Communication des balises Bluetooth BLE pour les appareils IoT en périphérie

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L’Internet des objets (IoT) dispose de plusieurs technologies qui améliorent la fonctionnalité des appareils IoT qui peuvent se connecter et communiquer entre eux. L’IoT, ainsi que plusieurs technologies et dispositifs avancés, fait rapidement évoluer la société moderne vers une société plus simple et plus intelligente.

Selon une enquête récente, parmi toutes les autres technologies sans fil disponibles, les balises Bluetooth Low Energy (BLE) se sont avérées être une technologie de communication sans fil à courte portée très prometteuse, car elles apparaissent très fréquemment ou sont très courantes dans la technologie compatible avec le Bluetooth.

La balise BLE se compose généralement d’un processeur ARM Cortex-M0 32 bits et d’un émetteur RF cadencé à 2,4 GHz avec le Bluetooth 4.0 Smart. Le Bluetooth SIG (Special Interest Group) gère plusieurs versions d’appareils Bluetooth Smart. Le SIG affirme que ces balises peuvent transmettre à jusqu’à 70 mètres (230 pieds). Selon nos études, les utilisateurs ont pratiquement obtenu une portée d’environ 40 à 50 mètres dans des conditions réelles en raison de l’effet du bruit et des obstacles. Les appareils intelligents BLE peuvent détecter la fréquence du signal transmis et calculer la distance en mesurant la force des signaux reçus. Les balises BLE sont de petits appareils qui envoient périodiquement des paquets de données spécifiques pour indiquer la présence ou la transmission d’informations spécifiques. Une balise est généralement utile pour les systèmes de navigation et de positionnement internes.

Protocoles de balise

Il existe actuellement deux principaux types de protocoles logiciels utilisés pour suivre les balises et permettre à une balise de communiquer avec un programme ou un navigateur. On peut principalement les classer comme suit :

Protocole iBeacon basé sur une application
Protocole Eddystone basé sur un navigateur

Figure 1 : Balise BLE

Il y a certains chevauchements, car l’Eddystone Universal Unique Identifier (UUID) fonctionne aussi avec les applications, mais en général, chaque protocole se limite à fonctionner avec des applications ou des navigateurs. Les signaux eux-mêmes peuvent être configurés pour fonctionner avec n’importe lequel de ces protocoles et utilisés à des fins différentes.

Le protocole iBeacon vous permet d’envoyer des notifications en arrière-plan ou en arrière-plan d’une application, permettant à l’application d’être avertie lorsqu’un utilisateur reçoit un message.
Le protocole Eddystone communique avec le navigateur Web qui doit être ouvert pour que l’utilisateur puisse obtenir le message/l’URL. Les notifications en arrière-plan sont prises en charge sur Android, mais pas sur iOS.

Interaction entre balise et BLE

Axée sur le protocole iBeacon le plus populaire, la balise transmet un seul paquet de données composé de quatre types d’informations. UUID, Major, Minor, cal Tx Power : la combinaison de ces informations vous permet de trouver, de naviguer et de démarrer une conversation avec l’utilisateur. Vous trouverez ci-dessous toutes les informations nécessaires :

UUID : Il s’agit d’une chaîne de 16 octets utilisée pour faire la distinction entre de grands groupes de balises associées. Par exemple, si Coca-Cola gère un réseau de panneaux d’affichage dans une chaîne de supermarchés, tous les panneaux d’affichage de Coca-Cola utilisent le même UUID. Cela permet à l’application Coca-Cola pour smartphone de voir quelles publicités auxiliaires proviennent des balises Coca-Cola.
Major : Il s’agit d’une chaîne de 2 octets utilisée pour marquer un petit sous-ensemble de balises dans un ensemble plus grand. Par exemple, si Coca-Cola possède quatre balises dans un supermarché donné, les quatre lumières sont identiques. Cela permet à Coca-Cola de savoir exactement dans quel magasin se trouve le client.
Minor : Il s’agit d’une chaîne de 2 octets identifiant chaque balise. À l’instar de Coca-Cola, la balise devant la boutique Minor possèdera sa propre pièce unique. Ainsi, le programme spécial de Coca-Cola sait exactement où se trouve le client dans le magasin.
cal Tx Power : La puissance de transmission calibrée est utilisée pour déterminer la proximité de la balise. Comment cela fonctionne-t-il ? La cal Tx Power est la force du signal qui se trouve exactement à un mètre de l’appareil. Elle doit être calibrée et précodée. Les outils peuvent ensuite l’utiliser comme base pour une estimation approximative de la distance. La cal Tx (transmission calibrée) ne doit pas être confondue avec la puissance Tx (puissance de transmission). La première est pour Apple, tandis que la deuxième est la quantité réelle de puissance de transmission de la balise, qui dépend en grande partie des paramètres physiques et des capacités de la balise.

Ceci est légèrement différent d’Eddystone, où trois paquets de données sont envoyés, UID, URL et TLM :

L’Eddystone‐UID (numéro d’identification unique Eddystone) est long de 16 octets et divisé en deux parties :

Espace réservé au nom (10 octets) - son objectif est similaire à l’UUID iBeacon. Avec iBeacon, vous attribuez généralement un UUID unique à toutes vos balises pour les filtrer facilement par rapport aux signaux des autres. Au sein de l’Eddystone-UID, vous pouvez faire la même chose avec l’espace de noms.
Instance (6 octets) - elle sert le même objectif que l’iBeacon avec de grands et petits nombres pour identifier vos balises individuelles. Pour les signaux Estimote qui reflètent l’Eddystone-UID, l’instance est affichée sous la forme d’une chaîne de 12 caractères au maximum.

Eddystone-URL (URL Eddystone)
Le paquet d’URL Eddystone contient une URL de champ. La taille du champ dépend de la longueur de l’URL.

Eddystone‐TLM
Le paquet Eddystone TLM est conçu pour être distribué par le pilote avec des paquets de « données » (c’est-à-dire UID et/ou URL) à des fins de gestion de flotte. Les appareils Bluetooth à proximité peuvent lire ces paquets et les envoyer au service de gestion de flotte. Par exemple, ce service peut avertir le propriétaire du guide de voyage que la batterie est faible. Le paquet de télémétrie se compose de :

La tension de batterie pouvant être utilisée pour estimer le niveau de batterie de la balise
La température de la balise
Le nombre de paquets envoyés depuis la dernière mise sous tension ou du dernier redémarrage de la balise, la disponibilité de la balise, c’est-à-dire le temps écoulé depuis sa dernière mise sous tension ou redémarrage.

Il existe d’autres types de protocoles, mais ce sont les deux principaux protocoles qui sont utilisés commercialement. En plus d’iBeacon et d’Eddystone, on trouve aussi Altbeacon (développé par iBeacon après un cas de contrefaçon de brevet par Radius Networks, c’est-à-dire une norme ouverte). Avant Eddystone, Google travaillait sur les drapeaux URI, une norme qui a ensuite conduit au paquet d’URL Eddystone. À l’heure actuelle, le protocole Eddystone est encore relativement nouveau. Son application et ses performances sont donc susceptibles de rapidement s’améliorer. Veuillez vous référer au livre blanc « Solutions de connectivité sans fil pour l’IoT » pour en savoir plus sur le BLE.

Opportunités de recherche sur la balise BLE

Après une longue étude/recherche sur la balise BLE, nous pouvons être assurés de la faisabilité et de l’adéquation des applications IoT. La flexibilité, le matériel à faible coût et la facilité de mise en œuvre du BLE donnent aux développeurs plus de latitude et rendent l’infrastructure plus rentable et évolutive. Cependant, j’ai remarqué qu’il y avait encore quelques bugs, par exemple une autonomie limitée de la batterie, l’interopérabilité entre différents profils BLE, une mauvaise sécurité, etc. Afin de surmonter les inconvénients ci-dessus, après avoir discuté de certaines capacités de la balise BLE, de futures directions de recherche ont été suggérées.

La balise doit prendre en charge les deux protocoles (iBeacon et Eddystone) simultanément

Les protocoles de détection BLE ne prennent en charge qu’un seul type de protocole à la fois. Il existe deux cadres pour iBeacon et Eddystone. Les graphiques de journal sont différents. Certains développeurs ont construit une balise pour prendre en charge les deux protocoles, mais en pratique, elle ne peut prendre en charge qu’un seul protocole à la fois. Les développeurs ou les utilisateurs doivent basculer manuellement entre les protocoles. Alors que la plupart des concepteurs intègrent ce circuit pour faciliter l’un ou l’autre des protocoles, la commutation doit être effectuée pendant la phase de développement ou de configuration. Lorsqu’un entraîneur est déployé avec un protocole spécifique, il est très difficile de changer le mode du protocole. Il n’existe actuellement aucune conception spécifique sur le marché qui prend en charge les deux protocoles en même temps. Il existe un potentiel pour la R&D dans ce domaine afin de proposer une conception de balise BLE qui prend en charge les deux protocoles en même temps.

La balise doit effectuer des interactions Many-to-many

À l’ère de l’Internet des objets, il était important d’avoir de multiples interactions dans une zone donnée avec plusieurs déploiements de balises. Cependant, dans un environnement développé d’installation de balises, les interférences sont un problème qui nuit à une interaction fluide et ininterrompue. Dans un tel environnement, les signaux ne peuvent interférer les uns avec les autres que s’ils sont proches les uns des autres. Nous considérons le problème ci-dessus comme une opportunité de recherche, c’est-à-dire de travail, et proposons une conception pour les balises BLE qui permet l’interaction entre de nombreuses personnes sur le réseau.

Efficacité énergétique de la balise BLE

Avec les réseaux de capteurs sans fil, cela est possible, bien que les dispositifs à faible consommation aient été bien étudiés. La récupération d’énergie BLE n’est utile que dans l’environnement extérieur. Dans le cas de l’environnement intérieur, cela n’a pas beaucoup de sens, l’étude de l’accumulation d’énergie dans les environnements intérieurs est nécessaire. En raison de ces limitations du stockage d’énergie en intérieur, les appareils IoT nécessitent généralement des protocoles de transmission de données légers qui optimisent l’utilisation des ressources et la consommation d’énergie. Nous considérons la question ci-dessus comme un potentiel de recherche supplémentaire, c’est-à-dire que nous proposons des travaux et la conception de protocoles légers dans différentes couches de la pile IoT. Une approche légère du transfert de données augmente la durée de vie de la batterie de l’appareil et réduit la latence, c’est-à-dire la qualité de service. L’approche du protocole léger ne transmet que de petites quantités de données, ce qui réduit les exigences de communication, les efforts de calcul et la petite capacité de stockage. L’utilisation de protocoles standard dans le système IoT actuel garantit l’évolutivité, l’interopérabilité et les performances du système. Par conséquent, ces protocoles légers doivent fournir une :

Compatibilité avec tous les autres protocoles déjà existants
Flexibilité de mise en œuvre dans des balises, des appareils portables ou des passerelles plus robustes
Évolutivité pour prendre en charge leurs applications dans une plateforme récemment mise à niveau.

Meilleure estimation de la distance

Selon les études examinées, en raison de l’instabilité des signaux BLE, il était très difficile d’obtenir une estimation précise de la distance. Les sources de signal les plus proches pouvaient facilement être identifiées, car les sources de signal n’étaient pas à proximité les unes des autres, contrairement à une infrastructure avec balises. Par conséquent, une mesure des signaux reçus inexacte crée des problèmes à l’heure d’estimer la distance des balises. La fluctuation de la valeur des signaux reçus est un nouveau défi dans le développement d’applications impliquant des balises. À l’avenir, la mesure RSS doit se stabiliser pour éviter une fluctuation des valeurs de distance. Nous considérons le problème ci-dessus comme une opportunité d’effectuer des recherches, c’est-à-dire de travailler et de proposer une conception pour la balise BLE qui permettra d’atteindre une meilleure hypothèse de précision, car le RSS d’une balise variera pour différents appareils.

Kit de balise BLE

The CYALKIT-E02 Solar-Powered BLE Sensor Beacon Reference Design Kit (RDK) is designed to help you create tiny, solar-powered IoT devices with BLE wireless connectivity. Le KCR est livré avec un capteur solaire BLE, ainsi qu’un pont BLE-USB et une carte de débogage. Le capteur solaire BLE est basé sur le circuit intégré de gestion de l’alimentation (PMIC - Power Management IC) pour la récupération de l’énergie de Cypress S6AE103A et le module EZ-BLE™ PRoC™. Le capteur est conçu pour récupérer l’énergie solaire ou des lumières intérieures et fonctionner sans batterie.