Comment les modules UWB permettent des systèmes de positionnement intérieur de haute précision

Une fois à l'intérieur, les signaux GPS se heurtent à un mur. Ils s'affaiblissent rapidement, rendant inutilisables les systèmes de géolocalisation classiques. Pour les industries exigeant une grande précision, il ne s'agit pas seulement d'un problème : cela réduit la productivité et accroît les risques pour la sécurité. Le Bluetooth 5.1+ et le Wi-Fi 6 conviennent au zonage général, mais ne permettent pas d'atteindre la précision centimétrique requise par l'automatisation industrielle. C'est là que la technologie ultra-large bande  (UWB) s'avère une solution pratique pour les environnements industriels.

Les modules UWB permettent aux systèmes de localisation en temps réel (RTLS) d'atteindre une précision centimétrique. Le suivi UWB offre une précision optimale, permettant d'améliorer l'efficacité des itinéraires des chariots élévateurs dans un entrepôt ou de garantir la sécurité des travailleurs dans des zones dangereuses comme les mines. Examinons la conception de ces modules et découvrons pourquoi ils surpassent largement les autres technologies sans fil.

Qu'est-ce qu'un module UWB ?

Le module UWB est l'élément matériel central pour la mesure de distance et le positionnement. Il fonctionne en envoyant des impulsions sans fil ultracourtes d'une durée de seulement 1 nanoseconde (le temps que met la lumière pour parcourir 30 centimètres), et le système calcule le temps de vol du signal pour atteindre une précision de distance centimétrique entre les appareils.

Dans les systèmes de positionnement en usine et en entrepôt, la technologie UWB est intégrée à deux types de dispositifs : l’étiquette UWB portée par les opérateurs ou fixée aux équipements, et l’ancrage UWB installé dans les angles des pièces ou sur les murs. Par exemple, le module UWB650Pro de G-NiceRF, plus petit qu’une carte bancaire, contient tout le matériel et les logiciels de base nécessaires. Ceci permet aux ingénieurs de concevoir rapidement des systèmes de positionnement et de gagner du temps sur le développement des circuits.

(Dimensions de l'UWB650Pro : 30,10 mm × 20,00 mm, Source : Fiche technique officielle G-NiceRF UWB650Pro v1.0)

Comment la technologie UWB calcule la distance

Les modules UWB réalisent des fonctions de télémétrie en mesurant le temps de vol des signaux radio.

Temps de vol (ToF)

Le système mesure le temps de propagation d'un signal entre l'étiquette UWB et l'ancre UWB. Les ondes radio se propageant à la vitesse de la lumière, ce temps correspond à une distance. Les impulsions UWB durent seulement 2 nanosecondes, conformément à la norme IEEE 802.15.4z  . Cette durée très courte est essentielle car elle garantit une précision centimétrique même dans les environnements industriels complexes et permet de distinguer un signal direct d'un signal réfléchi par un obstacle (effet de trajets multiples).

TDoA et normes matérielles

La méthode TDoA (Time Difference of Arrival)  est couramment utilisée par les systèmes UWB pour suivre les objets en mouvement. Elle ne se contente pas d'une seule mesure ; elle compare les temps d'arrivée du signal à plusieurs points d'ancrage afin de déterminer la position de l'étiquette. La norme IEEE 802.15.4z-2020  garantit l'interopérabilité des appareils de différents fabricants. Elle répond également aux exigences de l'Internet industriel des objets (IIoT) en matière de sécurité (notamment le chiffrement AES128  ) et de faible consommation d'énergie.

UWB vs Bluetooth vs Wi-Fi

Votre choix se résume à une seule question : avez-vous besoin d’une surveillance générale ou d’un suivi précis ?

Pourquoi les modules UWB pour l'industrie sont meilleurs

Les gadgets grand public sont pratiques pour retrouver ses clés, mais les modules UWB industriels sont conçus pour la fiabilité.

Mise en réseau sur de longues distances et en maillage

Il n'est pas toujours aisé pour les modules sans fil standard de maintenir une connexion sur de longues distances. La puce Qorvo DW3000, les amplificateurs de puissance (PA) et les cristaux TCXO stables sont utilisés dans des unités industrielles telles que l' UWB650Pro  et l'UWB3000F27 . Elles délivrent une puissance de 27 dBm en champ libre et la liaison reste stable sur une distance d'un kilomètre. L'UWB650Pro est également compatible avec les réseaux maillés . Cela signifie qu'un module peut fonctionner comme un routeur et trouver automatiquement le meilleur itinéraire pour le réseau. C'est un atout considérable dans les mines à ciel ouvert ou les vastes plateformes logistiques où le déploiement de points d'ancrage est impossible.

Une forte intégration simplifie le développement

Le développement de matériel RF est complexe et exige de solides connaissances. Les modules industriels simplifient cette tâche en intégrant la puce UWB, l'émetteur-récepteur RF, la gestion de l'alimentation et la protection contre les décharges électrostatiques dans un seul boîtier. Certains modules sont même fournis avec un microcontrôleur. Ils communiquent entre eux via des interfaces UART standard, ce qui permet aux développeurs de lancer des mesures de distance UWB ou d'envoyer des données par de simples commandes.

Conception à faible consommation

Un système d'identification par radiocommunication (UWB) pour casque de travailleur doit avoir une longue durée de vie. Il est donc essentiel de surveiller la consommation d'énergie. Le module UWB3000F00  et d'autres modules basse consommation spécialisés consomment seulement 1 µA en mode veille profonde. Ainsi, une pile bouton CR2032 standard peut alimenter un traceur pendant 6 à 12 mois, ce qui réduit considérablement la fréquence des interventions de maintenance.

Lutte contre l'ingérence

Les usines sont des environnements perturbés par les ondes radio, notamment dans la bande des 2,4 GHz. La technologie UWB s'affranchit de ce problème en fonctionnant à 6,5 GHz (canal 5) ou 8 GHz (canal 9), conformément à la norme IEEE 802.15.4z. Outre l'utilisation d'une fréquence plus propre, des modules comme l'UWB650Pro mettent en œuvre des mécanismes tels que la confirmation d'accusé de réception (ACK) et l'évaluation de la disponibilité du canal (CCA) afin de garantir la transmission fiable des données de suivi.

Applications dans le monde réel

Logistique pour les entrepôts

Savoir qu'une palette se trouve « dans l'entrepôt » ne suffit pas. Les responsables doivent connaître précisément l'étagère et l'allée où elle se situe. Les solutions UWB RTLS fournissent des coordonnées précises à 10 cm près. Ce niveau de précision permet d'automatiser la gestion des stocks et d'éviter les collisions entre chariots élévateurs, réduisant ainsi considérablement les erreurs humaines.

Sécurité des mineurs

Dans les mines souterraines, la transmission des signaux est difficile. Le système UWB650Pro longue portée permet de communiquer avec des personnes sur plus d'un kilomètre, même dans des zones à géologie complexe. Ce système réduit le nombre d'ancres nécessaires, ce qui diminue les coûts. Il assure une surveillance en temps réel des mineurs, permettant ainsi aux équipes de secours d'intervenir rapidement en cas d'incident.

Flux de patients à l'hôpital

Les hôpitaux utilisent la technologie UWB pour le suivi des patients et du matériel. Des étiquettes à très faible consommation, comme celles apposées sur les fauteuils roulants ou les bracelets (consommation en veille < 1 µA), enregistrent le temps passé par les patients au triage ou en soins. Ces informations permettent d'identifier les problèmes, comme un engorgement dans une salle d'examen, afin que les responsables puissent rapidement adapter les effectifs et le matériel et ainsi réduire les temps d'attente.

Assistance complète pour les solutions

G-NiceRF  offre une prise en charge complète, de l'intégration des puces UWB de base aux applications terminales, y compris la conception d'antennes anti-interférences, les solutions de mise en réseau conformes à la norme IEEE 802.15.4z et les fonctions de mise à niveau OTA de qualité industrielle, aidant ainsi les clients à construire des systèmes de suivi UWB stables.

Questions et réponses

Quelle est la portée de transmission des messages UWB ?

Les modules standard fonctionnent généralement sur une distance de 50 à 100 mètres. Mais les versions industrielles avec amplificateurs de puissance, comme l'UWB650Pro, peuvent atteindre plus d'un kilomètre en espace ouvert, ce qui les rend idéales pour les grands sites intérieurs ou extérieurs.

La technologie UWB peut-elle traverser les murs ?

Pas vraiment. La fréquence UWB est élevée, elle traverse donc mal les matériaux. Elle peut traverser le bois ou le verre, mais pas la brique ou le béton. Installez toujours les antennes-relais en hauteur pour une visibilité optimale.

Est-ce coûteux ?

Les prix baissent. Dans le domaine industriel, une approche modulaire (intégration de modules de base dans des étiquettes et des ancrages personnalisés) est généralement moins coûteuse que l'achat d'équipements grand public déjà fabriqués.

En conclusion

Le positionnement intérieur de haute précision n'est plus un simple atout ; pour de nombreux secteurs, il est devenu indispensable. Les systèmes UWB fonctionnent aussi bien en plein air que dans des usines complexes grâce à leur précision centimétrique et leur longue portée. L'UWB est la solution idéale pour des applications critiques telles que la sécurité des mines et le suivi des actifs, comparée aux technologies plus anciennes.

Lors d'un déploiement, il ne faut pas se contenter de regarder des caractéristiques techniques comme l'autonomie de la batterie. Il faut aussi prendre en compte la stabilité du matériel dans l'environnement, sa résistance à la chaleur et à la poussière, ainsi que sa compatibilité avec les systèmes existants. Un test sur le terrain est toujours judicieux pour détecter rapidement les problèmes.