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Capteurs Bluetooth à Longue Portée

Pour la plupart, la technologie radio Bluetooth est synonyme de diffusion de musique sur des haut-parleurs lors d'une fête d'été ou de la possibilité de prendre un appel mains libres dans notre voiture. Pour d'autres, ce sera la technologie permettant à leur montre intelligente de communiquer leur fréquence cardiaque et l'efficacité de leur entraînement en salle de sport. Beaucoup ne prévoient pas comment la technologie radio Bluetooth imprégnera de nouveaux domaines dans la surveillance industrielle, l'éclairage, la santé et l'agriculture avec une croissance perturbatrice grâce aux mises à jour stratégiques des spécifications de base permettant une portée radio beaucoup plus longue.

Nous avons tendance à considérer Bluetooth comme une radio locale utilisée pour connecter des écouteurs et des haut-parleurs dans une seule pièce ou autour du barbecue, mais saviez-vous que les derniers modules Bluetooth peuvent créer une liaison radio avec une portée allant jusqu'à 3,2 kilomètres (2 miles) ? Pour beaucoup, ce sera une surprise de découvrir cette nouvelle capacité.

Extending your sensor range…

Bluetooth prend en charge une nouvelle fonctionnalité longue portée qui ouvre la porte à de nouvelles applications et produits passionnants dans le domaine des capteurs connectés à l'IoT.

Dans ce court article, je souhaite expliquer les éléments qui contribuent à créer des produits connectés à longue portée tels que ceux sur lesquels nous travaillons chez Motsai. Je souhaite également développer les facteurs qui contribuent à la performance des produits à plus longue portée et les éléments nécessaires pour considérer l'architecture des futurs capteurs permis par cet ajout à la technologie Bluetooth. Enfin, je souhaite profiter de l'occasion pour partager de nombreux résultats de mesure de portée étendus de l'équipe de Fanstel qui a passé un temps considérable à peaufiner les modules radio Bluetooth et leurs antennes pour construire des blocs de construction solides pour des nouveaux produits.

Pourquoi Bluetooth?

Dans l'adoption de la technologie, il existe un concept appelé « effet de réseau ». À mesure que les entreprises et les utilisateurs adoptent et exploitent une technologie donnée, cela crée une valeur croissante pour cette technologie. Grâce à de nombreuses années d'évolution, d'améliorations et de suivis stricts de leurs standards d'adoption, Bluetooth bénéficie désormais d'une chaîne d'approvisionnement toujours plus riche en radios hautes performances et en solutions logicielles qui renforcent continuellement leur valeur sur le marché. Du point de vue d'un concepteur de produits, cela signifie que de nombreux fournisseurs vendront la solution et nous obtiendrons également de nombreuses capacités radio à un prix qui permet même au capteur le moins cher de bénéficier de la connectivité sans fil « intelligente » et puissante. 

Il est étonnant de voir à quel point la croissance du Bluetooth a favorisé l'intégration de la technologie dans des circuits intégrés à très faible coût. La dernière génération de circuits intégrés offre plus de puissance de traitement que mon premier ordinateur personnel et est livrée avec une puce radio capable de transmettre des données par voie aérienne à une vitesse 1000 fois supérieure à celle que mon premier modèle était capable de faire sur une "wired line". Tout cela pour quelques dollars… L'IoT va certainement bénéficier énormément de cette abondance de puissance de traitement et de technologies radio sophistiquées.

L'organisation Bluetooth est chargée de sélectionner les technologies appropriées qui offrent les meilleurs compromis en termes de performances, de coûts et de fonctionnalités. Les concepteurs de semi-conducteurs, de matériel et de logiciels travaillent dur après une nouvelle version de la norme pour s'assurer que leur conception répond aux spécifications nouvellement définies. De nouvelles solutions radio émergent de ce développement et offrent aux innovateurs du monde entier un marché de millions d'utilisateurs qui pourront interagir avec leur dernière création.

Croissance, marché et faible coût

En tant que société de conseil chargée de concevoir de nouveaux produits allant des capteurs portables aux nouveaux capteurs industriels connectés, nous sommes toujours à la recherche de la plus grande valeur pour nos clients en exploitant autant que possible ce que la technologie peut fournir. Dans de nombreux projets, l'utilisation de solutions Bluetooth bénéficie du très grand écosystème fourni par la norme et fait du produit une solution très intéressante et rentable.

Cet article se concentre sur "Bluetooth Low Energy". C'est le terme qui est utilisé pour la partie de la norme qui est utilisée pour créer des capteurs et des appareils écoénergétiques qui peuvent fonctionner pendant des années avec une petite batterie. Ces types de conceptions incarnent un sous-ensemble central d'appareils intelligents qui commencent à apparaître dans tous les domaines où les données doivent être collectées et envoyées via des liaisons sans fil.

Une perspective IoT

Les tableaux de bord alimentés par l'IA des futurs systèmes IoT dépendent de la collecte de données à partir d'objets, d'utilisateurs, de machines et de l'environnement de manière efficace et transparente avant de les envoyer à un routeur pour le traitement dans le cloud et potentiellement pour alimenter les systèmes d'IA.

Il y a quelques années, les radios Bluetooth avaient une consommation d'énergie assez élevée et une portée quelque peu limitée, mais récemment, avec l'ajout de nouvelles méthodes pour transmettre les informations sur la liaison sans fil ainsi que des améliorations de la technologie radio à semi-conducteur, Bluetooth est désormais un sérieux concurrent pour les applications de longue portée.

Technologie radio Bluetooth® à faible consommation d'énergie

La version 4.0 de la norme Bluetooth a introduit les concepts "Low Energy" en 2010. Avec l'adoption généralisée par les fabricants de smartphones, elle a ouvert la porte à de nombreux nouveaux produits. Quelques années plus tard, la version 4.2 de la norme a modifié la taille des paquets pris en charge, car de nombreux produits sur le marché nécessitaient des transferts plus efficaces de blocs de données plus volumineux. Avec la dernière norme Bluetooth 5.0, les changements de semi-conducteurs au cœur de la radio sont désormais capables de gérer plus de vitesse et, dans d'autres cas, plus de portée grâce à l'utilisation du PHY codé.

Ce qui le rend à faible consommation d'énergie Low Energy?

La norme Bluetooth Low Energy définit des moyens pour que les capteurs se réveillent périodiquement et se synchronisent avec un nœud central chargé d'assurer un protocole de communication économique en énergie. Les périphériques Bluetooth Low Energy sont pour la plupart en veille, se réveillant périodiquement pour prendre des mesures et activer au bon moment leur radio pour échanger les informations avec le nœud central. Cette approche de la gestion des connexions et des transitions très rapides du sommeil aux échanges de données actifs, puis au retour au sommeil, permet aux capteurs de fonctionner pendant des mois ou des années sur une simple pile bouton ou grâce à la récupération d'énergie.

Changements clés dans Bluetooth® 5.0

Les circuits intégrés Bluetooth Low Energy d'ancienne génération comme la version 4.0 étaient limités dans leurs capacités de puissance de transmission et fonctionnaient à une seule vitesse : 1 mégabit par seconde. Il offrait un compromis entre la vitesse de transmission, la consommation d'énergie et la complexité radio. La mise en œuvre réussie de cet équilibre délicat semble avoir joué un rôle clé dans l'adoption du Bluetooth dans des milliards d'appareils. Comme pour toute conception, des compromis ont été faits et avec l'énorme succès du Bluetooth Low Energy sur le marché, la norme a maintenant évolué pour offrir plus de vitesse (doubler le débit) ou plus de portée (avec un débit inférieur). 

Il existe un compromis entre la vitesse de transmission, la puissance, l'utilisation et la portée qui sont fondamentales pour la radio et le codage et donc ce n'est pas possible de tout avoir. Les radios plus récentes offrent divers modes de fonctionnement qui peuvent être sélectionnés dans le logiciel.

Ce sont ces nouveaux circuits intégrés mettant en œuvre les extensions longue portée Bluetooth 5.0 que nous souhaitons explorer plus en détail dans les sections suivantes et partager avec vous les résultats intéressants.

Portée radio

La portée radio est une combinaison de la puissance envoyée, de la sensibilité du récepteur et d'autres facteurs environnementaux.

Notre article Portée radio Bluetooth® détaille les concepts de base pour comprendre la portée radio plus en détail. En résumé, le PHY codé et son codage de données spécial réduiront la vitesse mais fourniront plus de distance, tous les autres facteurs étant maintenus.

Une bonne antenne

La technologie Bluetooth ne peut pas fonctionner aussi bien avec une antenne mal conçue. Après tout, la puissance de signal relativement modeste provenant de l'émetteur-récepteur radio a deux conséquences possibles. Soit elle se propage sous forme d'onde électromagnétique vers l'autre extrémité du lien, soit se perd sous forme de chaleur…

A good antenna design is a major contributor to the radio range

Il est important de développer une compréhension intuitive de la façon dont les antennes transforment un signal électrique en une onde électromagnétique. Nous voulons généralement que la plupart de l'énergie du signal RF rayonne hors de nos capteurs sans fil de telle sorte que la quantité infime d'énergie dépensée pour créer ce signal quitte au moins le capteur vers le récepteur. Se faire ramasser correctement est une autre partie du problème.

Notre article Antennes IoT vise à expliquer les paramètres de l'antenne plus en détail.

En résumé, si vous voulez de bonnes performances du système, assurez-vous que le capteur et l'antenne du récepteur sont bien conçus et correctement positionnés pour tirer le meilleur parti du signal transporté par l'onde électromagnétique. Généralement, on a moins de contrôle sur le récepteur (puisqu'il s'agit généralement d'un smartphone ou d'un hub commercial) mais plus de contrôle sur les éléments de conception du capteur ou de l'objet intelligent.

L'utilisation d'extensions Bluetooth longue portée plus récentes ne nécessite aucune modification de la conception ou des caractéristiques de l'antenne. Les avantages de la nouvelle modulation sont acquis au niveau radio. Même si les performances de l'antenne étaient sous-optimales, il y aura des améliorations notables de la portée. Si l'antenne est efficace, la portée finale peut atteindre plusieurs centaines de mètres tout en gardant une faible consommation d'énergie et un faible encombrement du circuit.

Émetteur et récepteur

La liaison radio créée entre deux appareils dépend à la fois de sa conception et antennes de l'émetteur et du récepteur. Les deux côtés contribuent au lien global. Au fur et à mesure que nous obtenons de plus en plus de déploiements IoT en utilisant Bluetooth, une asymétrie peut apparaître comme certaines utilisations de modules radio avec amplificateurs pourra émettre un signal Bluetooth plus puissant et de grande portée, capté par un smartphone sur de longues distances, mais le smartphone peut ne pas être en mesure de répondre avec suffisamment de force pour établir la connexion. Ainsi, les cas d'utilisation comme les radiobalises seront captable sur une plus longue portée (300m ou plus), mais afin de paramétrer la balise avec un smartphone, il faudra s'en rapprocher beaucoup plus.

Pour prendre en charge les déploiements IoT tirant parti de la technologie Bluetooth Low Energy, nous verrons l'utilisation de nouveaux éléments de routeur qui intègrent des antennes de bonne qualité et des modules radio intégrant des amplificateurs de puissance et des fonctionnalités longue portée. Ces améliorations permettront de créer des liens longue distance entre les capteurs et les routeurs cloud, tout en préservant la capacité utile de paramétrage des capteurs avec un smartphone que nous attendons des objets intelligents à plus courte portée. Cela contraste fortement avec les autres technologies radio qui nécessitent une infrastructure dédiée ou des périphériques matériels personnalisés pour paramétrer leurs capteurs.

Dans le désert – Mesures Bluetooth® longue portée

Image from Fanstel Testing Site – Scottsdale, Arizona

Afin d'estimer la portée pratique qu'un produit peut atteindre en utilisant une technologie radio donnée, il est important d'établir les limites du système dans des conditions plutôt idéales. On peut alors commencer à appliquer divers facteurs pour tenir compte des imperfections introduites en incorporant la radio dans une conception de produit pleine de contraintes et d'éléments qui dégraderont inévitablement les performances.

Validation de la ligne de visée

Il est important d'établir une plage de visibilité directe et de mesurer les performances à différents angles de rotation d'un module ou d'un produit pour comprendre ses principales performances opérationnelles. Quelle que soit la technologie utilisée, ce test de base aidera à établir la ligne de base. La ligne de visée est la portée de la liaison radio qui peut être établie dans un chemin dégagé, sans obstacles. De nombreux signaux RF, notamment ceux qui fonctionnent dans la bande 2,4 GHz, ne pourront pas traverser une végétation épaisse, des collines ou de grands bâtiments. Frapper ces obstacles réduira considérablement le signal et ne fournira donc pas une bonne mesure de base.

Généralement, avec les appareils Bluetooth 4.x Classe 2 ou Classe 3 (puissance d'émission 1-2.5mW) on peut sortir et on met en place une liaison de quelques centaines de mètres et ce n'est pas un problème pour commencer à atteindre les limites de la portée de communication .

Au fur et à mesure que la portée de la liaison s'étend, il devient important de considérer que l'antenne doit être élevée dans les airs pour éviter que le sol ou d'autres obstacles ne se trouvent dans la zone de Fresnel de la liaison entre les deux antennes, car cela peut affecter négativement la gamme globale. Pour une liaison radio de 1,6 km (1 mile) réalisable avec une modulation longue portée Bluetooth Low Energy, les antennes devraient être à environ 7 mètres de hauteur (21 pieds) pour éviter l'effet du sol entrant dans la zone de Fresnel et affectant la mesure. Si, par exemple, cette longue liaison avait des obstacles à mi-chemin, les antennes devraient être encore plus élevées pour s'assurer que le chemin des antennes n'en soit pas affecté.

Avec le nouveau PHY Long Range avec une combinaison d'amplificateurs dans la radio, il est plus difficile d'établir la ligne de test de portée de vue en raison des distances importantes qui doivent être parcourues pour atteindre les limites du système. Votre configuration de test doit inclure un moyen de parcourir les nombreux kilomètres séparant l'émetteur et le récepteur et de longues perches pour élever les antennes dans les airs afin d'éviter que le sol ne fasse partie de la zone de Fresnel des antennes.

Ces considérations à longue portée sont applicables à toutes les technologies radio et ne sont pas spécifiques à Bluetooth. Ce n'est que récemment que les tests Bluetooth ont dû prendre en compte de tels effets.

Résultats des mesures – 3 200 mètres sur liaisons sans fil Bluetooth®

Chez Motsai, nous avons construit de nombreux produits en utilisant Modules radio Fanstel™ Bluetooth® au cours des années. 

Ils offrent une grande gamme de modules qui compromettent diverses conceptions d'antennes pour permettre d'atteindre une gamme de portées. Fanstel a travaillé sur des modules Bluetooth amplifiés qui incluent un étage de gain pour augmenter la puissance de sortie pour atteindre la limite de 100 mW et un amplificateur à faible bruit permettant au récepteur de devenir plus sensible.

Le Dr Fan, le fondateur de Fanstel et son équipe ont mesuré diverses configurations de leurs modules établissant une liaison longue distance entre deux modules identiques. Avec une bonne orientation des conceptions de référence, des liaisons de plus de 3,2 kilomètres (presque 2 miles) ont été établies en utilisant le PHY codé longue portée de la norme Bluetooth 5.0. Les modules capables d'atteindre une portée aussi longue utilisent plus de puissance en raison de l'amplificateur, mais tout à fait dans les capacités des capteurs alimentés par batterie.

D'autres modules avec antennes internes peuvent établir des liaisons à proximité de 500 mètres (1600 pieds) sans recourir à l'amplification du signal au-delà d'une solution à puce unique mais en gagnant la distance supplémentaire en utilisant la modulation à longue portée et la correction d'erreurs offertes dans Bluetooth 5.0.

Ces distances sont réalisables pour des capteurs situés à l'extérieur, relativement en l'air pour éviter les pénalités d'effet de sol dans la zone de Fresnel. De telles applications peuvent inclure des capteurs agricoles, des capteurs de parking ou des capteurs dans de grands espaces ouverts. Toutes les applications ne peuvent pas compter sur des portées aussi longues que les modèles à visibilité directe, il faut donc veiller à utiliser ces distances en espace libre pour établir un point de comparaison avec d'autres technologies radio à longue portée. En règle générale, la plage signalée par les promoteurs de technologies concurrentes indiquera également la plage en espace libre afin qu'elle puisse être utilisée pour établir une comparaison équitable des technologies. Les distances mesurées entre les modules radio intégreront ainsi l'efficacité de l'antenne et les performances d'intégration, elles sont donc utiles pour comparer les fournisseurs et les solutions.

Si vous êtes une personne technique, les rapports de distance détaillés sont disponibles sur le site Web de Fanstel.

Modèles d'intérieur

Pour une utilisation à l'intérieur, il y aura toujours des objets entrant sur le chemin entre l'émetteur-récepteur radio et le récepteur et ainsi la mesure de l'espace libre offrira une base de référence qui doit être réduite par les obstacles projetés qui contribuent à la réduction du signal.

De nombreuses structures affectent la capacité du signal à se propager. Nous utilisons généralement le terme de chemins obstrués. Les ondes radio les traverseront, mais seront plus atténuées que l'espace libre.

Rien ne sera jamais aussi précis que de mesurer réellement les performances du système intégré dans des environnements typiques. Cependant, cela n'est pas toujours possible et, par conséquent, il existe des méthodes qui peuvent être utilisées pour estimer ou prédire l'atténuation du signal dans un environnement intérieur à l'aide d'heuristiques. L'un de ces modèles est le modèle de propagation intérieur de l'UIT (P.1238-10) qui aidera à estimer à quel point le signal sera atténué lorsque les radios sont utilisées à l'intérieur d'une maison ou d'un bureau commercial. Ces modèles peuvent devenir assez techniques et complexes. Ils sont cependant nécessaires pour guider correctement les déploiements de grandes solutions de capteurs IoT.

Autres méthodes d'extension de plage

Réseaux maillés

Jusqu'à présent, toute la discussion a porté sur la portée radio qui bénéficiera des nouvelles extensions PHY.

Bluetooth offre d'autres moyens d'étendre la portée en utilisant un réseau maillé. C'est l'objet d'une discussion séparée, mais il n'y a aucun élément technologique qui empêcherait de combiner l'utilisation du PHY codé pour étendre chaque lien dans une plage de réseau maillé. Le maillage Bluetooth est capable d'exploiter des chipsets plus anciens qui n'incluaient pas la nouvelle technologie radio, donc pour le moment, nous ne voyons pas d'utilisation combinée du PHY à plus longue portée avec un réseau maillé. Cela pourrait ouvrir de nouveaux cas d'utilisation pour les réseaux maillés de capteurs intelligents à grande échelle basés sur Bluetooth (par exemple pour les applications de ville intelligente).

Routeurs Cloud IoT

À un moment donné, les flux de données des capteurs connectés par Bluetooth peuvent sauter dans les passerelles de périphérie et commencer à tirer parti d'autres moyens de transport. Un smartphone d'utilisateur est souvent utilisé pour relier les données du capteur via une liaison Bluetooth afin de les transférer vers les réseaux Wifi ou LTE. Nous prévoyons une augmentation du nombre de nœuds qui relieront les capteurs au cloud via des passerelles utilisant des interfaces Internet plus courantes telles que des modems Ethernet filaire, WiFi ou cellulaires LTE.

Conclusion

Armé de la toute dernière technologie radio Bluetooth et d'une bonne compréhension de la propagation radio à longue portée, nous avons une toute nouvelle classe d'applications de capteurs dans l'IoT.

L'utilisation de Bluetooth aide à conserver son adoption unique sur le marché, permettant à ces futurs objets connectés d'être interactifs et configurables par quelque chose que nous possédons et utilisons maintenant tous : notre smartphone. Avec cela, nous prévoyons de nouvelles façons de créer des capteurs qui ne sont limités que par notre créativité.

The Bluetooth® word mark and logos are registered trademarks owned by Bluetooth SIG, Inc. and any use of such marks by Motsai is under license. Other trademarks and trade names are those of their respective owners.

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