l'interface de contrôleur hôte propose une nouvelle commande, « Informations de lecture d'antenne LE », qui permet à l'hôte d'obtenir des informations sur les antennes prises en charge par son contrôleur. La procédure permettant d'obtenir des informations sur le réseau d'antennes d'un dispositif distant doit encore être définie.

Lors de l'échantillonnage IQ avec un réseau d'antennes, chacun des échantillons capturés doit être attribué à une antenne spécifique et l'échantillonnage doit être effectué de manière systématique. L'utilisation d'un modèle spécifié dans les commandes de configuration de l'interface de contrôleur hôte et le respect de règles de synchronisation strictes facilitent cette approche systématique. La manière dont ces règles sont appliquées et le dispositif auquel ces règles sont associées dépendent de l'application utilisée par l'AoA ou l'AoD, et de la transmission ou de la réception du dispositif. Par exemple, un dispositif émetteur avec une seule antenne envoie des paquets continus avec CTE. Toutefois, l'échantillonnage IQ est toujours effectué par le dispositif récepteur, quel que soit le nombre d'antennes qu'il utilise.

Le temps alloué au traitement CTE est divisé en une période de garde initiale de 4 µs, une période de référence de 8 µs, puis en une séquence d'intervalles de commutation, d'intervalles d'échantillons ou de paires de commutateurs et d'intervalles d'échantillons (Figure 6).

Figure 6 : Cet exemple illustre la commutation et l'échantillonnage pour une synchronisation de 1 µs et 2 µs pour une application AoA. Le dispositif émetteur avec une seule antenne émet des paquets avec CTE en continu, tandis que l'échantillonnage IQ est effectué par le dispositif récepteur selon une séquence de commutation et d'échantillonnage. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Pendant la période de référence, aucune commutation d'antenne ne se produit et huit échantillons IQ sont acquis. L'hôte peut éventuellement utiliser les échantillons de référence pour estimer la fréquence du signal et en déduire la longueur d'onde, améliorant ainsi la précision des calculs d'angle.^[1]

Conclusion

Les améliorations apportées à la spécification principale Bluetooth dans la version 5.1 génèrent les données brutes nécessaires à la radiogoniométrie à l'aide de l'extension CTE et de l'échantillonnage IQ. La spécification utilise des techniques d'ingénierie éprouvées pour déterminer la direction du signal et standardise les interfaces, les configurations et les interactions. Un autre avantage est que la direction précise est désormais interopérable entre tous les fournisseurs de puces proposant des solutions Bluetooth.

Les fabricants de puces ont rapidement proposé des solutions matérielles, des logiciels, des kits de développement et des kits de développement logiciel qui permettent aux développeurs de se familiariser rapidement avec la configuration de systèmes qui tirent parti de la radiogoniométrie Bluetooth. Le suivi des actifs commerciaux et les applications IPS exigent toujours un niveau élevé d'expertise en développement, en particulier dans la conception des réseaux d'antennes et du micrologiciel du moteur de localisation, mais les futurs profils de radiogoniométrie Bluetooth promettent d'atténuer ce défi.

Référence

1: Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, mars 2019.