Intégration de la technologie UWB et du réseau maillé — Description du module UWB650 pour le réseau maillé

La technologie de communication sans fil est en constante évolution, stimulant l'innovation continue dans divers secteurs. Parmi les technologies qui ont suscité un intérêt considérable ces dernières années figurent la technologie ultra-large bande (UWB) et les réseaux maillés.

Face aux exigences croissantes des applications concrètes en matière de couverture étendue, de fiabilité accrue des communications et de positionnement flexible, NiceRF a intégré la fonctionnalité de réseau Mesh au module UWB650 . Ce module de communication ultra-large bande, basé sur la norme IEEE 802.15.4-2020, offre une télémétrie de haute précision (±10 cm) et une transmission de données haut débit (jusqu'à 6,8 Mbit/s). Grâce à l'ajout de la fonctionnalité de réseau Mesh, son champ d'application est encore élargi, notamment pour le positionnement industriel, l'entreposage intelligent, la navigation intérieure et la coordination d'appareils. L'association des technologies UWB et Mesh offre ainsi une solution de communication sans fil plus flexible et plus fiable.

I. Module UWB650 : Technologie UWB + Réseau maillé

Le module UWB650 sert de plateforme matérielle centrale intégrant les fonctions de réseau UWB et Mesh, offrant une base solide grâce à son architecture matérielle et à sa prise en charge au niveau du protocole.

1. Fonctions de communication UWB650

Le module UWB650 est basé sur le chipset Qorvo DW3000 UWB et est entièrement conforme à la norme IEEE 802.15.4-2020. Il intègre un amplificateur RF haute performance, un microcontrôleur et des interfaces d'E/S à usage général, ainsi qu'un chiffrement AES128 et une protection contre les décharges électrostatiques, garantissant un fonctionnement stable même dans des environnements électromagnétiques complexes.

Caractéristiques principales :

• Communication de données :
  Permet la transmission de données à distance via une interface série, prenant en charge le développement flexible d'applications.

• Télémétrie de haute précision :
  utilise les schémas SS-TWR et DS-TWR pour la télémétrie bidirectionnelle, atteignant une précision supérieure à 10 cm, répondant aux exigences de positionnement de niveau industriel.

• Transmission à haut débit :
  Prend en charge des débits de données sans fil jusqu'à 6,8 Mbit/s, adaptés aux transferts de données volumineux.

• Fonction de positionnement :
  Calcule les distances entre les nœuds et les ancres à l'aide d'une mesure de distance bidirectionnelle, combinée à une résolution de coordonnées pour le positionnement 2D/3D (précision < 30 cm).

• Mode veille basse consommation :
  Prend en charge le mode veille matériel ; la mise à l’état bas de la broche CS active la veille (< 25 ms), et sa mise à l’état haut réactive le module (< 30 ms). Pendant la veille, le chipset UWB est également mis hors tension afin de réduire la consommation, tandis que le port série émet des notifications « Activation/Désactivation de la veille » et « Sortie de la veille ».

• Configuration flexible :
  Prend en charge plusieurs niveaux de puissance de transmission (jusqu'à 0,5 W) pour s'adapter à différentes portées et environnements ; permet des longueurs de trame variables (0 à 1023 octets, un seul paquet max 1004 octets) pour s'adapter à diverses charges de données.

• Couverture longue portée :
  atteint une distance de transmission théorique supérieure à 1 km, idéale pour les grandes usines, les entrepôts ou les déploiements en champ libre.

2. Présentation du réseau mesh UWB650

Le module UWB650 intègre une fonction de transmission en réseau maillé (désactivée par défaut), activable via des commandes de configuration. Une fois activée, cette fonction permet au module de fonctionner comme nœud ou relais, formant ainsi un réseau maillé avec d'autres modules. Elle pallie efficacement les limitations de la communication UWB traditionnelle à saut unique, notamment en termes de distance et d'interférences dues aux obstacles. 

II. Activation et configuration du réseau maillé

La fonction Mesh du module UWB650 n'est pas activée par défaut. Elle doit être activée et configurée à l'aide de commandes spécifiques, notamment la configuration de l'identité, l'activation du mode et l'attribution des rôles aux nœuds.

1. Configuration préliminaire : Configuration de l’identité du périphérique

Lors de la première utilisation de l'UWB650, les utilisateurs doivent définir l'ID PAN du module (par défaut : 0000) et l'adresse du périphérique (par défaut : 0000) pour garantir son unicité au sein du réseau.

Commande de configuration :  UWBRFAT+DEVICEID=xxxx,yyyy

Description du paramètre :

• xxxx : ID PAN (ID de groupe, plage 0x0000–0xFFFE). Tous les modules d’un même réseau Mesh doivent partager le même ID PAN pour permettre la différenciation entre les réseaux.

• yyyy : Adresse du périphérique (plage 0x0000–0xFFFE). Doit être unique au sein du même identifiant PAN pour un routage précis des données.

Objectif : Cette configuration établit les bases de la communication entre les modules (en modes UWB et Mesh). Cependant, elle n’active pas automatiquement le réseau Mesh.

Remarque : Si l'identifiant ou l'adresse PAN n'est pas correctement configuré, le module ne pourra pas communiquer avec les autres nœuds, même pour la transmission de données de base.

2. Activation de la fonction Mesh

La fonctionnalité de maillage doit être explicitement activée par commande.

Logique de commande typique : UWBRFAT+MeshENABLE=1 (ou similaire, reportez-vous à la fiche technique du module pour plus de détails).

Une fois activé, le module prend en charge le relais multi-sauts, les limites de nombre de sauts et d'autres fonctionnalités liées au réseau Mesh.

3. Rôles des nœuds et règles de transmission des données

Une fois le Mesh activé, les modules peuvent fonctionner dans l'un des rôles suivants :

• Nœud : Définissez l’adresse cible via UWBRFAT+TXTARGET=xxxx (par exemple, UWBRFAT+TXTARGET=1234). Le module communique uniquement avec l’adresse spécifiée (communication point à point, un seul saut). Définir la cible sur FFFF diffuse les données à tous les modules du même identifiant PAN, les récepteurs fournissant des informations supplémentaires telles que la puissance du signal.

• Relais (routeur) :
  n’initie pas la transmission de données, mais achemine automatiquement les paquets Mesh qui ne lui sont pas destinés. Par exemple, si le nœud A ne peut pas atteindre directement le nœud C et que le nœud B est configuré comme relais, les données circulent de A à B, puis à C.

• Nœud hybride :
  combine les comportements de nœud et de relais ; il reçoit et envoie des paquets qui lui sont adressés, et transfère automatiquement les autres, assurant ainsi un équilibre entre flexibilité et fiabilité.

Remarque :
Tous les nœuds d'un même maillage doivent avoir des adresses uniques, et les modules compatibles avec le maillage ne peuvent pas communiquer avec les modules dont le maillage est désactivé (à l'exception des fonctions de télémétrie/positionnement). 

III. Caractéristiques fonctionnelles du réseau maillé UWB650

Le réseau Mesh UWB650 prend non seulement en charge le relais multi-sauts, mais comprend également de multiples mécanismes pour améliorer la stabilité et la fiabilité du réseau.

1. Communication de données flexible et contrôlée

• Configuration dynamique de la cible : l’adresse cible peut être modifiée à tout moment via UWBRFAT+TXTARGET, permettant une commutation à la demande entre les modes unicast et broadcast.

• Mode de diffusion : en configurant l’adresse cible sur FFFF, les données sont diffusées à tous les modules ayant le même identifiant PAN. Le récepteur transmet l’adresse source, le RSSI et les données brutes (par exemple : SrcAddr : 0001 ; RSSI : -51,23 dBm ; Data : 1234567890).

• Traitement des données hexadécimales : lors de la transmission de données hexadécimales, les utilisateurs doivent analyser la charge utile valide (FramePayload) à partir du contenu de la trame reçue.

2. Fonctionnalités d'amélioration de la fiabilité

• Mécanisme d'auto-confirmation ACK :
  l'activation de UWBRFAT+ACKENABLE=1 ajoute une requête ACK aux paquets transmis. Le récepteur répond par un ACK en cas de succès (« ACK DETECTED »), sinon, « ACK WAIT TIMEOUT » s'affiche. Le mode diffusion (FFFF) ne prend pas en charge les ACK.

• Évaluation de la disponibilité du canal (CCA) :
  l’activation de UWBRFAT+CCANENABLE=1 permet au module de détecter la disponibilité du canal avant la transmission, évitant ainsi les interférences avec d’autres appareils UWB. En cas d’occupation du canal, la transmission est annulée et le message « Échec CCA » s’affiche.

• Fonction de filtrage d'images :

• Le module UWB650 ne reçoit que les paquets de données qui remplissent les conditions suivantes : l’identifiant PAN de destination correspond au sien, l’adresse de destination est 0xFFFF (diffusion) ou identique à sa propre adresse, la séquence de contrôle de trame (FCS) est correcte et le format du paquet est une trame de données standard conforme à la norme IEEE 802.15.4-2020. Les paquets qui ne remplissent pas ces conditions sont directement rejetés.

• Mode d'écoute (SNIFF) :
  Le module alterne entre les états de réception et de veille (environ 16 µs chacun, cycle de service de 50 %) afin d'économiser de l'énergie. Lors de la mesure de distance et du positionnement, le module passe en mode de réception continue pour des performances en temps réel. 

3. Stabilité et contrôle du réseau

• Limite de sauts : chaque paquet de données peut être relayé jusqu’à 10 sauts. Au-delà, les nœuds relais rejettent le paquet afin d’éviter la diffusion de données redondantes.

• Transfert orienté cible : les nœuds relais ne traitent que les paquets qui ne leur sont pas destinés, optimisant ainsi l’utilisation des ressources de calcul et de la bande passante.

 Toutes ces fonctionnalités peuvent également être configurées via notre logiciel de configuration PC propriétaire pour une utilisation simplifiée.

IV. Avantages de l'intégration UWB + Mesh

1. Surmonter les limitations de distance : positionnement de haute précision dans des environnements complexes

Les systèmes de positionnement UWB traditionnels nécessitent un déploiement dense de stations de base. Le système Mesh de l'UWB650 permet une communication indirecte entre les étiquettes et les ancres via des nœuds relais. Par exemple, dans une usine présentant des obstacles (colonnes, etc.), les étiquettes peuvent transmettre des données de distance à la station de base via des relais à proximité, atteignant ainsi une précision de ±10 cm sans ajout d'ancres supplémentaires.

2. Auto-organisation et auto-réparation : garantir la robustesse du réseau

Les réseaux maillés permettent l'ajout et le retrait dynamiques de nœuds (tels que des appareils mobiles ou des points d'ancrage temporaires) sans reconfiguration manuelle. En cas de défaillance d'un relais, les paquets sont automatiquement réacheminés (par exemple, A→B→C→D devient A→E→D), garantissant ainsi un positionnement et une communication ininterrompus — une solution idéale pour les mines, les opérations de secours d'urgence ou les environnements à haut risque.

3. Extension flexible et déploiement rentable

Les utilisateurs peuvent attribuer des rôles aux nœuds (Terminal / Relais / Hybride) en fonction des besoins de l'application. Dans les grands entrepôts, seuls quelques points d'ancrage fixes (pour le repérage des coordonnées) sont nécessaires, tandis que les étiquettes mobiles et les relais forment un réseau maillé couvrant de vastes zones, ce qui réduit considérablement les coûts matériels et la complexité de l'installation.

Le module UWB650, grâce à l'intégration poussée de la technologie UWB au réseau Mesh, représente une double avancée majeure : « Haute précision et large couverture » ​​et « Flexibilité et fiabilité ».
L'association des technologies UWB et Mesh offre une solution de communication sans fil plus flexible et fiable. NiceRF continuera d'investir et de se concentrer sur le développement des technologies de positionnement de haute précision et de l'Internet des objets intelligent.