Nous connaissons tous les technologies de géolocalisation outdoor telle que la localisation satellites (GPS…), mais aujourd’hui, les entreprises cherchent des solutions de localisation intérieure fournissant une position précise d’objets ou de personnes. Or, les signaux radios émis par les satellites passent difficilement au travers des murs et des obstacles.
C’est donc pour répondre à cette demande grandissante et ses exigences particulières, que les industriels du marché de l’IIoT (Industrial Internet of Things) tendent à proposer des systèmes de positionnement d’intérieur (IPS : Indoor Positioning System) toujours plus performants. Nombre de ces solutions se basent sur des technologies déjà existantes, mais l’ajout de briques logicielles novatrices permet de proposer des systèmes de localisation indoor de plus en plus précis.
Les IPS utilisent des approches de positionnement qui varient grandement en termes de précision, de coût, d’évolutivité, de robustesse et de sécurité. Pour vous aider à choisir la solution la plus adaptée à votre besoin, voici quelques critères pertinents liés aux systèmes de localisation indoor : la précision de localisation, la couverture et sa résolution, le temps de rafraîchissement de la position, les coûts d’infrastructure ou encore, les erreurs inhérentes au type de technologie utilisée.
Afin de mieux comprendre la différence entre ces technologies de localisation indoor, nous vous proposons de commencer par étudier les différents principes physiques mis en œuvre.
Les principes physiques de positionnement classés en 5 catégories
Pour calculer l’emplacement d’un objet ou d’une personne, les algorithmes extraient les données de position des signaux radio circulant entre les nœuds de référence (position fixe et connue), servant de repère pour la localisation des nœuds mobiles. Cependant, tous n’utilisent pas les mêmes principes physiques. Nous pouvons les classer en 5 catégories principales :
- L’heure d’arrivée (TOA)
- L’angle d’arrivée (AOA)
- Le décalage horaire d’arrivée (TDOA)
- L’intensité du signal reçu (RSSI)
- Les systèmes hybrides (mixe de plusieurs mesures liées aux différents principes physiques)
Maintenant que vous savez quels sont les critères à prendre en compte et que vous avez en tête les différents principes physiques de localisation, nous vous proposons de découvrir plus en détail 4 technologies de localisation indoor.
La RFID Active pour une localisation par zones
La technologie RFID Active n’a pas été initialement développée pour des applications de localisation. Néanmoins, la norme ISO 18000-7 (Dash7), a défini une technologie RFID Active fonctionnant sur deux bandes de fréquences (hautes et basses) permettant de réaliser une localisation par zone ou plus précisément par points de passage.
Le système RFID actif se compose de transpondeurs (aussi appelé tags) et d’un ou plusieurs interrogateurs. Lorsqu’une personne ou un objet équipé d’un tag passe dans la zone d’un interrogateur, celui-ci active le tag en question via des signaux basse fréquence. Celui-ci déclenche une émission radio contenant les identifiants de l’interrogateur et du tag. L’émission UHF est captée et lue par un lecteur prévu à cet effet.
En savoir plus sur la différence entre RFID active et passive.
En matière de localisation indoor, la RFID active peut être très efficace. En effet, en émettant des signaux basse fréquence (125 kHz), cette technologie permet de localiser en intérieur lors d’un passage dans la zone couverte par l’interrogateur et ce, malgré la présence d’obstacles.
Ce système de positionnement intérieur avantageux pour la localisation de personnes et d’objets à courte portée, répond à de nombreuses applications industrielles telles que, la sécurité des travailleurs isolés, le contrôle d’accès des véhicules ou encore la localisation d’engins de logistique dans un entrepôt.
Avantages
- Meilleure précision par rapport aux technologies UHF (Ultra High Frequency)
- Fiable en présence d’obstacles
- Scénario d’application unique
- Efficacité énergétique permettant une durée de vie très élevée des tags
- Une simplicité d’installation ne nécessitant pas d’infrastructure lourde
Inconvénients
- Courte portée opérationnelle (5 à 15m)
- Nécessité d’avoir des supports fixes pour placer les lecteurs et antennes
- L’affinage du réseau dépend de l’environnement
Localisation basée sur l’intensité des signaux reçus (RSSI) en réseau Mesh
Un réseau maillé (Mesh) a pour vocation la mise en réseau d’un nombre important d’objets connectés en s’appuyant sur une infrastructure très simple ne nécessitant aucun contrôleur central. Pour faire remonter une information, les appareils communiquent entre eux les données sur plusieurs rebonds. Données, qui sont rassemblées sur une passerelle (aussi appelée gateway) qui remonte à son tour les informations brutes sur un serveur.
Certains fournisseurs de solutions comme Wirepas, ont développé des briques logicielles innovantes permettant d’optimiser la gestion du réseau d’objets connectés. Ainsi, cela permet d’apporter de l’intelligence dans la prise de décision locale, garantissant un fonctionnement toujours optimisé, ainsi qu’une adaptabilité aux changements d’environnement et de réseau inégalée.
Dans le cadre de la localisation indoor, la technologie Wirepas Mesh s’appuie sur un réseau maillé de beacons/tags fixes et mobiles. Les premiers, aussi appelés ancres ou noeuds fixes, sont installés à intervalles réguliers (25 mètres) sur l’ensemble du site à couvrir et fournissent des points de référence pour le calcul de la localisation. Les seconds, quant à eux, mobiles, sont positionnés directement sur les personnes et sur les équipements industriels à localiser.
Tel que précisé plus haut, les beacons vont communiquer entre eux par rebond et remonter des informations brutes sur une passerelle/gateway, ce qui va permettre d’éviter la congestion des données.
L’outil Wirepas Positioning Engine, va ensuite, transformer les données brutes en coordonnées GPS (latitude et longitude) sur la base de l’intensité des signaux reçus par les différentes ancres. Facilitant ainsi, la visualisation de la position et des déplacements de chaque personne ou objet équipé d’une balise mobile (nœud mobile). Le tout, avec une précision de 5 à 10 mètres.
Ces données pouvant être lues sur toutes les plateformes IoT du marché, ainsi que sur des applications web métiers propriétaires, cette technologie répond à de nombreux cas d’usages, tels que la sécurité des travailleurs isolés, l’optimisation de parcs d’équipements industriels et logistiques , la gestion du parcours des patients dans les centres hospitaliers ou encore, le monitoring de bâtiment.
Grâce à son infrastructure d’objets autonomes sur batterie, le déploiement de ce système de positionnement indoor est très simple. En effet, l’installation se limitant à placer des ancres et d’équiper les personnes ou les objets de beacons mobiles. Cette solution de localisation intérieure ne nécessitant aucun câblage, son coût total d’acquisition est par conséquent, l’un des plus compétitifs du marché.
Avantages
- Permet de connecter des centaines d’appareils sans interférence
- La taille du réseau est évolutive
- La couverture totale du réseau est illimitée
- Les messages sont protégés et ne peuvent être modifiés
- Le client détient les données et y a accès à tout moment
- Installation ultra simple et faible coût d’infrastructure
Inconvénients
- Autonomie moyenne des beacons notamment lorsque la position est rafraîchie de manière soutenue
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dédiés à la localisation indoor
Le calcul du temps de vol (TOA) en Ultra Wideband Positioning, pour une localisation ultra précise
La technologie Ultra Wideband (UWB) permettant une communication à largeur de bandes élevées et ce à courte portée, celle-ci était à l’origine utilisée pour l’imagerie radar. Aujourd’hui, la capacité de l’Ultra Wideband à atteindre des débits jusqu’à 100 mégabits par seconde (Mbps), ainsi que ses formes d’impulsions extrêmement courtes, font de cette technologie, une des solutions de localisation, les plus précises du marché. En effet, la fréquence des impulsions UWB, ainsi que son système de triangulation de l’information par temps de vol (TOA), permettent au signal de franchir facilement les obstacles tels que les murs et les objets. Ceci améliore considérablement la précision de positionnement, pouvant aller jusqu’à quelques centimètres.
Par ailleurs, cette technologie inventée par l’armée américaine, a la capacité, grâce à la largeur de son spectre de fréquences, de ne pas interférer avec les autres communications radios assurant, ainsi une compatibilité maximale avec des appareils et technologies tiers.
Avantages
- Précision de localisation <1m
- Pas besoin de ligne de vue directe
- Technologie très peu affectée par les autres dispositifs de communication ou par le bruit externe
Inconvénients
- Coût d’acquisition important
- Coût d’installation important
Le principe d’Angle d’Arrivée (AOA), pour une localisation en temps réel à faible consommation d’énergie
La technologie de positionnement par angle d’arrivée calcule les angles formés entre une antenne et un beacon dans un référentiel 3D. Le beacon envoie un signal radio à l’antenne qui va calculer sa position exacte en fonction de l’angle d’élévation du tag par rapport à l’axe vertical de l’antenne, mais également, en fonction du point d’intersection entre l’axe vertical du beacon et l’axe horizontal de l’antenne.
Certains fournisseurs de solution RTLS (Real Time Locating System), comme QUUPPA, proposent un mixe technologique, basé sur l’association du principe physique lié au RSSI, du protocole Bluetooth Low Energy (2,4 GHZ ISM) et sur celui de la détection par angle d’arrivée (AOA) du signal. Ce concept unique permet d’obtenir une précision de positionnement supérieure aux autres technologies basées sur la force du signal (RSSI) allant ainsi jusqu’à moins d’un mètre.
En savoir plus sur le Bluetooth Low Energy.
De plus, l’utilisation du protocole standard BLE permet non seulement d’optimiser la consommation d’énergie des beacons et des coûts de maintenance, mais facilite également l’utilisation de cette technologie. Néanmoins, il est important d’avoir en tête que l’ajout de la brique logicielle QUUPPA demande une intégration et des connaissances plus poussées qu’une simple connexion Bluetooth.
Cette technologie est aujourd’hui déployée dans de nombreux secteurs, comme les sports collectifs pour calculer la position exacte des joueurs ou encore dans l’univers médical, pour suivre les déplacements des équipements. Découvrez quelques uses case RTLS par angle d’arrivée.
Avantages
- Précision du positionnement < 50 cm
- Mise à jour en temps-réel (informations traitées en moins de 100 ms)
- Longue durée de vie des batteries
- Adaptable selon la taille du projet (de quelques tags à plusieurs centaines de milliers)
Inconvénients
- Infrastructure relativement importante (antennes, câblages, serveur, etc.)
- Coûts d’installation plus élevés par rapport à d’autres technologies de localisation
Ce qu’il faut retenir
Vous l’aurez compris, le positionnement indoor est aujourd’hui un enjeu majeur que ce soit en milieu industriel, en milieu hospitalier ou encore dans l’univers sportif. Dans une recherche permanente d’optimisation de la performance, diverses technologies de localisation se développent offrant de nombreuses possibilités.
A noter que, le choix technologique doit se faire en fonction de l’usage et des besoins métier. Tous les paramètres doivent alors être pris en compte, et notamment ceux des coûts d’acquisition et d’installation par rapport à la précision de positionnement attendue. En effet, si vous souhaitez localisez des équipements de grande taille, vous n’aurez pas forcément la nécessité d’avoir une localisation à 30 centimètres près. Dans ce cas, il sera préférable de s’orienter vers une solution plug and play, facile à installer et moins coûteuse, plutôt qu’une solution demandant des investissements lourds en infrastructure.
Ci-dessous, retrouvez un tableau comparatif des quelques technologies évoquées dans cet article.
*Les coûts augmentent en fonction du degré de précision souhaité.
BONZOM Pierre
CEO
Agrégé en Physique appliquée, détenteur d’un doctorat en Robotique, Pierre BONZOM a fondé la société ELA Innovation en 2000 avec pour valeurs l’innovation, la responsabilité et la qualité. En 19 ans d’expérience, il a su s’entourer des collaborateurs ayant le même objectif et la même vision que lui pour faire d’ELA Innovation un acteur majeur sur le marché européen de l’identification par radio fréquence.
